如何加強(qiáng)和提高元素化學(xué)教學(xué)*

謝鋼 楊奇 陳三平 高勝利

(西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 陜西西安 710069)

大一無(wú)機(jī)化學(xué)課程中的元素化學(xué)教學(xué)一直是基礎(chǔ)課教師關(guān)注的焦點(diǎn)之一。一些中國(guó)科學(xué)院院士也對(duì)此給予了關(guān)注[1-5]。近年來(lái)，很多一線教師根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐探索總結(jié)了不少教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)表了很有見(jiàn)地的論文[6-19]，例如歸類法、與化學(xué)史結(jié)合、與生活結(jié)合、與應(yīng)用結(jié)合等講法，都取得了很好的教學(xué)效果。筆者擬以西北大學(xué)大一無(wú)機(jī)化學(xué)元素化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，談?wù)劶訌?qiáng)和提高元素化學(xué)教學(xué)的一些理念和做法。

1 元素化學(xué)是無(wú)機(jī)化學(xué)的主脈

通常，大一化學(xué)課程按照內(nèi)容被劃分為兩個(gè)部分：化學(xué)原理和元素化學(xué)。其中元素化學(xué)部分是無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)的主脈，主要是按照元素周期表系統(tǒng)地介紹元素及其化合物的制備、性質(zhì)、反應(yīng)性以及它們之間的聯(lián)系和規(guī)律，是完成無(wú)機(jī)化學(xué)課程的重要環(huán)節(jié)。兩部分的有機(jī)結(jié)合保證了大一化學(xué)課程的完整性。再則，大一化學(xué)課程中元素化學(xué)內(nèi)容的重要性還在于:許多專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)階段的學(xué)習(xí)中可能再也不會(huì)遇到系統(tǒng)介紹元素的課程了。

加強(qiáng)元素化學(xué)教學(xué)是學(xué)科發(fā)展的需要。徐光憲先生曾撰文說(shuō)21世紀(jì)的化學(xué)將在與物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源、海洋、空間科學(xué)的相互交叉、相互滲透、相互促進(jìn)中共同發(fā)展[1]。就是說(shuō)，隨著科學(xué)的發(fā)展, 冶金、地質(zhì)以及航空航天、電子、激光、環(huán)境、能源、材料和生物工程等新興工業(yè)和尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)無(wú)機(jī)化學(xué)提出了新的要求，無(wú)機(jī)化學(xué)除了一方面繼續(xù)發(fā)展自身以外，另一方面還在向其他學(xué)科如生物、有機(jī)、環(huán)境科學(xué)等滲透，出現(xiàn)交叉學(xué)科。顯然，它要反映在無(wú)機(jī)化學(xué)的元素教學(xué)過(guò)程中, 必須注意將與無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)的新技術(shù)、新方法、新材料以及科學(xué)研究的最新成果融入到無(wú)機(jī)化學(xué)的元素教學(xué)中，以保證無(wú)機(jī)化學(xué)教材的先進(jìn)性。

2 提高元素化學(xué)教學(xué)質(zhì)量

2.1 建立以區(qū)劃分內(nèi)容加強(qiáng)通性講解的教學(xué)體系

元素化學(xué)的講述方法各異，各有千秋。建立以區(qū)劃分內(nèi)容(即s區(qū)、p區(qū)、d區(qū)和f區(qū))，加強(qiáng)通性講解的教學(xué)體系是其中一種較為科學(xué)的方法。因?yàn)橹挥兄芷谙挡拍軐儆喾N元素聯(lián)系在一起，能表示出元素之間橫縱、上下、左右、對(duì)角、區(qū)域性的關(guān)系。講解各區(qū)通性，就能讓學(xué)生了解元素在周期表中的位置、全貌和共性，體會(huì)個(gè)性與共性、局部和全體的哲學(xué)思想，從而啟發(fā)學(xué)生利用和發(fā)揮某元素性質(zhì)的想象力。

