側重地質類專業應用的大學化學教學改革

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(中國地質大學長城學院 地球科學與資源學院，河北 保定 071000)

大學化學是高校里開設面比較廣的一門課程，經常被認定為公共課，教材編寫也往往偏重普適性。但是，對很多專業來說，化學是一門很重要的專業基礎課程，很多化學知識都可以應用到專業課程知識上。因此，在教材編寫和教學過程中貫穿專業需要和專業實例就顯得很有必要。一些高校，會根據自己學校的專業特點來編寫化學教材和進行教學。尤其是醫學類院校，往往針對醫學應用來編寫化學教材，在教學中穿插大量的醫用化學知識和醫用化學實例[1-3]。其他如農林類、生命科學類、環境類院系也往往編寫更適用與本學科的教材。本文針對地質類專業以及寶石及材料工藝學專業的《普通化學》教學，展開一些專業應用實例的探討。

1 分章節專業知識分析及教學應用

普通化學各章，形成了化學的基本理論體系，同時也是將來專業應用的主要理論基礎。在講解理論基礎的時候，穿插本專業的一些應用前景和專業案例，對于理解化學知識和提前了解專業有重要的作用。下面，簡述一下各章化學知識在地質類專業和寶石級材料工藝學(下面簡稱寶石)專業的聯系。

1.1 原子結構與元素周期律

本章是化學的微觀理論基礎，在量子力學的理論基礎上重新討論原子結構和電子排布規律及其與化學性質的聯系。本章理論性較強，具體應用案例較少，但是也有較多的學科背景知識。

首先，在氫原子光譜理論部分，不僅為量子力學的導出提供了重要線索，也可以擴展光譜理論及其應用。例如，光譜分析技術在地質樣品分析和寶石鑒定等領域的應用，雖不需要展開論述但也可以調動學生進一步深入了解的興趣。此外，在講解原子結構的波爾理論時，可以將電子躍遷與光的聯系擴展到寶石顏色的領域，讓學生能夠對寶石顏色的機理有一個基本的認知[4]。

其次，在核外電子排布與元素周期律部分，可以結合地球化學上元素的地球化學親和性和元素分類來介紹，為將來深入理解地球化學親和性奠定基礎。此外，元素周期律，還可以與地質學上常用的類質同象理論相結合來進行擴展，類質同象理論在地質學和寶石學相關領域都有重要的地位[5-6]。

1.2 化學鍵與分子結構

無論是地質上的主要巖石和礦物，還是常見的寶石，往往都是涉及離子鍵或共價鍵的結合，因此在講解化學鍵的時候可以列舉一些礦物或者寶石的實例。在講解晶格能的時候，可以列舉一些常見的礦物和寶石作為熔沸點和硬度的比較對象，利用學到的基本規律對這些礦物的熔沸點和硬度進行比較[7]。

1.3 氣體和溶液

這一章，為后續化學打下化學基礎。在課時有限的前提下，不適合做太多的拓展。但一些實例可以選擇更偏近專業知識的實例。

在氣體定律部分，可以用天然氣開采作為應用實例，對于學生理解定律和將來的專業學習都有一定的好處。而在氣體分壓定律部分，則可以聯系地球大氣氧氣、二氧化碳變化帶來的地球環境變化，如早期海洋成分富含鐵元素，而隨著空氣中氧氣分壓的增大，鐵元素被氧化水解沉積，形成了現在的很多大型鐵礦。另外，在寶石合成領域有氣相沉積法合成寶石，這個跟氣體的分壓有很大的關系。

溶液蒸汽壓下降部分，在很多行業都有具體的應用。地質上對高溫熱液的存在、低溫溶液的存在等的理解都會有幫助。對于寶石專業，一些寶石的保養需要恒定的濕度，可以鼓勵學生根據溶液蒸汽壓下降原理設計一個不用電的恒濕的首飾盒。此外，稀溶液定律，在地球化學上有很具體的應用，通過稀溶液定律和化學平衡，推導出了微量元素的能斯特分配定律，是整個微量元素地球化學的理論基礎[6]。

1.4 化學熱力學基礎

化學熱力學在地質學領域有很廣泛的應用，比如地球化學熱力學就是地學領域很重要的分支學科，也是重要的研究手段。在介紹本章時，可以給學生提前透露本章知識在專業課程中的重要性。具體實例也可以用熱力學基本原理判斷元素的穩定存在形式，即礦物組成。通過熱力學參數，也可以判斷元素的地球化學親和性[5]。在講解熵的時候，可以延伸到地球系統的復雜性，和礦物成分的多樣性。對于寶石專業，也可以用熵來說明寶石的珍貴性。

1.5 化學動力學

隨著地學理論研究的發展，發現很多地球化學過程并不是嚴格的化學平衡過程，相反很多都是非平衡過程，這樣的過程用平衡理論來解釋是不合適的。因此，地球反應-輸運體系的動力學研究成為熱點領域?；瘜W反應動力學，在地學領域也有很廣泛的應用，比如成礦物質沉淀和溶解的動力學模型等。作為前景知識，在介紹本章知識時，可以穿插介紹[6]。

此外，在同位素地質年代學理論里，也應用到了化學動力學的基本公式，在介紹相關公式時，可以給學生加以拓展。而同位素分餾領域也應用了化學動力學的基本公式。

對于寶石專業，一些寶石的形成機理以及寶石合成工藝，就需要用動力學的思想來進行理解，引導學生必須突破傳統化學反應的簡單過程，只有滿足一定的動力學條件才能形成理想的寶石結構，否則只能生成相應的物質，而不能形成寶石。

