論地方院?！盁o機化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容之改革

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒334001)

自從前些年來的全國高校的合并、升格之風(fēng)涌過以來，大量的?？茖W(xué)校升格為本科院校，出現(xiàn)了許多目前的新生地方二本院校，且它們大多不在省會城市。在國家連續(xù)多年的大學(xué)擴招政策影響下，這些新興的地方二本院校的化學(xué)類專業(yè)也得到發(fā)展。從正面看，大學(xué)大量擴招不斷提高了學(xué)生毛入學(xué)率，大學(xué)已經(jīng)由原來的精英教育過渡到大眾教育。但同時出現(xiàn)了“負(fù)面”結(jié)果：現(xiàn)在的新生質(zhì)量與過去的精英大學(xué)新生相比則是連年下降，這極大地挑戰(zhàn)了化學(xué)專業(yè)類“無機化學(xué)”這門專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)質(zhì)量。作為大一新生專業(yè)課的老師，我們必須正視當(dāng)前形勢下擴招后大學(xué)新生存在的問題(如：1.擴招后新生基礎(chǔ)薄弱，質(zhì)量總體滑坡，角色轉(zhuǎn)換慢使新生的學(xué)習(xí)質(zhì)量難達(dá)標(biāo)；2.學(xué)校控制掛科率使部分學(xué)生對學(xué)習(xí)無所謂；3.減教學(xué)課時(減少了1/3左右)教學(xué)內(nèi)容多使學(xué)生學(xué)習(xí)更吃力，學(xué)習(xí)興趣更弱；4.課程內(nèi)容的古板，靈活性差)，適應(yīng)新情況，對癥下藥。本文結(jié)合作者幾十年的教學(xué)經(jīng)驗，在新形勢下從改革“無機化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容上下功夫，以期讓學(xué)生增加學(xué)習(xí)興趣和動力，達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率的目的，成為學(xué)校達(dá)標(biāo)的大一新生，為后續(xù)的課程及今后的人生打下良好的基礎(chǔ)。

多年的教學(xué)讓我體會到，“無機化學(xué)”難教之處在于：首先它是大學(xué)新生首門專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生面臨中學(xué)與大學(xué)的學(xué)習(xí)方法的根本轉(zhuǎn)變；其次，該課程的大多數(shù)知識點，學(xué)生既在中學(xué)接觸過(學(xué)的不深)，又與后續(xù)的“分析化學(xué)”“物理化學(xué)”“結(jié)構(gòu)化學(xué)”等課程中有更深層次的重復(fù)。如何選擇教學(xué)內(nèi)容，做到既與中學(xué)知識銜接，又盡可能避免不必要的重復(fù)，是擺在老師面前的一個突出難題。針對目前上述問題和新生質(zhì)量的偏低現(xiàn)象，我一直嘗試對“無機化學(xué)”教材(我們選用的教材為，武漢大學(xué)、吉林大學(xué)等校編寫的《無機化學(xué)》，第3版，)進行內(nèi)容精選。在堅持科學(xué)性、系統(tǒng)性和先進性的原則下，重基礎(chǔ)和突重點，力爭較好地解決課時少(第1、2學(xué)期分別為65和64課時)與教學(xué)內(nèi)容多且龐雜的矛盾。

1 做減法

新生第一學(xué)期開學(xué)晚、又要進行入學(xué)教育和軍訓(xùn)等，還有國慶與元旦等多個假日，使課時少的“無機化學(xué)”課任務(wù)艱巨。因此，在教學(xué)內(nèi)容的選擇中盡量做減法，講主干、少講或省略相關(guān)的枝葉。重點講解最基本的概念和理論，特別是容易混淆的知識點。如：熵、波粒二象性、狀態(tài)函數(shù)、熱力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、四個量子數(shù)、雜化軌道理論、分子軌道理論等。在講解一些重要公式(如薛定諤方程、Gibbs方程式、化學(xué)反應(yīng)等溫式、能斯特方程式等)時，避開復(fù)雜的推導(dǎo)過程，只講透其物理意義的基礎(chǔ)，注重應(yīng)用。元素化學(xué)部分只講重點，其它以學(xué)生自學(xué)為主。以上冊“無機化學(xué)”為例，主要說明如下：

第一章：諸論。學(xué)生自學(xué)；

第二章：物質(zhì)的狀態(tài)。主要講解氣體分壓定律、氣體擴散定律、晶體等內(nèi)容，其它自學(xué)；

第三章：原子結(jié)構(gòu)。重點講解，課時加碼(約12課時)。薛定諤方程(包括幾個量子數(shù))只講授其物理意義，方程的推導(dǎo)等省略；

第四章：化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)。重點講解，課時加碼(約12課時)。省略異核雙原子分子的分子軌道能級圖；

