元素化學(xué)教學(xué)的探索與實(shí)踐

徐敏

(廣州大學(xué)化學(xué)系 廣東廣州 510006)

元素化學(xué)教學(xué)的探索與實(shí)踐

徐敏

(廣州大學(xué)化學(xué)系 廣東廣州 510006)

剖析了目前國(guó)內(nèi)普通高校新生的特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀,闡述了作為化學(xué)專業(yè)第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程的無(wú)機(jī)化學(xué),特別是元素部分的教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的作用和重要性。介紹了對(duì)元素部分教學(xué)內(nèi)容和方法改革的具體做法。

無(wú)機(jī)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)第一門重要的基礎(chǔ)課程,因此,無(wú)機(jī)化學(xué)教師不僅要傳授無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),還肩負(fù)著改變應(yīng)試教育已形成的思維慣性以及那種對(duì)現(xiàn)成問題被動(dòng)應(yīng)答式的教學(xué)訓(xùn)練方式的重任。如何在無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,對(duì)于學(xué)生的整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)和今后的工作都將產(chǎn)生重要的影響。

近年來(lái)的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué),在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上都有不同程度的改進(jìn),如增加討論課,將以教為主變?yōu)橛懻撌降慕虒W(xué);增加與生活相關(guān)的內(nèi)容以及與現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展有關(guān)的前沿知識(shí)研究動(dòng)態(tài),以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。但總體講,對(duì)于創(chuàng)新教學(xué)理念、創(chuàng)新培養(yǎng)模式的探討較多,而關(guān)于課堂教學(xué)過(guò)程的研究較少;注重提高學(xué)生興趣的內(nèi)容多,而在教學(xué)過(guò)程中如何提高學(xué)生的綜合分析能力的內(nèi)容較少[1-5]。

為此,我們本著課堂教學(xué)以學(xué)生為本,以問題為中心的基本原則,在無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)中進(jìn)行了大膽嘗試和探索,收到了良好的效果,在下面進(jìn)行具體介紹。

1 引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)

積極創(chuàng)造條件,讓學(xué)生參與教學(xué)過(guò)程,使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),提高學(xué)生的自學(xué)能力。筆者曾做過(guò)調(diào)查,目前普通高校的學(xué)生除了所上課程使用的教科書外,看得最多的是習(xí)題集;專業(yè)參考書則很少有人問津,有意識(shí)地查閱有關(guān)學(xué)科新領(lǐng)域現(xiàn)狀和發(fā)展文獻(xiàn)的學(xué)生就更少了。許多剛進(jìn)入大學(xué)的學(xué)生自學(xué)能力比較差,除了上課、課后完成作業(yè),剩余的時(shí)間大多不知如何利用,也不會(huì)利用圖書館的資料和豐富的網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識(shí),對(duì)元素部分的學(xué)習(xí)更是缺乏興趣。事實(shí)上,元素部分的內(nèi)容是無(wú)機(jī)化學(xué)的核心,關(guān)于如何進(jìn)行這部分內(nèi)容的教學(xué),一直是無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)改革探索的重點(diǎn)。

由于元素部分的內(nèi)容與人類的衣食住行,能源的利用以及生命的過(guò)程等密切相關(guān),適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生參考有關(guān)的資料,有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。據(jù)此,我們將元素部分的內(nèi)容分成若干個(gè)專題,學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好選擇任一個(gè)專題通過(guò)小論文的形式進(jìn)行探討:可以針對(duì)單個(gè)元素或幾個(gè)元素對(duì)比,或是對(duì)某一族元素,甚至對(duì)整個(gè)周期的元素性質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行研究。內(nèi)容要求必須從結(jié)構(gòu)和理論的角度探討元素的性質(zhì)或性質(zhì)的變化規(guī)律;至少有 3篇參考文獻(xiàn);按照論文的形式撰寫 3000字以上。小論文將作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)的重要部分,并規(guī)定在系統(tǒng)講授相關(guān)內(nèi)容之前提交。教師從中選擇較好的論文讓學(xué)生上臺(tái)交流,以作為對(duì)課堂內(nèi)容的補(bǔ)充。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練,學(xué)生小論文的質(zhì)量明顯提高。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生的積極性很高,提交的論文涉及面也很廣,既有理論性的研究,如電負(fù)性、元素半徑的變化與化學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的內(nèi)在關(guān)系等;也有許多應(yīng)用性的研究,如貴金屬的分離、環(huán)境保護(hù)、藥物應(yīng)用等,討論的問題也逐漸深入。許多學(xué)生為了撰寫小論文,查閱了大量的專業(yè)參考文獻(xiàn)。這樣不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,促使學(xué)生參與了教學(xué),同時(shí)也引導(dǎo)了學(xué)生的選題和對(duì)文獻(xiàn)資料的查閱以及對(duì)問題的深入探討,使學(xué)生通過(guò)各種途徑學(xué)到許多新的知識(shí)和科學(xué)前沿的內(nèi)容。從而拓展了學(xué)生的知識(shí)面,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力

