問題教學法在無機化學理論課中的應用

李大塘　湯建庭

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問題教學法在無機化學理論課中的應用

李大塘1,2,3,*湯建庭3

(1湖南科技大學教師教育大學生創(chuàng)新訓練中心，湖南湘潭411201；2湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭411201；3湖南科技大學理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室，湖南湘潭411201)

摘要：在無機化學理論課的教學中運用問題教學法，以突出問題教學創(chuàng)造性和發(fā)展性的本質，激發(fā)學生的思維創(chuàng)新性和科學好奇心，有效培養(yǎng)學生的獨創(chuàng)能力。

關鍵詞：問題教學法；無機化學；教學；實踐；創(chuàng)新

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由于科學技術日新月異的迅猛發(fā)展，社會持續(xù)穩(wěn)定的不斷進步，開展創(chuàng)新性教學，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，已成為當今高校面臨的緊迫任務。如何充分利用思維發(fā)展的客觀規(guī)律來解決教學實際問題，問題教學法為此開辟了新的途徑。關于問題教學法的由來、實施模式、理論依據(jù)、作用與意義等已見文獻[1,2]，在此不多贅述，下面僅就問題教學法在無機化學理論課中的實踐活動進行簡要介紹。

1　利用客觀事實與學生原有知識的矛盾沖突創(chuàng)設問題情境

在講溶液濃度的幾種表示形式時，教師問，醫(yī)療常用生理鹽水中氯化鈉的濃度為多少？大家齊聲回答為0.9%。教師又問，是否為100 g生理鹽水中含0.9 g氯化鈉？大家異口同聲好似很有把握地回答說是。見學生對這事例認識是如此的高度一致時，教師明確指出，醫(yī)藥上并非如此。這一矛盾的事實使學生隱約地預感到，莫非還有別的濃度表示方式不成，由此產生了問題情境。

這時，教師問學生：為什么生理鹽水濃度不是溶質的質量比溶液的質量？然后啟發(fā)學生看書查資料，以了解醫(yī)用藥物的濃度概念。要求學生查閱圖書后，學生終于明白生理鹽水的濃度是100 g水中含0.9 g氯化鈉，5%的葡萄糖是100 g水中含5 g葡萄糖，10%的葡萄糖是100 g水中含10 g葡萄糖。也就是醫(yī)用藥物百分比濃度(如溶質為固態(tài))是指100 g水中所含溶質的質量，而不是通常的100 g溶液中所含溶質的質量。

通過這一問題教學，真正掌握了常用醫(yī)療藥物濃度的概念和特別的表示方法，從而完成了對未知知識的探索及問題的解決。

利用客觀事實與學生原有知識的矛盾沖突創(chuàng)設問題情境的實例還有許多，例如金屬銅直接與稀硫酸反應制取氫氣[3]；金屬鋁直接與稀硝酸反應制取氫氣[4]；雖然電極電勢φA(Hg2+/Hg) = 0.851 V >φA(I2/ I－) = 0.536 V，把硝酸汞溶液與碘化鉀溶液混合卻不能發(fā)生氧化還原反應[5]；某些液態(tài)共價化合物(如五氯化磷、五溴化磷、三氟化溴、五氟化碘、純硝酸、純硫酸等)具有強電導性等。

2　利用學生對某一問題所持的不同看法創(chuàng)設問題情境

在講元素性質時，教師提問：H2(g) + Cl2(g)?2HCl (g)，H2、Cl2混合氣體在光照過程中，系統(tǒng)的壓強是否變化？如何變化？不少學生看到方程式反應前后氣體分子數(shù)沒有變化，馬上回答系統(tǒng)的壓強沒有變化，而有些學生則認為有變化，究竟誰對誰錯呢？教師提示，要求學生回憶中學所掌握有關鹵素的知識，同時啟發(fā)學生看教科書，并獲取網(wǎng)絡信息。通過爭論發(fā)現(xiàn)，盡管反應前后氣體分子數(shù)沒有變化，但H2、Cl2混合氣體在點燃的鎂條(或太陽光)照射下會發(fā)生爆炸[6]，所以H2、Cl2混合氣體在光照過程中，系統(tǒng)的壓強會變大。