第五章：氫和稀有氣體?；疽詫W(xué)生自學(xué)為主，主要講解離子型氫化物、金屬型的氫化物、稀有元素主要化合物；

第六章：化學(xué)熱力學(xué)初步。簡講：體積功與p-V圖、燃燒熱?？赡孢^程、吉布斯方程式推導(dǎo)過程自學(xué)；

第七章：化學(xué)反應(yīng)速率。簡講：均相催化、多相催化、催化劑的選擇性；

第八章：化學(xué)平衡。省略：化學(xué)反應(yīng)等溫式的推導(dǎo)過程、選擇合理的生產(chǎn)條件的一般原則；

第九章：溶液。重點：依數(shù)性、溶膠。自學(xué)：溶液濃度的表示方法、溶解度原理、分配定律、高分子溶液；

第十章：電解質(zhì)溶液。簡講：多元弱酸的解離平衡、多元弱酸鹽和酸式鹽的水解平衡。重點講：一元弱酸、堿的近似計算公式；

第十一章：氧化還原反應(yīng)。省略：氧化數(shù)法配平化學(xué)方程式。簡講：電解。省略：化學(xué)電源簡介。

2 做加法

除上述做減法外，注意結(jié)合生活實際做少量加法。以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以下冊“無機化學(xué)”為例：

如：講解第十二章鹵素之?dāng)M鹵素部分，可增加氫氰酸、氰化物與生活生命相聯(lián)系的有關(guān)知識：

氫氰酸為無色液體，其蒸氣劇毒，有苦杏仁味，可溶于水、乙醇、乙醚等。常見的氰化物有KCN、NaCN(俗稱“三步倒”)等均有劇毒，其主要用途有：作消毒劑、殺蟲劑和防霉劑，工業(yè)上多應(yīng)用于冶金、電鍍等方面，對環(huán)境有害。一些水果如桃子、李子、杏仁、櫻桃、枇杷核仁里含有HCN與醛、酮產(chǎn)物-糖甙，糖甙雖然無毒，但若遇到酶、胃酸會發(fā)生水解生成HCN，結(jié)果引起中毒。由于-CN有很強的配位能力，氫氰酸或氰化物進入人體后，與含鐵細(xì)胞色素氧化酶(呼吸酶)中的鐵結(jié)合，造成氧的輸送中斷，導(dǎo)致組織細(xì)胞因缺氧而造成細(xì)胞內(nèi)窒息。另外，氰化物對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有毒害，且以呼吸及血管運動中樞為甚，先刺激興奮而后抑制，直至呼吸麻痹。

如：講解第十三章氧族元素時，可補充當(dāng)前熱門元素硒的相關(guān)知識：

硒是人體必需的微量元素，當(dāng)硒的質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量為(0.04～0.1)×10-6時，對動物和人都有益，含量超過4×10-6則是有害的(說明把握量的重要性)。硒具有提高抗氧化抗衰老，提高人體免疫力，防癌抗癌，參與糖尿病的治療，保護修復(fù)細(xì)胞，保護眼睛，提高紅細(xì)胞的攜氧能力，防治心血管類的疾病，解毒防毒抗污染，保護肝臟等功用。硒缺乏引起的典型地方病是克山病(即地方性心肌病)，這種病人血液中硒濃度下降，通過膳食中補硒可控制克山病的發(fā)生率。若體內(nèi)硒過量則會中毒，癥狀表現(xiàn)為頭發(fā)和指甲脫落、皮膚損傷、牙齒腐蝕和神經(jīng)系統(tǒng)異常等。例如我國湖北恩施縣就曾發(fā)生過地方性硒中毒，事故的原因是當(dāng)?shù)厮形窟^高，導(dǎo)致糧食、蔬菜、水果等含硒量高，人長期食用這些食物引起中毒。硒是典型的半導(dǎo)體材料。硒最特殊的性質(zhì)是在光照射下導(dǎo)電性可提高近千倍，是光導(dǎo)材料，可制光電管。

如：講解第十四章氮族元素時，可加上間充型氮化物和光化學(xué)煙霧的有關(guān)知識：

間充型氮化物：如過渡金屬的氮化物如TiN、ZrN、Mn5N2、W2N3等，N填充在金屬結(jié)構(gòu)的間隙中，合金的結(jié)構(gòu)沒有變，具有金屬的外形，且更充實了，所以性質(zhì)更穩(wěn)定，一般不易與水、酸起反應(yīng)，不被空氣中的氧所氧化，熱穩(wěn)定性高，能導(dǎo)電并具有高熔點，適用于作高強度的材料。

