礦物加工工程專業(yè)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教學(xué)研究

王立艷，楊玉立，楊巧文

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

無(wú)機(jī)與分析化學(xué)是高等院校理工科專業(yè)一門(mén)重要的基礎(chǔ)理論課，也是我校礦物加工工程專業(yè)(下文簡(jiǎn)稱礦加專業(yè))本科生的學(xué)科基礎(chǔ)必修課之一，是為后續(xù)相關(guān)其他基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)的一門(mén)重要課程[1]。

近些年深化高等教育綜合改革的大背景下，為了踐行“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)實(shí)踐，重研究”的培養(yǎng)目標(biāo)和對(duì)新時(shí)代人才培養(yǎng)模式改革的探索，大學(xué)課堂的理論課時(shí)一再被壓縮[2]，我校礦加專業(yè)在基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的培養(yǎng)方案中原來(lái)設(shè)置為“無(wú)機(jī)化學(xué)”(40學(xué)時(shí))和“分析化學(xué)”(24學(xué)時(shí))兩門(mén)課程總64學(xué)時(shí)的教學(xué)安排，但在2016版本科教學(xué)培養(yǎng)方案的修訂中，礦加專業(yè)將上述兩門(mén)課程合二為一變?yōu)椤盁o(wú)機(jī)與分析化學(xué)”，總學(xué)時(shí)變更為56學(xué)時(shí)。雖然縮減了理論課時(shí)，但教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)面基本并未減少，同時(shí)該課程具有知識(shí)點(diǎn)分散、內(nèi)容繁多、基礎(chǔ)性強(qiáng)等特點(diǎn)，容易給學(xué)生帶來(lái)一定的困惑，特別是本課程一般在大學(xué)一年級(jí)開(kāi)設(shè)，學(xué)生通常會(huì)疑惑“此課程與礦加專業(yè)方向及應(yīng)用有什么關(guān)系”，進(jìn)而可能會(huì)失去學(xué)習(xí)動(dòng)力，直接影響教學(xué)效果。因此，針對(duì)不同專業(yè)需求的無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程設(shè)計(jì)成為了亟待解決的問(wèn)題。本論文通過(guò)調(diào)研礦加專業(yè)對(duì)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的要求，對(duì)比分析目前國(guó)內(nèi)較為通用的教材內(nèi)容安排，對(duì)我校礦加專業(yè)本課程的教學(xué)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，為即將開(kāi)展的2020版本科教學(xué)培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱的修訂做準(zhǔn)備。

1 教學(xué)內(nèi)容調(diào)研

在國(guó)家高考教育改革的號(hào)召下，各大高校對(duì)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容均做了調(diào)整。為了更全面地制定新版教學(xué)大綱和更好地為新一輪教學(xué)實(shí)踐提供保障，對(duì)一些知名高等院校該課程的國(guó)家精品課程教學(xué)安排或教學(xué)大綱進(jìn)行對(duì)比調(diào)研。

如西安交通大學(xué)開(kāi)設(shè)的國(guó)家精品課程無(wú)機(jī)與分析化學(xué)，服務(wù)專業(yè)有化學(xué)、化工、生物、材料、能源、環(huán)境等，分為四個(gè)模塊進(jìn)行，分別是化學(xué)反應(yīng)基本原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)分析和儀器分析。為體現(xiàn)全面和廣泛適用性，該課程融合了無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)的“無(wú)機(jī)及分析化學(xué)”精品課程內(nèi)容分上、下兩個(gè)部分，其中上部主要包括溶液和膠體、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)平衡等基本化學(xué)原理以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本理論，下部主要包括酸堿平衡與酸堿滴定法、酸堿平衡與酸堿滴定法、配位化合物與配位滴定法、氧化還原反應(yīng)與氧化還原滴定法(四大滴定法)以及電位(勢(shì))分析和吸光光度分析法。適用專業(yè)有農(nóng)學(xué)、林學(xué)、食品科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等，總共80學(xué)時(shí)。

