如何提高学生学习无机化学的兴趣

奚宝娟，熊胜林

山东大学化学与化工学院，济南 250100

无机化学是化学学科的一类重要分支。作为化学类相关高等院校大一学生进修的专业课，是学生们进一步学习高等无机化学的基础，且与物理化学、分析化学、结构化学等学科密切相关。无机化学的内容相对基础且全面，主要涵盖了化学反应原理和化学元素两大部分。因此学好无机化学能够为今后该领域内的学生奠定良好的专业基础，对相关专业的学生而言至关重要。但是庞大的无机化学知识体系枯燥无味，部分内容难度较高，难以激发学生们的学习兴趣，使大部分学生的学习过程变为“应试型”的学习。这样不仅不符合高等院校为国家培养高水平人才的方针，也使得教师的教学质量事倍功半[1–3]。

针对以上问题，笔者认为提高教学质量的首要问题是如何有效地提高学生对于无机化学的学习兴趣。国内的教育者们对此进行了很多新颖的尝试和探索，比如：“翻转课堂”的开展，采用启发–诱导式的教学模式，以及互动反馈式教学等。这些创新式教学方法均在无机化学的教学过程中极大地提高了学生的学习兴趣。根据成果反馈也可以看出，兴趣的提高使学生对相关知识的掌握更加牢固，效果不言而喻。但是这些创新性的教学模式并未在全国高等院校的教学中全面推广，最主要的原因就是这些方式均需要耗费大量的课堂时间来提高学生的参与度。这对于一门课时有限的课程而言，不能在实际中得到很好的应用[4,5]。

笔者在教学调研中发现，“材料表面与界面”这门课程的授课过程中，教师会引用大量与该科目相关的生活、自然现象，比如“壁虎脚掌效应”“玫瑰花瓣效应”“荷叶的自清洁效应”“玻璃毛细管液面自动上升现象”等。从这些现象中引出理论知识，再用知识解释现象。通过这种方式，能够很好地吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣。无机化学课程的知识面更加广泛，与人们实际生活中的很多现象息息相关，并且科学研究中的许多内容都是以无机化学中的知识作为基础。因此，笔者在教学过程中通过大量引用与所讲章节相关的生活现象或科研进展，极大地提高了学生的学习兴趣，使学生能够更加直观地对原本枯燥的理论知识进行理解和吸收。为了有助于无机化学教学，笔者首先对相关教学设计与实践进行了介绍，在介绍过程中笔者引入了大量与各章节内容相关的生活现象或科研进展；接着展示了学生对该教学模式的反馈情况；最后提出了笔者对该教学模式实践的思考。

1 教学设计与实践

笔者基于多年来对无机化学课程的授课经验，结合相关的生活现象或科研进展，将课外拓展型知识引入课堂。在教学过程中以教材为基础，将课外拓展型知识与无机化学教学内容有机结合，增强学生的学习热情和课堂效率，进而提升教学效果。为了提高对教学过程的指导作用，我们的实际教学环节介绍如下：

(1) 通过实际问题引入课题。

在讲授新的理论内容之前，利用学生非常熟悉的生产生活现象的引入，吸引学生的注意力，同时可以让学生了解该部分知识的用途，提高学生对理论知识的重视。例如，化学平衡(酸碱平衡、沉淀溶解平衡、盐类水解平衡等)涉及的内容在生产生活、环境保护、人体健康等方面有许多体现，笔者在这部分的授课过程中会通过生活实际的案例进行课前导入[6,7]。

酸碱平衡的内容可以通过血液pH对人体机能的影响来导入。如表1所示，人体的血液pH稳定在7.38–7.42之间，从而维持正常的生理活动。当体内摄入过多酸性或者碱性物质时，主要依靠血液中的两组共轭酸碱对来维持pH的稳定。其中，的酸碱平衡过程如下：

表1 血液pH对人体机能的影响

当酸性物质摄入过多时，反应向正向移动，生成的碳酸进一步转化为水和二氧化碳，由呼吸排除。消耗的则由肾脏释放补充，从而维持的合适比例。反之，当碱性物质摄入过多时，反应向反向移动，过多的则由肾脏吸收。通过这一简单的酸碱平衡机制，使血液的pH稳定在7.35–7.45之间。

