基礎(chǔ)無機化學(xué)教學(xué)的思考與實踐*

龔孟濂 喬正平 巢暉

(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州 510275)

無機化學(xué)是高等院校化學(xué)化工類各專業(yè)本科生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是生命科學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等專業(yè)和師范院校相關(guān)專業(yè)本科生的一門專業(yè)必修課。作為大學(xué)階段的第一門化學(xué)課，無機化學(xué)是一門承前啟后的課程。教好、學(xué)好無機化學(xué)，對于提高相關(guān)專業(yè)的大學(xué)新生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，引領(lǐng)他們進(jìn)入大學(xué)階段化學(xué)的科學(xué)大門將起著重要作用。

在基礎(chǔ)無機化學(xué)教學(xué)中常遇到以下幾個問題：基礎(chǔ)與創(chuàng)新的關(guān)系、“授魚”與“授漁”的關(guān)系、怎樣講好緒論課以及如何形成自己的教學(xué)風(fēng)格。下面對這幾個問題闡述我們的觀點，并簡要介紹相應(yīng)的教學(xué)實踐活動。

1 基礎(chǔ)與創(chuàng)新

俄國化學(xué)家門捷列夫提出的元素周期律已成為現(xiàn)代化學(xué)的奠基石。無機化學(xué)的基礎(chǔ)就是建立在元素周期律上，它包括微觀和宏觀兩方面的內(nèi)容，即微觀結(jié)構(gòu)理論——原子、分子、晶體和宏觀理論——化學(xué)熱力學(xué)原理(含四大化學(xué)平衡)、化學(xué)動力學(xué)原理。1869年，門捷列夫提出元素周期律的表述是：“元素性質(zhì)隨著原子量的遞增而發(fā)生周期性的變化”，據(jù)此，他提出了第一張元素周期表。隨著20世紀(jì)20～30年代原子結(jié)構(gòu)被人類認(rèn)識，我們知道，元素周期律的準(zhǔn)確表達(dá)是：“元素性質(zhì)隨著原子序數(shù)的遞增而發(fā)生周期性的變化”。這是因為：當(dāng)元素按原子序數(shù)遞增順序依次排列時，原子最外層電子數(shù)目總是從1到8發(fā)生周期性的變化，即最外層電子構(gòu)型重復(fù)s1到s2p6的變化。因此，元素周期表中元素總是從堿金屬(s1)開始，以稀有氣體(s2p6)結(jié)束(第一周期s2)。而每一次這樣的重復(fù)，都是一個舊周期的結(jié)束和一個新周期的開始。同時，原子最外層電子數(shù)目的每一次重復(fù)出現(xiàn)，元素及其化合物的宏觀性質(zhì)就重復(fù)地表現(xiàn)出某些相似性，因為元素的化學(xué)性質(zhì)主要取決于元素原子本身的電子層結(jié)構(gòu)，尤其是最外層電子的構(gòu)型。所以元素最外層電子構(gòu)型的周期性變化，決定了元素性質(zhì)的周期性變化。從這個角度看，門捷列夫元素周期律本身，既包括宏觀性質(zhì)，也包括微觀結(jié)構(gòu)的周期性變化。

距離元素周期律提出140年后，現(xiàn)代化學(xué)理論已取得了引人注目的發(fā)展，尤其是在物質(zhì)結(jié)構(gòu)(原子、分子、晶體)、納米層次、介于分子和微米層次(超分子)以及涉及生物化學(xué)的領(lǐng)域[1-2]。但是，回首過去140年化學(xué)科學(xué)的發(fā)展可以看出，建立在元素周期律基礎(chǔ)上的無機化學(xué)基本理論體系并沒有被動搖，恰恰相反，這些新進(jìn)展都證明了無機化學(xué)基本理論體系的正確性。

如果學(xué)生只掌握化學(xué)基礎(chǔ)理論、知識、技能，并不能保證他們具有創(chuàng)新精神。必須認(rèn)識到：培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是一項綜合工程，需要在課堂內(nèi)、外采取一系列的措施進(jìn)行培養(yǎng)工作。我們在課堂教學(xué)中講好基礎(chǔ)理論的同時，還適當(dāng)介紹了有關(guān)領(lǐng)域的最新科學(xué)研究活動和成果，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力。如彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)由于在水分子和金屬離子的細(xì)胞膜通道方面做的開創(chuàng)性工作而獲得2003年諾貝爾化學(xué)獎，獲獎消息公布次日,我們即在無機化學(xué)課上簡介了他們的科研成果，說明從分子-原子水平研究生物的重要性。又如，在講解臭氧時，我們引用了NASA衛(wèi)星提供的南極上空最新的臭氧層空洞照片，并與1993年的相應(yīng)照片進(jìn)行對照，既說明臭氧的分子結(jié)構(gòu)和形成機理，又闡明無機化學(xué)理論學(xué)習(xí)與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。此外，我們還采取了開放實驗室、開辦創(chuàng)新性實驗、讓本科生參加教師主持的科研項目研究等措施。目前，我們學(xué)院約有20%左右的二年級以上本科生，已進(jìn)入了教師的科研課題組，接受初步的科學(xué)研究訓(xùn)練，而且部分本科生還在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了他們的研究論文。

