徐敏

(廣州大學化學系 廣東廣州 510006)

元素化學教學的探索與實踐

徐敏

(廣州大學化學系 廣東廣州 510006)

剖析了目前國內(nèi)普通高校新生的特點和教學現(xiàn)狀,闡述了作為化學專業(yè)第一門專業(yè)基礎課程的無機化學,特別是元素部分的教學,對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的作用和重要性。介紹了對元素部分教學內(nèi)容和方法改革的具體做法。

無機化學是化學專業(yè)及其他相關專業(yè)第一門重要的基礎課程,因此,無機化學教師不僅要傳授無機化學基礎知識,還肩負著改變應試教育已形成的思維慣性以及那種對現(xiàn)成問題被動應答式的教學訓練方式的重任。如何在無機化學教學過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,對于學生的整個大學學習和今后的工作都將產(chǎn)生重要的影響。

近年來的無機化學教學,在教學內(nèi)容和教學方式上都有不同程度的改進,如增加討論課,將以教為主變?yōu)橛懻撌降慕虒W;增加與生活相關的內(nèi)容以及與現(xiàn)代科學發(fā)展有關的前沿知識研究動態(tài),以提高學生學習的積極性。但總體講,對于創(chuàng)新教學理念、創(chuàng)新培養(yǎng)模式的探討較多,而關于課堂教學過程的研究較少;注重提高學生興趣的內(nèi)容多,而在教學過程中如何提高學生的綜合分析能力的內(nèi)容較少[1-5]。

為此,我們本著課堂教學以學生為本,以問題為中心的基本原則,在無機化學的教學中進行了大膽嘗試和探索,收到了良好的效果,在下面進行具體介紹。

1 引導學生自學

積極創(chuàng)造條件,讓學生參與教學過程,使學生從被動學習轉變?yōu)橹鲃訉W習,提高學生的自學能力。筆者曾做過調查,目前普通高校的學生除了所上課程使用的教科書外,看得最多的是習題集;專業(yè)參考書則很少有人問津,有意識地查閱有關學科新領域現(xiàn)狀和發(fā)展文獻的學生就更少了。許多剛進入大學的學生自學能力比較差,除了上課、課后完成作業(yè),剩余的時間大多不知如何利用,也不會利用圖書館的資料和豐富的網(wǎng)絡資源學習相關的專業(yè)知識,對元素部分的學習更是缺乏興趣。事實上,元素部分的內(nèi)容是無機化學的核心,關于如何進行這部分內(nèi)容的教學,一直是無機化學教學改革探索的重點。

由于元素部分的內(nèi)容與人類的衣食住行,能源的利用以及生命的過程等密切相關,適當?shù)匾龑W生參考有關的資料,有利于調動學生的積極性,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。據(jù)此,我們將元素部分的內(nèi)容分成若干個專題,學生可以根據(jù)自己的喜好選擇任一個專題通過小論文的形式進行探討:可以針對單個元素或幾個元素對比,或是對某一族元素,甚至對整個周期的元素性質變化規(guī)律進行研究。內(nèi)容要求必須從結構和理論的角度探討元素的性質或性質的變化規(guī)律;至少有 3篇參考文獻;按照論文的形式撰寫 3000字以上。小論文將作為學生平時成績的重要部分,并規(guī)定在系統(tǒng)講授相關內(nèi)容之前提交。教師從中選擇較好的論文讓學生上臺交流,以作為對課堂內(nèi)容的補充。經(jīng)過一段時間的訓練,學生小論文的質量明顯提高。在這個過程中學生的積極性很高,提交的論文涉及面也很廣,既有理論性的研究,如電負性、元素半徑的變化與化學性質變化規(guī)律的內(nèi)在關系等;也有許多應用性的研究,如貴金屬的分離、環(huán)境保護、藥物應用等,討論的問題也逐漸深入。許多學生為了撰寫小論文,查閱了大量的專業(yè)參考文獻。這樣不僅調動了學生的積極性,促使學生參與了教學,同時也引導了學生的選題和對文獻資料的查閱以及對問題的深入探討,使學生通過各種途徑學到許多新的知識和科學前沿的內(nèi)容。從而拓展了學生的知識面,提高了學生自主學習的能力,訓練了學生的科學思維能力。