例如講s區(qū)，其通性為：(1) 從上到下電離能、電負(fù)性減小，金屬性、還原性增強(qiáng)，原子半徑增大；(2) 從左到右原子半徑減小，金屬性、還原性減弱，電離能、電負(fù)性增大；(3) 都是最活潑的金屬；(4) 同一族自上而下性質(zhì)的變化有規(guī)律；(5) 通常只有一種穩(wěn)定的氧化態(tài)；(6) 形成的化合物大多是離子型的。究其原因？一切歸于原子結(jié)構(gòu)。

講p 區(qū)元素的通性，則必須講到P區(qū)元素的化學(xué)特點(diǎn)是其多樣性，包括：(1) 唯一同時(shí)包括金屬和非金屬元素的一個(gè)區(qū)；(2) 無(wú)機(jī)非金屬材料庫(kù)(如人造金剛石、分子篩、高能燃料、硅單晶材料、納米半導(dǎo)體材料、碳-碳復(fù)合材料、太陽(yáng)能電池材料和光子帶隙材料等)；(3) 包括 “不活潑的單原子氣體——稀有氣體”；(4) 有毒的小元素群；(5) 多有同素異形體；(6) 成鍵的多樣性(如乙硼烷的3c-2e鍵等)；(7) 區(qū)域性的規(guī)律性(如惰性電子對(duì)效應(yīng)，對(duì)角線規(guī)則等)。

講d區(qū)元素的通性，則必須強(qiáng)調(diào)d區(qū)元素的化學(xué)就是d 電子的化學(xué)，其特征不同程度上與價(jià)層 d 電子的存在有關(guān)，至少表現(xiàn)在：(1) 熔、沸點(diǎn)高，硬度、密度大的金屬大都集中在這一區(qū)；(2) 不少元素形成有顏色的化合物；(3) 許多元素形成多種氧化態(tài),從而導(dǎo)致豐富的氧化還原行為；(4) 形成配合物的能力比較強(qiáng)，包括形成經(jīng)典的維爾納配合物和金屬有機(jī)配合物；(5) 參與工業(yè)催化過(guò)程和酶催化過(guò)程的能力強(qiáng)。

講f區(qū)元素，則重點(diǎn)在于介紹稀土元素：(1) 各種規(guī)律：特征的正三價(jià)氧化態(tài)，鑭系收縮的單向變化，雙峰效應(yīng)，離子顏色的周期性變化，斜W規(guī)則，奇偶變化等；(2) 中國(guó)稀土的豐富資源，三大產(chǎn)地，五大特點(diǎn)；(3) 稀土的分離化學(xué)；(4) 稀土的應(yīng)用。

在講解各區(qū)元素通性的同時(shí)，要注意對(duì)各區(qū)重點(diǎn)元素及其化合物的存在、制備、性質(zhì)和用途的講解。

2.2 注重化學(xué)原理對(duì)元素化學(xué)的指導(dǎo)和應(yīng)用作用

在教學(xué)中，應(yīng)注重利用原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、氧化還原等無(wú)機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)去理解、判斷、解釋元素及其化合物的性質(zhì)與結(jié)構(gòu),使兩者有機(jī)結(jié)合。無(wú)機(jī)化學(xué)的主體是元素和化合物，只有通過(guò)這種結(jié)合才能真正消化理論，才能真正理解元素本體。例如，同一族的N2和P4同是獨(dú)立小分子結(jié)構(gòu)，但性質(zhì)差別卻很大，這是由于成鍵不同引起的，反過(guò)來(lái)可引申到分子軌道理論概念，進(jìn)一步指導(dǎo)對(duì)其性質(zhì)、制備原理的理解。再如對(duì)CO、SO2等分子結(jié)構(gòu)的講解，使學(xué)生了解物質(zhì)反應(yīng)性不同的原因，并更加全面了解不等性雜化軌道，如sp和sp2雜化軌道。還可舉出有機(jī)苯-無(wú)機(jī)苯、金剛石-立方氮化硼、石墨-立方氮化硼，可說(shuō)明等電子物種的相關(guān)性；又如BX3酸性的大小順序是BF3

