將生活、生產(chǎn)和科研中的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)引入教學(xué)

蔡蘋 胡鍇 程功臻

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院 湖北武漢430072)

目前，我國理科化學(xué)教育改革正處于第三階段，即按照“加強(qiáng)基礎(chǔ)、因材施教、分流培養(yǎng)”的方針，由專業(yè)教育向通識(shí)教育和寬口徑專業(yè)教育相結(jié)合轉(zhuǎn)變;由單純強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授向注重知識(shí)、能力、素質(zhì)并重轉(zhuǎn)變［1］。按照這一方針和專業(yè)教育所力求達(dá)到的目標(biāo)，無機(jī)化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法勢必作出相應(yīng)的調(diào)整和改革，而國家精品開放課程建設(shè)在對教學(xué)工作提出更高要求的同時(shí)，也為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革提供了新的平臺(tái)。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?如何讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)?如何讓學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)更扎實(shí)?如何讓學(xué)生將學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽约核邆涞哪芰退刭|(zhì)?達(dá)到這些目標(biāo)非常重要的一點(diǎn)就是教師的引導(dǎo)。教師要在授課過程中注重引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用這些基礎(chǔ)知識(shí)，讓課本上的知識(shí)變得具體和生動(dòng)，而其方法之一便是將生活、生產(chǎn)和科研中的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)引入教學(xué)，讓學(xué)生感覺到學(xué)習(xí)是有具體“意義”的，學(xué)到的知識(shí)是有用的。

1 將生活中的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)引入教學(xué)

化學(xué)知識(shí)貫穿于我們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，將化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)融入教學(xué)，不僅能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)的重要性，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效方法。在教學(xué)中可通過生活中的一些實(shí)例，幫助學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識(shí)并學(xué)會(huì)應(yīng)用，學(xué)會(huì)從化學(xué)的角度去觀察生活并解決生活中的化學(xué)問題。

比如，在講到配位化合物的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，我們提出問題:“為什么春天植物的顏色多為綠色，而秋天植物的顏色卻豐富多彩?”并做演示實(shí)驗(yàn)，將綠色樹葉浸泡在酸性溶液中，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。學(xué)生對這一問題很感興趣，由此可引入葉綠素的結(jié)構(gòu)和配位化合物的相關(guān)概念，包括配合物的組成，配合物顏色的成因。在介紹完基本概念后，引入影響配合物穩(wěn)定性的因素(包括中心離子和配體)，比如綠葉蔬菜在酸菜制作過程中，葉綠素被破壞而呈黃色，其原因是溶液中的質(zhì)子取代了金屬離子鎂。同時(shí)，還可以引入血紅素的結(jié)構(gòu)，比較血紅素與葉綠素結(jié)構(gòu)的異同，同時(shí)說明對卟啉環(huán)而言，F(xiàn)e2+的配位能力強(qiáng)于Mg2+。為說明配體對配合物穩(wěn)定性的影響，還可以舉生活中一氧化碳中毒的實(shí)例，說明由于O2與Fe2+的配位能力弱于CO，故人體在吸入CO后，后者取代前者與Fe2+配位，使人窒息而亡。最后提出一個(gè)問題讓學(xué)生課后思考:蜘蛛的血液是什么顏色的?為什么?在講過氧化氫時(shí)，會(huì)引入小昆蟲氣步甲的御敵武器，即過氧化氫將對苯二酚氧化成為對苯二醌(圖1)。

在整個(gè)講解過程中，既包含了基礎(chǔ)的化學(xué)原理知識(shí)，又包含著豐富的日常生活內(nèi)容，而且與生命科學(xué)也有一定的聯(lián)系，所以學(xué)生聽課的積極性高，課堂效果好。

2 將生產(chǎn)中的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)引入教學(xué)

將生產(chǎn)中的知識(shí)引入化學(xué)教學(xué)，對于理科化學(xué)類的師生來說，是一項(xiàng)較難但很有意義的工作。理科生的化學(xué)教材大多偏重對理論知識(shí)的介紹，這就要求教師在準(zhǔn)備授課內(nèi)容時(shí)采用大量的生產(chǎn)實(shí)例。比如，在講解次氯酸及其鹽的氧化還原性時(shí)，可以引入工業(yè)上常用的電鍍廢水氧化破氰法進(jìn)行實(shí)例講解［2］，局部氧化法破氰工藝在pH為10左右進(jìn)行，其基本原理如下:

