無機化學教學中的創新思維

常新紅

(洛陽師范學院化學化工學院，河南 洛陽 471934)

目前世界正處于“百年未有之大變局”， 中華民族偉大復興之路面臨諸多挑戰。1988年9月，鄧小平同志根據當代科學技術發展的趨勢和現狀，提出了“科學技術是第一生產力”的論斷。黨的十八大以來，習近平總書記多次強調，“中國要強盛、要復興，就一定要大力發展科學技術，努力成為世界主要科學中心和創新高地。”高等教育承擔著為誰培養人,培養什么樣的人的歷史重任。如何在無機化學專業課程中融入思政內容,從而培養高素質創新型人才就成為時代要求。筆者常年擔任高師《無機化學》專任教師，深切感到無機化學課程教學過程中融入創新思維教育對于培養優秀的社會主義創新型人才是大有作為的[1]。

1 思維的收斂性和發散性

分析原子結構一章，發現人類在認識原子結構的歷史過程中，具有收斂性思維的特征[2]。最早的古希臘原子論認為，原子的數目是無窮的，它們之間沒有性質的區別，只有形狀、體積和序列的不同。運動是原子固有的屬性。它們互相結合起來，就產生了各種不同的復合物。原子分離，物體便歸于消滅。當然，這種對原子的認識是原始的和初步的，是人類探索原子結構的初始階段，沒有解釋清楚原子的微觀結構是什么狀態，但是認為物質是由原子組成的。19世紀初提出了道爾頓理論，認為原子是組成化學元素的、非常微小的、不可再分割的物質微粒。在化學反應中原子保持其本來的性質。道爾頓理論非常粗糙，但是也有其合理的地方，圓滿地解釋了當時已知的化學反應的定量關系，和古希臘的原子論相比，有了很大的進步。但是限于當時的實驗條件，又存在很多問題，例如從“思維經濟原則”出發，錯誤的給出許多元素原子量。也沒有涉及到原子的微觀結構究竟是什么樣子的。20世紀初，盧瑟福提出原子的核式結構學說：在原子的中心有一個很小的核 ，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著原子核旋轉。該理論合理的地方是提出原子由原子核和核外電子組成, 按照這個學說，可很好地解釋α粒子的散射實驗結果，α粒子散射實驗的數據還可以估計原子核的大小。盧瑟福原子模型也存在致命弱點，即正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，即無法解釋原子系統的穩定性。1913年，年輕的丹麥物理學家玻爾在總結當時在總結當時最新的物理學發現：普朗克黑體輻射和量子概念、 愛因斯坦光子論和盧瑟福原子帶核模型的基礎上建立了氫原子核外電子運動模型,解釋了氫原子光譜，后人稱為玻爾理論。玻爾理論合理的內容是：核外電子處于定態時有確定的能量；原子光譜源自核外電子的能量變化。這一真理為后來的量子力學所繼承。玻爾理論的基本科學思想方法是，承認原子體系能夠穩定而長期存在的客觀事實，大膽地假定光譜的來源是核外電子的能量變化，用類比的科學方法，形成核外電子的行星模型，提出量子化條件和躍遷規則等革命性的概念。然而新量子力學證明了電子在核外的所謂“行星軌道”是根本不存在的。用玻爾的方法計算比氫原子稍復雜的氦原子的光譜便有非常大的誤差。最終提出量子力學了理論來解釋原子結構。按照量子力學理論，核外電子運動沒有固定的軌道，在任何區域都可能出現，只不過在有些區域出現的概率大，在有些區域出現的概率小，例如波爾理論中氫原子的波爾半徑就是基態氫原子中電子出現概率最大的區域。通過分析前面幾種理論的合理的地方和不足的地方，結合量子力學，綜合起來提出了最新的原子結構模型，即用概率理論來解釋核外電子的運動規律。并用薛定諤方程來描述核外運動狀態[3]。當然，對于大學一年級同學來說，沒有必要掌握復雜的數學推導過程，只要掌握四個量子數，就能描述核外電子的運動狀態。這種通過人類認識原子結構歷史性，以及逐漸完備過程的分析，提出量子力學的原子結構理論，既能夠理解原子結構認識的歷史，也能使同學們明白及早把握最新的科學成就對科學發展的重要意義。當然也說明任何新理論都不是憑空產生的，需要站在前人的肩膀上，并要用實驗作為基礎。分析原子的認知過程，始終沿著同一個目標，即物質是由原子組成的，那么原子的結構是什么樣子的？經過兩千多年的不懈努力，人們終于弄清楚了原子的組成情況。可見，在科學的發展過程中，思維的收斂性起到了巨大的促進作用。

