側(cè)重地質(zhì)類專業(yè)應(yīng)用的大學(xué)化學(xué)教學(xué)改革

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(中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 地球科學(xué)與資源學(xué)院，河北 保定 071000)

大學(xué)化學(xué)是高校里開設(shè)面比較廣的一門課程，經(jīng)常被認(rèn)定為公共課，教材編寫也往往偏重普適性。但是，對(duì)很多專業(yè)來說，化學(xué)是一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，很多化學(xué)知識(shí)都可以應(yīng)用到專業(yè)課程知識(shí)上。因此，在教材編寫和教學(xué)過程中貫穿專業(yè)需要和專業(yè)實(shí)例就顯得很有必要。一些高校，會(huì)根據(jù)自己學(xué)校的專業(yè)特點(diǎn)來編寫化學(xué)教材和進(jìn)行教學(xué)。尤其是醫(yī)學(xué)類院校，往往針對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用來編寫化學(xué)教材，在教學(xué)中穿插大量的醫(yī)用化學(xué)知識(shí)和醫(yī)用化學(xué)實(shí)例[1-3]。其他如農(nóng)林類、生命科學(xué)類、環(huán)境類院系也往往編寫更適用與本學(xué)科的教材。本文針對(duì)地質(zhì)類專業(yè)以及寶石及材料工藝學(xué)專業(yè)的《普通化學(xué)》教學(xué)，展開一些專業(yè)應(yīng)用實(shí)例的探討。

1 分章節(jié)專業(yè)知識(shí)分析及教學(xué)應(yīng)用

普通化學(xué)各章，形成了化學(xué)的基本理論體系，同時(shí)也是將來專業(yè)應(yīng)用的主要理論基礎(chǔ)。在講解理論基礎(chǔ)的時(shí)候，穿插本專業(yè)的一些應(yīng)用前景和專業(yè)案例，對(duì)于理解化學(xué)知識(shí)和提前了解專業(yè)有重要的作用。下面，簡(jiǎn)述一下各章化學(xué)知識(shí)在地質(zhì)類專業(yè)和寶石級(jí)材料工藝學(xué)(下面簡(jiǎn)稱寶石)專業(yè)的聯(lián)系。

1.1 原子結(jié)構(gòu)與元素周期律

本章是化學(xué)的微觀理論基礎(chǔ)，在量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)上重新討論原子結(jié)構(gòu)和電子排布規(guī)律及其與化學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系。本章理論性較強(qiáng)，具體應(yīng)用案例較少，但是也有較多的學(xué)科背景知識(shí)。

首先，在氫原子光譜理論部分，不僅為量子力學(xué)的導(dǎo)出提供了重要線索，也可以擴(kuò)展光譜理論及其應(yīng)用。例如，光譜分析技術(shù)在地質(zhì)樣品分析和寶石鑒定等領(lǐng)域的應(yīng)用，雖不需要展開論述但也可以調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)一步深入了解的興趣。此外，在講解原子結(jié)構(gòu)的波爾理論時(shí)，可以將電子躍遷與光的聯(lián)系擴(kuò)展到寶石顏色的領(lǐng)域，讓學(xué)生能夠?qū)毷伾臋C(jī)理有一個(gè)基本的認(rèn)知[4]。

其次，在核外電子排布與元素周期律部分，可以結(jié)合地球化學(xué)上元素的地球化學(xué)親和性和元素分類來介紹，為將來深入理解地球化學(xué)親和性奠定基礎(chǔ)。此外，元素周期律，還可以與地質(zhì)學(xué)上常用的類質(zhì)同象理論相結(jié)合來進(jìn)行擴(kuò)展，類質(zhì)同象理論在地質(zhì)學(xué)和寶石學(xué)相關(guān)領(lǐng)域都有重要的地位[5-6]。

1.2 化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)

無論是地質(zhì)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(jià)鍵的結(jié)合，因此在講解化學(xué)鍵的時(shí)候可以列舉一些礦物或者寶石的實(shí)例。在講解晶格能的時(shí)候，可以列舉一些常見的礦物和寶石作為熔沸點(diǎn)和硬度的比較對(duì)象，利用學(xué)到的基本規(guī)律對(duì)這些礦物的熔沸點(diǎn)和硬度進(jìn)行比較[7]。

1.3 氣體和溶液

這一章，為后續(xù)化學(xué)打下化學(xué)基礎(chǔ)。在課時(shí)有限的前提下，不適合做太多的拓展。但一些實(shí)例可以選擇更偏近專業(yè)知識(shí)的實(shí)例。

在氣體定律部分，可以用天然氣開采作為應(yīng)用實(shí)例，對(duì)于學(xué)生理解定律和將來的專業(yè)學(xué)習(xí)都有一定的好處。而在氣體分壓定律部分，則可以聯(lián)系地球大氣氧氣、二氧化碳變化帶來的地球環(huán)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(xiàn)在的很多大型鐵礦。另外，在寶石合成領(lǐng)域有氣相沉積法合成寶石，這個(gè)跟氣體的分壓有很大的關(guān)系。

