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元素化學教學的思考： 我們在教學中還缺少了哪些不該缺少的內(nèi)容發(fā)表時間：2021-01-13 17:56 元素化學教學的思考： 我們在教學中還缺少了哪些不該缺少的內(nèi)容 朱萬強，方 程，李軍旗，趙華俊 (遵義師范學院 化學化工學院，貴州 遵義 563006) 摘 要：針對無機化學元素化學教學中存在的可能被教師忽略的一些環(huán)節(jié)，如在培養(yǎng)學生的科學思維、辯證思維、激發(fā)潛在的科學研究能力等方面，結(jié)合我們的教學實際并進行了討論。 關(guān)鍵詞：無機化學；元素化學；大學化學；化學教學 中圖分類法：G633 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3583（2020）-0100-05 Reflections on the Teaching of Elementary Chemistry: What We still Lack in the Actual Teaching ZHU Wan-Qiang, FANG Cheng,LI Jun-Qi, ZHAO Hua-Jun (School of Chemistry and Chemical Technology, Zunyi Normal University, Zunyi 563006, China)
inorganic Chemistry; elementary chemistry; university chemistry; chemistry teaching 長期以來，一直都有教師思考如何有效地進行無機化學元素化學的教學[1-6]。為了有效地進行元素化學的教學，潛心于教學的一線老師，包括一些知名的化學前輩 [7-8] 也進行了很多思考。在這些探索中 [9-14]，從對元素化學重要性的強調(diào)，到各種教學方法 的總結(jié)，還有通過對具體的“雙原子的N2 分子結(jié)構(gòu)” 進行分析并進行元素課堂教學設(shè)計[10] 的教學實踐， 也有對現(xiàn)代教學方法的綜合應用，乃至學生邏輯思維的啟迪等，各顯千秋。無機化學作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，大學化學及相關(guān)專業(yè)都要開設(shè)。無機化學課程的兩大部分，一部分是基礎(chǔ)理論（化學原理），另一部分就是元素化學?，F(xiàn)在真正了解元素化學重要性的教師依然堅持元素化學是無機化學的精髓[10]。但實際情況是，元素化學教學越來越被弱化。在平常的教學過程中，大部分教師尤其是高學歷的青年 教師都把無機化學元素化學課堂教學僅當成是完成自己的“教學任務”罷了，而對元素化學的教學目的究竟是什么，它要達到什么教學目的，培養(yǎng)學生的什么能力，沒有深入思考。 元素化學教學的任務是使學生理解重要元素及其化合物的特性、典型反應, 同時使學生“在科學思維方面獲得應有的訓練和培養(yǎng)”[7]。如果真正做到了這一點，教師的教學就變成了“藝術(shù)”。 結(jié)合現(xiàn)在的高校課程改革，學分和課時數(shù)都大幅較少，很多開設(shè)化學工科或應用專業(yè)的院校，對無機化學元素部分的教學，都已取消或大幅消減課時數(shù)，只有師范院?；蛞徊糠志C合大學的化學專業(yè)保留了元素化學的教學。由于元素化學的特殊性，重點在于向?qū)W生介紹元素及其化合物的性質(zhì)（制備的基礎(chǔ)）、結(jié)構(gòu)、用途。元素及其化合物性質(zhì)呈現(xiàn)形除物理性質(zhì)外，大部分就是化學反應式。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，在無機化學的第一大部分已經(jīng)基本掌握的前提下，是可以自學理解的。