元素化学教学的探索与实践

徐敏

(广州大学化学系 广东广州 510006)

元素化学教学的探索与实践

徐敏

(广州大学化学系 广东广州 510006)

剖析了目前国内普通高校新生的特点和教学现状,阐述了作为化学专业第一门专业基础课程的无机化学,特别是元素部分的教学,对培养学生创新能力的作用和重要性。介绍了对元素部分教学内容和方法改革的具体做法。

无机化学是化学专业及其他相关专业第一门重要的基础课程,因此,无机化学教师不仅要传授无机化学基础知识,还肩负着改变应试教育已形成的思维惯性以及那种对现成问题被动应答式的教学训练方式的重任。如何在无机化学教学过程中培养学生的创新能力,对于学生的整个大学学习和今后的工作都将产生重要的影响。

近年来的无机化学教学,在教学内容和教学方式上都有不同程度的改进,如增加讨论课,将以教为主变为讨论式的教学;增加与生活相关的内容以及与现代科学发展有关的前沿知识研究动态,以提高学生学习的积极性。但总体讲,对于创新教学理念、创新培养模式的探讨较多,而关于课堂教学过程的研究较少;注重提高学生兴趣的内容多,而在教学过程中如何提高学生的综合分析能力的内容较少[1-5]。

为此,我们本着课堂教学以学生为本,以问题为中心的基本原则,在无机化学的教学中进行了大胆尝试和探索,收到了良好的效果,在下面进行具体介绍。

1 引导学生自学

积极创造条件,让学生参与教学过程,使学生从被动学习转变为主动学习,提高学生的自学能力。笔者曾做过调查,目前普通高校的学生除了所上课程使用的教科书外,看得最多的是习题集;专业参考书则很少有人问津,有意识地查阅有关学科新领域现状和发展文献的学生就更少了。许多刚进入大学的学生自学能力比较差,除了上课、课后完成作业,剩余的时间大多不知如何利用,也不会利用图书馆的资料和丰富的网络资源学习相关的专业知识,对元素部分的学习更是缺乏兴趣。事实上,元素部分的内容是无机化学的核心,关于如何进行这部分内容的教学,一直是无机化学教学改革探索的重点。

由于元素部分的内容与人类的衣食住行,能源的利用以及生命的过程等密切相关,适当地引导学生参考有关的资料,有利于调动学生的积极性,培养学生分析问题、解决问题的能力。据此,我们将元素部分的内容分成若干个专题,学生可以根据自己的喜好选择任一个专题通过小论文的形式进行探讨:可以针对单个元素或几个元素对比,或是对某一族元素,甚至对整个周期的元素性质变化规律进行研究。内容要求必须从结构和理论的角度探讨元素的性质或性质的变化规律;至少有 3篇参考文献;按照论文的形式撰写 3000字以上。小论文将作为学生平时成绩的重要部分,并规定在系统讲授相关内容之前提交。教师从中选择较好的论文让学生上台交流,以作为对课堂内容的补充。经过一段时间的训练,学生小论文的质量明显提高。在这个过程中学生的积极性很高,提交的论文涉及面也很广,既有理论性的研究,如电负性、元素半径的变化与化学性质变化规律的内在关系等;也有许多应用性的研究,如贵金属的分离、环境保护、药物应用等,讨论的问题也逐渐深入。许多学生为了撰写小论文,查阅了大量的专业参考文献。这样不仅调动了学生的积极性,促使学生参与了教学,同时也引导了学生的选题和对文献资料的查阅以及对问题的深入探讨,使学生通过各种途径学到许多新的知识和科学前沿的内容。从而拓展了学生的知识面,提高了学生自主学习的能力,训练了学生的科学思维能力。

2 培养学生的创新意识和能力

采用启发式和讨论式教学,有助于激发学生的创新意识,让学生感受、理解知识产生和发展的过程,培养学生独立思考的科学精神。如对第一个惰性气体化合物 XePtF6的发现过程进行剖析。首先介绍反应 O2+PtF6→O2+PtF6-,然后分析此反应中 O2的第一电离能(1175.7kJ/mol)与 Xe的第一电离能 (1171.5kJ/mol)类似,受此启发,尝试类似反应 Xe+PtF6→Xe+PtF6-,从而获得成功。这样不仅学习了重要数据参数的作用,也使学生初步了解了新物质发现的一种研究思路。再如,在讲 H2O2的性质和应用时,我们给出了这样的讨论题“如果你要开发一种可以对有色衣物进行漂白的产品,已知主要的漂白成分为 H2O2。问:最终产品应是酸性还是碱性?如何避免 H2O2分解?”。通过热力学数据以及动力学因素,对影响 H2O2稳定性的因素进行分析,确定开发此类产品必须要避免的因素,从而不仅了解了 H2O2的性质,也培养了学生的创新思维和综合分析问题的能力。在讲锰及化合物的性质时,结合多核锰配合物的合成条件,共同讨论“获得混合价态锰的多核配合物的各种可能的合成条件,包括酸碱性、锰盐和配体的比例、氧化剂的选择、温度等”,并与学生一起对多核锰如Mn25的合成条件进行分析,不仅加深了学生对Mn的性质的理解和记忆,还融入了现代学科的新知识。采取这样的方式也使学生不再对元素教学的内容感到单调和枯燥。

