新工科背景下《无机化学》教学模式探索

冯雪风， 罗 峰

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

无机材料的发展日新月异，已成为电子、能源、医药卫生、建筑、航空航天等行业发展的高效催化剂。近年来，仅有关硅等半导体材料进展就很快，广泛应用于计算机、手机、太阳能电池、发光材料，并成了这些产品性能好坏的标志。这也仅仅是无机物材料的冰山一角。如何认识无机物的性质，挖拙、开发其应用，使其更好地服务于国计民生，推动社会的发展，这就要求我们高等学校培养具有工程实践能力、创新型人才，承担起时代赋予高等教育的使命。

无机化学是普通院校化学、应用化学、化工、材料科学与工程、环境工程、给排水工程等专业的专业基础课，现有的常规教学法只要求大学一年级学生掌握无机物质的结构、性质、反应的原理等基础知识及无机物的制备等基本技能、技巧，对学生的实践、创新能力要求只是蜻蜓点水。把培养学生的实践、创新能力作为无机化学教学的核心目标，引导学生综合运用基础知识从事创造和发明活动，激发学生的创造、创新热情，对于培养新工科创新型人才具有重要意义。

1 无机化学教学存在的问题

无机化学课程的常规教学方法是课堂教学。教师都是根据教材的内容按章节顺序教学，通过课前预习、课后练习和实验来辅助加深和增强学生对知识的理解，通过考试评价学生掌握基础知识、技能的水平。面对新工科工程教育和创新人才培养的要求，无机化学教学存在以下问题。

(1) 交叉学科前沿性问题及应用示例很少引入课堂。近20年来，无机和其它学科形成很多新的二级和三级学科，比如说金属有机化学，配位化学、生物无机化学、无机固体化学、超分子化学等等。而仅仅生物无机化学就是配位化学、生物化学、医学、营养化学、环境学科等学科相互结合的产物，涉及到很多目前正在开展的热门研究，每一个研究热点都有新的问题层出不穷，每个问题的解决都是一个小的科技创新。由于信息的不对称，教师个人精力、能力及教学目标的不同，现阶段的教学很少向学生介绍学科前沿性问题，以致学生缺少学习无机化学专业基础知识的动力。

(2) 教学内容陈旧，并且与中学化学教材交叉重复。各类无机化学教材从形式上，8-10年才出新的版本，总体进展慢；无机化学教材内容，以经典原理、常见性质为主，元素性质比中学化学内容没有进一步加深，不能满足学生的好奇，引起学生兴趣。有些老师由于科研任务繁重，教案多年不变，教案纸都泛黄。

(3) 实践教学中缺少与工程应用相关的实践内容。无机化学实践教学主要是在实验室开展制备和性质实验，都属于验证性，或各种操作技能、化学原理综合的综合实验。虽然这些实验有助于学生理解和掌握无机化学的基础知识，培养实践能力，但是仅仅属于掌握知识，探究性、创新性实验少，与工程应用相关联的实验也少，缺乏引导学生主动理论联系实际、发现和解决实际工程中出现问题的环节。

2 无机化学教学模式的探索

为了提高学生的学习动力，推动新工科工程教育和创新能力培养，我们从理论和实践教学的教学内容、教学方法和教学方式等方面进行实践探索。

(1)课堂教学内容实例采取多学科相结合、理论和实际相结合。无机化学主要有化学反应原理、物质结构基础、元素化学三大部分。在化学原理部分主要对例题进行调整，每一章的例题都根据相关内容调整为日常生活问题、当代工农医行业中的前沿，解决“学这个有什么用”的烦恼。如气体这章节，例题采用小汽车airbag中气体产生来源、材料、质量需多少、产生多少体积气体可防撞，又引申airbag本身材料是什么，耐冲击强度、熔点等高分子材料性能，既解决了理想气体状态方程的应用，又增长了见识和探索的动力。化学动力学则引入了“空气中的CO和O2能不能反应”，解决这个问题既复习了化学热力学内容又解决了反应速率方程的确定、速率影响因素。化学平衡则紧密与化学热力学联系，理论推导计算出标准平衡常数，反应所处的状态，强调定量计算推导，验证中学定性分析化学反应所处状态，而不是重复。四大具体化学平衡之酸碱平衡，可以克服教材中的原理呆板，引入医学方面的知识。沉淀平衡则引入无机材料的制备、龋齿的防护等内容。氧化还原反应可以将锂电池生产、太阳能电池、燃料电池等内容入课堂，并且详细讲解，充实氧化还原反应原理的应用方面。配位化学可以将医药的生产、作用、治病机理充实课堂内容。通过多学科相结合，理论和实际相结合，明显提高课堂教学效果，学生课堂精力集中，课堂气氛活跃。