物質(zhì)的用途部分，沒有化學專業(yè)背景也可以了解。這就更造成了元素化學教學的困惑：教師不知怎樣講才能使課堂生動，照著書本內(nèi)容宣讀 PPT（尤其年輕老師）或抄寫化學反應式 （板書）成為了常態(tài)；學生也覺得沒有教師的指導也可以學得懂 (尤其對一些基礎(chǔ)扎實的如 211、985 高校學生)，但心里對元素化學知識沒有一個清晰的脈絡(luò)，更感覺這些知識是混亂的堆砌。由此導致教師在備課時，也只注重知識堆砌。這也是一直以來，無機化學課程教學的教師對元素化學教學的感受。 隨著我國高等教育的發(fā)展，一批地方?？茖W校升級為本科院校。這些學校一年級學生的特點，就是文化基礎(chǔ)遠沒有擴招以前學生扎實。教師在講授同樣的知識內(nèi)容時，發(fā)現(xiàn)學生接受或理解知識的速度是大不如從前的。這就更加大了課堂教學的難度。 由于多年講授無機化學，在參照學習其他老師一些好的做法時，也對一些容易被大家忽略的問題進行了思考，并將我們的教學探索分享出來，還希望得到大家更好的建議。 凝煉知識，向?qū)W生傳達章節(jié)知識要點 元素化學大部分都是按族或族群（如堿金屬、堿土金屬）羅列各元素或元素之間的共同性質(zhì)特點及其變化規(guī)律，將前人總結(jié)的性質(zhì)、現(xiàn)象進行歸納。學生自己閱讀是可以讀懂的。但由于這些知識多，相互之間看似沒有多少規(guī)律，閱讀起來難免會有單調(diào)、興趣索然的感覺。教師如果沒有在課前提煉（凝煉） 授課內(nèi)容，也只能照本宣科。 實際上，在人們應用知識時，不是每一點、每一條你都能夠準確復述，即使你是某方面的專家，在需要嚴謹?shù)耐评砘蜃C據(jù)時，也要重新查閱相關(guān)文獻以佐證。因此，對學生在學習新的知識，并且這些知識看似還沒有規(guī)律可循時，要求他們記憶每一知識點， 也是不符合客觀實際的。這就要求我們將主要的知識精華進行凝煉后傳達給學生，其他的一般性知識 （沒有抽象難懂的理論，在需要時可進行查閱）讓學生自學或歸納。這樣的話，可以起到事半功倍的效 要幫助；“固”：鞏固已經(jīng)學過的重要理論知識，告知這里是哪一個原學過的理論知識的應用。凝煉的內(nèi)容不一定是重點或難點，但一定對學生的學習有所啟發(fā)或幫助。 元素化學各章節(jié)要凝煉的知識，因教師個人的觀點、學生所學專業(yè)以及學生所處層次（985 高校、211 高校、地方高校）、選用教材不同應該可以不同， 同時對學生的評價也不同。我們以吉林大學、武漢大學、南開大學宋天佑等編《無機化學》（第三版 下） [15] 為教材藍本，列舉我們選取的部分凝煉教學內(nèi)容 和本文所舉范例。 堿金屬與堿土金屬 金屬熱還原時的“反?！?/span> 熱還原法制取金屬時，可以用 Na 將 KCl 中K 還原出來。在中學階段，都認為 K 比Na 活潑，Na 不可能將 K 從其化合物中置換出來。這里要向?qū)W生強調(diào)，中學化學中，K 比Na活潑，大多是在水溶液中進行的反應?，F(xiàn)在的反應條件已經(jīng)改變?yōu)楦蓱B(tài)，其反應情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)。 這里進行強調(diào)，啟發(fā)學生進行思考，該反應為什么會發(fā)生？也許一時不會有確定的答案，但對于有志于科學研究的學生，可能會促使他繼續(xù)關(guān)注該知識或相關(guān)的知識領(lǐng)域并進行探究。 這一看似簡單的知識點，常常會被忽略或不被提及。 氫氧化物的堿性以及氧化物水合物的酸堿性對于剛進入大學的理科學生來講，對常見氫氧 化物的堿性強弱，他們都有比較清晰的概念。如知道 NaOH、KOH 是強堿，LiOH、Mg(OH)2 是弱堿，Be (OH)2 顯兩性，堿金屬、堿土金屬氫氧化物的堿性從上到下依次增強。但對這一變化規(guī)律的原因理解， 通常是定性而模糊的，不甚了解，或認為是元素的金屬性從上到下依次增強的必然結(jié)果。 