如何提高學生學習無機化學的興趣

奚寶娟，熊勝林

山東大學化學與化工學院，濟南 250100

無機化學是化學學科的一類重要分支。作為化學類相關高等院校大一學生進修的專業(yè)課，是學生們進一步學習高等無機化學的基礎，且與物理化學、分析化學、結(jié)構(gòu)化學等學科密切相關。無機化學的內(nèi)容相對基礎且全面，主要涵蓋了化學反應原理和化學元素兩大部分。因此學好無機化學能夠為今后該領域內(nèi)的學生奠定良好的專業(yè)基礎，對相關專業(yè)的學生而言至關重要。但是龐大的無機化學知識體系枯燥無味，部分內(nèi)容難度較高，難以激發(fā)學生們的學習興趣，使大部分學生的學習過程變?yōu)椤皯囆汀钡膶W習。這樣不僅不符合高等院校為國家培養(yǎng)高水平人才的方針，也使得教師的教學質(zhì)量事倍功半[1–3]。

針對以上問題，筆者認為提高教學質(zhì)量的首要問題是如何有效地提高學生對于無機化學的學習興趣。國內(nèi)的教育者們對此進行了很多新穎的嘗試和探索，比如：“翻轉(zhuǎn)課堂”的開展，采用啟發(fā)–誘導式的教學模式，以及互動反饋式教學等。這些創(chuàng)新式教學方法均在無機化學的教學過程中極大地提高了學生的學習興趣。根據(jù)成果反饋也可以看出，興趣的提高使學生對相關知識的掌握更加牢固，效果不言而喻。但是這些創(chuàng)新性的教學模式并未在全國高等院校的教學中全面推廣，最主要的原因就是這些方式均需要耗費大量的課堂時間來提高學生的參與度。這對于一門課時有限的課程而言，不能在實際中得到很好的應用[4,5]。

筆者在教學調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，“材料表面與界面”這門課程的授課過程中，教師會引用大量與該科目相關的生活、自然現(xiàn)象，比如“壁虎腳掌效應”“玫瑰花瓣效應”“荷葉的自清潔效應”“玻璃毛細管液面自動上升現(xiàn)象”等。從這些現(xiàn)象中引出理論知識，再用知識解釋現(xiàn)象。通過這種方式，能夠很好地吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣。無機化學課程的知識面更加廣泛，與人們實際生活中的很多現(xiàn)象息息相關，并且科學研究中的許多內(nèi)容都是以無機化學中的知識作為基礎。因此，筆者在教學過程中通過大量引用與所講章節(jié)相關的生活現(xiàn)象或科研進展，極大地提高了學生的學習興趣，使學生能夠更加直觀地對原本枯燥的理論知識進行理解和吸收。為了有助于無機化學教學，筆者首先對相關教學設計與實踐進行了介紹，在介紹過程中筆者引入了大量與各章節(jié)內(nèi)容相關的生活現(xiàn)象或科研進展；接著展示了學生對該教學模式的反饋情況；最后提出了筆者對該教學模式實踐的思考。

1 教學設計與實踐

筆者基于多年來對無機化學課程的授課經(jīng)驗，結(jié)合相關的生活現(xiàn)象或科研進展，將課外拓展型知識引入課堂。在教學過程中以教材為基礎，將課外拓展型知識與無機化學教學內(nèi)容有機結(jié)合，增強學生的學習熱情和課堂效率，進而提升教學效果。為了提高對教學過程的指導作用，我們的實際教學環(huán)節(jié)介紹如下：

(1) 通過實際問題引入課題。

在講授新的理論內(nèi)容之前，利用學生非常熟悉的生產(chǎn)生活現(xiàn)象的引入，吸引學生的注意力，同時可以讓學生了解該部分知識的用途，提高學生對理論知識的重視。例如，化學平衡(酸堿平衡、沉淀溶解平衡、鹽類水解平衡等)涉及的內(nèi)容在生產(chǎn)生活、環(huán)境保護、人體健康等方面有許多體現(xiàn)，筆者在這部分的授課過程中會通過生活實際的案例進行課前導入[6,7]。

酸堿平衡的內(nèi)容可以通過血液pH對人體機能的影響來導入。如表1所示，人體的血液pH穩(wěn)定在7.38–7.42之間，從而維持正常的生理活動。當體內(nèi)攝入過多酸性或者堿性物質(zhì)時，主要依靠血液中的兩組共軛酸堿對來維持pH的穩(wěn)定。其中，的酸堿平衡過程如下：

表1 血液pH對人體機能的影響

當酸性物質(zhì)攝入過多時，反應向正向移動，生成的碳酸進一步轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，由呼吸排除。消耗的則由腎臟釋放補充，從而維持的合適比例。反之，當堿性物質(zhì)攝入過多時，反應向反向移動，過多的則由腎臟吸收。通過這一簡單的酸堿平衡機制，使血液的pH穩(wěn)定在7.35–7.45之間。

