淺談以知識體系為模塊的無機化學教學方法

張文華

《無機化學》是高校化學及相關專業(yè)學生接觸的第一門重要專業(yè)基礎課，其內(nèi)容既是中學基礎知識的進一步闡述及延伸，同時也是以后學習《有機化學》，《物理化學》等專業(yè)基礎課的重要鋪墊。本文以酸堿理論（阿倫尼烏斯酸堿理論，布朗斯特酸堿理論，以及路易斯酸堿理論）的發(fā)展為例，闡述以基礎知識模塊為結構單元的教學方法。通過酸堿反應“是什么”，“怎么發(fā)生”以及“為何會發(fā)生”的邏輯過程，加深學生對酸堿理論的理解。同時，引入學科前沿的科學研究成果，以強化學生對理論知識重要性認同，增強學生對學習基礎理論的興趣，同時培養(yǎng)其獨立思考精神、拓展其視野、培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。

無機化學模塊化教學酸堿理論教學改革《無機化學》是高等學?；瘜W、化工、材料、物理及醫(yī)學等相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，該課程一般對大一新生開設，是一門必修課。《無機化學》課程中的諸多內(nèi)容是高中學習知識的延伸和釋義。可以說中學課程中所學的知識是知其然，而大學所學知識是進一步知其所以然。另外，大一《無機化學》所學知識還是以后進一步學習《有機化學》《物理化學》等專業(yè)知識的重要鋪墊。例如，分子軌道理論、酸堿電子理論（路易斯酸堿理論），化學熱力學等在后面的《有機化學》《物理化學》等課程中還要進一步深入探討。而一到兩年后部分知識可能已經(jīng)被遺忘，有些知識可能要從新開始著手學習。造成此情況的一個重要原因是由于目前較傳統(tǒng)的學科分類所決定的，如一般化學學科均包括無機、有機、物化、分析等專業(yè)。

而另一方面，由于各專業(yè)迅猛發(fā)展及知識的延伸的必然要求，各學科之間互相滲透，共同發(fā)展形成交叉學科，如生物化學、材料化學、環(huán)境化學等。這些交叉學科的形成，要求未來的科技人才具有扎實的基礎知識、完備的專業(yè)體系以及對學科前沿領域的認知。而對于沒有經(jīng)過專業(yè)訓練大學生而言，其獲得專業(yè)知識的主要渠道為課堂學習，這給課堂教學的內(nèi)容及方法提出了極高的要求。

目前的大部分無機化學教學內(nèi)容安排相似，主要有化學原理（氣體及溶液、化學熱力學、動力學、化學平衡）、化學理論（原子結構及元素周期率、化學鍵及分子與晶體結構、配位化學）以及元素部分。其包含的內(nèi)容多為數(shù)年前已形成的經(jīng)典內(nèi)容，且各部分內(nèi)容直接的承接關系以及邏輯順序不強。另外，對于所學知識與最前沿的研究領域及應用聯(lián)系不緊密。書中所列舉的例題、習題等多可直接套用所學理論得直接到充分解決。書中一般不含有這些知識理論的現(xiàn)代用途，讓學生感到所學知識無用，無法激發(fā)學生強烈的學習興趣。本文以酸堿理論的發(fā)展為例，擬用模塊教學方法讓學生形成完善的關于酸堿理論的知識體系，其中包括什么是酸堿，酸堿的內(nèi)涵，如何形成酸堿以及酸堿理論的有機化學適用性及當代用途等。

中學所涉及到的酸堿理論為阿倫尼烏斯酸堿理論，是酸堿理論發(fā)展的最初形式。以電解質(zhì)在水溶液中能否電離出H+（酸）或OH-（堿）為酸或堿的判斷標準（即酸堿“是什么”）。在中學學習中學生熟悉常見的酸堿中和反應、鹽類的水解反應等，在布朗斯特酸堿理論中都可歸結為酸堿反應。這與中學所學不太相同，而在中學學習時先入為主和反復提及的知識有時反而阻礙學生的進一步接受大學所講的布朗斯特酸堿理論以及共軛酸堿對理論?！稛o機化學》所學的酸堿理論主要指的布朗斯特酸堿理論，其范疇包括阿倫尼烏斯酸堿理論。由于大學所學的布朗斯特酸堿理論可簡單描述為兩對共軛酸堿對之間的反應。學生在理解布朗斯特酸堿理論時需從中學時期的酸堿是兩類物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€經(jīng)過質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程。酸和堿不是絕對的，而是相對的，并且相互聯(lián)系。酸失去質(zhì)子生成（共軛）堿，而堿得到質(zhì)子生成（共軛）酸。進而布朗斯特酸堿理論的范圍擴大到包括酸堿中和反應、酸和堿電離、鹽類水解及溶劑（如水）的自耦電離。