在講有關化學平衡知識時，教師提問：向某恒溫恒壓下的氮氫反應合成氨的氣相平衡體系中加入氮氣，試推斷平衡將向何方向移動？許多學生馬上想到因為是增加反應物濃度，立即回答平衡將向合成氨的方向移動，而有些學生想到雖然是增加反應物濃度但同時也增大了系統(tǒng)的體積，則認為平衡將向氨分解的方向移動，到底孰是孰非？通過獲取網(wǎng)絡信息并進行爭論發(fā)現(xiàn)，向平衡體系中加入nx L N2后，平衡移動的方向由起始氮氣的平衡濃度c(N2)的大小決定，可能存在下列三種情況[7]：

由此完成了對這些具有爭議問題的教學。

3　利用學生典型的、普遍性的錯誤設置問題情境

在講電化學知識向學生介紹化學電源時，教師提問：燃料電池的效率能否大于1？不少學生立即聯(lián)想到卡諾循環(huán)原理所給出的永動機制不出來的結論，馬上回答燃料電池的效率不可能大于1。這時教師要求學生回顧化學熱力學基礎知識：(1)恒壓熱效應等于系統(tǒng)的焓變；(2)體系自由能的變小值是體系所做非體積功的最大限量；(3)體系的自由能變與體系的焓變、熵變及溫度的關系是：ΔG =ΔH－TΔS。明確的科學依據(jù)有助于學生對問題的準確判斷，接著讓學生查找資料，經過閱讀、討論，學生逐步認識了燃料電池的效率有大于1的可能性[8]。

在講述原子核外電子分布規(guī)律與元素周期表結構關系時，教師提問：是否有最外層電子數(shù)大于8，或其電子層數(shù)與所在元素周期表中周期數(shù)不一致的中性原子存在？許多學生憑借基礎教育積累下來的知識，回答說沒有中性原子最外層電子數(shù)大于8的元素。這時教師引導學生看教科書最后面的元素周期表，一種最外層電子數(shù)為18的46號鈀元素躍然紙上，這樣就產生了問題情境。經閱讀、討論后，大家一致認識到要掌握原子的實際電子分布情況，必須遵從客觀事實。

回顧原子核外電子分布原理后，在講元素周期律介紹第一電離能大小規(guī)律時，教師問：第一電離能I1大小順序為ns2np3> ns2np4是否確切？學生回答說確切。什么原因？“因p3是半充滿穩(wěn)定結構難于失去電子，而p4容易失去1個電子變成p3半充滿穩(wěn)定結構。所以I1大小順序為ns2np3> ns2np4是確切的”。這時教師提示，要求學生看書并查閱資料，通過比較、討論，逐步認識到：要準確掌握原子第一電離能大小順序，必須從客觀事實出發(fā)，具體問題具體分析，盡管Sb、Bi是p3結構，Te、Po為p4結構，但由于前者的金屬性比后者強，表現(xiàn)出更容易失去電子的趨勢，所以第一電離能I1大小順序為5s25p3< 5s25p4，6s26p3< 6s26p4[9,10]。

在講Fe(III)試劑顏色時，教師幫助學生復習回顧有關知識后，提問：含F(xiàn)e3+的溶液是否有顏色？什么色？學生一致回答含F(xiàn)e3+的溶液呈黃色。接著教師指導學生看教科書并查閱資料，通過閱讀討論后，學生了解到硫酸酸化的硫酸鐵和硝酸酸化的硝酸鐵等幾近無色[11]，將含F(xiàn)e3+溶液一概排除在“無色溶液”外[12]是不確切的。

4　通過課堂演示實驗創(chuàng)設問題情境

在講碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液性質與鑒別方法時，教師提示學生回憶堿土金屬的碳酸鹽與碳酸氫鹽的水溶性后，提問：常規(guī)法能否用可溶性堿土金屬鹽溶液來鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液？學生不假思索地回答說可以。接著教師取兩支小試管并分別加入2 mL的0.02 mol?L－1碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液，再向兩支試管中依次加入2 mL的0.02 mol?L－1氯化鋇溶液后震蕩，實驗結果清楚表明，兩支試管都產生渾濁甚至沉淀。這時教師要求學生查找網(wǎng)絡信息，通過爭論發(fā)現(xiàn)碳酸鋇溶解度較小，即使存在離子強度的影響，由于碳酸氫鈉溶液中HCO3－所解離出的碳酸根離子CO32－

