【教育線上】許諾新世代嶄新的化學教育

■二十世紀末,各種關於化學的負面影響,開始為化學界蒙上一層陰影。除草劑(DDT)造成的生態浩劫,戴奧辛引起癌症、胎兒缺陷,原本治孕婦晨吐的沙利竇邁害婦女生下畸形嬰兒、氟氯碳化物與臭氧破洞、1984年40噸異氰酸甲鉛外洩人口密集區,造成慘絕人寰的印度博帕爾事件……。

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圖片來源|wikipedia

作者|陳長謙 Sunney I. Chan(中研院前副院長,化學所特聘研究員)
譯者|吳宜恬

上個世紀以來,人們見證了「化學界的文藝復興」。從各種元素的發現與命名、分子形成規律的推演,到分子如何自行排列原子組成新分子……,各種新發現讓人們可以以人工在實驗室合成出想要的分子;人們擁有更多唾手可得的工具,去預測未來可能出現的分子,甚至一窺其性質,還有它的各種化學反應。化學的發展欣欣向榮,內容逐漸開枝散葉,最後人們不得不把它再細分為更多更小的專門學科。

發展前景人人看好的化學界,如今卻遭遇瓶頸,陷入自我認同危機當中,不幸地驗證了爬得越高卻摔得越重這句俗諺。這幾十年來,世人越來越容易將化學這兩個詞,和負面的字眼聯想。普羅大眾對化學越來越有距離感,甚至視化學為人類苦難的元凶,怪罪化學造成癌症、環境汙染、全球暖化,還有氣候變遷。

但若理性思考,你會發現人類一直生活在一個由化學物質組成的世界中,任何事物都是由分子建構而成。古巴比倫人就曾提出,化學代表了「風、火、地、土」四個元素。不論你願不願意承認,化學都是我們最親密的朋友。

現在,讓我們回溯這半個世紀以來,化學家們如何創造出新的分子,為我們的生活帶來徹底而深遠的改變。

老一輩的人或許聽過杜邦藥廠1935年創造出的廣告詞:「透過化學,我們給你更好的東西、更好的生活。」杜邦是美國最大的化學企業,對提升人們生活的貢獻之大,大概只有福特汽車和通用汽車能與之比擬。但是情勢比人強,1985年,廣告詞中的「透過化學」四字被正式剔除;1999以降,新的廣告詞被改為「科學奇蹟」。

細數杜邦的發明,包括潛水橡膠、尼龍、鐵氟龍、美拉等等聚合物和塑膠產品;冷凍工業常用的氟氯碳化物,和後來比較友善環境的冷媒。除了杜邦外,二十世紀還有太多改變人們生活方式的化學公司。巴斯夫、雪弗龍、陶氏化學、殼牌機油、柯達、愛美森克孚、奇異、孟山都、3M……不勝枚舉。這些公司發明新的化合物,並用它們製造的各種產品,已經成為我們的生活必需品。例如聚乙烯製造出食品容器和玩具,乙二醇是汽車阻凍劑的主成分,外用酒精、保鮮膜、密封塑膠袋等等。

50到70年代的這些發明,想當然出自化學家們的創意。也因此造就當時市場上對化學系學生們的大量需求,加之優渥的待遇、豐富的資源、可以大顯身手的舞台,一份在化學公司的職位,對本科系學生來說簡直是夢寐以求,吸引力遠高於在學界發展。廠商們捧著資源經費,給一踏進門的畢業生們自由做研究和發展(研發)。可想而知,那時化學系學生對畢業進入化學產業界工作,是滿懷憧憬的。

可惜,好景不常,二十世紀末,各種關於化學的負面影響,開始為化學界蒙上一層陰影。除草劑(DDT)造成的生態浩劫,戴奧辛引起癌症、胎兒缺陷,原本治孕婦晨吐的沙利竇邁害婦女生下畸形嬰兒、氟氯碳化物與臭氧破洞、1984年40噸異氰酸甲鉛外洩人口密集區,造成慘絕人寰的印度博帕爾事件……。

這些慘劇仍歷歷在目,造成今日我們很少聽到媒體對化學歌功頌德了。相反地,媒體開始悄悄把「化學」兩字以「生物科技」替換,讚揚它發明威而鋼、施德丁(降膽固醇藥)、糖尿病藥等等藥品。實則這些發明皆要倚賴化學,化學並沒有滅亡,它只是換了一個形式繼續活躍於人類世界中。

