奚寶娟，熊勝林

山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

無機(jī)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的一類重要分支。作為化學(xué)類相關(guān)高等院校大一學(xué)生進(jìn)修的專業(yè)課，是學(xué)生們進(jìn)一步學(xué)習(xí)高等無機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)，且與物理化學(xué)、分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)。無機(jī)化學(xué)的內(nèi)容相對基礎(chǔ)且全面，主要涵蓋了化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)元素兩大部分。因此學(xué)好無機(jī)化學(xué)能夠為今后該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)生奠定良好的專業(yè)基礎(chǔ)，對相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言至關(guān)重要。但是龐大的無機(jī)化學(xué)知識體系枯燥無味，部分內(nèi)容難度較高，難以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，使大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)過程變?yōu)椤皯?yīng)試型”的學(xué)習(xí)。這樣不僅不符合高等院校為國家培養(yǎng)高水平人才的方針，也使得教師的教學(xué)質(zhì)量事倍功半[1–3]。

針對以上問題，筆者認(rèn)為提高教學(xué)質(zhì)量的首要問題是如何有效地提高學(xué)生對于無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。國內(nèi)的教育者們對此進(jìn)行了很多新穎的嘗試和探索，比如：“翻轉(zhuǎn)課堂”的開展，采用啟發(fā)–誘導(dǎo)式的教學(xué)模式，以及互動反饋式教學(xué)等。這些創(chuàng)新式教學(xué)方法均在無機(jī)化學(xué)的教學(xué)過程中極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)成果反饋也可以看出，興趣的提高使學(xué)生對相關(guān)知識的掌握更加牢固，效果不言而喻。但是這些創(chuàng)新性的教學(xué)模式并未在全國高等院校的教學(xué)中全面推廣，最主要的原因就是這些方式均需要耗費(fèi)大量的課堂時間來提高學(xué)生的參與度。這對于一門課時有限的課程而言，不能在實際中得到很好的應(yīng)用[4,5]。

筆者在教學(xué)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，“材料表面與界面”這門課程的授課過程中，教師會引用大量與該科目相關(guān)的生活、自然現(xiàn)象，比如“壁虎腳掌效應(yīng)”“玫瑰花瓣效應(yīng)”“荷葉的自清潔效應(yīng)”“玻璃毛細(xì)管液面自動上升現(xiàn)象”等。從這些現(xiàn)象中引出理論知識，再用知識解釋現(xiàn)象。通過這種方式，能夠很好地吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。無機(jī)化學(xué)課程的知識面更加廣泛，與人們實際生活中的很多現(xiàn)象息息相關(guān)，并且科學(xué)研究中的許多內(nèi)容都是以無機(jī)化學(xué)中的知識作為基礎(chǔ)。因此，筆者在教學(xué)過程中通過大量引用與所講章節(jié)相關(guān)的生活現(xiàn)象或科研進(jìn)展，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠更加直觀地對原本枯燥的理論知識進(jìn)行理解和吸收。為了有助于無機(jī)化學(xué)教學(xué)，筆者首先對相關(guān)教學(xué)設(shè)計與實踐進(jìn)行了介紹，在介紹過程中筆者引入了大量與各章節(jié)內(nèi)容相關(guān)的生活現(xiàn)象或科研進(jìn)展；接著展示了學(xué)生對該教學(xué)模式的反饋情況；最后提出了筆者對該教學(xué)模式實踐的思考。

1 教學(xué)設(shè)計與實踐

筆者基于多年來對無機(jī)化學(xué)課程的授課經(jīng)驗，結(jié)合相關(guān)的生活現(xiàn)象或科研進(jìn)展，將課外拓展型知識引入課堂。在教學(xué)過程中以教材為基礎(chǔ)，將課外拓展型知識與無機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和課堂效率，進(jìn)而提升教學(xué)效果。為了提高對教學(xué)過程的指導(dǎo)作用，我們的實際教學(xué)環(huán)節(jié)介紹如下：

(1) 通過實際問題引入課題。

在講授新的理論內(nèi)容之前，利用學(xué)生非常熟悉的生產(chǎn)生活現(xiàn)象的引入，吸引學(xué)生的注意力，同時可以讓學(xué)生了解該部分知識的用途，提高學(xué)生對理論知識的重視。例如，化學(xué)平衡(酸堿平衡、沉淀溶解平衡、鹽類水解平衡等)涉及的內(nèi)容在生產(chǎn)生活、環(huán)境保護(hù)、人體健康等方面有許多體現(xiàn)，筆者在這部分的授課過程中會通過生活實際的案例進(jìn)行課前導(dǎo)入[6,7]。