光化學(xué)煙霧：排到大氣中的氮氧化物和烴類，在太陽光照射下發(fā)生系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，生成的物質(zhì)與反應(yīng)物的混和物是一種具有刺激性的淺藍(lán)色煙霧。產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的主要條件是：足夠濃度的氮氧化物(NO、NO2)、烴類、醛類，充足的太陽光(主要作用是紫外線)，懸浮微粒和其他污染物，特定的氣象條件及地理位置或地形條件。光化學(xué)煙霧能在空氣中遠(yuǎn)距離傳輸。

我們主要以汽車排氣(烴+CO+NO2)和逸出汽油后生成光化學(xué)煙霧的主要過程和反應(yīng)來說明：

(烴+CO+NO2) (氧化劑和刺激劑)

光化學(xué)煙霧里有害的主要成分有兩個：有刺鼻的刺激性氣味NO2和強氧化劑O3，它們是危害植物的主因。此外，空氣污染物中的SO2會被氧化成硫酸和硫酸鹽，成為光化學(xué)煙霧中氣溶膠的重要部分。烴類中揮發(fā)性小的氧化產(chǎn)物也會凝結(jié)成氣溶膠液滴而使能見度降低。光化學(xué)煙霧的反應(yīng)機理很復(fù)雜，至今尚未完全搞清楚。光化學(xué)煙霧成分復(fù)雜，對動植物和材料有害，其中有的成分具有強致癌性。人和動物受到的主要傷害是眼睛和粘膜受刺激、頭痛。光化學(xué)煙霧刺激人的鼻、眼、肺和氣管等器官，使人產(chǎn)生流淚、眼紅、氣喘、咳嗽等癥狀，濃度大時可致死。要特別強調(diào)光化學(xué)煙霧對人類居住環(huán)境危險。

3 做銜接法

“無機化學(xué)”內(nèi)容的“繁、雜、散”，不要說大一新生難以掌握，就是高年級學(xué)生也不敢保證能掌握。它是涵蓋“分析化學(xué)”“有機化學(xué)”“物理化學(xué)”及“應(yīng)用化學(xué)” “環(huán)境化學(xué)”“材料化學(xué)”“生物化學(xué)”等課程的基礎(chǔ)理論，對學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響很大?！盁o機化學(xué)”是承接高中化學(xué)知識和后續(xù)各化學(xué)課的橋梁，在某種程度上直接影響著學(xué)生對專業(yè)的興趣和擇業(yè)方向。因此對“無機化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的改革，意義重大，老師應(yīng)引起高度重視，具體應(yīng)注意做好如下幾個方面的銜接：

3.1 注意與中學(xué)化學(xué)知識的銜接

對于“無機化學(xué)” 中學(xué)生在中學(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(如概念、理論、元素及其性質(zhì)等)，在教學(xué)過程中可指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。但因中學(xué)教學(xué)知識程度較淺(有的知識作為選修內(nèi)容)，許多概念多處于了解層面上，且各省(市、區(qū))的學(xué)習(xí)內(nèi)容存在較大差異，“無機化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容在難度和深度上均有很大提升，這些必須注意提醒學(xué)生，注意大、中學(xué)知識的區(qū)別與提升所在。例如：

化合價概念：中學(xué)與大學(xué)的描述是不同的，大學(xué)分為氧化數(shù)和化合價兩個概念，其中氧化數(shù)與中學(xué)的化合價更接近些；

硫的分子式：中學(xué)為S，大學(xué)為S8；

白磷及其氧化物的分子式：中學(xué)分別為P、P2O3和P2O5，大學(xué)相應(yīng)分別為P4、P4O6和P4O10；

化學(xué)平衡常數(shù)：大學(xué)分為經(jīng)驗平衡常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，注意與中學(xué)的平衡常數(shù)的區(qū)別與提高；

同素異形體：告知大學(xué)除了與中學(xué)化學(xué)一樣稱呼外，還可叫同素異性體(更直觀，能顧名思義)；

氯氣在OH-中的岐化：告訴學(xué)生溫度對歧化產(chǎn)物的影響，冷OH-溶液和熱OH-溶液的產(chǎn)物的不同，說明大學(xué)知識在中學(xué)基礎(chǔ)上的提高。

