壓縮學時背景下無機化學教學改革

劉海燕，代小平，張瑛，宋衛余，張楠

1中國石油大學(北京)化學工程與環境學院，北京 102249

2中國石油大學(北京)新能源與材料學院，北京 102249

3中國石油大學(北京)理學院，北京 102249

無機化學是化學、化工類專業本科生必修的四大專業基礎課之一[1]。目前，中國石油大學(北京)為化工與制藥類專業本科生設置的無機化學教學與分析化學一起，課程名稱為“無機化學與分析化學”，為純理論課教學，總學分4.5學分，總學時72學時，其中，無機化學60學時，分析化學12學時。隨著我國高等教育改革的深入進行，要求加強學生實踐能力的培養。為此，本校擬在教學目標不降低的前提下將無機化學與分析化學由72學時壓縮至64學時，且更加強調學生知識面的拓寬和實踐能力的培養。因此，無機化學的教學學時由60學時壓縮至52學時，為此無機化學的教學內容和教學方法均需要做出相應的調整。

此外，隨著我國新一輪中學化學教育的改革與推進，許多傳統的“無機化學”內容，包括Hess定律、熱化學方程式、標準平衡常數、弱電解質的解離平衡、化學反應速率等化學基礎理論以及核外電子能級、多電子原子的核外電子排布甚至元素周期律、價層電子對互斥理論、雜化軌道理論等結構化學的部分內容均出現在中學化學的選修課本中[2,3]。這一方面造成了由于我國地域遼闊，各地高中所選修的化學內容不盡相同而帶來的大一本科生化學基礎參差不齊、甚至相差較大的問題；另一方面，學生雖然在中學學習過某些無機化學的相關概念或理論，但受到中學化學的教學特點以及中學生認知水平的限制，使得學生在學習相關概念和理論的時候，只知其然，不知其所以然，所學到的知識呈“碎片化”，學生不能從廣度和深度上系統把握無機化學的整體脈絡[4.5]。因此，調整無機化學教學內容、改革教學方法，幫助學生把握無機化學知識整體脈絡，是在壓縮學時背景下，提高無機化學教學水平的要求。

綜上所述，本文的目的是在學時壓縮的背景下，考慮中學化學課程改革情況，適應高等教育對學生實際應用能力培養的要求，適當調整、拓寬和深化無機化學教學內容，改革教學方法，使學生掌握更深、更廣的無機化學知識，建立無機化學整體架構；并基于成果導向教育(Outcome Based Education, OBE)理念，開拓學生視野，培養學生的實踐能力，幫助學生建立“知識-能力”一體化的學習理念。

1 無機化學教學內容的調整、拓寬和深化

無機化學教學內容的調整原則是刪除或弱化無機化學中與中學化學重復內容的教學，深化、拓寬無機化學基本概念、基礎理論教學并梳理它們之間的內在聯系，建立無機化學知識脈絡和整體框架。為此，打破傳統的四大平衡體系，將整個無機化學知識以化學平衡概念為核心劃分為五個模塊(如圖1所示)，并針對不同的模塊，適度刪減、弱化、拓寬或深化部分教學內容。五個模塊分別為化學基礎理論模塊，包括化學熱力學和化學動力學基礎；溶液中的離子平衡模塊，包括酸堿平衡、沉淀溶解平衡和配位平衡；氧化還原反應與電化學平衡模塊；物質結構模塊以及元素化學模塊。

圖1 無機化學5個模塊及其關系圖

“化學基礎理論”模塊：在充分了解高中化學所教授知識的基礎上，刪除熱化學方程式部分，增加相應公式的推導，使學生牢固建立起“化學平衡”這一核心概念；將化學熱力學和化學動力學基本概念、基礎理論的教學由高中階段的對基本概念、基礎理論的簡單記憶和理解轉變為綜合應用其基本原理分析和解決實際問題的能力培養上來。本模塊由原來的19學時壓縮至16學時。

以Hess定律的應用為例。Hess定律對于計算化學反應的熱效應具有重要的意義。對于任一化學反應，其發生的條件不同，熱效應也不相同。在熱力學上分別用摩爾反應焓變和摩爾反應熱力學能變來表示反應在等壓和等容條件下的熱效應。在大部分無機化學教材中，都給出了化學反應的等壓反應熱和等容反應熱之間的關系式(如式(1))。但該式的推導過程及其適用條件未給出，造成學生對公式的應用存在疑惑。因此，增加等壓反應熱和等容反應熱之間關系的推導，可使學生深入理解Hess定律在研究不同條件(等壓或等容)下化學反應熱效應時的具體應用。

具體推導過程如下[6]：

考慮任一等溫條件下的化學反應，建立如圖2所示的反應網絡。

圖2 等溫條件下的化學反應

(i) 該反應由反應物(T,p1,V1) (始態)經過一步等溫等壓反應到生成物(T,p1,V2) (終態)，如圖2反應路徑A，此時該反應的反應熱即為等壓反應熱 ΔrHm；