2 “授魚”與“授漁”——知識講授與方法傳授

基礎(chǔ)無機化學(xué)課程內(nèi)容龐雜，容易使學(xué)生感到繁瑣、枯燥，失去學(xué)習(xí)興趣。如何處理好知識講授與方法傳授，即“授魚”與“授漁”的關(guān)系？

我們認(rèn)為：理論講解、知識講授是課程的基礎(chǔ)，不能離開課程內(nèi)容去講方法；方法傳授必須滲透到理論講解和知識講授中。在方法傳授中，重要的是引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的邏輯思維方法。在課程學(xué)習(xí)中，最基礎(chǔ)的邏輯思維方法就是演繹法和歸納法。在課程起始階段，由于學(xué)生欠缺化學(xué)基礎(chǔ)理論和知識，我們在教學(xué)時多采用演繹法，例如，先講解一個化學(xué)原理，然后再用它解釋若干化學(xué)事實。隨著學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)理論和知識的增加，逐漸增加歸納法方式的講授。例如，在講述化學(xué)平衡移動時，我們聯(lián)系熱力學(xué)原理，分別講述了濃度、壓力、溫度對平衡的影響，然后引導(dǎo)學(xué)生歸納、總結(jié)。我們還對考試方式做了改革，采取了“有限開卷，獨立完成”的考試辦法，要求學(xué)生在考試前對學(xué)過的無機化學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、歸納，并用兩頁紙寫出書面小結(jié)；在考試時，可以用這兩頁書面小結(jié)作參考進(jìn)行“有限度”的開卷考試。考試結(jié)束后，將小結(jié)與試卷一并上交，同時作為成績的評定依據(jù)?？荚囋嚲聿捎昧艘恍┚C合的、要求靈活運用各種基礎(chǔ)理論知識的題目，以考查學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。這種考試方式，能促使學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，學(xué)會總結(jié)、歸納，受到學(xué)生普遍的歡迎。我們的教學(xué)目標(biāo)是：不但要讓學(xué)生學(xué)好課程本身，而且要引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的邏輯思維方法，增強未來持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

3 重視講好緒論課

由于教學(xué)課時偏少，部分教師對講好緒論課不夠重視。俗話說：“萬事起頭難”；“好的開始，是成功的一半”。緒論課集中反映了教師對課程的理解、掌握和控制程度，對啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣有重要影響。因此，必須高度重視講好緒論課。下面是我們的無機化學(xué)緒論課的部分內(nèi)容示例。

面對大學(xué)一年級新生，我們在課堂上提出的第一個問題，就是“什么是大學(xué)？”這個問題并無標(biāo)準(zhǔn)答案，也沒有唯一答案，而且看似與化學(xué)無關(guān)，其實并不然。學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，比什么都重要。我們提出：大學(xué)是培養(yǎng)人才、服務(wù)社會的機構(gòu)，是思想寶庫和理想源泉；大學(xué)是學(xué)做人、做學(xué)問的地方；大學(xué)的特點就是“大大的學(xué)，自由地學(xué)，自覺地學(xué)”。提醒學(xué)生：你的夢想將在這里成真(Your dream is coming true here)。我們用先人的哲言激勵學(xué)生：“希望寄托在你們身上”(毛澤東，1957)、“今日之責(zé)任，不在他人，而全在我少年。少年智則國智，少年富則國富，少年強則國強，少年獨立則國獨立，少年自由則國自由，少年進(jìn)步則國進(jìn)步，少年勝于歐洲，則國勝于歐洲，少年雄于地球，則國雄于地球?！?梁啟超，1900)。我們的教學(xué)實踐證明：用幾分鐘談一談這些看似非化學(xué)的問題，可對學(xué)生起明顯的提醒和激勵作用。

