無機及分析化學課程教學與實踐

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[摘要]《無機及分析化學》是一門為生物工程、食品等非化學專業本科生開設的專業基礎課，而照本宣科的授課方式或早已無法滿足培養高質量人才的要求。因此，本文通過挖掘課程中存在的思政元素，引入化學史和前沿科研內容，以期激發學生學習的主觀能動性，培養學生自主創新能力，并為改善高等學校教學模式，提高教學質量提供新途徑和新思路。

[關鍵詞]無機及分析化學；化學史；前沿科研；思政元素；教學模式

在2019年3月18日主持召開的學校思想政治理論課教師座談會上強調，“辦好思想政治理論課關鍵在教師，關鍵在發揮教師的積極性、主動性、創造性[1]?！边@不僅要求高校教師有堅定的政治信仰，對所講內容認同，還要求教師具有深厚的理論功底、淵博的學識，這樣才能講深講透，講的有感染力，學生才能聽進去。蘇霍姆林斯基曾經說過：“教育者的個性、思想信念及其精神生活的財富，是一種能激發每個受教育者檢點自己、反省自己和控制自己的力量[2]?！币虼耍酝噍斒浇虒W模式可能已經無法適應當前對學生素質化的培養?；瘜W史呈現的是幾千年來化學的歷史發展軌跡，它所展現的是科學家們在追求真理的道路上不畏艱難、一往無前的精神?！稛o機及分析化學》課程內容繁多，系統性不強，不利于學生理解和記憶，如果教師能將化學史貫穿整個教學過程中，將更有利于提高學生的學習興趣，并加深理解和記憶。例如在講解熱力學部分時，需要先提到熱化學。熱化學提供為根本目標，將思政元素融入整個教學過程當中，在使學生掌握書本內容的基礎上，進一步引發學生思考，最終實現教書育人的統一。

1《無機及分析化學》課程引入化學史的意義

《無機及分析化學》是新疆大學針對大一新生生物工程、食品等專業開設的一門專業基礎課。理論課共有64學時，主要包括無機化學和分析化學兩大部分，內容瑣碎，大一新生需要從高中緊張灌輸式的學習方式轉換到大學開放式、發散式的思維方式，難免會有些不適應。按照學校要求，會在學期伊始給學生講授開學第一課，一是讓學生體會到大學和中學學習方式的差異，如中學課程每節課內容少練習多，在課上能夠聽懂掌握，課后有問題可隨時問老師；而大學課程則是每節課內容多，遇到問題需要多思考，課后完全靠自覺。二是讓學生了解學習化學這門課的意義。首先，化學是眾多學科中與人類生活最為密切的學科，從人類開始使用火開始，到陶瓷、玻璃、金屬(天然金屬單質、青銅、鐵)，再到造紙、火藥，直至各式各樣新材料的出現，都是化學帶來的產物。其次，化學能夠提供分析和表征手段，這不僅有利于新分子新結構的設計，也可解決實際生產生活中的具體問題。從化學的數據無論對科學研究還是生產應用都極其重要。工業生產對設備的要求，使用的原料都基于熱化學。熱力學第一定律又稱為能量守恒與轉化定律。蓋斯很早就意識到熱和功的總量只取決于反應始末態，與途徑無關。盡管多位科學家都對熱力學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家建立熱力學第一定律的過程進行講解，可以極大地提高學生的學習興趣。在講解化學平衡和化學反應速率章節，可以以合成氨為例。首先向學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行固氮；接著再向學生介紹合成氨從第一次實驗室嘗試到工業化投產，一共經歷了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，隨著物理化學的不斷發展，化學動力學、化學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會逆向進行，溫度降低反應速率太慢，增加壓力會使反應朝著合成氨的方向進行。20世紀初，德國化學家哈伯用鋨做催化劑制備了氨，盡管產率僅為6%，哈伯因此獲得了1918年的諾貝爾化學獎[3]。

2《無機及分析化學》課程引入化學史的教學設計與實踐

通過向學生介紹合成氨的工業化歷程，可史開始講述可能是最容易讓學生接受的方式。英國哲學家培根曾說過“讀史使人明智”，即科學只能帶給我們知識，而品味歷史可以培養學生的審慎之力，同時去思辨和洞悉其中的客觀發展規律，進而建立起一套對周遭事物的辨識體系。只有聯系化學史，才能培養學生正確的人生觀、價值觀，掌握科學的辯證唯物主義和歷史唯物主義。以使學生了解到事物的發展規律是螺旋式上升的，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。俄國化學家門捷列夫于1869年根據不同元素金屬性和非金屬性、原子價態、相對化學反應活性等對元素進行分類并排列成表。在他所列的元素周期表中還留有四個空位，代表還有未發現的元素。1868年，德國的邁耶爾發表了《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發展史上的一個里程碑，它將零散的元素視為內在相連的一個整體，奠定了現代無機化學的基礎。通過向學生展示元素周期表的建立過程，可以讓學生更深刻地體會到科學的發展與進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》課程引入前沿科研的意義與教學實踐

