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        淺談以知識(shí)體系為模塊的無機(jī)化學(xué)教學(xué)方法

        2017-04-08 02:39:20張文華
        中國校外教育(下旬) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)理論學(xué)生

        張文華

        《無機(jī)化學(xué)》是高校化學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生接觸的第一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課,其內(nèi)容既是中學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的進(jìn)一步闡述及延伸,同時(shí)也是以后學(xué)習(xí)《有機(jī)化學(xué)》,《物理化學(xué)》等專業(yè)基礎(chǔ)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(chǔ)知識(shí)模塊為結(jié)構(gòu)單元的教學(xué)方法。通過酸堿反應(yīng)“是什么”,“怎么發(fā)生”以及“為何會(huì)發(fā)生”的邏輯過程,加深學(xué)生對(duì)酸堿理論的理解。同時(shí),引入學(xué)科前沿的科學(xué)研究成果,以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)重要性認(rèn)同,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的興趣,同時(shí)培養(yǎng)其獨(dú)立思考精神、拓展其視野、培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)。

        無機(jī)化學(xué)模塊化教學(xué)酸堿理論教學(xué)改革《無機(jī)化學(xué)》是高等學(xué)校化學(xué)、化工、材料、物理及醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程一般對(duì)大一新生開設(shè),是一門必修課?!稛o機(jī)化學(xué)》課程中的諸多內(nèi)容是高中學(xué)習(xí)知識(shí)的延伸和釋義??梢哉f中學(xué)課程中所學(xué)的知識(shí)是知其然,而大學(xué)所學(xué)知識(shí)是進(jìn)一步知其所以然。另外,大一《無機(jī)化學(xué)》所學(xué)知識(shí)還是以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)《有機(jī)化學(xué)》《物理化學(xué)》等專業(yè)知識(shí)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(xué)熱力學(xué)等在后面的《有機(jī)化學(xué)》《物理化學(xué)》等課程中還要進(jìn)一步深入探討。而一到兩年后部分知識(shí)可能已經(jīng)被遺忘,有些知識(shí)可能要從新開始著手學(xué)習(xí)。造成此情況的一個(gè)重要原因是由于目前較傳統(tǒng)的學(xué)科分類所決定的,如一般化學(xué)學(xué)科均包括無機(jī)、有機(jī)、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(shí)的延伸的必然要求,各學(xué)科之間互相滲透,共同發(fā)展形成交叉學(xué)科,如生物化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等。這些交叉學(xué)科的形成,要求未來的科技人才具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)、完備的專業(yè)體系以及對(duì)學(xué)科前沿領(lǐng)域的認(rèn)知。而對(duì)于沒有經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練大學(xué)生而言,其獲得專業(yè)知識(shí)的主要渠道為課堂學(xué)習(xí),這給課堂教學(xué)的內(nèi)容及方法提出了極高的要求。

        目前的大部分無機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容安排相似,主要有化學(xué)原理(氣體及溶液、化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡)、化學(xué)理論(原子結(jié)構(gòu)及元素周期率、化學(xué)鍵及分子與晶體結(jié)構(gòu)、配位化學(xué))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(guān)系以及邏輯順序不強(qiáng)。另外,對(duì)于所學(xué)知識(shí)與最前沿的研究領(lǐng)域及應(yīng)用聯(lián)系不緊密。書中所列舉的例題、習(xí)題等多可直接套用所學(xué)理論得直接到充分解決。書中一般不含有這些知識(shí)理論的現(xiàn)代用途,讓學(xué)生感到所學(xué)知識(shí)無用,無法激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。本文以酸堿理論的發(fā)展為例,擬用模塊教學(xué)方法讓學(xué)生形成完善的關(guān)于酸堿理論的知識(shí)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(jī)化學(xué)適用性及當(dāng)代用途等。

