研究前沿在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的引入

商 虹

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院，北京 100083)

大學(xué)化學(xué)是化學(xué)及材料等專業(yè)學(xué)生入學(xué)后學(xué)習(xí)的第一門化學(xué)類相關(guān)課程。作為一名大學(xué)化學(xué)教師，應(yīng)該利用有限的學(xué)時(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和趣味性，使學(xué)生全面并且高效率的掌握知識內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。研究前沿在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的引入是一項(xiàng)有效措施，在提升教學(xué)水平的同時(shí)還可以提升學(xué)生及教師本身的科研素養(yǎng)。

1 大學(xué)化學(xué)教學(xué)存在的不足

隨著科技的蓬勃發(fā)展和人們的廣泛關(guān)注，科研成果也越來越多的涌現(xiàn)并且影響著人類的生活，但各種版本的大學(xué)化學(xué)教材普遍沒有關(guān)注到最新的科學(xué)研究前沿及熱點(diǎn)?？菰锏臅局R會(huì)打擊同學(xué)們的學(xué)習(xí)積極性；重復(fù)性教學(xué)會(huì)阻礙教師尤其是青年教師的發(fā)展。若想使學(xué)生全面并且高效率的掌握知識內(nèi)容并培養(yǎng)科研素養(yǎng)，教師需要采用新穎的方法來活躍課堂氛圍，提升教學(xué)水平。

2 將研究前沿引入大學(xué)化學(xué)教學(xué)中

2.1 將碳材料的研究引入到雜化軌道的教學(xué)中

在共價(jià)鍵與分子結(jié)構(gòu)章節(jié)中，為了解釋多原子分子的空間構(gòu)型，鮑林在價(jià)鍵理論基礎(chǔ)上提出了雜化軌道理論[1]。根據(jù)教材，中心原子的雜化軌道類型不同，分子的空間構(gòu)型也不同，其雜化軌道類型通常分為sp雜化、sp2雜化、sp3雜化，并分別以乙炔、乙烯、甲烷中碳的雜化方式進(jìn)行舉例說明。在教學(xué)過程中，這些在高中階段就已經(jīng)學(xué)習(xí)的簡單的有機(jī)化合物并不能很好的引起學(xué)生的關(guān)注及學(xué)習(xí)興趣，并且在空間構(gòu)型上有一定的想象局限性。所以有必要對其代表性物質(zhì)進(jìn)行延伸和拓展。

近年來，碳材料被廣泛地研究并應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。通過不同的雜化方式，碳元素可形成諸多的同素異形體，如天然存在的堅(jiān)硬物質(zhì)金剛石，是由sp3雜化碳構(gòu)成的原子晶體。sp2雜化碳原子組成的碳材料有多種，例如石墨、富勒烯、石墨烯等，其中富勒烯由于極大促進(jìn)了

圖1 石墨烯(a)和石墨炔(b)結(jié)構(gòu)示意圖

納米材料的發(fā)展而被譽(yù)為納米王子；石墨烯(圖1a)由于具有優(yōu)異的光電特性被認(rèn)為是一種未來革命性的材料[2]；由于貢獻(xiàn)突出，富勒烯及石墨烯的發(fā)現(xiàn)者均獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。sp雜化碳形成的碳材料在理論上得到了很好的預(yù)測，但直到2010年才被成功制備，具有中國完全自主產(chǎn)權(quán)的石墨炔，是由sp和sp2雜化碳共同構(gòu)成的(圖1b)，具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種非常有前景的催化和儲能材料，這使其成為目前碳材料領(lǐng)域最前沿研究熱點(diǎn)[3]，并成為“十三五規(guī)劃”中的重點(diǎn)研究材料。課堂上，由這些研究前沿材料來引出三種雜化軌道類型，既能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對基礎(chǔ)理論知識的認(rèn)識和理解，又能拓展學(xué)生的科研學(xué)術(shù)視野，利于培養(yǎng)新一代創(chuàng)新型科研人才。