也足以與常量濃度的Ba2+產生渾濁甚至沉淀。因此，常規(guī)法不能用可溶性鋇鹽溶液鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液[13]。同時明白，沒有澄清透明常量濃度的堿性碳酸氫鋇、碳酸氫鈣溶液，碳酸氫鋇、碳酸氫鈣澄清透明液一定呈微酸性[13,14]。

通過上述實驗和討論后，教師又問：常規(guī)法能否用可溶性鎂鹽溶液鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液？學生受上述實驗的影響，馬上回答說不能。接下來教師取兩支小試管并分別加入2 mL的0.02 mol?L－1碳酸鈉與1 mol?L－1(近飽和)碳酸氫鈉溶液，再向兩支試管中依次加入2 mL的0.02 mol?L－1和1 mol?L－1氯化鎂溶液后震蕩，實驗結果清楚表明，裝碳酸鈉這支試管產生渾濁，而裝碳酸氫鈉這支試管卻不產生沉淀甚至渾濁，由此產生新的問題情境。教師提示學生獲取網(wǎng)絡知識，經過閱讀、討論，學生明白盡管碳酸鎂為難溶鹽，由于其溶解度大于碳酸鋇，又因Mg2+能與HCO3－結合成可溶性[Mg(HCO3)]+配離子，加之離子強度的影響，即使用近飽和的碳酸氫鈉溶液與氯化鎂溶液混合，也不見溶液產生沉淀甚至渾濁，而稀碳酸鈉溶液與稀的氯化鎂溶液混合也能出現(xiàn)渾濁，所以能用可溶性鎂鹽鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液[15]。

盡量展示實驗的設計思路與過程，有目的地創(chuàng)設探索問題的氛圍，使之成為師生共同參與的“亞研究”過程，不僅能有效訓練學生的觀察能力，也培養(yǎng)了學生的科學態(tài)度和創(chuàng)造性能力。

5　通過提出、檢驗假設的方法創(chuàng)設問題情境

在講Sb(III)、Bi(III)硫化物溶解性過程中，教師指導學生看教科書，當學生得知Sb2S3能溶于9 mol?L－1鹽酸，Bi2S3能溶于4 mol?L－1鹽酸時，教師可提出這樣的假設。假設1：由于Sb2S3和Bi2S3的堿性而溶于鹽酸，那么它們也能溶于相當濃度的稀硫酸。這樣產生了問題情境。這種假設正確嗎？讓學生收集資料，進行驗證，經過閱讀、討論，學生逐步認識到Sb2S3和Bi2S3不能溶于任何濃度的稀硫酸，它們之所以能溶于鹽酸，不是因為其堿性所致，恰恰是因為Sb3+、Bi3+的路易斯酸性[16,17]，這樣便證實了假設1是錯誤的。進一步懂得方程式Bi2S3+ 6H+= 2Bi3++ 3H2S和Bi2S3+ 6HCl = 2BiCl3+ 3H2S也是錯誤的[17]。

由于碳酸鈉溶液的堿性強于碳酸氫鈉溶液，將氯化鎂溶液與碳酸鈉溶液作用得不到純碳酸鎂，只能得到堿式碳酸鎂。因此，在講碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液性質時，可提出假設2：由于碳酸氫鈉溶液堿性弱，用氯化鎂溶液與碳酸氫鈉溶液作用可直接制取純碳酸鎂。對于這種假設是否正確，同樣要求學生閱讀教科書并搜集資料，進行驗證。通過閱讀、討論后，在教師提示下，學生回想到能用可溶性鎂鹽鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液，也就是即使將1mol?L－1的氯化鎂與1mol?L－1(近飽和)的碳酸氫鈉溶液混合也不會產生渾濁現(xiàn)象。因此，不能用可溶性鎂鹽與碳酸氫鈉溶液直接制取碳酸鎂[18]，這樣就證實假設2是錯誤的；同時也能明白方程式Mg2++ HCO3－= MgCO3+ H+是錯誤的[18]。