溶液蒸汽壓下降部分，在很多行業(yè)都有具體的應(yīng)用。地質(zhì)上對(duì)高溫?zé)嵋旱拇嬖?、低溫溶液的存在等的理解都?huì)有幫助。對(duì)于寶石專業(yè)，一些寶石的保養(yǎng)需要恒定的濕度，可以鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)溶液蒸汽壓下降原理設(shè)計(jì)一個(gè)不用電的恒濕的首飾盒。此外，稀溶液定律，在地球化學(xué)上有很具體的應(yīng)用，通過稀溶液定律和化學(xué)平衡，推導(dǎo)出了微量元素的能斯特分配定律，是整個(gè)微量元素地球化學(xué)的理論基礎(chǔ)[6]。

1.4 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)

化學(xué)熱力學(xué)在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，比如地球化學(xué)熱力學(xué)就是地學(xué)領(lǐng)域很重要的分支學(xué)科，也是重要的研究手段。在介紹本章時(shí)，可以給學(xué)生提前透露本章知識(shí)在專業(yè)課程中的重要性。具體實(shí)例也可以用熱力學(xué)基本原理判斷元素的穩(wěn)定存在形式，即礦物組成。通過熱力學(xué)參數(shù)，也可以判斷元素的地球化學(xué)親和性[5]。在講解熵的時(shí)候，可以延伸到地球系統(tǒng)的復(fù)雜性，和礦物成分的多樣性。對(duì)于寶石專業(yè)，也可以用熵來說明寶石的珍貴性。

1.5 化學(xué)動(dòng)力學(xué)

隨著地學(xué)理論研究的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)很多地球化學(xué)過程并不是嚴(yán)格的化學(xué)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(yīng)-輸運(yùn)體系的動(dòng)力學(xué)研究成為熱點(diǎn)領(lǐng)域?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在地學(xué)領(lǐng)域也有很廣泛的應(yīng)用，比如成礦物質(zhì)沉淀和溶解的動(dòng)力學(xué)模型等。作為前景知識(shí)，在介紹本章知識(shí)時(shí)，可以穿插介紹[6]。

此外，在同位素地質(zhì)年代學(xué)理論里，也應(yīng)用到了化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基本公式，在介紹相關(guān)公式時(shí)，可以給學(xué)生加以拓展。而同位素分餾領(lǐng)域也應(yīng)用了化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基本公式。

對(duì)于寶石專業(yè)，一些寶石的形成機(jī)理以及寶石合成工藝，就需要用動(dòng)力學(xué)的思想來進(jìn)行理解，引導(dǎo)學(xué)生必須突破傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的簡(jiǎn)單過程，只有滿足一定的動(dòng)力學(xué)條件才能形成理想的寶石結(jié)構(gòu)，否則只能生成相應(yīng)的物質(zhì)，而不能形成寶石。

現(xiàn)代化灌區(qū)的建設(shè)要與農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)同步發(fā)展。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化，需要對(duì)灌區(qū)內(nèi)的水資源進(jìn)行保護(hù)。減少對(duì)水資源的污染，減少生活垃圾的隨意排放，使現(xiàn)代化灌區(qū)實(shí)現(xiàn)其真正的效益。針對(duì)農(nóng)村中存在的生活垃圾胡亂排放污染灌區(qū)內(nèi)水資源等現(xiàn)象，應(yīng)從提高農(nóng)民素質(zhì)和加快農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程等根本上去解決。

1.6 化學(xué)平衡含水溶液化學(xué)

化學(xué)平衡知識(shí)，在地學(xué)領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用。例如，礦物相平衡相圖的繪制，需要用到化學(xué)平衡的知識(shí)。通過化學(xué)平衡知識(shí)，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(shí)例作為拓展思考題發(fā)給學(xué)生，讓有余力的學(xué)生進(jìn)行思考。

水溶液中的酸堿平衡理論，對(duì)于將來理解礦物的風(fēng)化和水解有重要的幫助。例如，硅酸鹽的水解反應(yīng)，可以用酸堿平衡理論來解釋，對(duì)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(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性環(huán)境的形成也可以用酸堿理論進(jìn)行解釋。

在講解酸堿理論的時(shí)候，可以介紹Lux-Flood的酸堿定義，對(duì)于學(xué)生將來理解巖石學(xué)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(duì)于學(xué)生理解地球化學(xué)親和性，不同元素的成礦規(guī)律等也都有重要的幫助。

沉淀溶解平衡，對(duì)于學(xué)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(duì)于地質(zhì)上水巖相互作用和元素遷移的理解，起到了理論基礎(chǔ)的作用?？梢杂靡恍┑V物溶解沉淀的過程作為該部分內(nèi)容的例題。

