元素化学教学的思考： 我们在教学中还缺少了哪些不该缺少的内容发表时间：2021-01-13 17:56 元素化学教学的思考： 我们在教学中还缺少了哪些不该缺少的内容 朱万强，方 程，李军旗，赵华俊 (遵义师范学院 化学化工学院，贵州 遵义 563006) 摘 要：针对无机化学元素化学教学中存在的可能被教师忽略的一些环节，如在培养学生的科学思维、辩证思维、激发潜在的科学研究能力等方面，结合我们的教学实际并进行了讨论。 关键词：无机化学；元素化学；大学化学；化学教学 中图分类法：G633 文献标识码：A 文章编号：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 长期以来，一直都有教师思考如何有效地进行无机化学元素化学的教学[1-6]。为了有效地进行元素化学的教学，潜心于教学的一线老师，包括一些知名的化学前辈 [7-8] 也进行了很多思考。在这些探索中 [9-14]，从对元素化学重要性的强调，到各种教学方法 的总结，还有通过对具体的“双原子的N2 分子结构” 进行分析并进行元素课堂教学设计[10] 的教学实践， 也有对现代教学方法的综合应用，乃至学生逻辑思维的启迪等，各显千秋。无机化学作为重要的专业基础课，大学化学及相关专业都要开设。无机化学课程的两大部分，一部分是基础理论（化学原理），另一部分就是元素化学。现在真正了解元素化学重要性的教师依然坚持元素化学是无机化学的精髓[10]。但实际情况是，元素化学教学越来越被弱化。在平常的教学过程中，大部分教师尤其是高学历的青年 教师都把无机化学元素化学课堂教学仅当成是完成自己的“教学任务”罢了，而对元素化学的教学目的究竟是什么，它要达到什么教学目的，培养学生的什么能力，没有深入思考。 元素化学教学的任务是使学生理解重要元素及其化合物的特性、典型反应, 同时使学生“在科学思维方面获得应有的训练和培养”[7]。如果真正做到了这一点，教师的教学就变成了“艺术”。 结合现在的高校课程改革，学分和课时数都大幅较少，很多开设化学工科或应用专业的院校，对无机化学元素部分的教学，都已取消或大幅消减课时数，只有师范院校或一部分综合大学的化学专业保留了元素化学的教学。由于元素化学的特殊性，重点在于向学生介绍元素及其化合物的性质（制备的基础）、结构、用途。元素及其化合物性质呈现形除物理性质外，大部分就是化学反应式。物质的结构，在无机化学的第一大部分已经基本掌握的前提下，是可以自学理解的。物质的用途部分，没有化学专业背景也可以了解。这就更造成了元素化学教学的困惑：教师不知怎样讲才能使课堂生动，照着书本内容宣读 PPT（尤其年轻老师）或抄写化学反应式 （板书）成为了常态；学生也觉得没有教师的指导也可以学得懂 (尤其对一些基础扎实的如 211、985 高校学生)，但心里对元素化学知识没有一个清晰的脉络，更感觉这些知识是混乱的堆砌。由此导致教师在备课时，也只注重知识堆砌。这也是一直以来，无机化学课程教学的教师对元素化学教学的感受。 随着我国高等教育的发展，一批地方专科学校升级为本科院校。这些学校一年级学生的特点，就是文化基础远没有扩招以前学生扎实。教师在讲授同样的知识内容时，发现学生接受或理解知识的速度是大不如从前的。这就更加大了课堂教学的难度。 由于多年讲授无机化学，在参照学习其他老师一些好的做法时，也对一些容易被大家忽略的问题进行了思考，并将我们的教学探索分享出来，还希望得到大家更好的建议。 凝炼知识，向学生传达章节知识要点 元素化学大部分都是按族或族群（如碱金属、碱土金属）罗列各元素或元素之间的共同性质特点及其变化规律，将前人总结的性质、现象进行归纳。学生自己阅读是可以读懂的。