為防範未然,政府從80年代後,開始訂定更嚴謹的法律以保護人民與環境。但更嚴苛的法律,代表產品從實驗桌上到量產要經歷更複雜的檢視,花費更多的支出。到最後,研發開始變得不符成本,化學公司不得不漸漸淘汰研發部門,改而外包學術機構做研究或收購小公司來擴展自己公司的產品。

近期,基礎和應用研究則大概都在藥商或生醫產業裡發展,如嬌生(Johnson & Johnson)、羅氏(Hoffman LaRoche)等等。不過考量藥品研發、通過美國食品藥物管理局(FDA)核准的種種作業曠日廢時且開銷驚人,研發這項職務在製藥業的前景也變得黯淡。

從以上論述可知,當今化學的就業市場供過於求,化學的前景已不比昔日。更糟的是,我們還在用40年前的老方法訓練學生!難怪當今的年輕人寧願投入醫藥、企管、法律等更有利可圖的領域,也不願選化學為志業。

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圖片來源|www.privateschoolreview.com

化學教育面臨關鍵抉擇      
如果化學想要維持它在三大物理科學(還有數學和物理學)內的地位,並繼續發揚光大,那麼它絕對需要一個徹頭徹尾的大整修。

雖然,我們已經採用不同課本來教大一化學、有機化學和物理化學,但教材內容卻仍和1960年代大同小異。雖然化學系精細地把學科劃分為分析、有機、無機和物理化學,但卻忽視一項事實—當今各化學學門間,早已沒有清楚的楚河漢界!一學門的研究成果,極可能借鏡於另一學門的概念、方法甚至工具。今天,專長在不同領域的化學家們合作已不是例外,而是常態。

可惜,今日許多教師並不熱衷合併各門學科,傳授學生統整性的知識。反之,我們看到涇渭分明的學科間,出現一堆重複的內容;我們不斷加入新的知識,希望學生能在短短四年內吸收所有內容;新的學科不斷被加入課綱,化學生物、材料化學……,製造出各學門間更大的鴻溝。我們收到的成效越來越不明顯,最後我們不得不正視這個嚴重的問題—我們的教育體制就算不是過時,也已經支離破碎,唯一的辦法只有修整。

近50年,化學已經取得相當的進展,其中,基礎化學的發展幾乎已臻成熟,我們已經可以就化學原理預測分子的結構和性質,甚至它的反應。這幾年來,化學領域也已經進展到了應用的階段。

化學也慢慢在其分支學科中被廣泛提及與應用,如生命科學、材料科學、大氣科學等等。因為利用化學原理去探討問題,這些學科的發展有了新的動能、新的突破,而突破,帶動這些學科的研究熱潮,造成越來越多人願意投入這些領域,試圖在其中找到自己的一片天地。這股熱潮對我們這群教育工作者有不同的影響,這群年輕人在我們眼中是「使用」化學者,而非化學家,我們必須以不同角度教他們化學,培養他們在化學分支學科中,解決問題的能力。

基礎化學仍然充滿可能性與活力
基礎化學未死!「化學合成」,基礎化學中最重要的分支,在近期的重要性可為佐證。化學家們發揮創意,在腦海中的繪出3D分子構想圖,再藉由化學合成,將之轉化為真實。這是個充滿未知的領域,因為我們永遠猜不出化學合成專家們會創造出什麼新的分子。只要化學家們願意讓想像力飛馳,那麼化學合成永遠能製造出新的分子。也就是說,只要化學家們勇於作夢,那麼化學永遠是個極為重要的學科,因為,它是一切的基礎。

另外,大自然中總是有新的化學作用可供我們研究和學習,不論多困難的化學轉化,向大自然取經總是收穫匪淺。從我自己20餘年研究亞甲苯如何在常溫轉化為甲醇的經驗中,我必須承認大自然給了我太多啟發。這研究也讓我相信,就算憑我們固有知識,仍無法預料化學會給我們怎樣的驚喜,這領域仍然有太多未窮盡的事物等著我們去探究。

同理,人們可以觀察自然如何在生態系統中執行某些化學作用,然後設計出新的觸媒,在人工環境中產生這樣的作用。一個全新的化學合成方法誕生:人們從自然中得到靈感,推演出新的化學原則,然後以此做出化學合成。

化學家們也可轉向研究材料、生態系統、甚至地球科學,這些領域中其實藏著無窮的研究資源。畢竟,600億年的地球演化,能在生態系統中,孕育出何其多的新化學知識!化學知識還未窮盡,只待我們去發掘。想想在高壓的地函中,那裡必定有新的化學物質存在,還有未知的化學轉化在發生,這是多麼令人振奮的事!