以 M―O―H 簡單表示氫氧化物（包括氧化物水合物）的組成和結(jié)構(gòu)。 本小節(jié)介紹了離子勢的概念，雖然也是一個經(jīng)驗值，但對這些氫氧化物的堿性有清晰而又量化的說明。同時，離子勢是對金屬離子極化能力大小的 果。凝煉時應該注重“新、啟、固”三點?！靶隆保盒轮?/span> 一種衡量。在無機化學（I 化學原理）部分，已經(jīng)對離 識，以前沒有學過或不符合以前認知的知識；“啟”：該知識有啟發(fā)性，對學生培養(yǎng)科學素養(yǎng)、分析問題、解決問題、終身學習能力以及情感態(tài)度有幫助或重 子極化知識有了了解，如果是有經(jīng)驗的教師，應該在進行這一部分的教學時，要強調(diào)離子極化發(fā)生時，相鄰的兩個（正、負）離子的原子軌道比未發(fā)生極化（遠 離）時產(chǎn)生了部分重疊，它們的結(jié)合更加牢固，而與被極化離子相結(jié)合的另一離子與被極化離子間的結(jié)合被削弱了，更容易斷裂而釋放出來。這就比較容易說明堿金屬和堿土金屬堿性的變化規(guī)律。 在 M―O―H 中，金屬離子和氫離子同時對氧原子產(chǎn)生極化。同一族從上到下，這些金屬離子的極化能力減弱，它們與氧原子的結(jié)合力變小了，而另一側(cè)的氫離子的極化力很強，與氧原子的結(jié)合得到了加強，最后一起離開了金屬離子進入溶液。 用這一觀點可以提前向?qū)W生解釋一些元素的高價氧化物水合物（含氧酸），為什么通常顯示出強酸性：因為元素的高價氧化物水合物中，元素的原子顯正價，正價越高（電荷越高、半徑越小），極化能力越強，與氧原子的結(jié)合越強，反過來削弱了氧原子與氫原子的結(jié)合，氫離子越容易離開氧原子進入溶液而顯示出酸性。本知識點在教材中用進行了討論。
關(guān)于鹽的溶解性 本章節(jié)還有一個常見而又模糊的問題，就是一些沉淀易于溶解在水中，一些不易。這個問題看似簡單，真正碰到時，不一定能清晰的說明。在無機化學I 部分，學習了難溶沉淀（電解質(zhì)）的溶解，對常見鹽和堿的溶解性和條件，結(jié)合溶度積規(guī)則和多重平衡原則可以定量討論。教材總結(jié)的定性規(guī)律是：大 （小）陽離子與大（小）陰離子結(jié)合的鹽難溶；陰陽離子半徑差別比較大時，容易溶解。同時向?qū)W生強調(diào)， 鹽（堿）溶解時，還要考慮一個因素，就是溶解時晶格 威。 在我國目前中學階段的教學主要是為了參加高考，學生受到的訓練主要是解析各種試題類型。教師在教學過程中，很少或沒有時間向?qū)W生傳輸真正的科學精神實質(zhì)。學生對知識權(quán)威的印象就是校園墻面上的科學家或知識名人畫像、雕塑、教學材料， 他們相信書本上的所有知識都是正確無誤的。 實際上，從大學新生開始，就要開始培養(yǎng)新生的科學質(zhì)疑精神。而無機化學教學過程中，不管是原理部分還是元素部分，都有很多這樣的素材可以利用。如在原子結(jié)構(gòu)的教學過程中，對核外電子的運動規(guī)律的認識過程，就是因為經(jīng)典物理不能解釋的一些物理現(xiàn)象（無機化學只介紹氫原子光譜）而開始的。 不該被忽略的“化學史” 稀有氣體章節(jié)，在元素化學教學過程中，不是重點和難點。這一章節(jié)的主要內(nèi)容，是介紹稀有氣體氙發(fā)生的反應及生成的化合物，同時再次用價層電子對互斥理論分析了幾個氙形成的氟化物的空間結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)教材中，編入了稀有氣體第一個化合物 Xe+[PtF6]-的發(fā)現(xiàn)史。但往往可能會忽略這一點。因為在更早的時候，人們都將稀有氣體稱為“惰性氣體”，因為這類氣體化學性質(zhì)穩(wěn)定不易發(fā)生化學反應。是巴特利特于 1962 年合成出 Xe+[PtF6]-以及隨后一系列氙和其它稀有氣體化合物后，人們才將“惰性氣體”改稱為“稀有氣體”的。