酸堿平衡的內(nèi)容可以通過血液pH對人體機(jī)能的影響來導(dǎo)入。如表1所示，人體的血液pH穩(wěn)定在7.38–7.42之間，從而維持正常的生理活動。當(dāng)體內(nèi)攝入過多酸性或者堿性物質(zhì)時，主要依靠血液中的兩組共軛酸堿對來維持pH的穩(wěn)定。其中，的酸堿平衡過程如下：

表1 血液pH對人體機(jī)能的影響

當(dāng)酸性物質(zhì)攝入過多時，反應(yīng)向正向移動，生成的碳酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，由呼吸排除。消耗的則由腎臟釋放補(bǔ)充，從而維持的合適比例。反之，當(dāng)堿性物質(zhì)攝入過多時，反應(yīng)向反向移動，過多的則由腎臟吸收。通過這一簡單的酸堿平衡機(jī)制，使血液的pH穩(wěn)定在7.35–7.45之間。

沉淀溶解平衡中，通常會出現(xiàn)難溶物轉(zhuǎn)化為更難溶物的過程。利用這一原理，工業(yè)上生產(chǎn)硫酸銨化肥的過程中，先將溶解度較小的硫酸鈣分散在水中，通過向水中通入二氧化碳和氨氣，使他們發(fā)生如下反應(yīng)，生成更難溶的碳酸鈣沉淀[8]。過濾后提純，將所得濾液結(jié)晶后即得所需硫酸銨固體產(chǎn)物。由于氨氣和二氧化碳是不斷從外界加入的，所以反應(yīng)一直向產(chǎn)生沉淀的方向移動。人們通過調(diào)節(jié)沉淀溶解平衡，低成本地合成了農(nóng)業(yè)中廣泛使用的化肥。

鹽類水解平衡中，弱酸強(qiáng)堿鹽(或弱堿強(qiáng)酸鹽)溶于水時發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致溶液呈堿性(或酸性)，這一機(jī)理可以應(yīng)用在以下生活和實驗常識中。

實驗室或工廠中配置或存儲硫酸銅溶液時，由于硫酸銅易發(fā)生以下水解反應(yīng)，需要加入少量的稀硫酸，防止Cu2+的水解。

另外，泡沫滅火器原理、含氟牙膏防蛀牙、鐘乳石的形成等現(xiàn)象的課前導(dǎo)入，均有利于提高學(xué)生對于微觀化學(xué)平衡理論的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生宏觀可視現(xiàn)象與微觀不可見的理論知識相聯(lián)系的能力。

(2) 通過實際案例強(qiáng)化理解深度。

為了提高學(xué)生對于概念或定義類知識的理解深度，可以以生活實際現(xiàn)象為基礎(chǔ)，以理論知識為核心，通過案例演示和講解，強(qiáng)化對無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論知識的理解深度。例如在學(xué)習(xí)熱力學(xué)中“焓”的概念時，教師可以通過視頻或者實際演示，讓學(xué)生了解現(xiàn)實中的焊接過程。以工廠里焊接過程中發(fā)生的鋁熱反應(yīng)為例，向?qū)W生講解焓的熱力學(xué)和熱效應(yīng)的定義。筆者在授課時首先會初步介紹ΔH(焓變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的焓的增量，ΔH= ΔU+ Δ(pV) (ΔU為內(nèi)能變，p為壓力，V為體積)。在恒壓條件下，ΔH數(shù)值上等于恒壓反應(yīng)熱。這樣讓學(xué)生先對焓的概念有一個初步的了解。接著，介紹焊接過程中的鋁熱反應(yīng)主要包含：