采用啟發(fā)式和討論式教學(xué),有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),讓學(xué)生感受、理解知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的科學(xué)精神。如對(duì)第一個(gè)惰性氣體化合物 XePtF6的發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行剖析。首先介紹反應(yīng) O2+PtF6→O2+PtF6-,然后分析此反應(yīng)中 O2的第一電離能(1175.7kJ/mol)與 Xe的第一電離能 (1171.5kJ/mol)類似,受此啟發(fā),嘗試類似反應(yīng) Xe+PtF6→Xe+PtF6-,從而獲得成功。這樣不僅學(xué)習(xí)了重要數(shù)據(jù)參數(shù)的作用,也使學(xué)生初步了解了新物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的一種研究思路。再如,在講 H2O2的性質(zhì)和應(yīng)用時(shí),我們給出了這樣的討論題“如果你要開發(fā)一種可以對(duì)有色衣物進(jìn)行漂白的產(chǎn)品,已知主要的漂白成分為 H2O2。問:最終產(chǎn)品應(yīng)是酸性還是堿性?如何避免 H2O2分解?”。通過(guò)熱力學(xué)數(shù)據(jù)以及動(dòng)力學(xué)因素,對(duì)影響 H2O2穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析,確定開發(fā)此類產(chǎn)品必須要避免的因素,從而不僅了解了 H2O2的性質(zhì),也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合分析問題的能力。在講錳及化合物的性質(zhì)時(shí),結(jié)合多核錳配合物的合成條件,共同討論“獲得混合價(jià)態(tài)錳的多核配合物的各種可能的合成條件,包括酸堿性、錳鹽和配體的比例、氧化劑的選擇、溫度等”,并與學(xué)生一起對(duì)多核錳如Mn25的合成條件進(jìn)行分析,不僅加深了學(xué)生對(duì)Mn的性質(zhì)的理解和記憶,還融入了現(xiàn)代學(xué)科的新知識(shí)。采取這樣的方式也使學(xué)生不再對(duì)元素教學(xué)的內(nèi)容感到單調(diào)和枯燥。

3 引導(dǎo)和拓展學(xué)生的思維

目前普遍存在的另一個(gè)問題是有些學(xué)生不會(huì)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題。大多數(shù)學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí),初步掌握了基本知識(shí),對(duì)于一問一答的方式,回答都很準(zhǔn)確;但對(duì)于一個(gè)實(shí)際問題,卻往往不知從何入手。為此,我們選擇和設(shè)計(jì)了一些理論聯(lián)系實(shí)際的內(nèi)容與學(xué)生一起進(jìn)行分析和探討。如講到 H2O2的性質(zhì)時(shí),結(jié)合其目前作為洗滌產(chǎn)品彩漂的主要成分,討論在H2O2的生產(chǎn)以及保存和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問題。具體包括:如果在某批產(chǎn)品的檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn) H2O2的含量不達(dá)標(biāo)(偏低),可能的問題來(lái)自哪里?貯存過(guò)程應(yīng)該注意什么?如果洗滌后發(fā)現(xiàn)織物在紐扣附近損壞嚴(yán)重,可能的原因是什么?這樣一些應(yīng)用實(shí)例,不僅能引起學(xué)生的興趣,也有助于拓展學(xué)生的思維,提高學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。再如,對(duì)一些物質(zhì)制備方法的介紹,過(guò)去只簡(jiǎn)單給出相應(yīng)的反應(yīng)式,往往一帶而過(guò);我們現(xiàn)在的做法是,首先選出典型的制備方法,啟發(fā)學(xué)生去思考所采納的方法和條件的目的和原因。如介紹鈹和單質(zhì)氟的制備,制備的具體條件分別是:NaCl和BeCl2在 350～400℃下熔融電解制鈹;KF與 HF的混合物(有時(shí)會(huì)加LiF或AlF3)熔融電解制單質(zhì)氟。請(qǐng)學(xué)生分析為什么采用熔融電解方法?NaCl和 KF的作用分別是什么?為什么不單獨(dú)采用 BeCl2或 KF或 HF熔融電解?通過(guò)討論,不僅突出了元素本身的性質(zhì),也進(jìn)一步探討了分子結(jié)構(gòu)中化學(xué)鍵的類型與性質(zhì)的關(guān)系,同時(shí)擴(kuò)展了對(duì)其他知識(shí)的了解和應(yīng)用。再如,介紹硅酸鹽的性質(zhì)時(shí),利用學(xué)生對(duì)硅酸鹽能形成“水中花園”的現(xiàn)象非常感興趣這一點(diǎn),組織相關(guān)的討論。如“硅酸鹽易于形成水中花園,其他的鹽是否可以,從結(jié)構(gòu)的角度探討為什么?”通過(guò)這樣的問題討論,不僅可以加深學(xué)生對(duì)硅酸鹽結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的理解和記憶,而且通過(guò)綜合分析,培養(yǎng)了學(xué)生從事物的本質(zhì)去分析問題的能力。