(2)课堂教学方法采取教+导+学+做相结合。物质结构基础包括原子结构、分子结构、晶体结构三章，内容抽象、理论性强，是无机化学的重难点。这三章的教学关键在于原子结构的教学，教师要深入浅出地教，循循善诱地导，学生要聚精会神地听课、探本溯源地思考，一丝不苟地做练习。那么后面二章就迎刃而解。对于这种抽象的重难点，教师的课堂讲授举足轻重。

举个例子：氢原子核外电子的运动状态这节。如果仅仅据课本内容，原子轨道和四个量子数这些概念就像黑乌鸦一下从四面八方飞过来，有点类似“鸡生蛋”还是“蛋生鸡”，千头万绪理不清。这就要求老师处理教材内容：调整顺序，添加内容，理成一条线。整个教学过程如下。

首先，由物质的多样性—原子—原子的结构—电子—电子运动状态—单电子运动状态，引入正题：氢原子核外的电子运动状态。

然后，提出问题：氢原子核外的电子如何描述？

举例：汽车在平面上直线或者椭圆运动(并在坐标上画出直线和椭圆)，可以通过函数描述(y=ax+b，x2/a2+y2/b2=1)，那么氢原子核外的这个电子是不是也可以通过类似的函数描述出其在原子核外三维空间的运动？

引入：薛定谔方程。指出解这个方程可以得到氢原子核外的电子运动状态函数，关键是如何解？(大部分教材这儿就直接拿出波函数、角度分布函数、径向分布函数、三个量子数(n、l、m)、原子轨道能级[1-3]。同学们搞不清这几者间关系，学起来困难)。

引入：解薛定谔方程的具体过程，演绎推导给学生看，要求学生熟练这个解薛定谔方程的思路过程，从而理解波函数、角度分布函数、径向分布函数、三个量子数、原子轨道能级的由来、意义。原子轨道、原子轨道径向、角度分布图、电子云角度、径向分布图也就变得清晰生动起来。

然后，引导学生总结出氢原子核外的原子轨道(由核外电子的运动状态函数确定)有哪些，其电子的运动状态又如何描述。

最后布置层次分明、有代表性、相关性强的课后习题供学生课后练习。结果显示，课后作业经批改后，发现90%以上同学掌握得很好。

(3)实验课堂教学内容基础性、综合性、创新性、应用性四相结合。以往开展的实验大部分是常见无机物的制备(硝酸钾、硫酸亚铁铵、氯化铵、高锰酸钾的制备)，主要培养学生的基本操作能力、化学原理应用、综合设计能力。但是就这些实验的名称就无法提起学生兴趣，导致被动。因而我们重新构建实验教学体系：项目一，仪器的认识和洗涤；项目二，酒精喷灯的使用和玻璃仪器的加工；项目三，溶液的配置和滴定；项目四，硝酸钾制备；项目五，海带中碘的提取；项目六，用废旧易拉罐制备明矾及明矾净水；项目七，由钛铁矿制备二氧化钛；项目八，由钛白粉副产物制备氧化铁颜料；项目九，元素性质综合实验(也同期开展网络下载、自制元素性质实验视频等多媒体手段教学)；项目十，从孔雀石制备硫酸铜、焦磷酸铜及其应用(自主设计研究)。新的实验教学体系注重基础性、综合性、创新性、工程应用性相结合，激发学生的探究欲望。

(4)教学组织方式采用多场合、多渠道相结合。主要采取课堂教学—网络—课堂实验—工厂见习、实习及演讲、报告会多场合多渠道教学，使学生循序渐进地进入掌握知识—技能—技巧，从而进一步实践—创新的良性循环。

课堂教学通过讲授、谈话、讨论等方式，根据教学目的、教学原则，围绕教学内容实施。网络则通过视频、动画、PPt等方式给学生提供自主学习场所，收集学生的学习效果、信息反馈。实验则通过课堂实验、开放实验、教师科研实验的形式培养学生的科学意识、基本操作、实践、创新能力[4]。通过工厂见习熟悉工程开展的步骤、要求，培养工程意识。

总之，无机化学是化学、化工、材料、生物领域重要的专业基础课程，起着承上启下的作用。把工程实践能力、创新能力的培养作为无机化学的核心目标，应在教学内容上，紧跟时代发展，突出无机化学领域必备的专业基础知识、工程应用；在教学方法上，采用教、导、学、做相结合，增加学生自主调研环节，让学生了解当前信息领域的热门研究课题，通过演讲、报告会等多种形式交流思想，共享信息；在实践教学环节上，加强基本操作、原理应用的同时，更注意引导学生面向实际需求，解决实际问题。