如何重塑大学入门课程体系：以哈佛大学为例

引言

大学化学

基于全球视野与分子角度的前言和基础

传统高等教育中化学与物理学科相互割裂的教学模式，已难以适应未来社会对复合型人才的需求。学生往往在“公式优先”的教学方法中迷失方向，无法将抽象理论与现实问题相联系，导致科学素养的缺失与创新能力的断层。那么，我们应如何推动学科交叉融合，打破化学、物理学等基础入门科学的教学壁垒，培养具备科学素养与战略视野的复合型人才？哈佛大学詹姆斯・G. 安德森教授在“University Chemistry：Frontiers and Foundations from a Global and Molecular Perspective”这本面向高等学校的大学化学教材中，试图通过将核心科学概念置于全球性议题的广阔背景中——如能源转型、公共卫生、国家安全与技术创新——以引导学生在理解热力学、量子力学、催化过程等基础理论的同时，搭建一条科学与社会的“桥梁”。

以下内容基于《大学化学——基于全球视野与分子角度的前沿和基础》的原著前言整理

大学有责任及时预见当今的毕业生在未来几十年将面临什么，据此进行课程改革，为他们提供必要的基础。现在的大学毕业生面临着诸多议题：哪些技术力量正在塑造现代世界？创新的前沿在哪里？这些进步不仅在技术上，而且在国际经济、政府、伦理、公共卫生、法律和教育等专业领域将产生怎样深刻的影响？哪些公共政策是建立在对科学技术的深入理解之上的，哪些不是？在国民经济和社会结构中，哪些能够顺应新兴科技进步，哪些没有？

迄今为止，越来越多的研究表明，美国的大学毕业生在很大程度上既缺乏物质科学的基础知识，也缺乏基于这些知识而对社会和国家未来的相应判断。更多的研究和针对美国大三、大四学生以及毕业当天的采访记录表明，我们需要重新考虑教育策略。

研究表明，大学中缺乏能够积极应对快速变化的国际竞争格局所必需的科学基础，原因是化学和物理学的入门课程分别作为独立的科目讲授。课程分开讲授，人们仅关注本学科的知识和背景，导致学科间相互排斥而非相互包容，而极具创造力和天赋的人被挡在科学领域之外，这成为一个不可逆转的流失过程。更为重要的是，这种学科间的相互排斥在大学生和科学之间留下了一道鸿沟。显然，这一切最终在学生毕业后将投射到社会结构中——既不利于科学发展，也难以很好地服务于社会。

还有其他一些重要的因素，要求我们重新评估大学化学课程的教学策略。首先，应认识到物质科学是解决当前和未来所面临的重大问题的关键。例如，2050年全球人口将接近100亿，同时发展中国家的生活水平迅速提高，要满足快速增长的能源需求将是人类面临的一项挑战。这是人类发展历史上前所未有的情形。从16万年前人类出现，历经了7000余代全球人口才达到20亿。如今，仅在一个人的寿命的时间跨度，即从1945年至2045年，世界人口将从20亿增加到大约100亿。为当今全球社会提供能源是一项每年8万亿美元的宏图大业。为了应对人口和人均收入的增长，能源生产规模的加大以及随之而来的影响将考验着人类的极限。例如，从现在到2050年，全球每天需要新建相当于两座大型化石燃料火力发电厂的能源设施才能满足人们对能源的需求。尽管一次能源生产方式的限制已暴露出这种发展路径的后果，但未来四十年每天建造两座大型火电厂说明了全球对一次能源发电需求不断增长的规模。

国家安全、经济竞争性考量和人类健康应当是公共政策的主导议题。然而公共政策在很大程度上受制于必要信息和观点的匮乏，而这些信息和观点本应是现代大学教育不可或缺的组成部分。目前的数据统计显示，大学毕业生本身也是问题的一部分。全社会必须解决全球能源需求与政策选择约束之间的冲突。这是一项挑战，其所需答案将依赖于从现在开始并将持续数十年的科学和技术的发展。这一切又赋予化学新的范式，即需要在分子水平上掌握热力学、电化学、量子力学、分子键合、动力学、催化、材料和生物过程。