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(ii) 該反應也可以由反應物(T,p1,V1)先經過一步等溫等容反應a到生成物(T,p2,V1) (中間態)，再經過一步等溫過程b到生成物(T,p1,V2)，如圖2反應路徑B。根據Hess定律，此反應路徑下反應的等壓反應熱為

(iv) 反應路徑B中的步驟b為一等溫物理變化過程。分兩種情況討論：① 對于理想氣體，由于一定量理想氣體的焓只是溫度的函數，由此得出ΔHb= 0；② 而對于非氣體，由于物理變化的焓變遠遠小于化學反應的焓變，故此時可以認為ΔHb≈0。

綜上所述，即可以得到化學反應等壓反應熱和等容反應熱之間有如式(1)所示的關系。

“溶液中的離子平衡”模塊：拓寬酸堿理論的教學，弱化一元弱酸/弱堿的解離平衡的相關計算，重點講授二元弱酸、鹽的水解以及緩沖溶液及其pH的計算和應用；弱化溶解度和溶度積的換算，強化利用溶度積規則討論沉淀的次序以及沉淀的轉化等；強化配位平衡的計算；除此之外，擴大學生的知識面，加強與實際科研和工業生產之間的聯系。本模塊由原來的12學時壓縮至10學時。

對于學生知識面的拓寬，如酸堿理論的教學除了使學生深刻理解在中學和大學階段涉及到的Arrhenius電離理論、Br?nsted-Lowry酸堿質子理論以及Lewis酸堿電子理論外，適當地通過文獻查閱、開展大學生科技創新訓練項目等手段，使學生自主學習和了解Ingold-Robinson親電-親核試劑理論、Lux-Flood氧離子理論、LUMO-HOMO軌道理論、軟硬酸堿理論等其他酸堿理論，以拓寬學生視野；并通過分析實際工業過程，如流化催化裂化、烷基化中所用的固體酸Y、ZSM-5分子篩等以及液體酸如硫酸、離子液體等的酸性質，理解各類酸堿理論在實際工業催化過程中的應用。

“氧化還原反應與電化學”模塊：針對學生對此模塊的內容相對生疏的事實，加強電化學基本概念和基礎理論，如電極、電極的分類、電動勢、電極電勢等的教學，以Nernst方程為核心，加強電極電勢影響因素的教學及其相關計算，并將電化學理論與化學電池、化學防腐等過程聯系起來；使學生深刻理解元素電勢圖的意義，為后續學習元素及其化合物的氧化還原性打下基礎。此模塊是無機化學基礎理論部分計算最多、計算綜合性最強且最難理解的一部分，因此，為了加強電化學相關計算的教學，在本模塊特別設置了1學時的習題課，使本模塊學時由原來的9學時增加至10學時。

“結構化學”模塊：針對目前有約40%–50%的學生未在高中選學結構化學這一事實，加強基本概念和基礎理論的教學，幫助學生建立起基本的結構化學知識體系，并結合后續元素部分的教學，將元素部分涉及到的某些物質，如B2H6、O3、H2O2、SO2等的結構教學提前到本模塊中，以提高學生應用原子結構、分子結構、晶體結構以及配合物結構等相關理論理解物質的結構及其結構與性質之間的關系。本模塊由原來的10學時增加至12學時。

“元素化學”模塊：刪除中學化學學過的s區元素包括第IA和IIA元素以及p區元素中的鹵素和惰性氣體的教學，強化第IIIA–VIA族以及d區及ds區元素的教學。指導學生從原子的核外電子排布、分子軌道理論以及元素電勢圖出發，來認識元素的共性和特性，如元素的缺電子性、氧化還原性、某些物質的氨合性以及d(ds)區元素的共性，等等。此模塊以學生課下自主學習為主、課堂講授為輔，且將部分元素單質及其化合物的結構調整到結構模塊進行教學。因此，本模塊課堂學時大幅縮減，由原來的10學時壓縮至4學時。

2 無機化學教學方法的改革

2.1 “模塊化”教學

如前所述，根據無機化學教學內容，將無機化學劃分為5個模塊，并以化學平衡為核心建立5個模塊之間的關系網絡，如圖1所示，進行“模塊化”教學。

“化學基礎理論”模塊的教學目的是使學生掌握化學熱力學和化學動力學基本概念和基礎理論，牢固建立起“化學平衡”的概念，為應用化學平衡及標準平衡常數解決實際問題，如溶液中的離子平衡以及電化學平衡的問題打下堅實基礎。其次，引導學生運用化學熱力學和化學動力學知識綜合分析實際生產過程，如合成氨、硫酸生產、苯乙烯制備等，理解其工藝條件選擇的熱力學和動力學依據，培養學生解決實際問題的能力。

