研究前沿在大學化學教學中的引入

商 虹

(中國地質大學(北京)數理學院，北京 100083)

大學化學是化學及材料等專業學生入學后學習的第一門化學類相關課程。作為一名大學化學教師，應該利用有限的學時，充分調動學生學習的主動性和趣味性，使學生全面并且高效率的掌握知識內容，提高教學質量。研究前沿在大學化學教學中的引入是一項有效措施，在提升教學水平的同時還可以提升學生及教師本身的科研素養。

1 大學化學教學存在的不足

隨著科技的蓬勃發展和人們的廣泛關注，科研成果也越來越多的涌現并且影響著人類的生活，但各種版本的大學化學教材普遍沒有關注到最新的科學研究前沿及熱點。枯燥的書本知識會打擊同學們的學習積極性；重復性教學會阻礙教師尤其是青年教師的發展。若想使學生全面并且高效率的掌握知識內容并培養科研素養，教師需要采用新穎的方法來活躍課堂氛圍，提升教學水平。

2 將研究前沿引入大學化學教學中

2.1 將碳材料的研究引入到雜化軌道的教學中

在共價鍵與分子結構章節中，為了解釋多原子分子的空間構型，鮑林在價鍵理論基礎上提出了雜化軌道理論[1]。根據教材，中心原子的雜化軌道類型不同，分子的空間構型也不同，其雜化軌道類型通常分為sp雜化、sp2雜化、sp3雜化，并分別以乙炔、乙烯、甲烷中碳的雜化方式進行舉例說明。在教學過程中，這些在高中階段就已經學習的簡單的有機化合物并不能很好的引起學生的關注及學習興趣，并且在空間構型上有一定的想象局限性。所以有必要對其代表性物質進行延伸和拓展。

近年來，碳材料被廣泛地研究并應用于諸多領域。通過不同的雜化方式，碳元素可形成諸多的同素異形體，如天然存在的堅硬物質金剛石，是由sp3雜化碳構成的原子晶體。sp2雜化碳原子組成的碳材料有多種，例如石墨、富勒烯、石墨烯等，其中富勒烯由于極大促進了

圖1 石墨烯(a)和石墨炔(b)結構示意圖

納米材料的發展而被譽為納米王子；石墨烯(圖1a)由于具有優異的光電特性被認為是一種未來革命性的材料[2]；由于貢獻突出，富勒烯及石墨烯的發現者均獲得了諾貝爾獎。sp雜化碳形成的碳材料在理論上得到了很好的預測，但直到2010年才被成功制備，具有中國完全自主產權的石墨炔，是由sp和sp2雜化碳共同構成的(圖1b)，具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性，是一種非常有前景的催化和儲能材料，這使其成為目前碳材料領域最前沿研究熱點[3]，并成為“十三五規劃”中的重點研究材料。課堂上，由這些研究前沿材料來引出三種雜化軌道類型，既能引起學生的學習興趣，加深對基礎理論知識的認識和理解，又能拓展學生的科研學術視野，利于培養新一代創新型科研人才。

2.2 將卟啉酞菁類化合物的研究引入到配位化學基礎的教學中

圖2 卟啉(a)和酞菁(b)結構示意圖

在配位化學基礎章節中，講到了配合物的組成、分類、空間構型等。根據教材，在配合物的分類中，將其主要分為三大類：簡單配合物、螯合物及特殊配合物。其中，特殊配合物是近幾十年才蓬勃發展起來的一類新型配合物，教材中主要介紹幾種常見的配合物，但欠缺對其性質及應用領域的說明，使得學生對其理解比較抽象且缺少學習興趣。作者認為，在教學過程中引入一些研究前沿配合物，如卟啉、酞菁類配合物，將能引起學生的學習興趣，在充實學生知識的同時促進教學質量的提升。

卟啉(圖2a)是一類具有特殊生物活性的化合物，它存在于自然界和生命體內，例如生物體中運輸氧氣的載體血紅素和光合作用的中心葉綠素分別是卟啉衍生物鐵和鎂的配合物。酞菁是卟啉的衍生物，如圖2b所示。它們中間結構的四個氮原子可以和多種金屬及非金屬絡合形成穩定的配合物，特別是當其與如鑭系、錒系等半徑較大，配位數較高的金屬離子配位時，極易形成三明治型雙層或多層配合物[4]。課堂上，由卟啉、酞菁單分子的研究及代表舉例引出配合物這一章節的學習，以具體配合物的結構引導學生認識配合物的組成(中心離子、配體與配位原子、配位數等)，使抽象的概念變得具體化，使索然無味的知識點變得形象生動，更有利于學生的理解和學習。

2.3 將鋰電池的研究前沿引入到電化學基礎的教學中

在電化學章節最后，講到了化學新知識-燃料電池，作者認為，由研究前沿鋰電池引出電化學基礎章節，會更能引起學生的學習興趣，尤其是今年的諾貝爾化學獎頒發給了鋰電池領域的研究學者。

21世紀，能源和環境是全世界共同面臨的難題。為了開發新能源，各政府加大了對儲能設備的研究資助，其中，鋰離子電池被認為是高容量電池的理想之選[5]。已經商品化的鋰離子電池，正極材料采用LiCoO2復合金屬氧化物，負極材料采用層狀石墨，而石墨的容量已經達到了其理論最大值。鋰金屬負極具有最高的理論容量(3860 mA·h·g-1)和最低的電化學電位(相對于標準氫電極為-3.04 V)，是提升鋰電池能量密度較理想的負極材料[6]，但是，不穩定的固體電解質膜及充電過程中金屬鋰在電極表面發生不均勻沉積會造成不可逆的鋰損耗，需要科研工作者的努力解決問題。在教學過程中，由這些科研前沿問題引出章節學習，有助于激發學生的探索能力及解決問題的能力，將對其研究生階段的學習和科研起到積極地作用。

3 引入研究前沿的教學效果

經過課堂實踐，研究前沿的引入取得了較好的教學效果。學生主動關注最新研究成果，并且與書本知識相聯系，真正做到了學習自主性；期中考試和期末考試成績不及格率明顯降低；參加創新實驗的同學增多，其科研素養能得到較好的培養；作為一名青年教師，作者不斷關注著研究前沿動向，實現了教學和科研的共同進步和發展。

4 結 語

大學化學是化學、材料及相關專業學生的一門必修課程。將研究前沿及熱點引入教學過程中，與枯燥的書本知識相結合，可以使課堂生動有趣，提升學生的學習積極性，開闊學生的視野，有效提升教學效果。另外，研究前沿的引入能夠督促教師掌握最新研究動向及成果，提升教學水平的同時提升自己的科研能力。