沉淀溶解平衡中，通常會出現(xiàn)難溶物轉(zhuǎn)化為更難溶物的過程。利用這一原理，工業(yè)上生產(chǎn)硫酸銨化肥的過程中，先將溶解度較小的硫酸鈣分散在水中，通過向水中通入二氧化碳和氨氣，使他們發(fā)生如下反應，生成更難溶的碳酸鈣沉淀[8]。過濾后提純，將所得濾液結(jié)晶后即得所需硫酸銨固體產(chǎn)物。由于氨氣和二氧化碳是不斷從外界加入的，所以反應一直向產(chǎn)生沉淀的方向移動。人們通過調(diào)節(jié)沉淀溶解平衡，低成本地合成了農(nóng)業(yè)中廣泛使用的化肥。

鹽類水解平衡中，弱酸強堿鹽(或弱堿強酸鹽)溶于水時發(fā)生水解反應，導致溶液呈堿性(或酸性)，這一機理可以應用在以下生活和實驗常識中。

實驗室或工廠中配置或存儲硫酸銅溶液時，由于硫酸銅易發(fā)生以下水解反應，需要加入少量的稀硫酸，防止Cu2+的水解。

另外，泡沫滅火器原理、含氟牙膏防蛀牙、鐘乳石的形成等現(xiàn)象的課前導入，均有利于提高學生對于微觀化學平衡理論的學習興趣，培養(yǎng)學生宏觀可視現(xiàn)象與微觀不可見的理論知識相聯(lián)系的能力。

(2) 通過實際案例強化理解深度。

為了提高學生對于概念或定義類知識的理解深度，可以以生活實際現(xiàn)象為基礎，以理論知識為核心，通過案例演示和講解，強化對無機化學基礎理論知識的理解深度。例如在學習熱力學中“焓”的概念時，教師可以通過視頻或者實際演示，讓學生了解現(xiàn)實中的焊接過程。以工廠里焊接過程中發(fā)生的鋁熱反應為例，向?qū)W生講解焓的熱力學和熱效應的定義。筆者在授課時首先會初步介紹ΔH(焓變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的焓的增量，ΔH= ΔU+ Δ(pV) (ΔU為內(nèi)能變，p為壓力，V為體積)。在恒壓條件下，ΔH數(shù)值上等于恒壓反應熱。這樣讓學生先對焓的概念有一個初步的了解。接著，介紹焊接過程中的鋁熱反應主要包含：

學生通過知識積累可以知道三者均為放熱反應，且分析出這些放熱過程均在常壓下進行。因此可以推測出，鋁熱反應中的焓變就是這三個反應放出熱量的總和。通過與實際應用的聯(lián)系，強化了了學生對“不做非體積功的情況下體系熱量的變化值即為體系的焓變”這一定義的掌握程度。日常生活中的案例也比比皆是。例如：硫和磷通常被用于火柴的制作，劃火柴時，火柴頭和火柴盒側(cè)面摩擦發(fā)熱，使火柴盒側(cè)面低燃點的紅磷發(fā)火，從而引起火柴頭上含硫物質(zhì)燃燒，進而帶動火柴桿燃燒，這樣火柴便劃著了。氟的化合物特氟龍由于其低的表面能、穩(wěn)定的化學性質(zhì)，可以作為不粘鍋涂層以及無機合成中反應釜的內(nèi)襯材料。氯氣是當年戰(zhàn)爭中毒氣彈的主要成分之一，但是少量的氯氣溶于水會生成強氧化性的次氯酸，可以用來給水消毒。雖然個別實例被部分學生熟知，但仍可以培養(yǎng)學生舉一反三的能力。這種模式不僅深化了學生對相關元素知識的理解，又擴大了學生的視野。

筆者在教學過程中還會將無機化學基礎理論知識對應的學科發(fā)展前沿向?qū)W生普及。最常用的方式就是向?qū)W生介紹本人在新能源領域中所做的相關工作，將科研現(xiàn)象、科研結(jié)果與學生們分享。這種方式在化學元素部分的教學過程中極具優(yōu)勢，因為化學元素部分的內(nèi)容可以涉及到具體的無機物質(zhì)。例如，在碳族元素章節(jié)中，筆者團隊通過簡單的碳化和酸洗法制備出了“氮氧雙摻雜的分級多孔硬碳材料”，其性能遠遠優(yōu)于商業(yè)化硬碳在鉀離子電池中的應用，為鉀離子負極材料甚至是安全性高的鉀金屬負極設計提供了一條新途徑。在氧族元素章節(jié)中，筆者與團隊成員利用回流法和熱解法合成的“石墨烯包覆的二氧化鈦二維材料”作為鈉/鉀離子電池的負極材料，顯示了優(yōu)異的長循環(huán)和高倍率性能。該材料制備簡單、精準可控、方法普適，為探索具有實際應用的鈉離子電池負極材料提供了一種新的可行方案。在過渡金屬元素章節(jié)中，筆者團隊制備了一系列催化性能優(yōu)異的過渡金屬基化合物，如硒化鉬、硒化釩、雙金屬氧化物等。這些材料不僅對鋰硫電池中的多硫化物具有強吸附作用，并且能夠催化多硫化物的轉(zhuǎn)化，提升了電池性能。筆者把元素部分中的理論知識與當前無機化學前沿領域尤其是自身研究領域結(jié)合起來，有助于引起學生的學習興趣和對科研工作的向往。這種方式不僅取得了很好的教學效果，而且對于培養(yǎng)學生的科研興趣和好奇心意義重大。