但由于这些知识多，相互之间看似没有多少规律，阅读起来难免会有单调、兴趣索然的感觉。教师如果没有在课前提炼（凝炼） 授课内容，也只能照本宣科。 实际上，在人们应用知识时，不是每一点、每一条你都能够准确复述，即使你是某方面的专家，在需要严谨的推理或证据时，也要重新查阅相关文献以佐证。因此，对学生在学习新的知识，并且这些知识看似还没有规律可循时，要求他们记忆每一知识点， 也是不符合客观实际的。这就要求我们将主要的知识精华进行凝炼后传达给学生，其他的一般性知识 （没有抽象难懂的理论，在需要时可进行查阅）让学生自学或归纳。这样的话，可以起到事半功倍的效 要帮助；“固”：巩固已经学过的重要理论知识，告知这里是哪一个原学过的理论知识的应用。凝炼的内容不一定是重点或难点，但一定对学生的学习有所启发或帮助。 元素化学各章节要凝炼的知识，因教师个人的观点、学生所学专业以及学生所处层次（985 高校、211 高校、地方高校）、选用教材不同应该可以不同， 同时对学生的评价也不同。我们以吉林大学、武汉大学、南开大学宋天佑等编《无机化学》（第三版 下） [15] 为教材蓝本，列举我们选取的部分凝炼教学内容 和本文所举范例。 碱金属与碱土金属 金属热还原时的“反常” 热还原法制取金属时，可以用 Na 将 KCl 中K 还原出来。在中学阶段，都认为 K 比Na 活泼，Na 不可能将 K 从其化合物中置换出来。这里要向学生强调，中学化学中，K 比Na活泼，大多是在水溶液中进行的反应。现在的反应条件已经改变为干态，其反应情况发生逆转。 这里进行强调，启发学生进行思考，该反应为什么会发生？也许一时不会有确定的答案，但对于有志于科学研究的学生，可能会促使他继续关注该知识或相关的知识领域并进行探究。 这一看似简单的知识点，常常会被忽略或不被提及。 氢氧化物的碱性以及氧化物水合物的酸碱性对于刚进入大学的理科学生来讲，对常见氢氧 化物的碱性强弱，他们都有比较清晰的概念。如知道 NaOH、KOH 是强碱，LiOH、Mg(OH)2 是弱碱，Be (OH)2 显两性，碱金属、碱土金属氢氧化物的碱性从上到下依次增强。但对这一变化规律的原因理解， 通常是定性而模糊的，不甚了解，或认为是元素的金属性从上到下依次增强的必然结果。 以 M―O―H 简单表示氢氧化物（包括氧化物水合物）的组成和结构。 本小节介绍了离子势的概念，虽然也是一个经验值，但对这些氢氧化物的碱性有清晰而又量化的说明。同时，离子势是对金属离子极化能力大小的 果。凝炼时应该注重“新、启、固”三点。“新”：新知 一种衡量。在无机化学（I 化学原理）部分，已经对离 识，以前没有学过或不符合以前认知的知识；“启”：该知识有启发性，对学生培养科学素养、分析问题、解决问题、终身学习能力以及情感态度有帮助或重 子极化知识有了了解，如果是有经验的教师，应该在进行这一部分的教学时，要强调离子极化发生时，相邻的两个（正、负）离子的原子轨道比未发生极化（远 离）时产生了部分重叠，它们的结合更加牢固，而与被极化离子相结合的另一离子与被极化离子间的结合被削弱了，更容易断裂而释放出来。这就比较容易说明碱金属和碱土金属碱性的变化规律。 在 M―O―H 中，金属离子和氢离子同时对氧原子产生极化。同一族从上到下，这些金属离子的极化能力减弱，它们与氧原子的结合力变小了，而另一侧的氢离子的极化力很强，与氧原子的结合得到了加强，最后一起离开了金属离子进入溶液。 用这一观点可以提前向学生解释一些元素的高价氧化物水合物（含氧酸），为什么通常显示出强酸性：因为元素的高价氧化物水合物中，元素的原子显正价，正价越高（电荷越高、半径越小），极化能力越强，与氧原子的结合越强，反过来削弱了氧原子与氢原子的结合，氢离子越容易离开氧原子进入溶液而显示出酸性。本知识点在教材中用进行了讨论。