學(xué)生通過知識積累可以知道三者均為放熱反應(yīng)，且分析出這些放熱過程均在常壓下進(jìn)行。因此可以推測出，鋁熱反應(yīng)中的焓變就是這三個反應(yīng)放出熱量的總和。通過與實際應(yīng)用的聯(lián)系，強(qiáng)化了了學(xué)生對“不做非體積功的情況下體系熱量的變化值即為體系的焓變”這一定義的掌握程度。日常生活中的案例也比比皆是。例如：硫和磷通常被用于火柴的制作，劃火柴時，火柴頭和火柴盒側(cè)面摩擦發(fā)熱，使火柴盒側(cè)面低燃點的紅磷發(fā)火，從而引起火柴頭上含硫物質(zhì)燃燒，進(jìn)而帶動火柴桿燃燒，這樣火柴便劃著了。氟的化合物特氟龍由于其低的表面能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，可以作為不粘鍋涂層以及無機(jī)合成中反應(yīng)釜的內(nèi)襯材料。氯氣是當(dāng)年戰(zhàn)爭中毒氣彈的主要成分之一，但是少量的氯氣溶于水會生成強(qiáng)氧化性的次氯酸，可以用來給水消毒。雖然個別實例被部分學(xué)生熟知，但仍可以培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力。這種模式不僅深化了學(xué)生對相關(guān)元素知識的理解，又?jǐn)U大了學(xué)生的視野。

筆者在教學(xué)過程中還會將無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論知識對應(yīng)的學(xué)科發(fā)展前沿向?qū)W生普及。最常用的方式就是向?qū)W生介紹本人在新能源領(lǐng)域中所做的相關(guān)工作，將科研現(xiàn)象、科研結(jié)果與學(xué)生們分享。這種方式在化學(xué)元素部分的教學(xué)過程中極具優(yōu)勢，因為化學(xué)元素部分的內(nèi)容可以涉及到具體的無機(jī)物質(zhì)。例如，在碳族元素章節(jié)中，筆者團(tuán)隊通過簡單的碳化和酸洗法制備出了“氮氧雙摻雜的分級多孔硬碳材料”，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于商業(yè)化硬碳在鉀離子電池中的應(yīng)用，為鉀離子負(fù)極材料甚至是安全性高的鉀金屬負(fù)極設(shè)計提供了一條新途徑。在氧族元素章節(jié)中，筆者與團(tuán)隊成員利用回流法和熱解法合成的“石墨烯包覆的二氧化鈦二維材料”作為鈉/鉀離子電池的負(fù)極材料，顯示了優(yōu)異的長循環(huán)和高倍率性能。該材料制備簡單、精準(zhǔn)可控、方法普適，為探索具有實際應(yīng)用的鈉離子電池負(fù)極材料提供了一種新的可行方案。在過渡金屬元素章節(jié)中，筆者團(tuán)隊制備了一系列催化性能優(yōu)異的過渡金屬基化合物，如硒化鉬、硒化釩、雙金屬氧化物等。這些材料不僅對鋰硫電池中的多硫化物具有強(qiáng)吸附作用，并且能夠催化多硫化物的轉(zhuǎn)化，提升了電池性能。筆者把元素部分中的理論知識與當(dāng)前無機(jī)化學(xué)前沿領(lǐng)域尤其是自身研究領(lǐng)域結(jié)合起來，有助于引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對科研工作的向往。這種方式不僅取得了很好的教學(xué)效果，而且對于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和好奇心意義重大。

(3) 通過實際應(yīng)用強(qiáng)化知識的活用。

理論知識學(xué)習(xí)的最終目的是更好地服務(wù)于實際。為了讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高學(xué)生分析、解決實際問題的能力；筆者將抽象的理論知識延伸到實際應(yīng)用和科研案例中，講解研究過程和研究的理論依據(jù)，向?qū)W生展示基礎(chǔ)理論知識的重要性，從而引起學(xué)生的重視，加深學(xué)生對于本專業(yè)的理解。例如：在講解催化劑的作用過程中，可以介紹企業(yè)中通過使用催化劑提高反應(yīng)速率，降低成本，從而提高利潤的實例。另外，化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)中的阿倫尼烏茲公式(Arrhenius equation：lnk= (-Ea/RT) +lnA) (Ea為活化能，k為反應(yīng)的速率系數(shù)，A為指前因子，T為熱力學(xué)溫度)是由瑞典的阿倫尼烏茲所創(chuàng)立的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗公式[9]。這一公式在筆者所從事的新能源領(lǐng)域中具有非常重要的實用價值。近年來，高能量密度鋰電池的研發(fā)使電動汽車逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車。電解質(zhì)作為鋰電池中的核心成分，對電池的安全性和續(xù)航能力有著重要影響。阿倫尼烏茲公式常常被用來計算鋰電池中鋰離子在電解質(zhì)中擴(kuò)散的活化能。如圖1所示，人們通過測量不同T下電池的k得到了一條關(guān)于lnk與1/T的直線，直線的斜率就是-Ea/R，從而可以求出鋰離子在電解質(zhì)中擴(kuò)散的活化能。這一理論為人們開發(fā)高能量密度的鋰電池，進(jìn)而推動電動汽車的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。通過這種實際應(yīng)用對理論知識的強(qiáng)化，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于生活和科研的能力。

