知識傳授·問題探索·創(chuàng)新培養(yǎng)
——漫談無機化學(xué)教學(xué)改革

張一兵

(上饒師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江西 上饒 334001)

對于高等師范院校而言，無機化學(xué)是化學(xué)專業(yè)學(xué)生面臨的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課。如何保證學(xué)生完成從中學(xué)到大學(xué)的順利過渡和知識上的有機銜接，無機化學(xué)這門課就起著十分重要的作用，它既承上啟下，又是大學(xué)生專業(yè)的啟蒙與開端。那么，如何教好這門課呢?筆者認為，在完成本課程的教學(xué)任務(wù)的前提下，主動適應(yīng)社會發(fā)展需要，改革傳統(tǒng)的灌輸知識的教學(xué)模式，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的求知欲望和探索意識，增強學(xué)生的創(chuàng)新精神，使其畢業(yè)后成為高素質(zhì)人才。在此，筆者談?wù)勛约簾o機化學(xué)教學(xué)改革的點滴體會，旨在拋磚引玉。

1 知識傳授是基本

1.1 基礎(chǔ)知識是平臺

無機化學(xué)作為一門化學(xué)專業(yè)學(xué)生的首門主要理論基礎(chǔ)課，必須傳授學(xué)生必要的基礎(chǔ)知識。它包括兩大部分:基本化學(xué)理論和元素及其化合物基礎(chǔ)知識。前者要保證學(xué)生初步掌握元素周期律理論、化學(xué)熱力學(xué)理論、近代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論、化學(xué)平衡理論以及基礎(chǔ)電化學(xué)等基礎(chǔ)理論知識，后者注重培養(yǎng)學(xué)生運用基本理論去掌握有關(guān)化學(xué)元素及其化合物的基本知識，具備對一般化學(xué)問題進行理論分析和計算等運用能力。基礎(chǔ)的化學(xué)知識是學(xué)生必須掌握的，它是學(xué)生解決實際問題和創(chuàng)新發(fā)展的平臺。

1.2 現(xiàn)代知識不可少

目前大部分無機化學(xué)教材內(nèi)容知識比較經(jīng)典，現(xiàn)代知識的介紹比重很小。學(xué)生普遍對知識學(xué)習(xí)存在一種遙遠、與現(xiàn)實生活脫節(jié)的無用感覺，造成學(xué)習(xí)興趣不濃。因此，在教學(xué)中就結(jié)合實際適當介紹一些現(xiàn)代知識，以開闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而使其更加認識到無機化學(xué)的重要性和實用性。如在講述元素部分的“氮族元素”中的氮的氧化物時，除講述NO的一些基本知識外，向?qū)W生介紹當前的社會熱門話題:偉哥(Viagra)——一種風(fēng)靡世界的抗陽痿藥。作為有效緩解心絞痛的急救藥硝酸甘油，其作用機理百年來一直沒有弄清楚。直到1977年為美國科學(xué)家穆拉德發(fā)現(xiàn)，硝酸甘油進入人體內(nèi)可釋放出NO氣體(俗稱“笑氣”)，這種無色無味的氣體能放松人的血管平滑肌細胞，從而擴張血管，起到控制血壓治療心臟病的作用。為此穆拉德獲得1998年諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎，同年基于該發(fā)現(xiàn)成功研制的“偉哥”獲得專利權(quán)。

通過從硝化甘油—→NO—→偉哥—→諾貝爾獎的講解，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得良好的教學(xué)效果。當然，聯(lián)系現(xiàn)代知識的講解對老師的要求就更高了。

1.3 交叉學(xué)科知識很重要

學(xué)生除了掌握必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識和了解相應(yīng)的現(xiàn)代知識外，老師應(yīng)注重適時地向?qū)W生介紹一些跨學(xué)科知識，避免學(xué)生知識單一，缺乏綜合解決問題的能力，阻礙創(chuàng)新意識的形成。

例1:在講述“碳硼硅”一節(jié)中“硅”部分時，可補充介紹如下有關(guān)IT方面的交叉學(xué)科知識:計算機“腦”部件材料電子級(99.9999999%)硅片的制備:

①粗硅(96%—99%)的制備:砂子與焦炭在電爐中反應(yīng)制硅此步所制得的硅為多晶硅，不能作為電“腦”硅片使用，必須將多晶硅轉(zhuǎn)化為單晶硅。

第三步:利用Czochralski方法［1］，先將多晶硅熔化(約1420℃左右)后，加入單晶硅晶種浸入熔融物中，再將模塊緩慢地抽成單晶硅球。

上述知識既涉及有關(guān)化學(xué)知識，又涉及電子、物理和機械加工等知識，使學(xué)生懂得，單一狹窄的知識用途有限，只有將各方面知識融會貫通，才能用途無限，生機無限。

②高純單晶硅(99.9999996%)的制備:

第一步:高溫下粗硅與氯化氫反應(yīng)制HSiCl3氣體，蒸餾后得純HSiCl3液體。

第二步:高溫下純HSiCl3被氫氣還原成高純度(電子級)多晶硅，副產(chǎn)品HCl可循環(huán)使用。

2 問題探索是根本

學(xué)生在擁有一定的化學(xué)專業(yè)知識后，教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生探索問題和解決問題的能力，即所謂的學(xué)以致用，避免變成紙上談兵的無用之才。在講述完元素及其化合物部分的內(nèi)容后，可出如下綜合題來訓(xùn)練學(xué)生的探索問題的能力。

例2，有以下九瓶未貼標簽的溶液:

除了請學(xué)生在不用其它試劑的條件下，將其一一區(qū)分開來，并要求其寫出有關(guān)反應(yīng)原理［2－4］。

要解決上述問題，要求學(xué)生除具備良好的過渡金屬性質(zhì)知識和氧化還原反應(yīng)知識外，關(guān)鍵是要掌握一些過渡金屬離子的顏色。學(xué)生可以通過一些離子的特殊顏色入手，如CrCl3呈灰綠色，F(xiàn)eCl3呈黃色，CoCl2為粉紅色，NiCl2為綠色，CuCl2呈藍色，將它們兩兩混和加以鑒別，具體操作如附表［2－4］

附表 九瓶未貼標簽的溶液鑒別操作表

再如，提出以下問題讓學(xué)生查找資料解決:①為什么會出現(xiàn)臭氧空洞?②如何得到安全飲用水?③如何控制燃燒排出物?④如何運用化學(xué)知識宣傳環(huán)保?⑤酸雨是怎樣形成的，如何控制?等等。

3 創(chuàng)新培養(yǎng)是目標

3.1 利用現(xiàn)代知識培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

現(xiàn)代知識是在基本知識的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。如在講授第Ⅷ族元素鐵鈷鎳的性質(zhì)時，注意告知學(xué)生這族元素的最大性質(zhì)特點之一就是它們是鐵磁場性物質(zhì)，即它們具有鐵磁性。鐵鈷鎳在以計算機為象征的現(xiàn)代信息社會發(fā)揮著巨大作用。為此可向?qū)W生介紹有關(guān)這方面的現(xiàn)代知識:

例3:據(jù)文獻［5］報道，巨磁電阻效應(yīng)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，研究表明巨磁電阻效應(yīng)(GMR:giant magnetoresistance)與金屬多層結(jié)構(gòu)中是否有磁場相關(guān)。巨磁電阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有無外磁場作用時存在顯著變化的現(xiàn)象。通常定義MR=［R(H)－R(0)］/R(0)，式中R(H)和R(0)分指有外加磁場和零磁場條件下的電阻。巨磁電阻是指在特定磁場下電阻大幅減小，且減小的幅度比通常磁性金屬或合金材料的磁電阻數(shù)值高出約10多倍［6］。巨磁電阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)自具有層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。如圖1所示，許多GMR物質(zhì)含有一個磁性的、非磁性的、磁性的三明治結(jié)構(gòu)(分別為Co、Cu、NiFe層)，每層厚度為納米級。Cu層厚少于15個原子。多層結(jié)構(gòu)的運行類似于一種“自旋閥”(見圖1)。

當沒有外部磁場作用時(圖1A)，磁性層的電子自旋相反，因而產(chǎn)生高磁阻(圖1A的右邊不畫箭頭↑。箭頭↑、↓分別表示電子的自旋方向)，這就象用交叉光學(xué)偏振鏡阻止光傳播一樣;在外加磁場作用下(圖1B)，兩磁層的電子自旋方向相同，因而磁阻較小(圖1B右邊以↑表示)，類似于用平行偏振鏡透射光一樣。在電腦的硬盤中，就是需在外加磁場作用下，在磁性自旋區(qū)產(chǎn)生圖1B的效應(yīng)。美國的IBM公司宣稱其硬盤讀出磁頭就是根據(jù)GMR效應(yīng)制造出來的產(chǎn)品。新式磁頭更靈敏，更能清晰讀出較弱磁信號且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化，從而引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今手提式電腦、MP4等各類數(shù)碼電器中裝配的硬盤，幾乎都運用了GMR效應(yīng)技術(shù)成為新的標準。GMR效應(yīng)發(fā)現(xiàn)不僅帶來了硬盤生產(chǎn)的革命，而且對效應(yīng)的后續(xù)深入研究導(dǎo)致開創(chuàng)了一個新領(lǐng)域:自旋電子學(xué)。自旋電子學(xué)使得原先分開的電子學(xué)和磁學(xué)復(fù)合回來，并在納米尺寸的微電子領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。類似于上述極大影響現(xiàn)代生活的現(xiàn)代科技知識的介紹，能極大地激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對其創(chuàng)新意識的培養(yǎng)將產(chǎn)生非同尋常的促進作用。

圖1 GMR物質(zhì)中含有的三明治結(jié)構(gòu)

3.2 運用基礎(chǔ)知識培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

培養(yǎng)學(xué)生對知識的靈活綜合應(yīng)用能力以及理論與實踐(包括實驗操作)相給合的能力，能提高學(xué)生的綜合素質(zhì)創(chuàng)新能力。如，對學(xué)生已有的單一知識和技能，有意識地培養(yǎng)其進行并聯(lián)形成知識網(wǎng)絡(luò)，無疑將激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，產(chǎn)生創(chuàng)新發(fā)展的動力。

例4，圖2是某一酸堿化學(xué)反應(yīng)的“多米諾”實驗［7］，老師可先講解的裝置設(shè)計原理有化學(xué)反應(yīng)方程式。該“多米諾”實驗所涉及到的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

圖2 酸堿化學(xué)應(yīng)的“多米諾”示意圖

再布置作業(yè)讓學(xué)生按圖3動手組裝實驗裝置依照氧化還原多米諾實驗［8］，要求說明實驗原理及反應(yīng)現(xiàn)象，并寫出相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式。

圖3 氧化還原反應(yīng)的“多米諾”演示

4 結(jié)語

總之，通過對無機化學(xué)教學(xué)的點滴改革嘗試，取得了一定的效果。這也充分說明當前的大學(xué)教學(xué)改革勢在必行。學(xué)生再也不能只是成為知識的接受桶，老師也不應(yīng)該只僅僅充當知識的傳授勺，把知識舀給學(xué)生就完事。老師必須培養(yǎng)學(xué)生在其掌握必要知識的基礎(chǔ)上，具備探索問題與解決問題的能力，并最終達到能創(chuàng)新發(fā)展的水平。

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