关于盐的溶解性 本章节还有一个常见而又模糊的问题，就是一些沉淀易于溶解在水中，一些不易。这个问题看似简单，真正碰到时，不一定能清晰的说明。在无机化学I 部分，学习了难溶沉淀（电解质）的溶解，对常见盐和碱的溶解性和条件，结合溶度积规则和多重平衡原则可以定量讨论。教材总结的定性规律是：大 （小）阳离子与大（小）阴离子结合的盐难溶；阴阳离子半径差别比较大时，容易溶解。同时向学生强调， 盐（碱）溶解时，还要考虑一个因素，就是溶解时晶格 威。 在我国目前中学阶段的教学主要是为了参加高考，学生受到的训练主要是解析各种试题类型。教师在教学过程中，很少或没有时间向学生传输真正的科学精神实质。学生对知识权威的印象就是校园墙面上的科学家或知识名人画像、雕塑、教学材料， 他们相信书本上的所有知识都是正确无误的。 实际上，从大学新生开始，就要开始培养新生的科学质疑精神。而无机化学教学过程中，不管是原理部分还是元素部分，都有很多这样的素材可以利用。如在原子结构的教学过程中，对核外电子的运动规律的认识过程，就是因为经典物理不能解释的一些物理现象（无机化学只介绍氢原子光谱）而开始的。 不该被忽略的“化学史” 稀有气体章节，在元素化学教学过程中，不是重点和难点。这一章节的主要内容，是介绍稀有气体氙发生的反应及生成的化合物，同时再次用价层电子对互斥理论分析了几个氙形成的氟化物的空间结构。在大多数教材中，编入了稀有气体第一个化合物 Xe+[PtF6]-的发现史。但往往可能会忽略这一点。因为在更早的时候，人们都将稀有气体称为“惰性气体”，因为这类气体化学性质稳定不易发生化学反应。是巴特利特于 1962 年合成出 Xe+[PtF6]-以及随后一系列氙和其它稀有气体化合物后，人们才将“惰性气体”改称为“稀有气体”的。而巴特利特是通过对比发现，Xe 的第一电离能与O2 分子的第一电离能很接近，分别是 1170 kJ·mol-1 和 1165 kJ·mol-1. 但 能的破坏与需要的能量来源。它们是一对相互矛盾 O 与PtF 反应生成了 O+[PtF ]-，由此激发了他的质 2 6 2 6 的因素，要看哪一个占主要。晶格能与正负离子的电荷和半径都有关。正电荷越高，半径越小，晶格能越大，离子键越牢固，熔沸点越高，越不容易溶解；但同时，正电荷越高，半径越小，离子在水溶液中的水合热越大，越利于溶解。最后取决于哪一个成为主要因素，而这涉及的复杂因素就不是在无机化学基础课程阶段要解决的问题。教师在这里主要向学生传达和强调事物一分为二的辩证思维和全面分析问题的方法以及激发学生潜在的科学探索、思考能力。 利用小问题，培养学生敏锐质疑的科学精神 科学精神的本质是探究未知世界和对一些模糊不清的、未有最后定论的问题进行质疑，不迷信权 疑，“惰性气体”应该不惰，最终获得了成功。当然，巴特利特能从众多的物理化学数据中，敏锐地抓住核心，还应该和他一直关注“惰性气体应该不惰”这 一“质疑”，也有重要的关系。 也许，有的教师在教学中根本不会提及这一化学发现过程或只轻描淡写一笔带过，而忽视了向学生传输其中蕴含的科学思想。其它部分的知识，可以要求学生自学或写出学习总结来达到学习目的。 结构决定性质，坚定学生理解化学现象的本源笔者在多年和学生的教学接触过程中了解到， 学生在中学阶段已经坚信，物质的性质是由内部结构决定的。但在中学阶段，所学的化学知识大多是化学反应（式）及对应的现象，再延伸至物质的应用。
能 fG ，比较它们的差异；按标准生成自由能的定
化学原理）时，学生不 义，白磷的 fG 应为零；用化学反应等温式 rG =