3 引导和拓展学生的思维

目前普遍存在的另一个问题是有些学生不会用所学的知识解决实际问题。大多数学生经过一段时间的学习,初步掌握了基本知识,对于一问一答的方式,回答都很准确;但对于一个实际问题,却往往不知从何入手。为此,我们选择和设计了一些理论联系实际的内容与学生一起进行分析和探讨。如讲到 H2O2的性质时,结合其目前作为洗涤产品彩漂的主要成分,讨论在H2O2的生产以及保存和使用过程中可能出现的问题。具体包括:如果在某批产品的检验时发现 H2O2的含量不达标(偏低),可能的问题来自哪里?贮存过程应该注意什么?如果洗涤后发现织物在纽扣附近损坏严重,可能的原因是什么?这样一些应用实例,不仅能引起学生的兴趣,也有助于拓展学生的思维,提高学生综合分析问题和解决问题的能力。再如,对一些物质制备方法的介绍,过去只简单给出相应的反应式,往往一带而过;我们现在的做法是,首先选出典型的制备方法,启发学生去思考所采纳的方法和条件的目的和原因。如介绍铍和单质氟的制备,制备的具体条件分别是:NaCl和BeCl2在 350～400℃下熔融电解制铍;KF与 HF的混合物(有时会加LiF或AlF3)熔融电解制单质氟。请学生分析为什么采用熔融电解方法?NaCl和 KF的作用分别是什么?为什么不单独采用 BeCl2或 KF或 HF熔融电解?通过讨论,不仅突出了元素本身的性质,也进一步探讨了分子结构中化学键的类型与性质的关系,同时扩展了对其他知识的了解和应用。再如,介绍硅酸盐的性质时,利用学生对硅酸盐能形成“水中花园”的现象非常感兴趣这一点,组织相关的讨论。如“硅酸盐易于形成水中花园,其他的盐是否可以,从结构的角度探讨为什么?”通过这样的问题讨论,不仅可以加深学生对硅酸盐结构和特点的理解和记忆,而且通过综合分析,培养了学生从事物的本质去分析问题的能力。

4 提高学生探究实验的能力和综合素质

元素性质和制备实验是无机化学实验的重要组成部分,如果只是按照实验步骤,照方抓药,则只能起到实验基本操作训练和验证性实验的作用;而选择具有代表性的综合性设计实验,与学生共同分析和讨论在实验中观察到的现象和结果,则不仅有利于他们对物质的性质和特点的认识,也能提高学生分析问题的能力。如在讲授铬及化合物的性质和特点时,结合自选还原剂验证 Cr(Ⅵ)的氧化性的实验进行讲解 (这是一个对大一学生难度适宜的综合设计性实验素材),学生在理论上对 Cr(Ⅵ)的氧化性都有所了解,但用自己设计的实验方案进行验证时,对所得到的现象却不知如何解释。我们针对学生提出的方案和实验结果进行分析和讨论,使学生不仅了解了 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)的性质和特点,也使学生认识到影响实验结果的多种因素,如原料的相对用量、体系的酸度、还原剂的选择(包括还原能力、还原产物的物态、颜色)以及对于后续实验的影响都必须加以考虑。此外,通过对 Cr(Ⅲ)随溶液浓度的不同而颜色各异的原因进行讨论,进一步阐释 Cr(Ⅲ)的配合物的形成以及颜色产生的原因,涉及的内容不仅包括化学反应,还有配合物的理论等。再如讲到关于钴及化合物的性质时,与学生一起分析和讨论异核配合物[Co(en)2Cl2]3[Fe(C2O4)3]·4.5H2O的制备及其组成测定这一综合设计性实验的合成、分离、离子的定性检验等整个实验过程,并结合学生的实验结果,对反应物的用量、反应时间及反应温度对反应现象和结果的影响进行了讨论,分析实验成败的原因和实验改进以及进一步研究的方向。学生普遍反应强烈,能积极参与,课堂气氛活跃。

5 提高学生分析问题的能力

我们在教学中改变了过去对每个元素按性质、特点、制备、应用进行介绍,片面追求系统性和完整性的传统做法,而以结构为主线,从结构特点及其内在关系分析元素和化合物的性质及变化规律;紧扣结构—性质—应用的逻辑思路,通过对周期表内的元素进行横向、纵向的对比,加深半径以及电子层结构的周期性变化对元素及化合物性质周期性变化的影响以及物质的性质由量变到质变的理解。如,为什么 SiO2与 CO2具有不同的结构和性质?为什么由碳组成的化合物已有约 600万种,而同一族的元素硅组成的化合物却少得多?为什么N和 P、O和 S、F和 Cl相邻,但性质差异却很大?为什么 C和N相邻,其单质和化合物的结构和性质却完全不同?为什么B的氢化物具有缺电子的多中心结构?这些问题都可以从元素的半径,价电子构型以及键能数据得到解释。再如为什么气态卤化铝只有 AlF3是离子型且为单体,而 AlCl3, AlBr3,AlI3均为共价型的二聚体?为什么水的密度比冰的大?前者可以从元素的缺电子结构以及给电子能力等方面进行剖析;后者则可根据水分子之间形成的氢键在 0℃左右的结构变化情况加以说明,进而使学生从本质上加深对物质性质变化的影响因素的理解。

6 小结

多年来,在元素化学的教学过程中采用了以上教学方法,使学生不仅对元素部分的理论而且对实验研究的兴趣都明显提升,对问题的看法也不再那么单一和绝对,大大改变了对现成问题被动应答式的思维惯性,提高了学生自主学习和分析问题、解决问题的能力。同时还培养了学生的创新意识和能力,教学效果也明显得到提高。

[1] 肖丽萍,吕萍,王彦广.大学化学,2009,24(2):24

[2] 沙洪成.中国高教研究,2004(8):76

[3] 施开良,姚天扬,俞天森.大学化学,2002,17(6):8

[4] 张爱平.山西医科大学学报(基础医学教育版),2007,9(3):252

[5] 陈三平,王尧宇,陈刚,等.大学化学,2009,24(2):14