2.2 將卟啉酞菁類化合物的研究引入到配位化學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)中

圖2 卟啉(a)和酞菁(b)結(jié)構(gòu)示意圖

在配位化學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)中，講到了配合物的組成、分類、空間構(gòu)型等。根據(jù)教材，在配合物的分類中，將其主要分為三大類：簡單配合物、螯合物及特殊配合物。其中，特殊配合物是近幾十年才蓬勃發(fā)展起來的一類新型配合物，教材中主要介紹幾種常見的配合物，但欠缺對其性質(zhì)及應(yīng)用領(lǐng)域的說明，使得學(xué)生對其理解比較抽象且缺少學(xué)習(xí)興趣。作者認(rèn)為，在教學(xué)過程中引入一些研究前沿配合物，如卟啉、酞菁類配合物，將能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在充實(shí)學(xué)生知識的同時(shí)促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

卟啉(圖2a)是一類具有特殊生物活性的化合物，它存在于自然界和生命體內(nèi)，例如生物體中運(yùn)輸氧氣的載體血紅素和光合作用的中心葉綠素分別是卟啉衍生物鐵和鎂的配合物。酞菁是卟啉的衍生物，如圖2b所示。它們中間結(jié)構(gòu)的四個(gè)氮原子可以和多種金屬及非金屬絡(luò)合形成穩(wěn)定的配合物，特別是當(dāng)其與如鑭系、錒系等半徑較大，配位數(shù)較高的金屬離子配位時(shí)，極易形成三明治型雙層或多層配合物[4]。課堂上，由卟啉、酞菁單分子的研究及代表舉例引出配合物這一章節(jié)的學(xué)習(xí)，以具體配合物的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識配合物的組成(中心離子、配體與配位原子、配位數(shù)等)，使抽象的概念變得具體化，使索然無味的知識點(diǎn)變得形象生動(dòng)，更有利于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)。

2.3 將鋰電池的研究前沿引入到電化學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)中

在電化學(xué)章節(jié)最后，講到了化學(xué)新知識-燃料電池，作者認(rèn)為，由研究前沿鋰電池引出電化學(xué)基礎(chǔ)章節(jié)，會(huì)更能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，尤其是今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了鋰電池領(lǐng)域的研究學(xué)者。

21世紀(jì)，能源和環(huán)境是全世界共同面臨的難題。為了開發(fā)新能源，各政府加大了對儲能設(shè)備的研究資助，其中，鋰離子電池被認(rèn)為是高容量電池的理想之選[5]。已經(jīng)商品化的鋰離子電池，正極材料采用LiCoO2復(fù)合金屬氧化物，負(fù)極材料采用層狀石墨，而石墨的容量已經(jīng)達(dá)到了其理論最大值。鋰金屬負(fù)極具有最高的理論容量(3860 mA·h·g-1)和最低的電化學(xué)電位(相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-3.04 V)，是提升鋰電池能量密度較理想的負(fù)極材料[6]，但是，不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)膜及充電過程中金屬鋰在電極表面發(fā)生不均勻沉積會(huì)造成不可逆的鋰損耗，需要科研工作者的努力解決問題。在教學(xué)過程中，由這些科研前沿問題引出章節(jié)學(xué)習(xí)，有助于激發(fā)學(xué)生的探索能力及解決問題的能力，將對其研究生階段的學(xué)習(xí)和科研起到積極地作用。

3 引入研究前沿的教學(xué)效果

經(jīng)過課堂實(shí)踐，研究前沿的引入取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生主動(dòng)關(guān)注最新研究成果，并且與書本知識相聯(lián)系，真正做到了學(xué)習(xí)自主性；期中考試和期末考試成績不及格率明顯降低；參加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的同學(xué)增多，其科研素養(yǎng)能得到較好的培養(yǎng)；作為一名青年教師，作者不斷關(guān)注著研究前沿動(dòng)向，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)和科研的共同進(jìn)步和發(fā)展。

4 結(jié) 語

大學(xué)化學(xué)是化學(xué)、材料及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門必修課程。將研究前沿及熱點(diǎn)引入教學(xué)過程中，與枯燥的書本知識相結(jié)合，可以使課堂生動(dòng)有趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開闊學(xué)生的視野，有效提升教學(xué)效果。另外，研究前沿的引入能夠督促教師掌握最新研究動(dòng)向及成果，提升教學(xué)水平的同時(shí)提升自己的科研能力。