（式），就是更多化学反应（式）的堆砌。因此，他们对无机化学（化学原理）对今后学习的重要性的认知是没有的。而在无机化学部分，学生对从宏观理解（热力学）反应的自发性，有清晰的概念，但对从微观结构理解物质的性质则显得有些困难。这反映在学生学习原子结构、分子结构、价键理论、晶体结构等章节时的反应上，这些章节也是教学的重点和难点。因此，在进行元素化学教学时，将化学原理知识 与物质性质有机结合，除能使教学效果起到事半功倍的作用，还能起到巩固复习基础理论的目的。 例如，在讲授碱金属碱土金属章节中，或过氧化物具备的较强氧化性质时，应着重强调它们的氧化 -RTlnKo，可以计算出其生成反应的平衡常数为 1 的数值，而红磷的 G 为-12.46KJ·mol-1[16]、黑磷（缺） 经判断也应该<0，则它们的生成反应的平衡常数应该大于 1。平衡常数的物理意义之一就是表示反应进行的趋势大小 fG 数值越大（>0），平衡常数越小，形成的趋势越小，本身就越不稳定, 当远大于 0 时，反应根本就不能进行了。还可引导学生查阅其它一些在常温时不稳定的物质或易于受热分解的物质，比较它们的 fG ，从而加深学生对 fG 以及吉布斯自由能函数的正确理解。
当然，如果认为这种能力是学生本身就应该具备的（确实，对一些学习基础和学习能力较好的大一学生而言），则另当别论。
有关。 元素及其化合物教学中学生未来探究能力的培养 2 2 再比如，在讲授磷的性质时，学生都知道白磷要比红磷和黑磷活泼得多，并且黑磷是热力学最稳定的变体。教材上也给出了它们的空间结构图（略）。但学生在这一阶段一般还不能分析出磷的几种同素异形体活泼性的变化规律。如果教师不引领学生进行分析或学会分析，在教学时可能很快就跳跃过去， 学生对这部分知识也只能靠记忆和堆砌。 实际教学时，可以提示学生注意，磷的几种同素异形体空间结构的差异：白磷的 4 个 P 原子形成的是一个封闭的四面体结构，4 个面都是正三角形，也 和中学化学教学不同的是，大学化学教学中，有一些没有最后定论和有争论观点，或违反一些定律的问题出现在教学教材中。如在无机化学（化学原理）部分原子结构的教学中，核外电子排布要遵循的三个原则是：能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则。但违背洪特规则的实例不少。到目前为止， 能解释它们原因的文献很少。
就是 3 个 P 原子形成的键角为 60°，此时，P-P 键相 (1)(
)2( * )2 (
)2( * )2(
)2( = )4( * =* )1；
2s 2S 2pz 2px 2py 2px 2py 互之间的斥力比较大，分子内的张力比较大，P-P 键 (2)(
)2( * )2 (
)2( * )2 ( = )4(
)2 ( * =* )1. 1s 1S 2s 2S 2px 2py 2pz 2px 2py
同时，还可引领学生用吉布斯热力学数据进行分析：查阅白磷、红磷、黑磷的标准吉布斯生成自由 很多证据表明，应该是（2）。笔者也对这一问题进行了论证并发表了研究论文[17]。在给大一学生讲解这部分内容时提及此事，学生听闻后都充满了惊异与自豪。 徐光宪教授也在谈及 NO“明星分子”和人类健康的文章中[18]，向本科生和年轻研究生呼吁，如一生中能合成一个像NO 的“明星分子”，也是了不起的成就。如果教师平常注意积累这些教学素材，定能激发学生的好奇和探究冲动。
为这样的离域电子结构，使得 NO2 分子中中心 4N 教师的作用：“师者，所以传道 授业 解惑也”。
类似有待继续探究和说明的化学现象、问题，如 主族元素一些化合物次周期性（反常）规律，具体有第五、第六、第七主族元素，它们的四、五、六周期元素单质对应形成的同族最（次）高氧化态氧化物及其水合物（含氧酸）的氧化性变化规律就是这种反常。氯、溴、碘卤素元素其对应最高氧化态含氧酸氧 化性（电极电势）变化规律：