(3) 通過實際應用強化知識的活用。

理論知識學習的最終目的是更好地服務于實際。為了讓學生明確學習目標，提高學生分析、解決實際問題的能力；筆者將抽象的理論知識延伸到實際應用和科研案例中，講解研究過程和研究的理論依據(jù)，向?qū)W生展示基礎理論知識的重要性，從而引起學生的重視，加深學生對于本專業(yè)的理解。例如：在講解催化劑的作用過程中，可以介紹企業(yè)中通過使用催化劑提高反應速率，降低成本，從而提高利潤的實例。另外，化學動力學基礎中的阿倫尼烏茲公式(Arrhenius equation：lnk= (-Ea/RT) +lnA) (Ea為活化能，k為反應的速率系數(shù)，A為指前因子，T為熱力學溫度)是由瑞典的阿倫尼烏茲所創(chuàng)立的化學反應速率常數(shù)隨溫度變化關系的經(jīng)驗公式[9]。這一公式在筆者所從事的新能源領域中具有非常重要的實用價值。近年來，高能量密度鋰電池的研發(fā)使電動汽車逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車。電解質(zhì)作為鋰電池中的核心成分，對電池的安全性和續(xù)航能力有著重要影響。阿倫尼烏茲公式常常被用來計算鋰電池中鋰離子在電解質(zhì)中擴散的活化能。如圖1所示，人們通過測量不同T下電池的k得到了一條關于lnk與1/T的直線，直線的斜率就是-Ea/R，從而可以求出鋰離子在電解質(zhì)中擴散的活化能。這一理論為人們開發(fā)高能量密度的鋰電池，進而推動電動汽車的發(fā)展奠定了基礎。通過這種實際應用對理論知識的強化，培養(yǎng)學生將理論知識應用于生活和科研的能力。

圖1 不同溫度下電池的電導率及所求的活化能

2 教學反饋

作者在實際教學過程中，按照上述方案將實際案例融入到理論知識中。針對本文所述的教學方式，筆者課后組織學生進行了問卷調(diào)查，調(diào)查范圍為所教授2018級三個班的107名學生。主要就學習興趣、學習效率、課堂參與度、知識的掌握情況、能力的培養(yǎng)等方面讓學生對改進前后的教學模式進行打分，滿分10分。最后將每個項目的平均分匯總在圖2中。從圖2可以看出，本文所述的以生活現(xiàn)象和科研進展為導向的無機化學教學模式對學生學習的各個方面，尤其是學習興趣和能力的培養(yǎng)起到了顯著的促進作用。

圖2 教學模式評分匯總

我們又對教學方式改革后2018級學生的期末考試成績與改革之前的2017級學生成績進行了對比。在考試題難度相近的情況下，從圖3中可以看出，采用本文所述的教學方法之后，2018級的學生中80分以上的占比達到77.6%，遠高于2017級中44.8%的占比。同時不及格率顯著降低，僅為3.7%。

圖3 2017級和2018級學生的期末考試成績分布

從學生的問卷調(diào)查以及考試成績對比可以發(fā)現(xiàn)，通過生活現(xiàn)象和科學研究進展引導的無機化學教學有效地提高了學生們的學習興趣，強化了學生對知識的理解深度，培養(yǎng)了學生知識活用的能力，最終提高了課堂效率。另外，該模式下的教學與之前相比，并不會增加過多的課時，很有潛力應用到現(xiàn)如今的無機化學教學中，對其他科目的教學也具有指導意義。

3 教學模式實踐的思考

在實際教學過程中筆者發(fā)現(xiàn)，通過借用生活常識和科學研究有關的實例開展相關課程，往往能使學生們眼神發(fā)亮，更能調(diào)動起課堂氣氛。課下可以讓學生自行查找相關內(nèi)容進行分享，這樣既能鞏固課堂知識，又能使學生合理利用網(wǎng)絡和課外書籍，提高學習的主動性。

另外，筆者認為針對無機化學與實際生活和科學研究的密切關聯(lián)性，在無機化學考試的出題過程中，也應該大量引入相關的題型，避免在出題過程中一味地引用“某物質(zhì)”“某反應”等非指向性代詞。例如“為防止水在儀器中結(jié)冰，可以加入甘油(C3H8O3)以降低凝固點。如需冰點降至-1 °C，則在每100克水中應加入甘油多少克？(已知水的化學平衡常數(shù)Kf= 1.86，甘油的分子量為92)”。這種結(jié)合實際的考試題型一方面可以防止學生出現(xiàn)“應試型”的學習方式；另一方面可以擴寬學生的知識面，了解更多與生活和科研有關的常識，提高學生學以致用的能力；最后，通過科學進展的引入，可以讓學生提前了解到各個行業(yè)的發(fā)展情況，為今后從事科研的學生選擇研究方向提供指導。