現代化灌區的建設要與農村現代化建設同步發展。實現灌區現代化，需要對灌區內的水資源進行保護。減少對水資源的污染，減少生活垃圾的隨意排放，使現代化灌區實現其真正的效益。針對農村中存在的生活垃圾胡亂排放污染灌區內水資源等現象，應從提高農民素質和加快農村現代化建設進程等根本上去解決。

1.6 化學平衡含水溶液化學

化學平衡知識，在地學領域有比較廣泛的應用。例如，礦物相平衡相圖的繪制，需要用到化學平衡的知識。通過化學平衡知識，可以判斷自然過程的方向和限度?？梢园训V物相平衡的一些實例作為拓展思考題發給學生，讓有余力的學生進行思考。

水溶液中的酸堿平衡理論，對于將來理解礦物的風化和水解有重要的幫助。例如，硅酸鹽的水解反應，可以用酸堿平衡理論來解釋，對于理解自然界某些次生礦物的形成有一定的幫助。此外，自然界一些強酸性、強堿性環境的形成也可以用酸堿理論進行解釋。

在講解酸堿理論的時候，可以介紹Lux-Flood的酸堿定義，對于學生將來理解巖石學上的酸堿命名有重要幫助。此外，介紹路易斯酸堿理論的軟硬酸堿理論，對于學生理解地球化學親和性，不同元素的成礦規律等也都有重要的幫助。

沉淀溶解平衡，對于學生理解一些寶石(如天青石、螢石、綠柱石等)的形成過程有重要的意義。此外，對于地質上水巖相互作用和元素遷移的理解，起到了理論基礎的作用?？梢杂靡恍┑V物溶解沉淀的過程作為該部分內容的例題。

此外，微量元素地球化學和同位素地球化學都用到了平衡的思想，在熱力學平衡的前提下，推導出了能斯特分配定律和同位素地質溫度計。這些可以通過遠景專業知識，提前透露給學生，提高學生的學習興趣[6]。

1.7 配位化合物化合物及配位平衡

配位化合物的結構部分，介紹了晶體場理論，該理論在地質學領域和寶石顏色機理部分都有重要應用。在講解清楚晶體場理論的情況下可以給學生講解雜質元素給寶石帶來顏色的機理，例如鉻元素使紅寶石顯出紅色的機理[4]。地質學上，晶體場理論，對于理解微量元素隨礦物的結晶順序、過渡元素的特殊地球化學行為等有重要幫助[6]。

配位平衡，在地質領域的元素遷移過程有重要意義。很多金屬元素在水溶液中以配離子的形式存在，配離子的穩定常數越大，配離子就越穩定，相應地就越有利于元素的遷移。這是影響元素遷移的重要因素。在講配離子平衡的時候，也可以列舉一些地質過程元素遷移的實例。

配位化合物命名部分，一些配基，如羥基等，在遙感地質學課程中也有應用，遙感光譜通過識別一些特殊基團信號來判斷物質組成[8]。

1.8 電化學

氧化還原反應，是地學領域重要的化學反應類型。很多變價元素，在不同的環境下形成不同的礦物。例如，鐵元素，在自然界可以形成零價、正二價、正三價幾種常見的價態。無色的石英晶體在空氣中暴露一段時間以后會變黃，主要原因是二價鐵離子被氧化成了正三價。

在地學領域需要考慮的一個重要物理化學參數是Eh值，也就是電化學一章的氧化還原電位。元素在自然界的存在形式與環境的氧化還原電位有關，通過能斯特方程得知，元素的存在形式也跟離子濃度有關。地球的早期硅酸鹽礦物水解造成大量鐵元素進入水體，使得海洋中有較高濃度的鐵離子，而今地表環境變成了氧化環境，硅酸鹽水解的鐵離子被氧化為正三價，三價鐵離子易水解而難溶于水，因此，現在土壤中富含三氧化二鐵，中國南方某些地區的土壤甚至出現紅土化現象。

在稀土元素地球化學中，Eu元素和Ce元素的含量異常都是由于環境的Eh值造成的，Eu元素在地球深部易于變成正二價，與其他稀土元素性質不一樣而分離，Ce元素在海洋中由于被氧化而與與其他稀土元素分離[6]。

1.9 元素化學

在地學領域，副族元素要比主族元素更有研究價值。因此元素化學不僅要介紹主族元素的化學性質，還要結合地學特征介紹副族元素的特征，甚至要介紹稀土元素的化學性質。

由于相關專業知識水平有限，不能全面介紹化學在專業課程中的應用，但基本上概括了各章的專業應用前景，對于學生后續的其他課程學習有一定的鋪墊作用。

2 教學實踐效果

在中國地質大學長城學院的教學實踐中，化學教師通過了解地質類專業的專業課程，分析專業課書籍，與專業課教師交流的方式，了解了化學知識在專業課理論體系中的應用。然后把這些內容融合到大學化學教學活動中，通過知識拓展和專業實例的方式進行聯系。

通過教學實踐，引導學生提前了解專業知識，樹立專業學習和化學學習的興趣。一些學生在低年級的時候就開始自己學習專業知識，練習通過化學理論來解決專業問題，取得了一定的效果。有一位寶石專業的學生利用化學知識和專業知識寫出了一篇寶石顏色機理的綜述文章，雖然沒有發表，但已經鍛煉了學生的科學能力，提高了學生的專業素養。還有很多地質和寶石的學生考取研究生的時候選擇化學作為一門專業基礎課，充分說明了學生已經獲得了一定的化學基礎。通過為專業課程打基礎的教學思路，拉近了學生與化學的距離。一些學生選擇與化學老師合作開展一些交叉領域的研究工作，在上學期間發表了科研論文。更多學生，在畢業論文中大膽使用化學的基本理論和方法來論證自己的觀點?？傊?，通過教學實踐，在化學教學中貫穿一些專業應用的知識，對于提高學生興趣，增強學生能力有一定的幫助作用。