上海交通大學(xué)原只為有應(yīng)用化學(xué)、材料、生命科學(xué)專業(yè)開(kāi)設(shè)的無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)兩門(mén)課程，在教學(xué)改革下，整合成無(wú)機(jī)與分析化學(xué)，不過(guò)針對(duì)不同專業(yè)要求，分別設(shè)置為72學(xué)時(shí)(化工、藥學(xué)、環(huán)境專業(yè))和54學(xué)時(shí)(農(nóng)學(xué)院和生命學(xué)院)，課程內(nèi)容共包含十二個(gè)章節(jié)，分別是緒論、 化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率、原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)、定量分析概論、四大平衡理論與滴定法、儀器分析簡(jiǎn)述；另外，將元素化學(xué)部分列為學(xué)生課外閱讀或選學(xué)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)推出該課程的國(guó)家精品課分為上下兩個(gè)部分，上部分教學(xué)內(nèi)容包括溶液的理論、化學(xué)反應(yīng)一般原理(熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和化學(xué)平衡等)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論、分析化學(xué)概論等，下部分包括四大平衡與滴定法、電勢(shì)分析法和紫外可見(jiàn)分光光度法等，是為農(nóng)科類、理科類、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科各相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)的必修課。

中國(guó)石油大學(xué)為化工和化學(xué)兩個(gè)專業(yè)開(kāi)設(shè)的該課程內(nèi)容設(shè)置為化學(xué)熱力學(xué)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)與定量化學(xué)分析、元素化學(xué)三個(gè)部分，理論課時(shí)長(zhǎng)達(dá)112學(xué)時(shí)，幾乎涵蓋無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)兩門(mén)課程完整的全部?jī)?nèi)容，以及其他知名高等院校亦是如此。

通過(guò)以上關(guān)于一些高等院校推出的無(wú)機(jī)與分析化學(xué)精品課程的內(nèi)容設(shè)置與適用專業(yè)的對(duì)比分析，可以看出各校各專業(yè)所開(kāi)設(shè)的該課程內(nèi)容雖有雷同但各不一致，各具側(cè)重點(diǎn)，普通存在的一個(gè)現(xiàn)象是無(wú)論對(duì)于化工化學(xué)專業(yè)還是非化學(xué)類專業(yè)，該課程的內(nèi)容設(shè)置仍然偏多[3]，這主要體現(xiàn)在學(xué)時(shí)設(shè)置上依然居高不下，因此并不適合于非化學(xué)化工專業(yè)如礦加專業(yè)的教學(xué)。礦加專業(yè)由于其學(xué)科專業(yè)特色，需要具備煤炭加工、礦產(chǎn)資源綜合利用與深加工領(lǐng)域的基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，這些領(lǐng)域均涉及無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，但并不要求特別深入，宜采用“少而精”的教學(xué)方式。因而，我們將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)現(xiàn)有且應(yīng)用較多的無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教材進(jìn)行調(diào)研，進(jìn)而對(duì)適合于礦加專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)形式進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

2 教材調(diào)研

對(duì)于現(xiàn)階段大學(xué)生的教學(xué)而言，教材在教學(xué)環(huán)節(jié)中具有極其重要的地位和作用。不同于高中的學(xué)習(xí)模式，中學(xué)時(shí)期有大量的參考書(shū)、練習(xí)冊(cè)等輔助教學(xué)工具，而高等教育課程學(xué)習(xí)的階段性決定了無(wú)機(jī)與分析化學(xué)的教學(xué)基本完全依托于教材。教材是教學(xué)內(nèi)容的載體，決定了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的深度和廣度，更是教師與學(xué)生之間課外時(shí)間溝通的紐帶。然而，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，高等化學(xué)教材建設(shè)呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)[4]，當(dāng)前的無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教材也是魚(yú)龍混雜、各具特色，但在實(shí)際教學(xué)的教材選擇和教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)仍有許多需要改進(jìn)之處。