化學界仍有無限可能,在化學系中學應用化學,未來還是有許多可以揮灑的空間。

以上論述只是想表明,新一代人才欲發揮所學,在化學界開拓新疆域與視野,是充滿機會與可能性的。如今萬事俱全,只欠東風—我們教育工作者如何啟發、引導學子,培養他們成為這一個世紀的萊納斯·鮑林或羅伯特·伍德沃德?

身為大學中的教育者,我們的終極目標是傳授知識給學生,指導、啟發他們潛能,甚至挑戰他們的極限。但首先,我們必須讓他們學會批判性分析的技巧,讓他們參與思想上的提問與交流,最後提升他們的成就。這些都不是一蹴可及的任務,許多教育工作者的職前訓練並不包含這一領域。

從1980年代起,投身化學領域的年輕人人數驚人地下降。少數選擇化學的人,對這門學科也不再抱有幻想,對於學習化學更談不上熱忱,留下的人中,還有為數不少的最後仍決定投入別的領域。這並不是單一個案,全世界都面臨類似的問題。

如果這樣的情況持續一個世代之久,不久的未來,當我們從化學系上的崗位退下來,可能就沒有對化學抱持熱忱的年輕一輩,能接替我們的位子了。

年輕人對化學冷漠,我們教育工作者責無旁貸。其中,一陳不變的課本是迫切需要改革的一環:化學課本應該要反映這五十年來的新發現、進程,重點應放在基本原則的闡釋,而非一味灌輸僵硬的知識。不同學科用的課本也應該要被併列檢視,將重複的內容刪除。另外,課本內容應該更富教育性,而不是像百科全書般冰冷。因為,學生需要的絕對是更多洞見,而非僅僅陳述事實。

中高等教育的科學教學也需要一番改革,未來才能有更大進步。在這個資訊爆炸的年代,學生們需要的是能和生活連結的科學知識。對高中生來說,應該先理解化學的大原則,如化學鍵、化學性質等等。進入大學後,再加深內容,更重要的是要讓他們理解,化學新發現的可能力、化學的創造力,最後是介紹學生相關的學科,如材料化學、環境化學等等。

還有,我們必須放棄「澆灌式」教學,不合理地強迫他們囫圇吞棗,改而引領學生去「品嚐」化學知識的美妙。我們更要讓他們看見不同學科間的連結,時時提醒他們各學科都是屬於化學的一部分。我們要教學生一輩子能應用的能力:思考、分析、創新創造的能力,加上一顆永遠想學習、探索、作夢的好奇心。

另外,化學是個發現的科學,我們莫忘動手操作的重要性,不下理論與研究。還有,新科技能給予我們的學習方式十分多元,我們應該善用今日先進的計算科技,去模擬分子模型;善用網路資源輔助學習,例如鼓勵學生利用全球資訊網自學、用社群網路集體討論科學……。

化學教育是充滿彈性的,沒有一體適用的標準,每個機構、每個地方都應該就自己需求量身打造合適的教育方式。

最後,透過教育,我們不只期待學生未來對學界做出貢獻,更應該鼓勵他們在其他職涯選擇發展,例如從事化學中等教育、風險分析、法律制定、化學安全……。我們也該將眼光放到K12(幼稚園到十二年級)的學子身上,從小培養他們的化學素養。我們該把化學教育視為和讀寫、數學、語言等依樣重要的學科。

我從事化學教育已邁入第五十個年頭,就這些年的觀察與體悟,我寫下這篇文章,希望我們能正視化學教育的重要,透過革新化學教育,許諾下一代全新的發展可能性。

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原文標題:Opportunities for Innovation in Chemical Education
「2013亞洲化學教育國際研討會」的大會特別演講

原文刊載:Chemical Education Journal (CEJ), Vol. 15, No. 2
Special Issue featuring the 5th Conference of the Network of Interasian Chemistry Educators (NICE)
URL = http://chem.sci.utsunomiya-u.ac.jp/cejrnlE.html

作者介紹:
陳長謙院士係美國加州柏克萊大學化學系博士(1960),現任中研院化學研究所特聘講座、國立台灣大學特聘講座教授,以及加州理工學院生物物理化學榮譽講座教授。陳院士於1999年至2003年擔任中研院副院長。主要的研究方向為生物化學、生物物理學。陳院士係國際核磁共振譜學、生物細胞膜與膜蛋白之權威學者,1997年為李前院長遠哲聘請返國服務。陳長謙院士於1988年當選中研院院士,並於2010年獲選「美國人文與科學院」、2010年獲選「國際自然科學院」院士。

責任編輯:臺大科教中心主任、化學系教授 陳竹亭。

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