2 培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力

采用啟發(fā)式和討論式教學,有助于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識,讓學生感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程,培養(yǎng)學生獨立思考的科學精神。如對第一個惰性氣體化合物 XePtF6的發(fā)現(xiàn)過程進行剖析。首先介紹反應 O2+PtF6→O2+PtF6-,然后分析此反應中 O2的第一電離能(1175.7kJ/mol)與 Xe的第一電離能 (1171.5kJ/mol)類似,受此啟發(fā),嘗試類似反應 Xe+PtF6→Xe+PtF6-,從而獲得成功。這樣不僅學習了重要數(shù)據(jù)參數(shù)的作用,也使學生初步了解了新物質發(fā)現(xiàn)的一種研究思路。再如,在講 H2O2的性質和應用時,我們給出了這樣的討論題“如果你要開發(fā)一種可以對有色衣物進行漂白的產(chǎn)品,已知主要的漂白成分為 H2O2。問:最終產(chǎn)品應是酸性還是堿性?如何避免 H2O2分解?”。通過熱力學數(shù)據(jù)以及動力學因素,對影響 H2O2穩(wěn)定性的因素進行分析,確定開發(fā)此類產(chǎn)品必須要避免的因素,從而不僅了解了 H2O2的性質,也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和綜合分析問題的能力。在講錳及化合物的性質時,結合多核錳配合物的合成條件,共同討論“獲得混合價態(tài)錳的多核配合物的各種可能的合成條件,包括酸堿性、錳鹽和配體的比例、氧化劑的選擇、溫度等”,并與學生一起對多核錳如Mn25的合成條件進行分析,不僅加深了學生對Mn的性質的理解和記憶,還融入了現(xiàn)代學科的新知識。采取這樣的方式也使學生不再對元素教學的內(nèi)容感到單調和枯燥。

3 引導和拓展學生的思維

目前普遍存在的另一個問題是有些學生不會用所學的知識解決實際問題。大多數(shù)學生經(jīng)過一段時間的學習,初步掌握了基本知識,對于一問一答的方式,回答都很準確;但對于一個實際問題,卻往往不知從何入手。為此,我們選擇和設計了一些理論聯(lián)系實際的內(nèi)容與學生一起進行分析和探討。如講到 H2O2的性質時,結合其目前作為洗滌產(chǎn)品彩漂的主要成分,討論在H2O2的生產(chǎn)以及保存和使用過程中可能出現(xiàn)的問題。具體包括:如果在某批產(chǎn)品的檢驗時發(fā)現(xiàn) H2O2的含量不達標(偏低),可能的問題來自哪里?貯存過程應該注意什么?如果洗滌后發(fā)現(xiàn)織物在紐扣附近損壞嚴重,可能的原因是什么?這樣一些應用實例,不僅能引起學生的興趣,也有助于拓展學生的思維,提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。再如,對一些物質制備方法的介紹,過去只簡單給出相應的反應式,往往一帶而過;我們現(xiàn)在的做法是,首先選出典型的制備方法,啟發(fā)學生去思考所采納的方法和條件的目的和原因。如介紹鈹和單質氟的制備,制備的具體條件分別是:NaCl和BeCl2在 350～400℃下熔融電解制鈹;KF與 HF的混合物(有時會加LiF或AlF3)熔融電解制單質氟。請學生分析為什么采用熔融電解方法?NaCl和 KF的作用分別是什么?為什么不單獨采用 BeCl2或 KF或 HF熔融電解?通過討論,不僅突出了元素本身的性質,也進一步探討了分子結構中化學鍵的類型與性質的關系,同時擴展了對其他知識的了解和應用。再如,介紹硅酸鹽的性質時,利用學生對硅酸鹽能形成“水中花園”的現(xiàn)象非常感興趣這一點,組織相關的討論。如“硅酸鹽易于形成水中花園,其他的鹽是否可以,從結構的角度探討為什么?”通過這樣的問題討論,不僅可以加深學生對硅酸鹽結構和特點的理解和記憶,而且通過綜合分析,培養(yǎng)了學生從事物的本質去分析問題的能力。