氯、溴、碘卤素元素其对应次高氧化态含氧酸氧化性（电极电势）变化规律： 参考文献： 山东大学化学系无机化学教研室.对于元素化学教学的几 点看法[J].化学教育,1981,2(1):18-19. 刘谨懋,陈怀清.加强无机化学课程中元素部分的教学[J].化 学教育,1981,2(5):12-15. 张钟宪《. 元素化学》及无机化学教学问题浅谈[J].大学化学, 1999,14(5):35-36. 庄晓娟,韩明梅.探讨PBL 教学法在无机化学元素部分教学中的应用[J].大学化学,2016,31(12):13-16. 张雯,高培红,向丹,等.无机化学元素教学中运用混合教学模 式的探索[J].大学化学,2018,33(1):24-28. 胡宗球,万坚,张爱东,等.无机元素化学开放式教学模式的探 索与体会[J].高等理科教育,2006(6):40-41,55. 严宣申,王长富.化学原理在元素化学教学中的应用[J].化学
ClO / Cl IO / I 通报,1985(6):49-52.
对此现象的说明，现有教材都是定性分析（略）。笔者多年前也曾对此进行过讨论[19]，但还是存在继续探究的必要。 此类问题在第六主族、第五主族 4、5、6 周期依然存在。授课时如能向学生多强调或提示，也是可能激发学生的探究意识的。 总之，元素化学的教学，如果授课教师没有用心熟悉教材和钻研教学的“趣”点、“难”点、“学”点，就会使课堂教学无趣、难学、学不进。当然，这些不是一个刚入职的年轻教师在短时间内能达到的，只有教师在结合科学研究的同时，安于教学、乐于教学， 经过时间的积累才会实现。 最后，元素化学的教学，并不是无章可循。只要钻研教学方法，熟悉教学内容，经常反思教学的得失，尤其重要的是，对有些教学难点，教师在课前要有充分的思考，就是准备用什么语言表述，才能使学生接受、理解并内化成他们的知识。要认真归纳总结，将科学研究和创新思维结合。我们经常给学生说，教材中没有学生不认识的字，即使不认识，他们也会查字典，但课堂上还是需要教师引领。这就是 申泮文,车云霞.元素化学的快速高效教学法[J].大学化学, 2002,17(4):9,18. 徐敏.元素化学教学的探索与实践[J].大学化学,2010,25(6): 31-33. 陈咏梅,周云山,王桂荣,等.以“N2 分子的结构与性质”为例谈元素化学课堂教学的设计[J].大学化学,2019,34(5):15-18. [11]张雯,高培红,向丹,等.无机化学元素教学中运用混合教学 模式的探索[J].大学化学,2018,33(1):24-28. 张文广,游明祥,彭思艳.巧用逻辑思维方式,讲活无机元素 化学[J].化学教育,2019,40(12):36-39. 张文广,饶小宝,彭思艳.硼化学教学中融合性应用PBL 与 LBL模式的教学实践探索[J].化学教育,2016,37(24):21-24. [14]刘绍乾,王稼国.软硬酸碱理论与元素的存在形式[J].化学 通报,2018,81(2):185-191. [15]宋天佑,徐家宁,程功.无机化学(第三版 下)[M].北京:高等教育出版社,2015 年. [16（] 美）J.A.迪安主编.兰氏化学手册(第二版)[M].北京:科学出版社,2003 年. [17]朱万强,罗宿星,李华刚,等.对一氧化氮分子结构的教学讨 论[J].大学化学,2013,28(1):23-26. [18]徐光宪.21 世纪化学的前瞻[J].大学化学,2001,16(1):1-6. [19]朱万强.元素最高价态无机含氧酸氧化能力次周期性讨论 [J].化学通报,2002,65(3):213-217. (责任编辑：陈 明) |