沉淀溶解平衡中，通常会出现难溶物转化为更难溶物的过程。利用这一原理，工业上生产硫酸铵化肥的过程中，先将溶解度较小的硫酸钙分散在水中，通过向水中通入二氧化碳和氨气，使他们发生如下反应，生成更难溶的碳酸钙沉淀[8]。过滤后提纯，将所得滤液结晶后即得所需硫酸铵固体产物。由于氨气和二氧化碳是不断从外界加入的，所以反应一直向产生沉淀的方向移动。人们通过调节沉淀溶解平衡，低成本地合成了农业中广泛使用的化肥。

盐类水解平衡中，弱酸强碱盐(或弱碱强酸盐)溶于水时发生水解反应，导致溶液呈碱性(或酸性)，这一机理可以应用在以下生活和实验常识中。

实验室或工厂中配置或存储硫酸铜溶液时，由于硫酸铜易发生以下水解反应，需要加入少量的稀硫酸，防止Cu2+的水解。

另外，泡沫灭火器原理、含氟牙膏防蛀牙、钟乳石的形成等现象的课前导入，均有利于提高学生对于微观化学平衡理论的学习兴趣，培养学生宏观可视现象与微观不可见的理论知识相联系的能力。

(2) 通过实际案例强化理解深度。

为了提高学生对于概念或定义类知识的理解深度，可以以生活实际现象为基础，以理论知识为核心，通过案例演示和讲解，强化对无机化学基础理论知识的理解深度。例如在学习热力学中“焓”的概念时，教师可以通过视频或者实际演示，让学生了解现实中的焊接过程。以工厂里焊接过程中发生的铝热反应为例，向学生讲解焓的热力学和热效应的定义。笔者在授课时首先会初步介绍ΔH(焓变)表示的是系统发生一个过程的焓的增量，ΔH= ΔU+ Δ(pV) (ΔU为内能变，p为压力，V为体积)。在恒压条件下，ΔH数值上等于恒压反应热。这样让学生先对焓的概念有一个初步的了解。接着，介绍焊接过程中的铝热反应主要包含：

学生通过知识积累可以知道三者均为放热反应，且分析出这些放热过程均在常压下进行。因此可以推测出，铝热反应中的焓变就是这三个反应放出热量的总和。通过与实际应用的联系，强化了了学生对“不做非体积功的情况下体系热量的变化值即为体系的焓变”这一定义的掌握程度。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，划火柴时，火柴头和火柴盒侧面摩擦发热，使火柴盒侧面低燃点的红磷发火，从而引起火柴头上含硫物质燃烧，进而带动火柴杆燃烧，这样火柴便划着了。氟的化合物特氟龙由于其低的表面能、稳定的化学性质，可以作为不粘锅涂层以及无机合成中反应釜的内衬材料。氯气是当年战争中毒气弹的主要成分之一，但是少量的氯气溶于水会生成强氧化性的次氯酸，可以用来给水消毒。虽然个别实例被部分学生熟知，但仍可以培养学生举一反三的能力。这种模式不仅深化了学生对相关元素知识的理解，又扩大了学生的视野。

笔者在教学过程中还会将无机化学基础理论知识对应的学科发展前沿向学生普及。最常用的方式就是向学生介绍本人在新能源领域中所做的相关工作，将科研现象、科研结果与学生们分享。这种方式在化学元素部分的教学过程中极具优势，因为化学元素部分的内容可以涉及到具体的无机物质。例如，在碳族元素章节中，笔者团队通过简单的碳化和酸洗法制备出了“氮氧双掺杂的分级多孔硬碳材料”，其性能远远优于商业化硬碳在钾离子电池中的应用，为钾离子负极材料甚至是安全性高的钾金属负极设计提供了一条新途径。在氧族元素章节中，笔者与团队成员利用回流法和热解法合成的“石墨烯包覆的二氧化钛二维材料”作为钠/钾离子电池的负极材料，显示了优异的长循环和高倍率性能。该材料制备简单、精准可控、方法普适，为探索具有实际应用的钠离子电池负极材料提供了一种新的可行方案。在过渡金属元素章节中，笔者团队制备了一系列催化性能优异的过渡金属基化合物，如硒化钼、硒化钒、双金属氧化物等。这些材料不仅对锂硫电池中的多硫化物具有强吸附作用，并且能够催化多硫化物的转化，提升了电池性能。笔者把元素部分中的理论知识与当前无机化学前沿领域尤其是自身研究领域结合起来，有助于引起学生的学习兴趣和对科研工作的向往。这种方式不仅取得了很好的教学效果，而且对于培养学生的科研兴趣和好奇心意义重大。