4 提高學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的能力和綜合素質(zhì)

元素性質(zhì)和制備實(shí)驗(yàn)是無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,如果只是按照實(shí)驗(yàn)步驟,照方抓藥,則只能起到實(shí)驗(yàn)基本操作訓(xùn)練和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的作用;而選擇具有代表性的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),與學(xué)生共同分析和討論在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象和結(jié)果,則不僅有利于他們對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn)的認(rèn)識(shí),也能提高學(xué)生分析問題的能力。如在講授鉻及化合物的性質(zhì)和特點(diǎn)時(shí),結(jié)合自選還原劑驗(yàn)證 Cr(Ⅵ)的氧化性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解 (這是一個(gè)對(duì)大一學(xué)生難度適宜的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)素材),學(xué)生在理論上對(duì) Cr(Ⅵ)的氧化性都有所了解,但用自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),對(duì)所得到的現(xiàn)象卻不知如何解釋。我們針對(duì)學(xué)生提出的方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論,使學(xué)生不僅了解了 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)的性質(zhì)和特點(diǎn),也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多種因素,如原料的相對(duì)用量、體系的酸度、還原劑的選擇(包括還原能力、還原產(chǎn)物的物態(tài)、顏色)以及對(duì)于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的影響都必須加以考慮。此外,通過(guò)對(duì) Cr(Ⅲ)隨溶液濃度的不同而顏色各異的原因進(jìn)行討論,進(jìn)一步闡釋 Cr(Ⅲ)的配合物的形成以及顏色產(chǎn)生的原因,涉及的內(nèi)容不僅包括化學(xué)反應(yīng),還有配合物的理論等。再如講到關(guān)于鈷及化合物的性質(zhì)時(shí),與學(xué)生一起分析和討論異核配合物[Co(en)2Cl2]3[Fe(C2O4)3]·4.5H2O的制備及其組成測(cè)定這一綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的合成、分離、離子的定性檢驗(yàn)等整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,并結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)反應(yīng)物的用量、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)果的影響進(jìn)行了討論,分析實(shí)驗(yàn)成敗的原因和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)以及進(jìn)一步研究的方向。學(xué)生普遍反應(yīng)強(qiáng)烈,能積極參與,課堂氣氛活躍。

5 提高學(xué)生分析問題的能力

我們?cè)诮虒W(xué)中改變了過(guò)去對(duì)每個(gè)元素按性質(zhì)、特點(diǎn)、制備、應(yīng)用進(jìn)行介紹,片面追求系統(tǒng)性和完整性的傳統(tǒng)做法,而以結(jié)構(gòu)為主線,從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其內(nèi)在關(guān)系分析元素和化合物的性質(zhì)及變化規(guī)律;緊扣結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—應(yīng)用的邏輯思路,通過(guò)對(duì)周期表內(nèi)的元素進(jìn)行橫向、縱向的對(duì)比,加深半徑以及電子層結(jié)構(gòu)的周期性變化對(duì)元素及化合物性質(zhì)周期性變化的影響以及物質(zhì)的性質(zhì)由量變到質(zhì)變的理解。如,為什么 SiO2與 CO2具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)?為什么由碳組成的化合物已有約 600萬(wàn)種,而同一族的元素硅組成的化合物卻少得多?為什么N和 P、O和 S、F和 Cl相鄰,但性質(zhì)差異卻很大?為什么 C和N相鄰,其單質(zhì)和化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)卻完全不同?為什么B的氫化物具有缺電子的多中心結(jié)構(gòu)?這些問題都可以從元素的半徑,價(jià)電子構(gòu)型以及鍵能數(shù)據(jù)得到解釋。再如為什么氣態(tài)鹵化鋁只有 AlF3是離子型且為單體,而 AlCl3, AlBr3,AlI3均為共價(jià)型的二聚體?為什么水的密度比冰的大?前者可以從元素的缺電子結(jié)構(gòu)以及給電子能力等方面進(jìn)行剖析;后者則可根據(jù)水分子之間形成的氫鍵在 0℃左右的結(jié)構(gòu)變化情況加以說(shuō)明,進(jìn)而使學(xué)生從本質(zhì)上加深對(duì)物質(zhì)性質(zhì)變化的影響因素的理解。

6 小結(jié)

多年來(lái),在元素化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中采用了以上教學(xué)方法,使學(xué)生不僅對(duì)元素部分的理論而且對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的興趣都明顯提升,對(duì)問題的看法也不再那么單一和絕對(duì),大大改變了對(duì)現(xiàn)成問題被動(dòng)應(yīng)答式的思維慣性,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析問題、解決問題的能力。同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力,教學(xué)效果也明顯得到提高。

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