另有一种观点启发人们重新评估大学里化学的入门课程。这种观点来自一个迥然不同的逻辑。具体而言，就是研究学生如何学习科学原理和发展定量推理技能。目前，在化学入门课程中采用的策略是：提供涵盖基本公式和理论的讲座和讲义，然后布置习题。已有确凿证据表明“公式优先”的教学方法存在两个基本的失败之处。首先，它导致了“空洞的知识”，虽然授课老师清楚了解知识的背景，但学生无法将知识与背景联系起来，通常情况下，也无法将这些知识与他们对未来的愿景联系起来。结果，这种“公式主义”演变成了大量毫无意义的符号和需要记忆的知识。研究表明，以这种方式获得的知识在大脑中被碎片化，后期再建立事实与碎片的联系比从一开始就把知识合理归纳要困难得多，而且效果也大打折扣。

这个问题最常见的症状是，在面对没有明确学习过的情况时，学生无法识别这些概念何时适用，何时不适用，而如今中学科学教育模式中广泛采用的标准化测试加剧了这一问题。

“公式优先”教学方法的第二个失败之处，则关系到学生对该学科的态度、学习的最佳方法以及学习兴趣。如果学生一开始将这门学科视为抽象公式的集合，则会将其归类为“抽象、无意义的知识，学习它的唯一方法就是死记硬背”。针对学生科学态度的研究显示，教师很少能成功消除一开始就引入抽象公式造成的损害。这种与学生过去的知识和经验以及他们未来的愿景之间的强有力联系的缺乏，也会导致学习的长效性大大降低。

相比之下，如果在引入新的概念性内容之前，先给出一个引人关注并有待解决的问题，那么在解决该问题或相关系列问题的背景下，再引入公式，可以使得这些概念与更广的知识背景形成有效的联系。这为学习者理解科学原理提供了更强大和更有用的知识基础。

大学化学

《大学化学——基于全球视野与分子角度的前沿和基础》的诞生，承载着詹姆斯・G. 安德森对科学传承与全球挑战的思考。

该书的目标是：

（1）确定化学和物理学原理在不断变化的全球挑战中发挥的核心作用。

（2）发展核心概念，包括能量和能量转换、热力学、化学平衡、酸碱和氧化还原反应、电化学、量子力学、化学键、动力学、催化、材料与核化学。

（3）建立核心概念与更广泛的全球背景之间的直接联系。

该书的章节结构由三个要素组成。第一，每章开篇为“框架”(Framework)，建立广阔的知识背景，指明为什么涉及的科学概念对于科学技术在应对全球范围内迅速出现的挑战方面的作用至关重要。第二，每章“核心内容”(Core)，阐述现代物质科学核心的定量概念。第三个要素是“案例研究”(CaseStudies)，它将每个章节的核心概念与更广泛的全球背景联系起来。这些案例研究又分为三类：

（1）旨在建立定量推理技能的案例研究。

（2）旨在建立技术支柱的案例研究。

（3）旨在建立全球能源支柱以满足急剧增长的对一次能源发电需求的案例研究。

正如下图所示，案例研究中的例子，将当代物质科学和技术的核心概念与人类健康、技术领导力、创新材料、国家安全、能源生产和分配、气候结构反馈以及国际谈判等全球概念联系起来。

该书将背景和概念结合起来的探索，并不意味着这些变化是以牺牲科学原理发展的严谨性为代价。合理设置背景内容和科学原理结合的深度，是为了让学生做好必要的准备，以便当今和未来在科学和社会的国际竞争中获得成功。

结语

大学化学

基于全球视野与分子角度的前言和基础

正如安德森教授在文中提到的，重构大学化学入门课程直接面对的是数十年的传统，但无论这些传统多么根深蒂固，都为推动变革提供了非凡的机会，使得该学科对学生和教师都具有更重要的地位。

原著作者

詹姆斯·G. 安德森（JamesG. Anderson）

哈佛大学教授，美国国家科学院院士、美国哲学学会院士、美国艺术与科学学院院士、美国科学促进学会院士、美国地球物理联合会院士，教育部化学“101计划”专家组中的三位外籍专家之一。

获得了卡米尔和亨利·德雷福斯基金会最高荣誉，华盛顿大学校友SummaLaudeDignatus奖，哥廷根科学与人文学院Lichtenberg奖章，英国皇家化学会Polanyi奖章，芝加哥大学Benton公共服务奖章，Smithsonian美国物理学创新奖等。

《大学化学——基于全球视野与分子角度的前沿和基础》

[美]詹姆斯・G. 安德森（James G. Anderson）

高松 王颖霞 等 译

书号：9787030804617

定价：298元

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