3.2 注意本課程前后章節(jié)知識的銜接

“無機化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容主要涉及：化學(xué)反應(yīng)基本原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與元素化學(xué)三部分內(nèi)容。其中前二部分一般在上冊，元素化學(xué)安排在下冊。對新生而言，雖然基本原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)比較難學(xué)，有的內(nèi)容還比較抽象，但對第二學(xué)期的元素化學(xué)的學(xué)習(xí)很有幫助，因為物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。如：原子結(jié)構(gòu)——化學(xué)鍵——分子結(jié)構(gòu)——物質(zhì)性質(zhì)——物質(zhì)的制備與用途是關(guān)聯(lián)的；化學(xué)熱力學(xué)及動力學(xué)與反應(yīng)方向及產(chǎn)率是關(guān)聯(lián)的；共價鍵理論——酸堿理論——配位化學(xué)是相關(guān)聯(lián)的。除了密切注意宏觀的化學(xué)反應(yīng)基本原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素化學(xué)三大模塊相互銜接外，也要注意各模塊、各章節(jié)(中觀)的知識的相互銜接。如四大平衡的共性，對所有平衡常數(shù)進行總結(jié)分析，比較其異同以利于學(xué)生掌握。

3.3 注意與其它相關(guān)課程知識的銜接

“無機化學(xué)”的許多內(nèi)容與后續(xù)化學(xué)課程有部分重復(fù)，如括四大平衡知識后續(xù)的“分析化學(xué)”有；熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)和溶液等內(nèi)容后續(xù)“物理化學(xué)”有20% ～ 30%的重復(fù)，為了避免與后續(xù)課程教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，相關(guān)老師可事先溝通，“無機化學(xué)”可奉行拿來主義，主要注重公式的意義及應(yīng)用，至于較難的內(nèi)容如公式的推導(dǎo)等，可放在后續(xù)課程中講解，學(xué)生也可隨著學(xué)年的遞增，循序漸進地加深難度，提升專業(yè)知識水平。

4 做結(jié)合法

4.1 注意與學(xué)科前沿知識結(jié)合，培養(yǎng)科研潛質(zhì)

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生的科研潛質(zhì)，在“無機化學(xué)”教學(xué)中要注意結(jié)合現(xiàn)代學(xué)科前沿知識。例如：

講解價鍵理論后，可告訴學(xué)生此理論的“八隅律”可能將受到挑戰(zhàn)，據(jù)鄭錫榮報道(《化學(xué)通報》1993年第5期第39頁)：1983年德國埃朗根-紐倫堡大學(xué)的Paul von Rague Schleyer等人用計算機預(yù)測了CLi6的存在和穩(wěn)定性，十年后日本化學(xué)家宮藤博司是用質(zhì)譜儀對100 0 K左右下在固態(tài)二鋰乙炔上形成的奇異核素進行探測時發(fā)現(xiàn)CLi6，據(jù)宮藤計算，CLi6分子中的C-Li鍵的結(jié)合能約為225 KJ/mol。CLi6似乎違反了八隅規(guī)律，因為C原子周圍共有10個電子而不是8個，用來與6個鋰原子形成6個化學(xué)鍵(如圖1)。喬治亞大學(xué)理論化學(xué)家Henry F. Schleyer 認(rèn)為多出來的電子是用來加強Li-Li鍵的，這有助于解釋為什么CLi6會如此穩(wěn)定。

圖1 呈八面體的CLi6分子模型

講授碳、石墨等內(nèi)容時，可結(jié)合近幾十年研究熱點納米材料——管碳(碳納米管)介紹： 如從1991年日本Sumio Iijima用電弧放電法制備碳材料中首次觀察到納米碳管(Sumio Iijima.Nature,1991，354(6348):56-58)，它是由碳原子形成的石墨片層卷成的無縫、中空管體，管壁為類石墨二維結(jié)構(gòu)(見圖2)，基本上由六元并環(huán)構(gòu)成。碳納米管按管壁上的碳碳鍵與管軸的幾何關(guān)系，可分為“扶手椅管”“鋸齒狀管” “螺管”三大類，按管口開合與否分為“封口管”和“開口管”兩種，按管壁層數(shù)則分為單層管和多層管。管碳的長度通常只達(dá)到納米級。到現(xiàn)在，人們能用納米技術(shù)合成出機械強度超過鋼鐵幾百倍的碳納米管材料，納米技術(shù)在日益增長。