高校教師的根本任務是為學生傳授新知識，隨著知識不斷更新，教師也應當及時跟上學科發展，而實現這一目標的唯一途徑就是通過科學研究?？梢赃@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不斷地練習，逐漸積累教學經驗，甚至做到不備課就講課。但這向學生傳授的也僅限于書本上的內容，忽略了當前處于信息時代，每天信息更新的速度呈幾何式增長，學生獲得的知識可能大部分早已滿足不了社會需求，這不僅會降低學生的求知欲，認為學無所用，也會讓教師上課缺乏激情，最后成為機械化教學。實際上，教學不應該僅給學生教授知識，更多的是培養學生，即“人才培養”。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生火花，如果僅是老師唱獨角戲，缺少與臺下學生的互動，自然無法成為一名好老師。著名教育學家錢偉長曾說過，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育[5]。所以，教師的職責不僅限于傳道授業解惑，還要培養學生的自主學習能力，為將來就業或深造打牢基礎。從這個角度來看，上課過程中為學生引入前沿科研就顯得尤為重要了。在《無機及分析化學》開課初期可以通過講解具體實例，讓學生對科研有個清晰的認識。通俗來講就是隨著科學發展，往往會遇到難題，為了解釋難題，就要進行實驗，用實驗來證明，就是科研。例如面對生物工程專業的新生，可以從和他們專業相關的領域講起，比如讓學生討論植物生長所必須的營養元素是什么？土壤肥沃程度對植物生長是否必要？你認為植物生長需要哪些物質？通過學生的討論與思考，再對其進行總結，比如19世紀20年代德國植物學家C.P.Sprengel對植物生長可能所需要的礦物質進行了研究，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的一個關鍵性問題。關于儲氫材料的選擇，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合，這樣可以使學生深刻體會到知識點不是孤立的，而是以知識網形式存在。再比如講到p區元素碳族這一節，可以簡要介紹當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；石墨烯其結構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·諾維肖洛夫將石墨用膠帶反復黏貼再拉開合成的，其單原子層的厚度賦予了石墨烯獨特的光學、電學以及力學特性。講到這里，可以將學生在中學學習到的富勒烯、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構特征，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構，而富勒烯則呈封閉類球形結構。講到氮族這一節時，可以提一下王水，學生對王水并不陌生，知道王水可以溶解黃金等貴金屬，但學生對于不同貴金屬在王水中的溶解速度可能并不了解?；诖?，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獎章而將其溶解在王水中。盡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，王水必須現配現制，因為其極易分解。通過講解上述內容，可以使學生意識到無機化學反應不單單存在于課本當中，也存在于生活中，這樣可以提高學生的學習興趣，加深對化學反應方程式的記憶。

4結論

在《無機及分析化學》課程中引入思政元素，不僅可以提高學生素質，也對老師提出了更高要求，這就迫使教師將不斷學習貫穿整個教學生涯。本文針對《無機及分析化學》課程的特點，引入化學史和前沿科研，這不僅可以調動學生學習的積極主動性，還可以培養學生自主創新的能力，為今后培養新時代人才奠定基礎。參考文獻以提高學生對《無機及分析化學》這門課的興趣。另外，講到配合物章節，可以和學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構，可以調節配合物的孔徑尺寸，從而實現對氫氣、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體制備新材料，所得材料也具有發達的空隙和高比表面積。除此之外，在講到氧化還原反應章節，可以引入鋰離子電池、鈉離子電池、電解水產氫技術、新能源汽車等?？梢院喴榻B鋰離子電池正負極材料、隔膜、電解液目前存在的問題，改進的措施以及今后的發展方向。而對于電解水產氫技術，由于原料是水，廉價易得，可以作為一種綠色的產氫方法。但目前電解水施加的電壓遠大于水的理論分解電壓1.23V，因此開發新型高效的電催化劑降低反應所需的過電位極為重要。另外，該過程除了需要用電，產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

[1]．學校思想政治理論課教師座談會上的講話．新華網．[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．化學簡史[M]．北京：科學出版社，2019．

[4]廣田襄著，丁明玉譯．現代化學史[M]．北京：化學工業出版社，2019．

[5]錢偉長．錢偉長論教育[M]．上海：上海大學出版社，2018．

作者：賈巍 單位：新疆大學化學學院