而巴特利特是通過對比發(fā)現(xiàn)，Xe 的第一電離能與O2 分子的第一電離能很接近，分別是 1170 kJ·mol-1 和 1165 kJ·mol-1. 但 能的破壞與需要的能量來源。它們是一對相互矛盾 O 與PtF 反應生成了 O+[PtF ]-，由此激發(fā)了他的質(zhì) 2 6 2 6 的因素，要看哪一個占主要。晶格能與正負離子的電荷和半徑都有關(guān)。正電荷越高，半徑越小，晶格能越大，離子鍵越牢固，熔沸點越高，越不容易溶解；但同時，正電荷越高，半徑越小，離子在水溶液中的水合熱越大，越利于溶解。最后取決于哪一個成為主要因素，而這涉及的復雜因素就不是在無機化學基礎(chǔ)課程階段要解決的問題。教師在這里主要向?qū)W生傳達和強調(diào)事物一分為二的辯證思維和全面分析問題的方法以及激發(fā)學生潛在的科學探索、思考能力。 利用小問題，培養(yǎng)學生敏銳質(zhì)疑的科學精神 科學精神的本質(zhì)是探究未知世界和對一些模糊不清的、未有最后定論的問題進行質(zhì)疑，不迷信權(quán) 疑，“惰性氣體”應該不惰，最終獲得了成功。當然，巴特利特能從眾多的物理化學數(shù)據(jù)中，敏銳地抓住核心，還應該和他一直關(guān)注“惰性氣體應該不惰”這 一“質(zhì)疑”，也有重要的關(guān)系。 也許，有的教師在教學中根本不會提及這一化學發(fā)現(xiàn)過程或只輕描淡寫一筆帶過，而忽視了向?qū)W生傳輸其中蘊含的科學思想。其它部分的知識，可以要求學生自學或?qū)懗鰧W習總結(jié)來達到學習目的。 結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，堅定學生理解化學現(xiàn)象的本源筆者在多年和學生的教學接觸過程中了解到， 學生在中學階段已經(jīng)堅信，物質(zhì)的性質(zhì)是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。但在中學階段，所學的化學知識大多是化學反應（式）及對應的現(xiàn)象，再延伸至物質(zhì)的應用。
能 fG ，比較它們的差異；按標準生成自由能的定
化學原理）時，學生不 義，白磷的 fG 應為零；用化學反應等溫式 rG =
（式），就是更多化學反應（式）的堆砌。因此，他們對無機化學（化學原理）對今后學習的重要性的認知是沒有的。而在無機化學部分，學生對從宏觀理解（熱力學）反應的自發(fā)性，有清晰的概念，但對從微觀結(jié)構(gòu)理解物質(zhì)的性質(zhì)則顯得有些困難。這反映在學生學習原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、價鍵理論、晶體結(jié)構(gòu)等章節(jié)時的反應上，這些章節(jié)也是教學的重點和難點。因此，在進行元素化學教學時，將化學原理知識 與物質(zhì)性質(zhì)有機結(jié)合，除能使教學效果起到事半功倍的作用，還能起到鞏固復習基礎(chǔ)理論的目的。 例如，在講授堿金屬堿土金屬章節(jié)中，或過氧化物具備的較強氧化性質(zhì)時，應著重強調(diào)它們的氧化 -RTlnKo，可以計算出其生成反應的平衡常數(shù)為 1 的數(shù)值，而紅磷的 G 為-12.46KJ·mol-1[16]、黑磷（缺） 經(jīng)判斷也應該<0，則它們的生成反應的平衡常數(shù)應該大于 1。平衡常數(shù)的物理意義之一就是表示反應進行的趨勢大小 fG 數(shù)值越大（>0），平衡常數(shù)越小，形成的趨勢越小，本身就越不穩(wěn)定, 當遠大于 0 時，反應根本就不能進行了。還可引導學生查閱其它一些在常溫時不穩(wěn)定的物質(zhì)或易于受熱分解的物質(zhì)，比較它們的 fG ，從而加深學生對 fG 以及吉布斯自由能函數(shù)的正確理解。
當然，如果認為這種能力是學生本身就應該具備的（確實，對一些學習基礎(chǔ)和學習能力較好的大一學生而言），則另當別論。
