無機及分析化學(xué)課程教學(xué)與實踐

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[摘要]《無機及分析化學(xué)》是一門為生物工程、食品等非化學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，而照本宣科的授課方式或早已無法滿足培養(yǎng)高質(zhì)量人才的要求。因此，本文通過挖掘課程中存在的思政元素，引入化學(xué)史和前沿科研內(nèi)容，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，并為改善高等學(xué)校教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量提供新途徑和新思路。

[關(guān)鍵詞]無機及分析化學(xué)；化學(xué)史；前沿科研；思政元素；教學(xué)模式

在2019年3月18日主持召開的學(xué)校思想政治理論課教師座談會上強調(diào)，“辦好思想政治理論課關(guān)鍵在教師，關(guān)鍵在發(fā)揮教師的積極性、主動性、創(chuàng)造性[1]。”這不僅要求高校教師有堅定的政治信仰，對所講內(nèi)容認(rèn)同，還要求教師具有深厚的理論功底、淵博的學(xué)識，這樣才能講深講透，講的有感染力，學(xué)生才能聽進(jìn)去。蘇霍姆林斯基曾經(jīng)說過：“教育者的個性、思想信念及其精神生活的財富，是一種能激發(fā)每個受教育者檢點自己、反省自己和控制自己的力量[2]。”因此，以往灌輸式教學(xué)模式可能已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前對學(xué)生素質(zhì)化的培養(yǎng)。化學(xué)史呈現(xiàn)的是幾千年來化學(xué)的歷史發(fā)展軌跡，它所展現(xiàn)的是科學(xué)家們在追求真理的道路上不畏艱難、一往無前的精神。《無機及分析化學(xué)》課程內(nèi)容繁多，系統(tǒng)性不強，不利于學(xué)生理解和記憶，如果教師能將化學(xué)史貫穿整個教學(xué)過程中，將更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并加深理解和記憶。例如在講解熱力學(xué)部分時，需要先提到熱化學(xué)。熱化學(xué)提供為根本目標(biāo)，將思政元素融入整個教學(xué)過程當(dāng)中，在使學(xué)生掌握書本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生思考，最終實現(xiàn)教書育人的統(tǒng)一。

1《無機及分析化學(xué)》課程引入化學(xué)史的意義

《無機及分析化學(xué)》是新疆大學(xué)針對大一新生生物工程、食品等專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。理論課共有64學(xué)時，主要包括無機化學(xué)和分析化學(xué)兩大部分，內(nèi)容瑣碎，大一新生需要從高中緊張灌輸式的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)換到大學(xué)開放式、發(fā)散式的思維方式，難免會有些不適應(yīng)。按照學(xué)校要求，會在學(xué)期伊始給學(xué)生講授開學(xué)第一課，一是讓學(xué)生體會到大學(xué)和中學(xué)學(xué)習(xí)方式的差異，如中學(xué)課程每節(jié)課內(nèi)容少練習(xí)多，在課上能夠聽懂掌握，課后有問題可隨時問老師；而大學(xué)課程則是每節(jié)課內(nèi)容多，遇到問題需要多思考，課后完全靠自覺。二是讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)化學(xué)這門課的意義。首先，化學(xué)是眾多學(xué)科中與人類生活最為密切的學(xué)科，從人類開始使用火開始，到陶瓷、玻璃、金屬(天然金屬單質(zhì)、青銅、鐵)，再到造紙、火藥，直至各式各樣新材料的出現(xiàn)，都是化學(xué)帶來的產(chǎn)物。其次，化學(xué)能夠提供分析和表征手段，這不僅有利于新分子新結(jié)構(gòu)的設(shè)計，也可解決實際生產(chǎn)生活中的具體問題。從化學(xué)的數(shù)據(jù)無論對科學(xué)研究還是生產(chǎn)應(yīng)用都極其重要。工業(yè)生產(chǎn)對設(shè)備的要求，使用的原料都基于熱化學(xué)。熱力學(xué)第一定律又稱為能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。蓋斯很早就意識到熱和功的總量只取決于反應(yīng)始末態(tài)，與途徑無關(guān)。盡管多位科學(xué)家都對熱力學(xué)第一定律做出了說明，但對其明確表述的是邁爾、亥姆霍茲和焦耳。熱力學(xué)第一定律的確立也說明了“永動機”是不可能制成的。通過對上述三位科學(xué)家建立熱力學(xué)第一定律的過程進(jìn)行講解，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講解化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率章節(jié)，可以以合成氨為例。首先向?qū)W生提問為什么要合成氨，空氣中氮氣約占78%，能否利用空氣中的氮氣進(jìn)行固氮；接著再向?qū)W生介紹合成氨從第一次實驗室嘗試到工業(yè)化投產(chǎn)，一共經(jīng)歷了150年的時間，期間無論是加壓、加入催化劑，仍然沒有重大突破。直至1850~1900年，隨著物理化學(xué)的不斷發(fā)展，化學(xué)動力學(xué)、化學(xué)平衡等研究成果為合成氨指明了方向，即利用氫氣和氮氣制備氨氣時溫度升高反應(yīng)會逆向進(jìn)行，溫度降低反應(yīng)速率太慢，增加壓力會使反應(yīng)朝著合成氨的方向進(jìn)行。20世紀(jì)初，德國化學(xué)家哈伯用鋨做催化劑制備了氨，盡管產(chǎn)率僅為6%，哈伯因此獲得了1918年的諾貝爾化學(xué)獎[3]。