“溶液中的離子平衡”模塊的教學目的是提高學生利用化學平衡及標準平衡常數的基本理論解決水溶液中易溶弱電解質、難溶強電解質以及配合物的生成和解離等單相或多相離子平衡問題的能力。

“氧化還原反應與電化學”模塊繼續以化學平衡概念為核心，分析和解決發生在原電池中化學反應平衡的問題。本模塊是無機化學教學的難點和重點所在，必須以溶液中的離子平衡為基礎，如在討論電極電勢的影響因素時涉及到弱電解質的解離、沉淀的生成或配合物的生成或解離等問題。此外，本模塊教學也是后續元素部分教學的基礎，如對元素電勢圖的認識和應用為理解元素及其化合物的氧化還原性提供了思路。

“物質結構”模塊相對獨立。由于近年來中學化學改革的進行，約有40%–50%的學生未在中學階段選修此部分內容，所以本模塊仍然以基礎知識和基本理論的教學為主。在原子核式結構的基礎上，將原子結構的認識進一步深化到Bohr的原子結構理論以及基于薛定諤方程的原子核外電子運動狀態的描述上，使學生理解原子軌道和量子數等基本概念，掌握原子的核外電子排布以及元素周期律，為后續理解元素的特性，如缺電子性、配位性能等打下良好的基礎。在分子結構、晶體結構和配合物結構部分，以化學鍵及其相關理論，如雜化軌道理論為重點，討論分子的構型、晶體的結構以及配合物的構型及穩定性等。由于本模塊與元素化學具有較緊密的聯系，因此，在教學中將元素部分的相關內容進行了適當的前移。如在講解雜化軌道理論時，將B2H6、AlCl3、H2O2、O3、SO2、NO3-等物質的結構提前到本部分教學中。

“元素化學”模塊的教學目的是在學生掌握原子核外電子排布的基礎上，認識元素及其化合物性質的周期性變化規律，并結合分子結構、配合物結構以及元素電勢圖的應用，在第三和第四模塊的基礎上，重點把握元素周期表中重要元素及其化合物的共性和特性問題，理解“結構-性質”變化規律。

對于前4個模塊的教學主要采取“課上教學”為主、“課下自學”為輔的教學方式，而對于第5模塊，針對元素化學內容繁多、知識零散、化學理論和化學計算較少，但需要大量記憶和理解的特點，采用學生“課下自學”為主、“課上輔導”為輔的教學模式，在有限的課堂學時(如4學時)內，針對元素的共性，如元素的兩性、氨合性、與S2-離子的反應性能；或特性問題如第IIIA族元素的缺電子性、d區元素的共性、元素及其化合物的氧化還原性等展開討論，引導學生以原子結構、分子結構理論以及元素電勢圖為基礎，配合相應的習題，采用“對比”“歸納”的方法將零散的元素化學知識歸納總結到一起，強化記憶和理解，提高利用元素化學知識分析和解決實際問題的能力[5]。

2.2 “分層化”教學

綜合考慮學生化學基礎參差不齊、甚至相差較大的問題，采用“分層化”教學。對于化學基礎較薄弱的學生，注重基本概念、基礎理論的教學，充分利用網絡資源，督促學生進行課外自主學習，鞏固課堂所學基礎知識；而針對化學基礎較好、學有余力的學生，則提出更高要求，進一步寬化或深化教學內容，或者結合學科發展前沿以及實際生產中的問題以及筆者的科研方向，為其設置“專題研討”或“大學生科技創新訓練項目”，組織學生開展課下研討或第二課堂，以擴大學生視野，提高學生利用無機化學知識解決實際科研工作及工業生產問題的能力。

以物質結構模塊中原子結構的教學為例，介紹“分層化”教學模式。對于中學未選修結構化學的學生，主要教學目標是使學生建立起基本的原子結構知識架構，要求其在掌握原子核式結構的基礎上，重點掌握Bohr的原子結構理論、原子軌道、波函數、電子云、四個量子數等基本概念；能夠依據原子核外電子排布規則進行多電子原子的核外電子排布；認識原子軌道角度分布圖、波函數的徑向分布圖以及電子云圖；掌握原子半徑、電離能、電子親和能、電負性等基本概念以及元素周期律，并能夠根據元素的核外電子排布判斷其在元素周表中的位置。而對于有一定結構化學基礎的學生，除了要求其掌握上述基本概念、基礎理論，達到基本能力要求外，進一步要求其理解薛定諤方程，掌握基態氫原子薛定諤方程的求解，能夠繪制p軌道的角度分布圖，并能夠應用波函數的徑向分布圖理解屏蔽效應和鉆穿效應以及能級交錯等概念。