有關(guān)。 元素及其化合物教學中學生未來探究能力的培養(yǎng) 2 2 再比如，在講授磷的性質(zhì)時，學生都知道白磷要比紅磷和黑磷活潑得多，并且黑磷是熱力學最穩(wěn)定的變體。教材上也給出了它們的空間結(jié)構(gòu)圖（略）。但學生在這一階段一般還不能分析出磷的幾種同素異形體活潑性的變化規(guī)律。如果教師不引領(lǐng)學生進行分析或?qū)W會分析，在教學時可能很快就跳躍過去， 學生對這部分知識也只能靠記憶和堆砌。 實際教學時，可以提示學生注意，磷的幾種同素異形體空間結(jié)構(gòu)的差異：白磷的 4 個 P 原子形成的是一個封閉的四面體結(jié)構(gòu)，4 個面都是正三角形，也 和中學化學教學不同的是，大學化學教學中，有一些沒有最后定論和有爭論觀點，或違反一些定律的問題出現(xiàn)在教學教材中。如在無機化學（化學原理）部分原子結(jié)構(gòu)的教學中，核外電子排布要遵循的三個原則是：能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則。但違背洪特規(guī)則的實例不少。到目前為止， 能解釋它們原因的文獻很少。
就是 3 個 P 原子形成的鍵角為 60°，此時，P-P 鍵相 (1)(
)2( * )2 (
)2( * )2(
)2( = )4( * =* )1；
2s 2S 2pz 2px 2py 2px 2py 互之間的斥力比較大，分子內(nèi)的張力比較大，P-P 鍵 (2)(
)2( * )2 (
)2( * )2 ( = )4(
)2 ( * =* )1. 1s 1S 2s 2S 2px 2py 2pz 2px 2py
同時，還可引領(lǐng)學生用吉布斯熱力學數(shù)據(jù)進行分析：查閱白磷、紅磷、黑磷的標準吉布斯生成自由 很多證據(jù)表明，應該是（2）。筆者也對這一問題進行了論證并發(fā)表了研究論文[17]。在給大一學生講解這部分內(nèi)容時提及此事，學生聽聞后都充滿了驚異與自豪。 徐光憲教授也在談及 NO“明星分子”和人類健康的文章中[18]，向本科生和年輕研究生呼吁，如一生中能合成一個像NO 的“明星分子”，也是了不起的成就。如果教師平常注意積累這些教學素材，定能激發(fā)學生的好奇和探究沖動。
為這樣的離域電子結(jié)構(gòu)，使得 NO2 分子中中心 4N 教師的作用：“師者，所以傳道 授業(yè) 解惑也”。
類似有待繼續(xù)探究和說明的化學現(xiàn)象、問題，如 主族元素一些化合物次周期性（反常）規(guī)律，具體有第五、第六、第七主族元素，它們的四、五、六周期元素單質(zhì)對應形成的同族最（次）高氧化態(tài)氧化物及其水合物（含氧酸）的氧化性變化規(guī)律就是這種反常。氯、溴、碘鹵素元素其對應最高氧化態(tài)含氧酸氧 化性（電極電勢）變化規(guī)律：
氯、溴、碘鹵素元素其對應次高氧化態(tài)含氧酸氧化性（電極電勢）變化規(guī)律： 參考文獻： 山東大學化學系無機化學教研室.對于元素化學教學的幾 點看法[J].化學教育,1981,2(1):18-19. 劉謹懋,陳懷清.加強無機化學課程中元素部分的教學[J].化 學教育,1981,2(5):12-15. 張鐘憲《. 元素化學》及無機化學教學問題淺談[J].大學化學, 1999,14(5):35-36. 莊曉娟,韓明梅.探討PBL 教學法在無機化學元素部分教學中的應用[J].大學化學,2016,31(12):13-16. 張雯,高培紅,向丹,等.無機化學元素教學中運用混合教學模 式的探索[J].大學化學,2018,33(1):24-28. 胡宗球,萬堅,張愛東,等.無機元素化學開放式教學模式的探 索與體會[J].高等理科教育,2006(6):40-41,55. 嚴宣申,王長富.化學原理在元素化學教學中的應用[J].化學
ClO / Cl IO / I 通報,1985(6):49-52.