2《無機及分析化學(xué)》課程引入化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計與實踐

通過向?qū)W生介紹合成氨的工業(yè)化歷程，可史開始講述可能是最容易讓學(xué)生接受的方式。英國哲學(xué)家培根曾說過“讀史使人明智”，即科學(xué)只能帶給我們知識，而品味歷史可以培養(yǎng)學(xué)生的審慎之力，同時去思辨和洞悉其中的客觀發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而建立起一套對周遭事物的辨識體系。只有聯(lián)系化學(xué)史，才能培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀、價值觀，掌握科學(xué)的辯證唯物主義和歷史唯物主義。以使學(xué)生了解到事物的發(fā)展規(guī)律是螺旋式上升的，同樣任何知識的汲取也并不是一蹴而就，是需要過程，在走向成功的路上，要頂住壓力忍受寂寞。在講解元素部分時，可以首先介紹元素周期表的建立。俄國化學(xué)家門捷列夫于1869年根據(jù)不同元素金屬性和非金屬性、原子價態(tài)、相對化學(xué)反應(yīng)活性等對元素進(jìn)行分類并排列成表。在他所列的元素周期表中還留有四個空位，代表還有未發(fā)現(xiàn)的元素。1868年，德國的邁耶爾發(fā)表了《原子周期體積性圖解》，清楚表示出元素原子量與原子體積的變化規(guī)律，另外，與門捷列夫的元素周期表相比，邁耶爾增加了一個“過渡元素族”[4]。元素周期表的建立是化學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，它將零散的元素視為內(nèi)在相連的一個整體，奠定了現(xiàn)代無機化學(xué)的基礎(chǔ)。通過向?qū)W生展示元素周期表的建立過程，可以讓學(xué)生更深刻地體會到科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步不可能只靠一己之力，只有多交流才能碰撞出思維的火花。

3《無機及分析化學(xué)》課程引入前沿科研的意義與教學(xué)實踐

高校教師的根本任務(wù)是為學(xué)生傳授新知識，隨著知識不斷更新，教師也應(yīng)當(dāng)及時跟上學(xué)科發(fā)展，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一途徑就是通過科學(xué)研究。可以這樣說，沒有科研，傳授知識也僅是一個熟練工種，教師可以通過多年反復(fù)不斷地練習(xí)，逐漸積累教學(xué)經(jīng)驗，甚至做到不備課就講課。但這向?qū)W生傳授的也僅限于書本上的內(nèi)容，忽略了當(dāng)前處于信息時代，每天信息更新的速度呈幾何式增長，學(xué)生獲得的知識可能大部分早已滿足不了社會需求，這不僅會降低學(xué)生的求知欲，認(rèn)為學(xué)無所用，也會讓教師上課缺乏激情，最后成為機械化教學(xué)。實際上，教學(xué)不應(yīng)該僅給學(xué)生教授知識，更多的是培養(yǎng)學(xué)生，即“人才培養(yǎng)”。上課是人與人相互交流的過程，在交流期間由于思想碰撞產(chǎn)生火花，如果僅是老師唱獨角戲，缺少與臺下學(xué)生的互動，自然無法成為一名好老師。著名教育學(xué)家錢偉長曾說過，教學(xué)沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育[5]。所以，教師的職責(zé)不僅限于傳道授業(yè)解惑，還要培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，為將來就業(yè)或深造打牢基礎(chǔ)。從這個角度來看，上課過程中為學(xué)生引入前沿科研就顯得尤為重要了。在《無機及分析化學(xué)》開課初期可以通過講解具體實例，讓學(xué)生對科研有個清晰的認(rèn)識。通俗來講就是隨著科學(xué)發(fā)展，往往會遇到難題，為了解釋難題，就要進(jìn)行實驗，用實驗來證明，就是科研。例如面對生物工程專業(yè)的新生，可以從和他們專業(yè)相關(guān)的領(lǐng)域講起，比如讓學(xué)生討論植物生長所必須的營養(yǎng)元素是什么？土壤肥沃程度對植物生長是否必要？你認(rèn)為植物生長需要哪些物質(zhì)？通過學(xué)生的討論與思考，再對其進(jìn)行總結(jié)，比如19世紀(jì)20年代德國植物學(xué)家C.P.Sprengel對植物生長可能所需要的礦物質(zhì)進(jìn)行了研究，得出碳、氫、氧、氮、硫、磷、氯、鉀、鈣、鈉、鎂、鋁、硅、鐵、錳這15種元素是植物所必須的元素等，這樣可氣也是儲氫技術(shù)的一個關(guān)鍵性問題。關(guān)于儲氫材料的選擇，首先要滿足多孔性，這樣可以高容量地儲存氫氣，還要有可逆吸收并釋放氫氣的能力，且要滿足輸運或長期存放氫氣的安全性方面的要求。講到這里，可以再與上面提到的金屬有機框架材料相結(jié)合，這樣可以使學(xué)生深刻體會到知識點不是孤立的，而是以知識網(wǎng)形式存在。再比如講到p區(qū)元素碳族這一節(jié)，可以簡要介紹當(dāng)前研究比較熱門的石墨烯、碳纖維等新型碳材料。碳纖維由于其超輕且耐腐蝕等特性，可用于制作跑車車身；石墨烯其結(jié)構(gòu)為單原子層厚度的石墨，真正將其制備出來是2004年安德烈·海姆和康斯坦丁·諾維肖洛夫?qū)⑹媚z帶反復(fù)黏貼再拉開合成的，其單原子層的厚度賦予了石墨烯獨特的光學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)特性。講到這里，可以將學(xué)生在中學(xué)學(xué)習(xí)到的富勒烯、碳納米管與石墨烯、碳纖維相對比。通過比較各自所具有的結(jié)構(gòu)特征，更有利于加深理解與記憶。比如，碳納米管可以簡單看做石墨烯卷曲形成的結(jié)構(gòu)，而富勒烯則呈封閉類球形結(jié)構(gòu)。講到氮族這一節(jié)時，可以提一下王水，學(xué)生對王水并不陌生，知道王水可以溶解黃金等貴金屬，但學(xué)生對于不同貴金屬在王水中的溶解速度可能并不了解。基于此，可以首先介紹王水溶解黃金的故事，是一位諾貝爾獎得主為了防止德國納粹搜走金質(zhì)獎?wù)露鴮⑵淙芙庠谕跛小１M管黃金在王水中的溶解速度很快，但是白金(鉑)會相對慢一些，還有一些金屬并不能被王水溶解，如金屬銥(Ir)和鋨(Os)，所以王水的使用也具有一定的局限性。另外，王水必須現(xiàn)配現(xiàn)制，因為其極易分解。通過講解上述內(nèi)容，可以使學(xué)生意識到無機化學(xué)反應(yīng)不單單存在于課本當(dāng)中，也存在于生活中，這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對化學(xué)反應(yīng)方程式的記憶。