弄清楚原子的組成以后，人類通過獲得的相關知識，揭示了很多現象，即思維的發散性。例如，解釋了氫原子的線狀光譜產生的原因，是由于電子吸收能量后發生了軌道躍遷，然后再回到低能級狀態時釋放出光子，產生了線狀光譜。氫原子核外只有一個電子，電子只受到原子核的吸引，波函數可以精確求解。而對于多電子原子，電子除受核的吸引作用外，還受到其它電子的排斥作用，又因為電子運動符合海森堡不確定性原理，所以用量子力學處理時，需要采用近似方法進行處理。根據元素的原子序數從小到大的順序排列起來，其性質表現出明顯的周期性。至今仍然是指導化學家研究各種物質的重要工具。通過元素的核外電子的排布規律，將元素分成不同的族、周期和區等，并研究元素及其化合物的物理性質和化學性質的變化規律[4]。從中可以發現，思維的收斂與發散是對立統一的，具有互補性，對于科學技術的發展具有重要的推動作用。

2 思維的邏輯性與非邏輯性

思維的邏輯性與非邏輯性的辯證統一對于科學研究和技術發明也非常重要。創造性思維過程的邏輯性，指創造過程中包括演繹、歸納、類比推理等邏輯性思維過程和方法的運用，在創造過程中離不開這些邏輯思維的運用。例如，波爾理論的第一個理論要點，即行星模型，就是將氫原子核外電子的運動類比為太陽系中的行星繞太陽運行，通過這種方法，普通人也會很容易理解原子核外電子的運動狀態。為了更容易理解核外電子運動的概率分布，將其類比為一個成績優秀的射箭選手射箭，雖然不知道他射出的每一支箭會射中靶子的什么地方，但是，當他射了100支箭以后，分析一下結果，必定會發現射中10環的箭應該比較多，即射中靶心的概率比較大。對電子來說，在核外任何地方都可能出現，只不過在有些地方出現的概率大，在有些地方出現的概率小。這里同樣運用類比的方法，使我們更容易理解電子的運動規律[5]。

最佳說明推理：分子結構一章主要學習現代價鍵理論和分子結構理論，其中價層電子對互斥理論和雜化軌道理論是價鍵理論的內容。 現代價鍵理論有三個理論要點：一、形成共價鍵的電子反向自旋、配對成鍵；二、共價鍵具有飽和性，即一個原子有幾個單電子，就最多可形成幾個共價鍵；三、共價鍵具有方向性。對于碳原子來說，原子核外有兩個2p電子是單電子，按照價鍵理論，最多可以形成兩個共價鍵，但是CH4分子中，碳和氫之間形成了4個單鍵，且能量相等，為四面體構型。為了說明這一現象，1931年，Pauling在價鍵理論的基礎上，提出了原子軌道雜化理論。該理論認為，碳原子在形成甲烷分子過程中，1個2s軌道和3個2p軌道發生了雜化，雜化后四個軌道的能級相等，每個軌道中有一個單電子，這樣就可以解釋為什么CH4分子能形成四個C-H共價鍵，并且鍵長和鍵能都相等。這就是溯因推理，同樣也是最佳說明推理。

另外，價鍵理論也不能說明O2分子具有順磁性的現象。按照價鍵理論，每個O原子包含兩個單電子，O2分子中兩個氧原子之間形成氧氧雙鍵，分子中沒有單電子，所以O2分子應該具有抗磁性，但實驗表明，O2分子實際上具有順磁性。這就需要溯因推理，探索其中原因。于是，科學家提出了分子軌道理論，按照價鍵理論，成鍵電子只局限在成鍵兩原子間運動。并沒有以整個分子來考慮，因而是不夠完善的。分子軌道理論就是從分子整體出發，把分子看成是一個多核的統一體。分子中的電子就是在多核體系內運動，即每個電子都屬于整個分子或者說圍繞著整個分子運動，多原子分子也是如此。因此成鍵電子是非定域的。同樣，分子中各電子也處于不同的空間運動狀態。根據分子軌道理論，O2分子中存在兩個三電子的 Π鍵，即分子中有單電子，所以O2分子表現出順磁性。這里也可以看作溯因推理。

創造性過程中，非邏輯思維的作用是不容忽視的。例如，盧瑟福原子模型的建立，就是把原子特征與行星繞太陽運行的結構進行聯想而創造的新的科學模型，經過實驗驗證具有很高的相似性。晶體結構一章，為了理解晶體的結構，將組成晶體中的原子、分子或者離子都看作一個小圓點，這也是一種聯想，通過聯想，就很容易理解晶體的各向異性的性質。

3 結 語

無機化學作為高等師范院校化學類專業第一門專業課，對于學生的各方面能力發展起著至關重要的作用。其中，創新能力是大學生需要培養的能力之一，對于化學專業學生的全面發展起著基礎性的作用。無機化學的教學過程中，注意學習總結其中的創新思維思想，可以使師生在教學過程中站的更高，看的更遠，可以為培養創新型人才貢獻做出貢獻。