布朗斯特酸堿理論其實描述了酸堿反應是怎么發(fā)生的，即一個質(zhì)子從酸轉(zhuǎn)移至堿，形成（共軛）堿或（共軛）酸。也就是酸堿反應的實質(zhì)是質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。至于這種現(xiàn)象是為何發(fā)生，則需要進一步學習并理解路易斯酸堿理論，而路易斯酸堿理論（酸堿電子理論）在教材中僅簡單提及，且并未探討電子轉(zhuǎn)移過程。

以HCl在水中的電離為實例，如下圖所示。阿倫尼烏斯及布朗斯特酸堿理論可以方便通過方程式（1）和（2）來理解。

然而，從專業(yè)角度解釋反應如何發(fā)生則需要調(diào)用路易斯酸堿理論，即水分子中氧原子p軌道中一對孤對電子可以與H+中的空s軌道“頭碰頭”作用而成σ鍵，而此時形成＼[H3O＼]+及Cl-均符合路易斯八隅體規(guī)則的穩(wěn)定結構（H為2電子）（方程式（3））。

對于一年級新生能理解并接受路易斯酸堿理論，或已足夠。然而，進一步理解該反應發(fā)生的機理并能畫出在該酸堿反應中電子轉(zhuǎn)移的路徑＼[方程式（4）＼]，將會對未來進一步理解《有機化學》課程中的親核取代等反應大有裨益。在學習酸堿理論之前，學生一般通過原子結構及元素周期率的學習已經(jīng)對原子的電負性有所了解，此時，可以鼓勵學生調(diào)用已學知識，從本質(zhì)上理解酸堿反應，即：酸堿反應的本質(zhì)是電負性較強的分子或離子中局部電荷對帶相反電荷的H+的靜電吸引而形成更強的化合鍵導致的。

最后，為了進一步鞏固酸堿反應，讓學生意識到其重要性還應讓學生了解酸堿反應在現(xiàn)代化學反應中無處不在。例如，在金屬催化的有機反應中絕大多數(shù)反應如Suzuki偶聯(lián)反應，Grubbs烯烴復分解反應等催化過程都經(jīng)歷了金屬空軌道（路易斯酸）與催化底物（路易斯堿）相互作用的過程，以提升學生對探索未知世界的興趣。此外，酸堿反應在生活中也隨處可見。人們在日常生活中使用的肥皂、洗滌劑、化妝品、香精等都是化學酸堿品。例如，爽身粉中就含有少量殺菌消毒用的硼酸，漂白劑中含有次氯酸鈉等。此外，在治病和保健中也有很多酸堿類藥物。比如當人體攝入過多食物后，會引起胃酸分泌過多，體內(nèi)pH值下降，從而使人感覺不適。抑酸劑就是為減小體內(nèi)酸量而特制的，常用胃藥原料就是氧化鎂、碳酸鈣等堿這些貼近生活的例子，更會激發(fā)學生對化學的學習興趣。

《無機化學》作為一門重要的專業(yè)基礎課，對其教學內(nèi)容與方法進行優(yōu)化，結合生產(chǎn)生活，結合實際，引入與時俱進的內(nèi)容以加深學生對課程的理解，激發(fā)學生對化學學習的熱情，對后面其他知識的傳授具有積極作用。本文所提的模塊化教學是一項系統(tǒng)工程，在教學時間的保證上可能存在一定的挑戰(zhàn)，但在強調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造性人才的今天，將有可能發(fā)揮更切實可行的效果。

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