4結(jié)論

在《無機及分析化學(xué)》課程中引入思政元素，不僅可以提高學(xué)生素質(zhì)，也對老師提出了更高要求，這就迫使教師將不斷學(xué)習(xí)貫穿整個教學(xué)生涯。本文針對《無機及分析化學(xué)》課程的特點，引入化學(xué)史和前沿科研，這不僅可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，還可以培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力，為今后培養(yǎng)新時代人才奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)以提高學(xué)生對《無機及分析化學(xué)》這門課的興趣。另外，講到配合物章節(jié)，可以和學(xué)生講一講目前研究較熱的配合物骨架材料。配合物主要由金屬離子和配體組成，通過簡單改變配體結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)配合物的孔徑尺寸，從而實現(xiàn)對氫氣、二氧化碳等氣體的存儲。另外，目前還可以以金屬有機框架材料為前驅(qū)體制備新材料，所得材料也具有發(fā)達(dá)的空隙和高比表面積。除此之外，在講到氧化還原反應(yīng)章節(jié)，可以引入鋰離子電池、鈉離子電池、電解水產(chǎn)氫技術(shù)、新能源汽車等。可以簡要介紹鋰離子電池正負(fù)極材料、隔膜、電解液目前存在的問題，改進(jìn)的措施以及今后的發(fā)展方向。而對于電解水產(chǎn)氫技術(shù)，由于原料是水，廉價易得，可以作為一種綠色的產(chǎn)氫方法。但目前電解水施加的電壓遠(yuǎn)大于水的理論分解電壓1.23V，因此開發(fā)新型高效的電催化劑降低反應(yīng)所需的過電位極為重要。另外，該過程除了需要用電，產(chǎn)生的氫氣還面臨后期存儲與輸運的問題，因此選擇什么樣的材料來儲存氫。

參考文獻(xiàn)

[1]．學(xué)校思想政治理論課教師座談會上的講話．新華網(wǎng)．[2019-3-18]．

[2]B.A.蘇霍姆林斯基著，周蕖，王義高，劉啟嫻等譯．給教師的建議[M]．湖北：長江文藝出版社，2014．

[3]徐建中，馬海云．化學(xué)簡史[M]．北京：科學(xué)出版社，2019．

[4]廣田襄著，丁明玉譯．現(xiàn)代化學(xué)史[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019．

[5]錢偉長．錢偉長論教育[M]．上海：上海大學(xué)出版社，2018．

作者：賈巍 單位：新疆大學(xué)化學(xué)學(xué)院