對此現(xiàn)象的說明，現(xiàn)有教材都是定性分析（略）。筆者多年前也曾對此進行過討論[19]，但還是存在繼續(xù)探究的必要。 此類問題在第六主族、第五主族 4、5、6 周期依然存在。授課時如能向?qū)W生多強調(diào)或提示，也是可能激發(fā)學生的探究意識的。 總之，元素化學的教學，如果授課教師沒有用心熟悉教材和鉆研教學的“趣”點、“難”點、“學”點，就會使課堂教學無趣、難學、學不進。當然，這些不是一個剛?cè)肼毜哪贻p教師在短時間內(nèi)能達到的，只有教師在結(jié)合科學研究的同時，安于教學、樂于教學， 經(jīng)過時間的積累才會實現(xiàn)。 最后，元素化學的教學，并不是無章可循。只要鉆研教學方法，熟悉教學內(nèi)容，經(jīng)常反思教學的得失，尤其重要的是，對有些教學難點，教師在課前要有充分的思考，就是準備用什么語言表述，才能使學生接受、理解并內(nèi)化成他們的知識。要認真歸納總結(jié)，將科學研究和創(chuàng)新思維結(jié)合。我們經(jīng)常給學生說，教材中沒有學生不認識的字，即使不認識，他們也會查字典，但課堂上還是需要教師引領(lǐng)。這就是 申泮文,車云霞.元素化學的快速高效教學法[J].大學化學, 2002,17(4):9,18. 徐敏.元素化學教學的探索與實踐[J].大學化學,2010,25(6): 31-33. 陳詠梅,周云山,王桂榮,等.以“N2 分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例談元素化學課堂教學的設(shè)計[J].大學化學,2019,34(5):15-18. [11]張雯,高培紅,向丹,等.無機化學元素教學中運用混合教學 模式的探索[J].大學化學,2018,33(1):24-28. 張文廣,游明祥,彭思艷.巧用邏輯思維方式,講活無機元素 化學[J].化學教育,2019,40(12):36-39. 張文廣,饒小寶,彭思艷.硼化學教學中融合性應用PBL 與 LBL模式的教學實踐探索[J].化學教育,2016,37(24):21-24. [14]劉紹乾,王稼國.軟硬酸堿理論與元素的存在形式[J].化學 通報,2018,81(2):185-191. [15]宋天佑,徐家寧,程功.無機化學(第三版 下)[M].北京:高等教育出版社,2015 年. [16（] 美）J.A.迪安主編.蘭氏化學手冊(第二版)[M].北京:科學出版社,2003 年. [17]朱萬強,羅宿星,李華剛,等.對一氧化氮分子結(jié)構(gòu)的教學討 論[J].大學化學,2013,28(1):23-26. [18]徐光憲.21 世紀化學的前瞻[J].大學化學,2001,16(1):1-6. [19]朱萬強.元素最高價態(tài)無機含氧酸氧化能力次周期性討論 [J].化學通報,2002,65(3):213-217. (責任編輯：陳 明) |