一直以來(lái)我校無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)選用的教材分別是大連理工大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室主編、高等教育出版社的無(wú)機(jī)化學(xué)[5]和華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組主編、高等教育出版社的分析化學(xué)[6]，前者內(nèi)容包括化學(xué)反應(yīng)原理篇、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)篇和元素化學(xué)篇，后者內(nèi)容包括定量分析概述、四大滴定分析和儀器分析三大模塊。在2016版培養(yǎng)計(jì)劃之前我校礦加專業(yè)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)課程的教學(xué)安排在兩學(xué)期進(jìn)行，大一上學(xué)期進(jìn)行總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)的無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)，下學(xué)期進(jìn)行總學(xué)時(shí)為24學(xué)時(shí)的分析化學(xué)教學(xué)部分，因此分別采用的是上述兩個(gè)教材?？傮w來(lái)說(shuō)，兩個(gè)教材合起來(lái)內(nèi)容全面且系統(tǒng)，講解清晰易懂，基本理論涵蓋范圍較廣，難度方面循序漸進(jìn)。

上述兩本教材均為經(jīng)典教材之一，內(nèi)容充實(shí)，理論講解深入，但若作為非化學(xué)類專業(yè)的化學(xué)教材，顯得內(nèi)容過(guò)多以及理論難度偏大，尤其是2016版教改后重新修訂的教學(xué)大綱將兩學(xué)期課程合并成學(xué)時(shí)更短、內(nèi)容精簡(jiǎn)的一門(mén)課程，不再適合選用兩本書(shū)作為該課程的教材，內(nèi)容配置方面也存在很大差距，因此在充分調(diào)研和論證后選用陳若愚主編、大連理工大學(xué)出版社出版的無(wú)機(jī)與分析化學(xué)(第二版)[7]作為本課程的教材。該教材對(duì)于礦加專業(yè)設(shè)置的56學(xué)時(shí)教學(xué)而言，內(nèi)容配置較為合理，講解精練簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于本教材缺少化學(xué)熱力學(xué)內(nèi)容，對(duì)于礦加專業(yè)來(lái)說(shuō)，礦物的加工與資源化技術(shù)，必不可少地涉及材料的熱處理，因此在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中逐漸發(fā)現(xiàn)缺少熱化學(xué)內(nèi)容對(duì)后期專業(yè)課程帶來(lái)的弊端。為此將進(jìn)一步對(duì)適合專業(yè)需求和學(xué)校培養(yǎng)方案的教材進(jìn)行調(diào)研。

例如北京大學(xué)出版社出版、周享春主編的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)[8]，本教材以原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)理論開(kāi)始，依次分別設(shè)置化學(xué)反應(yīng)的基本原理、“四大平衡”、滴定分析、分光光度法和電位分析法，以及元素化學(xué)和常用的分離方法。適用于化學(xué)類以及地質(zhì)、材料、資源工程等近化學(xué)或非化學(xué)類專業(yè)教學(xué)使用。

再如商少明主編、化學(xué)工業(yè)出版社出版的無(wú)機(jī)及分析化學(xué)(第三版)[9]，內(nèi)容編制順序?yàn)槎炕瘜W(xué)分析概述、化學(xué)反應(yīng)基本原理初步(包括熱化學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué))、四大平衡理論及其滴定分析法、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素化學(xué)、儀器分析部分，并將“常用分離方法”單獨(dú)列為一章，適用于各類近化學(xué)和非化學(xué)專業(yè)教學(xué)。

更多市面教材將不再展開(kāi)累述，但綜合總結(jié)發(fā)現(xiàn)在教材方面普遍存在的問(wèn)題是知識(shí)模塊面面俱到[10]，有些教材章節(jié)之間的聯(lián)系不夠緊密，既有重復(fù)之處，又有脫節(jié)現(xiàn)象，如化學(xué)熱力學(xué)中吉布斯自由能與標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)和氧化還原反應(yīng)中電動(dòng)勢(shì)之間關(guān)系式的推導(dǎo)與應(yīng)用部分，需要知識(shí)模塊之間的關(guān)聯(lián)和相互作用能的轉(zhuǎn)化才能理解透徹。有些教材則內(nèi)容偏深，與專業(yè)方向結(jié)合缺乏緊密性，特別是明年起多省市將實(shí)行新一輪的高考考試招生制度，化學(xué)不再是理工科專業(yè)的高考必考科目，學(xué)生的化學(xué)水準(zhǔn)將更加參差不齊[11]，這就要求作為非化學(xué)類專業(yè)大一學(xué)生的基礎(chǔ)化學(xué)教材，其內(nèi)容設(shè)計(jì)更要注重基礎(chǔ)性和適用性，從培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)的角度設(shè)計(jì)教材和教學(xué)內(nèi)容。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教材的調(diào)研與分析，并根據(jù)四年來(lái)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，參考礦加專業(yè)教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的建議，對(duì)礦加專業(yè)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式等進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面，分為兩條主線，一是以化學(xué)基本理論為主線，內(nèi)容包括化學(xué)熱力學(xué)、定量分析基本理論、化學(xué)平衡與滴定分析；二是以物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為主線，內(nèi)容包括原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)；另外選取部分元素化學(xué)內(nèi)容作為學(xué)生選學(xué)或課外自學(xué)。建議學(xué)時(shí)分配方案如表1所示。