講授氫一節(jié)內(nèi)容時，可在清潔能源利用上有意識地提及儲氫技術(shù)的研究進展。如，1999年我國沈陽金屬研究所材料科學(xué)家發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的的研究成果(Cheng Hui-ming，等。Science,1999,286:1127-1129)：100個大氣壓下室溫時，在納米碳管里儲存了達(dá)4.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫氣，碳?xì)湓颖葹?∶1，在室溫下降壓至常壓，80%的氫便釋放出來，稍加熱剩余的氫也放了出來。到現(xiàn)在的研究重點主要集中在金屬氫化物、配位氫化物、有機液體氫化物等等方面，但各有利弊(周鵬，等。化工進展,2014,33(8):2004-2011)。

講述金屬鈦的氧化物內(nèi)容時，可將自己的研究方向與講課內(nèi)容相結(jié)合，進行相關(guān)介紹：TiO2納米材料是較理想的光催化劑，它效率高、無毒性、價格低，可循環(huán)使用，在做潔凈材料和光催化降解有機污染物等方面潛力巨大。二氧化鈦存在三種晶型即金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型，雖然以銳鈦礦型即A-TiO2的催化活性最高，但由于作為半導(dǎo)體的禁帶較寬 (Eg=3.2 eV)，只能在紫外光下顯示較好的光催化性能，對太陽光利用率很低不足5%，這大大削弱了其優(yōu)良特性的發(fā)揮。摻雜改性是提高A-TiO2光催化降解效率有效途徑，再向同學(xué)們分享自己在摻雜改性所做的研究工作。

4.2 注重與專業(yè)需求結(jié)合，為畢業(yè)后發(fā)展做準(zhǔn)備

作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，“無機化學(xué)”開設(shè)對象主要為化學(xué)、化工、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、材料化學(xué)、化學(xué)教育等專業(yè)和生命科學(xué)學(xué)院的學(xué)生。老師要結(jié)合專業(yè)需求，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容選擇有所側(cè)重，為學(xué)生畢業(yè)后發(fā)展(如考研、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)等)做準(zhǔn)備。如對化學(xué)專業(yè)和化學(xué)教育(難度降低些)的學(xué)生，應(yīng)該注意全面系統(tǒng)地進行講解；對應(yīng)用化學(xué)和化工專業(yè)的學(xué)生，除了保證重視基本知識和要求達(dá)標(biāo)外，要注重對氣體、熱力學(xué)、動力學(xué)和電化學(xué)等方面的講授，為其后續(xù)專業(yè)課( 如化工熱力學(xué)、化工原理)及畢業(yè)后需求做準(zhǔn)備。考慮到這兩專業(yè)的學(xué)生今后可能大多成為地方特色工業(yè)經(jīng)濟的應(yīng)用型人才，為此，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)特色(如銅礦)，有意識進行銅及相關(guān)金屬如銀、金、鉛和鋅等的相關(guān)知識的教學(xué)，讓學(xué)生及早了解地方特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，有意識地為今后就業(yè)打下良好基礎(chǔ)；對環(huán)境化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，應(yīng)加強對四大平衡、氧化還原反應(yīng)、有毒有害物質(zhì)的性質(zhì)、自由基、配位化學(xué)等方面的知識的講解，培養(yǎng)學(xué)生利用化學(xué)專業(yè)知識解決環(huán)境方面存在的問題；對材料化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，則應(yīng)注意對原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、固體(結(jié)構(gòu))、金屬鍵理論等方面的知識的講解，培養(yǎng)學(xué)生能從物質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾的角度，理解和解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)原理；至于對生命科學(xué)學(xué)院的學(xué)生，應(yīng)少講深奧的理論，可側(cè)重講授基本的無機化學(xué)理論和性質(zhì)在其專業(yè)的運用，如酶(催化)的作用、配合物的相關(guān)知識、微量元素對人體的影響等。

5 結(jié)語

“無機化學(xué)”是大學(xué)化學(xué)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，學(xué)生對它的學(xué)習(xí)效果不但關(guān)乎教學(xué)目標(biāo)的完成，更直接影響著后續(xù)化學(xué)課程。因此老師應(yīng)利用“無機化學(xué)”承前啟后的特點，在教學(xué)內(nèi)容選擇上下功夫，注重知識的銜接與遞進，不但可得到較好的教學(xué)效果，而且對大一新生順利完成中學(xué)到大學(xué)的蛻變，開啟高效、愉快大學(xué)學(xué)習(xí)生活意義重大。

通過對“無機化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容的改革，我們感覺到至少有以下幾點收獲：首先，教學(xué)內(nèi)容多課時少的矛盾緩解了；其次，教學(xué)相長效果更有效了；再次，專業(yè)的針對性更強了；最后，化學(xué)知識更新性及時了。

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