        中學(xué)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(biāo)準(zhǔn)(即酸堿“是什么”)。在中學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)生熟悉常見的酸堿中和反應(yīng)、鹽類的水解反應(yīng)等,在布朗斯特酸堿理論中都可歸結(jié)為酸堿反應(yīng)。這與中學(xué)所學(xué)不太相同,而在中學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)先入為主和反復(fù)提及的知識(shí)有時(shí)反而阻礙學(xué)生的進(jìn)一步接受大學(xué)所講的布朗斯特酸堿理論以及共軛酸堿對(duì)理論。《無機(jī)化學(xué)》所學(xué)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(xué)所學(xué)的布朗斯特酸堿理論可簡單描述為兩對(duì)共軛酸堿對(duì)之間的反應(yīng)。學(xué)生在理解布朗斯特酸堿理論時(shí)需從中學(xué)時(shí)期的酸堿是兩類物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)經(jīng)過質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程。酸和堿不是絕對(duì)的,而是相對(duì)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(jìn)而布朗斯特酸堿理論的范圍擴(kuò)大到包括酸堿中和反應(yīng)、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(shí)描述了酸堿反應(yīng)是怎么發(fā)生的,即一個(gè)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(yīng)的實(shí)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(jìn)一步學(xué)習(xí)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(shí)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(yīng)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(duì)孤對(duì)電子可以與H+中的空s軌道“頭碰頭”作用而成σ鍵,而此時(shí)形成\[H3O\]+及Cl-均符合路易斯八隅體規(guī)則的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(H為2電子)(方程式(3))。

        對(duì)于一年級(jí)新生能理解并接受路易斯酸堿理論,或已足夠。然而,進(jìn)一步理解該反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理并能畫出在該酸堿反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的路徑\[方程式(4)\],將會(huì)對(duì)未來進(jìn)一步理解《有機(jī)化學(xué)》課程中的親核取代等反應(yīng)大有裨益。在學(xué)習(xí)酸堿理論之前,學(xué)生一般通過原子結(jié)構(gòu)及元素周期率的學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)原子的電負(fù)性有所了解,此時(shí),可以鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)用已學(xué)知識(shí),從本質(zhì)上理解酸堿反應(yīng),即:酸堿反應(yīng)的本質(zhì)是電負(fù)性較強(qiáng)的分子或離子中局部電荷對(duì)帶相反電荷的H+的靜電吸引而形成更強(qiáng)的化合鍵導(dǎo)致的。

        最后,為了進(jìn)一步鞏固酸堿反應(yīng),讓學(xué)生意識(shí)到其重要性還應(yīng)讓學(xué)生了解酸堿反應(yīng)在現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)中無處不在。例如,在金屬催化的有機(jī)反應(yīng)中絕大多數(shù)反應(yīng)如Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),Grubbs烯烴復(fù)分解反應(yīng)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(xué)生對(duì)探索未知世界的興趣。此外,酸堿反應(yīng)在生活中也隨處可見。人們?cè)谌粘I钪惺褂玫姆试?、洗滌劑、化妝品、香精等都是化學(xué)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(dāng)人體攝入過多食物后,會(huì)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(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

        《無機(jī)化學(xué)》作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,對(duì)其教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合生產(chǎn)生活,結(jié)合實(shí)際,引入與時(shí)俱進(jìn)的內(nèi)容以加深學(xué)生對(duì)課程的理解,激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的熱情,對(duì)后面其他知識(shí)的傳授具有積極作用。本文所提的模塊化教學(xué)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,在教學(xué)時(shí)間的保證上可能存在一定的挑戰(zhàn),但在強(qiáng)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(shí)可行的效果。

        參考文獻(xiàn):

        \[1\]曹錫章,宋天佑,王杏喬.無機(jī)化學(xué).北京:高等教育出版社,2012.

        \[2\]張祖德.無機(jī)化學(xué).合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2016.

        \[3\]Alastair J.J.Lennox and Guy C.Lloyd-Jones, Selection of boron reagents for Suzuki-Miyaura coupling,Chem.Soc.Rev.,2014,(43):412.

        \[4\]Georgios C.Vougioukalakis and Robert H.Grubbs,Ruthenium-based heterocyclic carbene-coordinated olefin metathesis catalysts,Chem.Rev.2010,(110):1746.

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