此外，微量元素地球化學(xué)和同位素地球化學(xué)都用到了平衡的思想，在熱力學(xué)平衡的前提下，推導(dǎo)出了能斯特分配定律和同位素地質(zhì)溫度計(jì)。這些可以通過遠(yuǎn)景專業(yè)知識(shí)，提前透露給學(xué)生，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)部分，介紹了晶體場(chǎng)理論，該理論在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域和寶石顏色機(jī)理部分都有重要應(yīng)用。在講解清楚晶體場(chǎng)理論的情況下可以給學(xué)生講解雜質(zhì)元素給寶石帶來顏色的機(jī)理，例如鉻元素使紅寶石顯出紅色的機(jī)理[4]。地質(zhì)學(xué)上，晶體場(chǎng)理論，對(duì)于理解微量元素隨礦物的結(jié)晶順序、過渡元素的特殊地球化學(xué)行為等有重要幫助[6]。

配位平衡，在地質(zhì)領(lǐng)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(wěn)定常數(shù)越大，配離子就越穩(wěn)定，相應(yīng)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(shí)候，也可以列舉一些地質(zhì)過程元素遷移的實(shí)例。

配位化合物命名部分，一些配基，如羥基等，在遙感地質(zhì)學(xué)課程中也有應(yīng)用，遙感光譜通過識(shí)別一些特殊基團(tuán)信號(hào)來判斷物質(zhì)組成[8]。

1.8 電化學(xué)

氧化還原反應(yīng)，是地學(xué)領(lǐng)域重要的化學(xué)反應(yīng)類型。很多變價(jià)元素，在不同的環(huán)境下形成不同的礦物。例如，鐵元素，在自然界可以形成零價(jià)、正二價(jià)、正三價(jià)幾種常見的價(jià)態(tài)。無色的石英晶體在空氣中暴露一段時(shí)間以后會(huì)變黃，主要原因是二價(jià)鐵離子被氧化成了正三價(jià)。

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

在稀土元素地球化學(xué)中，Eu元素和Ce元素的含量異常都是由于環(huán)境的Eh值造成的，Eu元素在地球深部易于變成正二價(jià)，與其他稀土元素性質(zhì)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(xué)

在地學(xué)領(lǐng)域，副族元素要比主族元素更有研究價(jià)值。因此元素化學(xué)不僅要介紹主族元素的化學(xué)性質(zhì)，還要結(jié)合地學(xué)特征介紹副族元素的特征，甚至要介紹稀土元素的化學(xué)性質(zhì)。

由于相關(guān)專業(yè)知識(shí)水平有限，不能全面介紹化學(xué)在專業(yè)課程中的應(yīng)用，但基本上概括了各章的專業(yè)應(yīng)用前景，對(duì)于學(xué)生后續(xù)的其他課程學(xué)習(xí)有一定的鋪墊作用。

2 教學(xué)實(shí)踐效果

在中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院的教學(xué)實(shí)踐中，化學(xué)教師通過了解地質(zhì)類專業(yè)的專業(yè)課程，分析專業(yè)課書籍，與專業(yè)課教師交流的方式，了解了化學(xué)知識(shí)在專業(yè)課理論體系中的應(yīng)用。然后把這些內(nèi)容融合到大學(xué)化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，通過知識(shí)拓展和專業(yè)實(shí)例的方式進(jìn)行聯(lián)系。

通過教學(xué)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生提前了解專業(yè)知識(shí)，樹立專業(yè)學(xué)習(xí)和化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。一些學(xué)生在低年級(jí)的時(shí)候就開始自己學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，練習(xí)通過化學(xué)理論來解決專業(yè)問題，取得了一定的效果。有一位寶石專業(yè)的學(xué)生利用化學(xué)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)寫出了一篇寶石顏色機(jī)理的綜述文章，雖然沒有發(fā)表，但已經(jīng)鍛煉了學(xué)生的科學(xué)能力，提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。還有很多地質(zhì)和寶石的學(xué)生考取研究生的時(shí)候選擇化學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，充分說明了學(xué)生已經(jīng)獲得了一定的化學(xué)基礎(chǔ)。通過為專業(yè)課程打基礎(chǔ)的教學(xué)思路，拉近了學(xué)生與化學(xué)的距離。一些學(xué)生選擇與化學(xué)老師合作開展一些交叉領(lǐng)域的研究工作，在上學(xué)期間發(fā)表了科研論文。更多學(xué)生，在畢業(yè)論文中大膽使用化學(xué)的基本理論和方法來論證自己的觀點(diǎn)。總之，通過教學(xué)實(shí)踐，在化學(xué)教學(xué)中貫穿一些專業(yè)應(yīng)用的知識(shí)，對(duì)于提高學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生能力有一定的幫助作用。