盡管金屬鋁是一種活潑金屬，但由于其在空氣和水中都易與氧氣作用，在表面生成致密氧化膜，從而能制作成飛機部件、日常用品、炊具等。在講金屬鋁性質時，教師可提出假設3：如果能有辦法阻斷致密氧化膜的形成，金屬鋁就會如同金屬鈉一樣，能與冷水作用放出氫氣，在空氣中會很快腐蝕掉。這種假設正確與否，有待證實。在教師的提示下，學生通過查閱網(wǎng)絡信息，了解到鋁汞齊的生成可阻斷金屬鋁表面致密氧化膜的形成。于是教師把準備好的實驗試劑與用品展現(xiàn)于講臺，讓學生親手做實驗，實驗結果不出所料，經氯化汞溶液處理過的鋁箔既能與冷水快速不間斷地制取氫氣[19]直至鋁箔消耗殆盡，又能在空氣中迅速被腐蝕(即著名的毛刷實驗)。實驗事實證實假設3是正確的。

創(chuàng)新問題情境的方法與實例不勝枚舉，限于篇幅，在此就不一一列舉。只要細心體會，教師都會學會使用，進而游刃有余。

總之，問題教學法不僅能使學生廣泛獲得化學知識，熟練掌握化學基本技能，更重要的是能調動學生的參與意識，培養(yǎng)學生獨立思考、自主學習、主動獲取知識的能力和主人翁精神，并能有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)造意識和創(chuàng)新能力。

參考文獻

[1]商繼宗.教學方法——現(xiàn)代化的研究.上海:華東師范大學出版社, 2001: 80.

[2]李志紅.化學教育, 2004, 25 (7), 29.

[3]李大塘,譚平雄,劉狄.化學教育, 2005, 26 (11), 52.

[4]李大塘,劉狄,唐建生.化學教育, 2007, 28 (7), 56.

[5]李大塘,郭軍.化學教育, 2010, 31 (11), 79.

[6]李大塘.化學教學, 1996, No. 4, 11.

[7]李大塘,郭軍.大學化學, 2003, 18 (1), 51.

[8]吳國慶.化學教育, 1998, 19 (9), 4.

[9]武漢大學,吉林大學.無機化學(上冊).第3版.北京:高等教育出版社, 2004: 110.

[10]顧慶超,樓書聰,戴慶平,黃炳榮,李喬鈞,黃劍朎.化學用表.南京:江蘇科學技術出版社, 1979.

[11]李大塘,劉永紅.化學教育, 2012, 33 (2), 68.

[12]徐金明.化學教學, 2007, No. 10, 57.

[13]李大塘.化學教學, 2010, No. 10, 76.

[14]劉狄,李大塘.當代教育理論與實踐, 2011, 3 (9), 73.

[15]李大塘.化學教學, 2007, No. 10, 68.

[16]李大塘,王輝憲.化學教育, 2001, 22 (11), 44.

[17]李大塘.化學教育, 2004, 25 (11), 53.

[18]李大塘,劉永紅.化學教育, 2012, 33 (7), 67.

[19]李大塘.化學教學, 2004, No. 12, 19.

?知識介紹?

The Teaching Practice of Problem-Based Teaching in Inorganic Chemistry Course

LI Da-Tang1,2,3,*TANG Jian-Ting3
(1Students′Innovative Training Center for Teachers′Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China;2College of Chemistry & Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China;3Key Laboratory of Theoretical Organic Chemistry and Functional Molecule, Ministry of Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China)

Abstract:The problem-based method has been applied to teaching of inorganic chemistry to stimulate students′innovative thinking and scientific curiosity and to effectively raise students′innovative ability.

Key Words:Problem-based teaching method; Inorganic chemistry; Teaching; Practice; Innovation

中圖分類號：O61；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160328

*通訊作者，Email: dtlhx@163.com

基金資助：湖南省普通高校實踐教學建設項目——湖南科技大學教師教育大學生創(chuàng)新訓練中心成果(145814)；國家級化學特色專業(yè)資助(TS1Z078)