圖1 不同溫度下電池的電導(dǎo)率及所求的活化能

2 教學(xué)反饋

作者在實際教學(xué)過程中，按照上述方案將實際案例融入到理論知識中。針對本文所述的教學(xué)方式，筆者課后組織學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，調(diào)查范圍為所教授2018級三個班的107名學(xué)生。主要就學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率、課堂參與度、知識的掌握情況、能力的培養(yǎng)等方面讓學(xué)生對改進(jìn)前后的教學(xué)模式進(jìn)行打分，滿分10分。最后將每個項目的平均分匯總在圖2中。從圖2可以看出，本文所述的以生活現(xiàn)象和科研進(jìn)展為導(dǎo)向的無機(jī)化學(xué)教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)的各個方面，尤其是學(xué)習(xí)興趣和能力的培養(yǎng)起到了顯著的促進(jìn)作用。

圖2 教學(xué)模式評分匯總

我們又對教學(xué)方式改革后2018級學(xué)生的期末考試成績與改革之前的2017級學(xué)生成績進(jìn)行了對比。在考試題難度相近的情況下，從圖3中可以看出，采用本文所述的教學(xué)方法之后，2018級的學(xué)生中80分以上的占比達(dá)到77.6%，遠(yuǎn)高于2017級中44.8%的占比。同時不及格率顯著降低，僅為3.7%。

圖3 2017級和2018級學(xué)生的期末考試成績分布

從學(xué)生的問卷調(diào)查以及考試成績對比可以發(fā)現(xiàn)，通過生活現(xiàn)象和科學(xué)研究進(jìn)展引導(dǎo)的無機(jī)化學(xué)教學(xué)有效地提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化了學(xué)生對知識的理解深度，培養(yǎng)了學(xué)生知識活用的能力，最終提高了課堂效率。另外，該模式下的教學(xué)與之前相比，并不會增加過多的課時，很有潛力應(yīng)用到現(xiàn)如今的無機(jī)化學(xué)教學(xué)中，對其他科目的教學(xué)也具有指導(dǎo)意義。

3 教學(xué)模式實踐的思考

在實際教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)，通過借用生活常識和科學(xué)研究有關(guān)的實例開展相關(guān)課程，往往能使學(xué)生們眼神發(fā)亮，更能調(diào)動起課堂氣氛。課下可以讓學(xué)生自行查找相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分享，這樣既能鞏固課堂知識，又能使學(xué)生合理利用網(wǎng)絡(luò)和課外書籍，提高學(xué)習(xí)的主動性。

另外，筆者認(rèn)為針對無機(jī)化學(xué)與實際生活和科學(xué)研究的密切關(guān)聯(lián)性，在無機(jī)化學(xué)考試的出題過程中，也應(yīng)該大量引入相關(guān)的題型，避免在出題過程中一味地引用“某物質(zhì)”“某反應(yīng)”等非指向性代詞。例如“為防止水在儀器中結(jié)冰，可以加入甘油(C3H8O3)以降低凝固點。如需冰點降至-1 °C，則在每100克水中應(yīng)加入甘油多少克？(已知水的化學(xué)平衡常數(shù)Kf= 1.86，甘油的分子量為92)”。這種結(jié)合實際的考試題型一方面可以防止學(xué)生出現(xiàn)“應(yīng)試型”的學(xué)習(xí)方式；另一方面可以擴(kuò)寬學(xué)生的知識面，了解更多與生活和科研有關(guān)的常識，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力；最后，通過科學(xué)進(jìn)展的引入，可以讓學(xué)生提前了解到各個行業(yè)的發(fā)展情況，為今后從事科研的學(xué)生選擇研究方向提供指導(dǎo)。