圖1 過氧化氫將對苯二酚氧化為對苯二醌

因最終生成的氨不僅污染水體，而且容易氯化生成毒性較大的氯胺，所以應(yīng)進(jìn)一步將CNO-除去，即完全氧化法破氰，其設(shè)計(jì)的化學(xué)方程式如下:

通過這一破氰工藝的講解，學(xué)生對次氯酸根離子的氧化能力以及反應(yīng)中的氧化條件有了具體的了解，同時(shí)也能擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面;更重要的是，能使畢業(yè)后即工作的學(xué)生了解基礎(chǔ)知識(shí)是如何應(yīng)用于生產(chǎn)中的。毫無疑問，這對提高他們的知識(shí)應(yīng)用能力和專業(yè)素質(zhì)有重要作用。

在講授化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，無論是教材還是教師授課，基本都只講到滲透的基本原理和應(yīng)用。事實(shí)上，在環(huán)保和化工工程中，很多時(shí)候都用到了反滲透的原理，因此教師在授課中很有必要介紹反滲透的原理及其應(yīng)用。

講授可由美國科學(xué)家S.Sourirajan發(fā)現(xiàn)海鷗以飲用高鹽分海水維持生命引入。經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)，海鷗體內(nèi)有一層薄膜，海水由海鷗吸入體內(nèi)后加壓，再由壓力作用將水分子滲透過薄膜轉(zhuǎn)化為淡水，并將含有雜質(zhì)及高濃縮鹽分的海水吐出口外，此即反滲透法在自然界中的實(shí)例。目前，反滲透膜技術(shù)在電廠鍋爐補(bǔ)給水，電子、半導(dǎo)體行業(yè)超純水處理，化工及制藥行業(yè)的純水處理，食品、飲料、飲用水處理，海水、苦咸水淡化以及冶金、輕工業(yè)、電鍍及皮革等行業(yè)的廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用。

3 將科研中的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)引入教學(xué)

目前，高等教育強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)的人才要多元化，有些學(xué)生畢業(yè)即從事生產(chǎn)工作，還有一部分學(xué)生則繼續(xù)深造，從事科學(xué)研究。因此，在教學(xué)過程中，教師要注意在講授基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，引入與所授知識(shí)相關(guān)的研究進(jìn)展，幫助學(xué)生了解科學(xué)研究的前沿。比如，在授課過程中，有一個(gè)很重要的反應(yīng):Cu2+氧化CN-，自身被還原為Cu(I);在CN-過量時(shí)，生成配合物［Cu(CN)n］(n-1)-。2008年，Chemical Communications上發(fā)表的一篇文章［3］就用到了這一簡單反應(yīng)，該文報(bào)道了一種能選擇性識(shí)別金屬離子和氰根離子的聚合物，文中反應(yīng)所涉及的重要原理見圖2。

要實(shí)現(xiàn)將科研中的化學(xué)知識(shí)融入教學(xué)這一目標(biāo)，要求教師有足夠的精力來閱讀文獻(xiàn)，并能敏銳地發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)內(nèi)容在基礎(chǔ)教學(xué)中的意義。顯然，這一做法可以讓學(xué)生大大受益，使他們意識(shí)到科研離自己并不遙遠(yuǎn)，而且可以鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)解決問題。在表1中，列舉了一些在講授基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)時(shí)可采用的具體實(shí)例。

圖2 Cu2+氧化CN－在分子熒光開關(guān)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

表1 教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)和生活、生產(chǎn)、研究中的實(shí)例

總之，讓學(xué)生在學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，再引導(dǎo)他們在生活、生產(chǎn)和科研中運(yùn)用這些知識(shí)，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用知識(shí)的能力和綜合素質(zhì);但對教師而言，需要投入足夠多的時(shí)間和精力準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容，這既是一個(gè)挑戰(zhàn)，也是教師提升自己能力的機(jī)會(huì)。

［1］教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范.北京:高等教育出版社，2011

［2］黃中子，李寒娥，胡曰利，等.中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26(2):96

［3］Zeng Q，Cai P，Li Z，et al.Chem Commun，2008，1094

［4］Uahengo V，Xiong B，Zhou N N，et al.Chin J Chem，2012，30:1702

［5］Uahengo V，Xiong B，Zhou N N，et al.J Organomet Chem，2013，732:102