表1 礦加專業(yè)“無(wú)機(jī)與分析化學(xué)”課程內(nèi)容章節(jié)與學(xué)時(shí)分配

相對(duì)于目前使用的教學(xué)大綱和教材而言，突出地方在于將化學(xué)熱力學(xué)重新納入進(jìn)來(lái)，原因在于兩方面，一是對(duì)于礦加專業(yè)后期專業(yè)課的學(xué)習(xí)需要有化學(xué)熱力學(xué)的基礎(chǔ)，但同時(shí)鑒于學(xué)時(shí)的限制以及后續(xù)“物理化學(xué)”課程此部分屬于重點(diǎn)內(nèi)容，本部分在該課程中不宜深入；二是在后面章節(jié)氧化還原反應(yīng)平衡、原電池教學(xué)內(nèi)容中化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的最大功與熱力學(xué)能、Gibbs自由能、等溫方程之間緊密關(guān)聯(lián)，有了熱化學(xué)基本理論的鋪墊才能有助于理解能斯特方程。另外，鑒于元素化學(xué)部分類似于高中化學(xué)的常識(shí)類知識(shí)，在高中化學(xué)模塊“常見(jiàn)無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”中已有基礎(chǔ)性學(xué)習(xí)和掌握，到了大學(xué)階段完全可以由學(xué)生自學(xué)或作為查閱性資料閱讀。

對(duì)無(wú)機(jī)與分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，特別強(qiáng)化章節(jié)之間的聯(lián)系和相互滲透，如圖1所示。無(wú)機(jī)與分析化學(xué)課程由于公式多、關(guān)系式復(fù)雜，學(xué)生通常難以掌握或容易混淆，而通過(guò)這張框架關(guān)系網(wǎng)圖，不僅能夠讓學(xué)生一目了然地掌握內(nèi)容全局，對(duì)整個(gè)課程教學(xué)更加清晰，且以此作為整體化學(xué)反應(yīng)原理篇教學(xué)內(nèi)容的概覽與支撐，對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果大有裨益。

圖1 反應(yīng)原理篇章節(jié)基本原理關(guān)系網(wǎng)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)機(jī)與分析化學(xué)是由無(wú)機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)兩門(mén)關(guān)系密切的基礎(chǔ)課程有機(jī)地整合而成的一門(mén)系統(tǒng)性、綜合性較強(qiáng)的課程，涵蓋內(nèi)容廣泛，基礎(chǔ)性強(qiáng)，在四大基礎(chǔ)化學(xué)的教學(xué)中有舉足輕重的地位。為了更好地服務(wù)于新一輪本科教學(xué)周期，通過(guò)對(duì)目前教學(xué)內(nèi)容、教材內(nèi)容設(shè)置等的調(diào)研與對(duì)比分析，有針對(duì)性和目標(biāo)性地設(shè)計(jì)了適合于礦加專業(yè)學(xué)科發(fā)展特色的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，強(qiáng)化了本課程教學(xué)的基礎(chǔ)性、專業(yè)適用性和實(shí)際操作的有效性。通過(guò)本論文的教學(xué)研究工作，期望能進(jìn)一步改善礦加專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)課程教學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)關(guān)聯(lián)性，同時(shí)本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)也適用于我校資源環(huán)境專業(yè)、地質(zhì)類專業(yè)和環(huán)境工程專業(yè)。