將生活、生產和科研中的化學基礎知識引入教學

蔡蘋 胡鍇 程功臻

(武漢大學化學與分子科學學院 湖北武漢430072)

目前，我國理科化學教育改革正處于第三階段，即按照“加強基礎、因材施教、分流培養”的方針，由專業教育向通識教育和寬口徑專業教育相結合轉變;由單純強調知識傳授向注重知識、能力、素質并重轉變［1］。按照這一方針和專業教育所力求達到的目標，無機化學課程的教學內容和方法勢必作出相應的調整和改革，而國家精品開放課程建設在對教學工作提出更高要求的同時，也為教學內容和教學方法的改革提供了新的平臺。如何提高學生的學習興趣?如何讓學生由被動學習變為主動學習?如何讓學生所學的基礎知識更扎實?如何讓學生將學到的基礎知識轉變為自己所具備的能力和素質?達到這些目標非常重要的一點就是教師的引導。教師要在授課過程中注重引導學生應用這些基礎知識，讓課本上的知識變得具體和生動，而其方法之一便是將生活、生產和科研中的化學基礎知識引入教學，讓學生感覺到學習是有具體“意義”的，學到的知識是有用的。

1 將生活中的化學基礎知識引入教學

化學知識貫穿于我們生活的點點滴滴，將化學基礎知識融入教學，不僅能讓學生認識到化學的重要性，也是培養學生學習興趣的有效方法。在教學中可通過生活中的一些實例，幫助學生更好地理解基礎知識并學會應用，學會從化學的角度去觀察生活并解決生活中的化學問題。

比如，在講到配位化合物的相關內容時，我們提出問題:“為什么春天植物的顏色多為綠色，而秋天植物的顏色卻豐富多彩?”并做演示實驗，將綠色樹葉浸泡在酸性溶液中，讓學生觀察現象。學生對這一問題很感興趣，由此可引入葉綠素的結構和配位化合物的相關概念，包括配合物的組成，配合物顏色的成因。在介紹完基本概念后，引入影響配合物穩定性的因素(包括中心離子和配體)，比如綠葉蔬菜在酸菜制作過程中，葉綠素被破壞而呈黃色，其原因是溶液中的質子取代了金屬離子鎂。同時，還可以引入血紅素的結構，比較血紅素與葉綠素結構的異同，同時說明對卟啉環而言，Fe2+的配位能力強于Mg2+。為說明配體對配合物穩定性的影響，還可以舉生活中一氧化碳中毒的實例，說明由于O2與Fe2+的配位能力弱于CO，故人體在吸入CO后，后者取代前者與Fe2+配位，使人窒息而亡。最后提出一個問題讓學生課后思考:蜘蛛的血液是什么顏色的?為什么?在講過氧化氫時，會引入小昆蟲氣步甲的御敵武器，即過氧化氫將對苯二酚氧化成為對苯二醌(圖1)。

在整個講解過程中，既包含了基礎的化學原理知識，又包含著豐富的日常生活內容，而且與生命科學也有一定的聯系，所以學生聽課的積極性高，課堂效果好。

2 將生產中的化學基礎知識引入教學

將生產中的知識引入化學教學，對于理科化學類的師生來說，是一項較難但很有意義的工作。理科生的化學教材大多偏重對理論知識的介紹，這就要求教師在準備授課內容時采用大量的生產實例。比如，在講解次氯酸及其鹽的氧化還原性時，可以引入工業上常用的電鍍廢水氧化破氰法進行實例講解［2］，局部氧化法破氰工藝在pH為10左右進行，其基本原理如下:

圖1 過氧化氫將對苯二酚氧化為對苯二醌

因最終生成的氨不僅污染水體，而且容易氯化生成毒性較大的氯胺，所以應進一步將CNO-除去，即完全氧化法破氰，其設計的化學方程式如下:

通過這一破氰工藝的講解，學生對次氯酸根離子的氧化能力以及反應中的氧化條件有了具體的了解，同時也能擴大學生的知識面;更重要的是，能使畢業后即工作的學生了解基礎知識是如何應用于生產中的。毫無疑問，這對提高他們的知識應用能力和專業素質有重要作用。

在講授化學基礎知識時，無論是教材還是教師授課，基本都只講到滲透的基本原理和應用。事實上，在環保和化工工程中，很多時候都用到了反滲透的原理，因此教師在授課中很有必要介紹反滲透的原理及其應用。

講授可由美國科學家S.Sourirajan發現海鷗以飲用高鹽分海水維持生命引入。經解剖發現，海鷗體內有一層薄膜，海水由海鷗吸入體內后加壓，再由壓力作用將水分子滲透過薄膜轉化為淡水，并將含有雜質及高濃縮鹽分的海水吐出口外，此即反滲透法在自然界中的實例。目前，反滲透膜技術在電廠鍋爐補給水，電子、半導體行業超純水處理，化工及制藥行業的純水處理，食品、飲料、飲用水處理，海水、苦咸水淡化以及冶金、輕工業、電鍍及皮革等行業的廢水處理中得到了廣泛應用。

3 將科研中的化學基礎知識引入教學

目前，高等教育強調培養的人才要多元化，有些學生畢業即從事生產工作，還有一部分學生則繼續深造，從事科學研究。因此，在教學過程中，教師要注意在講授基礎知識時，引入與所授知識相關的研究進展，幫助學生了解科學研究的前沿。比如，在授課過程中，有一個很重要的反應:Cu2+氧化CN-，自身被還原為Cu(I);在CN-過量時，生成配合物［Cu(CN)n］(n-1)-。2008年，Chemical Communications上發表的一篇文章［3］就用到了這一簡單反應，該文報道了一種能選擇性識別金屬離子和氰根離子的聚合物，文中反應所涉及的重要原理見圖2。

要實現將科研中的化學知識融入教學這一目標，要求教師有足夠的精力來閱讀文獻，并能敏銳地發現文獻內容在基礎教學中的意義。顯然，這一做法可以讓學生大大受益，使他們意識到科研離自己并不遙遠，而且可以鼓勵學生積極思考，利用所學基礎知識解決問題。在表1中，列舉了一些在講授基礎知識點時可采用的具體實例。

圖2 Cu2+氧化CN－在分子熒光開關設計中的應用

表1 教學中知識點和生活、生產、研究中的實例

總之，讓學生在學好基礎知識的前提下，再引導他們在生活、生產和科研中運用這些知識，能提高學生的學習能力、應用知識的能力和綜合素質;但對教師而言，需要投入足夠多的時間和精力準備教學內容，這既是一個挑戰，也是教師提升自己能力的機會。

［1］教育部高等學校化學類專業教學指導分委員會.高等學校化學類專業指導性專業規范.北京:高等教育出版社，2011

［2］黃中子，李寒娥，胡曰利，等.中南林學院學報，2006，26(2):96

［3］Zeng Q，Cai P，Li Z，et al.Chem Commun，2008，1094

［4］Uahengo V，Xiong B，Zhou N N，et al.Chin J Chem，2012，30:1702

［5］Uahengo V，Xiong B，Zhou N N，et al.J Organomet Chem，2013，732:102