2.3 “專題研討式”教學

“專題研討式”教學的目的是針對無機化學中某些特定的知識點，結合當前科學發展的前沿以及工業生產實際，開展小組研討或科技創新訓練，以深化學生對相關無機化學知識點以及相關知識點之間關系的理解，拓寬學生視野，把握無機化學脈絡，建立“整體化”概念；并培養學生綜合應用無機化學知識解決實際問題的能力。小組研討可以在課上或者在課下進行，對于少數化學基礎較強的學生，結合大學生科技創新以科技創新訓練項目的形式來完成，以下分別列舉了近兩年的“專題研討式”教學所采用的小組研討題目示例(如①和②)以及大學生科技創新訓練項目題目示例(如③–⑤)。通過“專題研討”或“科技創新訓練”，不僅使學生對于相關的無機化學知識有了更加深入全面的理解和認識，培養了學生多角度思考問題、利用所學知識解決實際問題的能力，同時使學生的創新意識和創新能力也得到了進一步加強和提高。

① 溫度對于化學反應來說是非常重要的影響因素，分別從化學熱力學和化學動力學角度討論溫度是如何影響化學反應的？它對化學反應的影響與什么有關？哪些因素決定著其對化學反應的影響程度？

② Al是第IIIA族元素，氣相中氯化鋁的結構是怎樣的？為什么工業上用AlCl3作為固體酸催化劑？其酸性特征與常用的硫酸、硝酸相同嗎？

③ 酸堿理論的發展歷程及ZSM-5分子篩的合成及酸性表征。

④ 根據乙硼烷結構的確定，了解現代表征手段對科研的作用。合成SSZ-13分子篩并對其進行結構和酸性表征。

⑤ 我國天然硅酸鹽礦物資源狀況調研及其組成、結構及活化性能研究。

3 應用效果

本文所述教學改革已應用于化工與制藥類本科生無機化學的教學中，取得較好的效果，主要體現在：第一，精簡了教學內容，將“課上教學”與“課下自主學習”有機結合起來，提高了學生的學習興趣，培養了學生自主學習的能力。近兩年，絕大多數學生都能夠積極主動地通過超星平臺下載課件及課外學習資料，且主動完成超星平臺上提供的課外練習的比例也提高至90%以上；第二，采用“模塊化”教學，幫助學生建立起以化學平衡為核心的無機化學基礎理論架構；并將結構化學與元素化學緊密結合起來，使學生深刻理解“結構-性質”之間的關系，做到“既見樹木，也見森林”；第三，采用“分層化”和“專題研討式”教學，一是減輕了基礎相對較弱學生的學習壓力和心理負擔，使學生具有一定的獲得感；二是開闊了基礎相對較好學生的視野，提高了學習積極性，培養了學生利用無機化學知識分析和解決實際問題的能力及創新意識，形成“知識-能力”一體化的學習理念。通過“分層化”教學的實施，基礎相對較弱的學生降低了對自己的預期，對無機化學的學習態度由一開始的厭煩、不適應甚至恐懼的心態慢慢轉變為可以接受甚至喜歡的心態上來；而化學基礎較強的學生對“專題研討”表現積極，并對所設置的大學生科技創新訓練項目尤其感興趣，近兩年積極要求參與無機化學科創訓練的學生人數也大幅增加。2018級有20名學生進入由筆者設置的科創小組進行科創訓練，2019級又有12名學生進入無機化學科創小組。通過專題研討和科創訓練，深化和寬化了學生對無機化學知識的理解，培養了創新意識。

4 結語

在壓縮學時的背景下適度調整、拓寬并深化無機化學教學內容，探索“模塊化”“分層化”及“專題研討式”教學模式；幫助學生建立以“化學平衡”概念為主線的無機化學理論體系，將結構化學與元素化學緊密結合起來，使學生從結構出發，認識元素及化合物的共性和特性。拓寬學生的知識面，在加強無機化學知識教學的基礎上，注重培養學生解決實際問題的能力。

通過近幾年教學改革的開展與實施，一方面轉變了學生的學習理念，使學生由被動轉為主動，由知識學習轉變為知識學習與能力培養并重的模式，取得了良好的效果。目前本校化工與制藥類無機化學課程實際上是面向化學工程與工藝以及能源化學工程兩個本科專業而開設的。隨著我國工程專業認證工作的不斷推進，對不同專業提出了不同的培養要求。鑒于此，無機化學教學改革更加需要進一步推進，在充分考慮本文所述的學生基礎相差較大、學時面臨壓縮的基礎上，無機化學教學既要同時滿足兩個專業本科生培養目標的要求，也要針對不同的專業特色，有所側重地對學生進行差別化培養，并在此過程中針對不同專業所涉及的不同的實際工業過程開展“專題研討”或科研創新訓練活動，以提高學生將無機化學知識應用于分析和解決實際問題的能力。