2.3 強(qiáng)調(diào)元素和化合物在周期表中的規(guī)律性講解

加強(qiáng)對(duì)元素和化合物在周期表中的規(guī)律性講解，這也是深入元素化學(xué)講解內(nèi)容和加強(qiáng)其與理論部分結(jié)合的好方法。例如含氧酸的氧化還原性(包括含氧酸氧化還原性的周期性、影響含氧酸氧化能力強(qiáng)弱的因素)，無(wú)機(jī)酸強(qiáng)度的變化規(guī)律(包括影響無(wú)機(jī)酸強(qiáng)度的直接因素、氫化物酸性強(qiáng)弱的規(guī)律、含氧酸的酸性強(qiáng)弱規(guī)律)，鹽類的熱分解(包括無(wú)機(jī)含氧酸鹽熱分解的類型和規(guī)律、無(wú)機(jī)含氧酸鹽熱分解的本質(zhì)和對(duì)某些規(guī)律的解釋)，無(wú)機(jī)化合物的水解性(包括影響水解的因素、水解產(chǎn)物的類型)，離子晶體鹽類的溶解性(規(guī)律性及其解釋)，第二周期性(次周期性)和區(qū)域規(guī)律性[21]等。這些不但是講授內(nèi)容的深化，而且還能讓學(xué)生學(xué)會(huì)歸納法，引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的邏輯思維方法,提高他們持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

總之，在大一化學(xué)中，元素化學(xué)教學(xué)是基礎(chǔ)無(wú)機(jī)化學(xué)課的重要部分，必須不斷進(jìn)行研討、改進(jìn)、加強(qiáng)，才能獲得良好的教學(xué)效果。此外，提升授課藝術(shù)也很重要。例如，我們?cè)谥v授化學(xué)原理部分時(shí)采用的大綱式教學(xué)法[22]也適用于元素化學(xué)教學(xué)；在講課中，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情，采用適當(dāng)引入元素化學(xué)史料、結(jié)合生活實(shí)例及前沿發(fā)現(xiàn)等做法，都是行之有效的。另外，在元素化學(xué)多媒體教學(xué)中使用豐富的圖形文件和照片，也起到了很好的效果。

[1] 徐光憲.大學(xué)化學(xué),2001,16(1):1

[2] 申泮文.大學(xué)化學(xué),2001,16(1):37

[3] 申泮文,車云霞.大學(xué)化學(xué),2002,17(4):9

[4] 申泮文.大學(xué)化學(xué),2003,18(3):2

[5] 朱亞先,鄭蘭蓀.大學(xué)化學(xué),2006,21(3):149

[6] 展樹(shù)中,鄒智毅,黃鶯.中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊,2010(1):82

[7] 秦元滿.科技信息,2008(22):171

[8] 田靜.大同職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,19(4):72

[9] 蘇芳.大學(xué)化學(xué),2008,23(3):18

[10] 朱賢東,張琴.廣東化工,2010,37(8):238

[11] 劉毓芳.忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(2):73

[12] 文君.貴州教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2005,16(2):59

[13] 馬占營(yíng),徐維霞,耿薇,等.視野,2010(4):9

[14] 胡宗球,萬(wàn)堅(jiān),張愛(ài)東,等.高等理科教育,2006(6):40

[15] 徐敏.大學(xué)化學(xué),2010,25(6):31

[16] 王崇臣.大學(xué)化學(xué),2007,22(4):28

[17] 田家華,高海濤.山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)(基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版),2003,5(4):361

[18] 張利君.內(nèi)蒙古石油化工,2006(5):33

[19] 陳志敏,馮泳蘭,張復(fù)興,等.湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,27(7):276

[20] 羅一帆,龔孟濂,毛宗萬(wàn),等.大學(xué)化學(xué),2002,17(2):17

[21] 高勝利,陳三平,謝鋼.化學(xué)元素周期表.第2版.北京:高等教育出版社,2007

[22] 陳三平,王堯宇,謝鋼,等.大學(xué)化學(xué),2009,24(2):14