(3) 通过实际应用强化知识的活用。

理论知识学习的最终目的是更好地服务于实际。为了让学生明确学习目标，提高学生分析、解决实际问题的能力；笔者将抽象的理论知识延伸到实际应用和科研案例中，讲解研究过程和研究的理论依据，向学生展示基础理论知识的重要性，从而引起学生的重视，加深学生对于本专业的理解。例如：在讲解催化剂的作用过程中，可以介绍企业中通过使用催化剂提高反应速率，降低成本，从而提高利润的实例。另外，化学动力学基础中的阿伦尼乌兹公式(Arrhenius equation：lnk= (-Ea/RT) +lnA) (Ea为活化能，k为反应的速率系数，A为指前因子，T为热力学温度)是由瑞典的阿伦尼乌兹所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式[9]。这一公式在笔者所从事的新能源领域中具有非常重要的实用价值。近年来，高能量密度锂电池的研发使电动汽车逐步取代传统燃油汽车。电解质作为锂电池中的核心成分，对电池的安全性和续航能力有着重要影响。阿伦尼乌兹公式常常被用来计算锂电池中锂离子在电解质中扩散的活化能。如图1所示，人们通过测量不同T下电池的k得到了一条关于lnk与1/T的直线，直线的斜率就是-Ea/R，从而可以求出锂离子在电解质中扩散的活化能。这一理论为人们开发高能量密度的锂电池，进而推动电动汽车的发展奠定了基础。通过这种实际应用对理论知识的强化，培养学生将理论知识应用于生活和科研的能力。

图1 不同温度下电池的电导率及所求的活化能

2 教学反馈

作者在实际教学过程中，按照上述方案将实际案例融入到理论知识中。针对本文所述的教学方式，笔者课后组织学生进行了问卷调查，调查范围为所教授2018级三个班的107名学生。主要就学习兴趣、学习效率、课堂参与度、知识的掌握情况、能力的培养等方面让学生对改进前后的教学模式进行打分，满分10分。最后将每个项目的平均分汇总在图2中。从图2可以看出，本文所述的以生活现象和科研进展为导向的无机化学教学模式对学生学习的各个方面，尤其是学习兴趣和能力的培养起到了显著的促进作用。

图2 教学模式评分汇总

我们又对教学方式改革后2018级学生的期末考试成绩与改革之前的2017级学生成绩进行了对比。在考试题难度相近的情况下，从图3中可以看出，采用本文所述的教学方法之后，2018级的学生中80分以上的占比达到77.6%，远高于2017级中44.8%的占比。同时不及格率显著降低，仅为3.7%。

图3 2017级和2018级学生的期末考试成绩分布

从学生的问卷调查以及考试成绩对比可以发现，通过生活现象和科学研究进展引导的无机化学教学有效地提高了学生们的学习兴趣，强化了学生对知识的理解深度，培养了学生知识活用的能力，最终提高了课堂效率。另外，该模式下的教学与之前相比，并不会增加过多的课时，很有潜力应用到现如今的无机化学教学中，对其他科目的教学也具有指导意义。

3 教学模式实践的思考

在实际教学过程中笔者发现，通过借用生活常识和科学研究有关的实例开展相关课程，往往能使学生们眼神发亮，更能调动起课堂气氛。课下可以让学生自行查找相关内容进行分享，这样既能巩固课堂知识，又能使学生合理利用网络和课外书籍，提高学习的主动性。

另外，笔者认为针对无机化学与实际生活和科学研究的密切关联性，在无机化学考试的出题过程中，也应该大量引入相关的题型，避免在出题过程中一味地引用“某物质”“某反应”等非指向性代词。例如“为防止水在仪器中结冰，可以加入甘油(C3H8O3)以降低凝固点。如需冰点降至-1 °C，则在每100克水中应加入甘油多少克？(已知水的化学平衡常数Kf= 1.86，甘油的分子量为92)”。这种结合实际的考试题型一方面可以防止学生出现“应试型”的学习方式；另一方面可以扩宽学生的知识面，了解更多与生活和科研有关的常识，提高学生学以致用的能力；最后，通过科学进展的引入，可以让学生提前了解到各个行业的发展情况，为今后从事科研的学生选择研究方向提供指导。