4 提高學生探究實驗的能力和綜合素質

元素性質和制備實驗是無機化學實驗的重要組成部分,如果只是按照實驗步驟,照方抓藥,則只能起到實驗基本操作訓練和驗證性實驗的作用;而選擇具有代表性的綜合性設計實驗,與學生共同分析和討論在實驗中觀察到的現(xiàn)象和結果,則不僅有利于他們對物質的性質和特點的認識,也能提高學生分析問題的能力。如在講授鉻及化合物的性質和特點時,結合自選還原劑驗證 Cr(Ⅵ)的氧化性的實驗進行講解 (這是一個對大一學生難度適宜的綜合設計性實驗素材),學生在理論上對 Cr(Ⅵ)的氧化性都有所了解,但用自己設計的實驗方案進行驗證時,對所得到的現(xiàn)象卻不知如何解釋。我們針對學生提出的方案和實驗結果進行分析和討論,使學生不僅了解了 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)的性質和特點,也使學生認識到影響實驗結果的多種因素,如原料的相對用量、體系的酸度、還原劑的選擇(包括還原能力、還原產(chǎn)物的物態(tài)、顏色)以及對于后續(xù)實驗的影響都必須加以考慮。此外,通過對 Cr(Ⅲ)隨溶液濃度的不同而顏色各異的原因進行討論,進一步闡釋 Cr(Ⅲ)的配合物的形成以及顏色產(chǎn)生的原因,涉及的內(nèi)容不僅包括化學反應,還有配合物的理論等。再如講到關于鈷及化合物的性質時,與學生一起分析和討論異核配合物[Co(en)2Cl2]3[Fe(C2O4)3]·4.5H2O的制備及其組成測定這一綜合設計性實驗的合成、分離、離子的定性檢驗等整個實驗過程,并結合學生的實驗結果,對反應物的用量、反應時間及反應溫度對反應現(xiàn)象和結果的影響進行了討論,分析實驗成敗的原因和實驗改進以及進一步研究的方向。學生普遍反應強烈,能積極參與,課堂氣氛活躍。

5 提高學生分析問題的能力

我們在教學中改變了過去對每個元素按性質、特點、制備、應用進行介紹,片面追求系統(tǒng)性和完整性的傳統(tǒng)做法,而以結構為主線,從結構特點及其內(nèi)在關系分析元素和化合物的性質及變化規(guī)律;緊扣結構—性質—應用的邏輯思路,通過對周期表內(nèi)的元素進行橫向、縱向的對比,加深半徑以及電子層結構的周期性變化對元素及化合物性質周期性變化的影響以及物質的性質由量變到質變的理解。如,為什么 SiO2與 CO2具有不同的結構和性質?為什么由碳組成的化合物已有約 600萬種,而同一族的元素硅組成的化合物卻少得多?為什么N和 P、O和 S、F和 Cl相鄰,但性質差異卻很大?為什么 C和N相鄰,其單質和化合物的結構和性質卻完全不同?為什么B的氫化物具有缺電子的多中心結構?這些問題都可以從元素的半徑,價電子構型以及鍵能數(shù)據(jù)得到解釋。再如為什么氣態(tài)鹵化鋁只有 AlF3是離子型且為單體,而 AlCl3, AlBr3,AlI3均為共價型的二聚體?為什么水的密度比冰的大?前者可以從元素的缺電子結構以及給電子能力等方面進行剖析;后者則可根據(jù)水分子之間形成的氫鍵在 0℃左右的結構變化情況加以說明,進而使學生從本質上加深對物質性質變化的影響因素的理解。

6 小結

多年來,在元素化學的教學過程中采用了以上教學方法,使學生不僅對元素部分的理論而且對實驗研究的興趣都明顯提升,對問題的看法也不再那么單一和絕對,大大改變了對現(xiàn)成問題被動應答式的思維慣性,提高了學生自主學習和分析問題、解決問題的能力。同時還培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和能力,教學效果也明顯得到提高。

[1] 肖麗萍,呂萍,王彥廣.大學化學,2009,24(2):24

[2] 沙洪成.中國高教研究,2004(8):76

[3] 施開良,姚天揚,俞天森.大學化學,2002,17(6):8

[4] 張愛平.山西醫(yī)科大學學報(基礎醫(yī)學教育版),2007,9(3):252

[5] 陳三平,王堯宇,陳剛,等.大學化學,2009,24(2):14