由于欠缺化學(xué)知識，社會上有人存在對化學(xué)的不正確認(rèn)識。例如，有人認(rèn)為化學(xué)導(dǎo)致環(huán)境污染，有人認(rèn)為化學(xué)危害人的健康，更多的人不知道化學(xué)研究的內(nèi)容、化學(xué)為人類創(chuàng)造多少財富。我們在緒論課上，就理直氣壯向?qū)W生指出：化學(xué)是一門“中心科學(xué)”[3]。表1給出了化學(xué)與各門科學(xué)的研究對象及其相互關(guān)系。顯然，數(shù)學(xué)是其他各門自然科學(xué)的基礎(chǔ)。從研究對象而言，化學(xué)是一門承上啟下的中心科學(xué)：按照研究對象由簡單到復(fù)雜的程度，自然科學(xué)可以劃分為上游、中游和下游，數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游，化學(xué)是中游，材料科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)等是下游，也就是說，化學(xué)處在其他自然科學(xué)學(xué)科的連接點上。如果進(jìn)一步從研究對象尺寸角度看，化學(xué)正好處于物理學(xué)和其他科學(xué)的“包圍”之中，如表1所示。除了提供研究對象的物質(zhì)基礎(chǔ)外，材料科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境學(xué)研究中的許多重大問題，只有在分子水平上才能獲得解決，而分子及其各種凝聚態(tài)正是化學(xué)研究的主要對象之一。因此，化學(xué)理論的發(fā)展，促進(jìn)了材料科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、環(huán)境學(xué)的發(fā)展。環(huán)境污染、人的健康受損等情況，恰恰正是由于人們欠缺化學(xué)知識和其他知識而引起的。

表1 各門科學(xué)的研究對象及其相互關(guān)系

此外，在緒論課上，還應(yīng)該簡要指出課程的主要內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法、教學(xué)安排、考核辦法，列出主要參考書目和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源目錄，使學(xué)生在課程開始就知道要學(xué)習(xí)什么，應(yīng)該怎樣學(xué)。

4 努力形成自己的教學(xué)風(fēng)格

在使用多媒體技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)的條件下，教師的教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)藝術(shù)對于教學(xué)效果起著重要作用。不同的教師有不同的教學(xué)風(fēng)格，風(fēng)格無所謂好或不好；學(xué)生能從不同風(fēng)格的教師的教學(xué)中受益。

在課堂上，我們通常都站在學(xué)生面前或?qū)W生中間講課，有時在教室中邊走邊講解，與學(xué)生零距離接觸，這對吸引學(xué)生注意力及形成良好的師生互動有利。我們教的是廣義的無機化學(xué)：在教學(xué)內(nèi)容允許的情況下，可以把無機化學(xué)與哲學(xué)、歷史、經(jīng)濟(jì)、軍事、環(huán)境、生物、生活聯(lián)系在一起，力求既嚴(yán)謹(jǐn)，又生動。例如，原子結(jié)構(gòu)常被認(rèn)為是無機化學(xué)課程中難教、難學(xué)的章節(jié)，我們按照揭示原子結(jié)構(gòu)秘密的科學(xué)史線索來組織教學(xué)內(nèi)容，從居里夫人發(fā)現(xiàn)放射現(xiàn)象到氫原子線狀發(fā)射光譜、玻爾原子結(jié)構(gòu)理論(電子能量量子化，經(jīng)典電磁理論對微觀世界失效)，再到實物粒子的波粒二象性和測不準(zhǔn)原理(經(jīng)典力學(xué)對微觀世界失效)，最后引入核心內(nèi)容——量子力學(xué)對核外電子運動狀態(tài)的描述(薛定諤方程)并重點講述，使整個教學(xué)過程與科學(xué)發(fā)展史聯(lián)系在一起，在講科學(xué)故事中講結(jié)構(gòu)理論。學(xué)生對此表現(xiàn)出濃厚的興趣，在輕松、快樂的氛圍中學(xué)到了無機化學(xué)的理論和知識。

注意解決好教學(xué)實踐中的以上幾個問題，將有利于提高課程的教學(xué)質(zhì)量。我們的教學(xué)實踐得到了學(xué)生的認(rèn)可，多年來在化學(xué)學(xué)院本科課程的教學(xué)評估中，一直名列前茅。

[1] 洪茂春，陳榮，梁文平.21世紀(jì)的無機化學(xué).北京:科學(xué)出版社,2005

[2] 巢暉，高峰，計亮年.化學(xué)進(jìn)展.2007,19(12):1844

[3] 布里斯羅 R.化學(xué)的今天和明天——化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué).華彤文、宋心琦、張德和,等譯.北京：科學(xué)出版社，2001