浅谈以知识体系为模块的无机化学教学方法

张文华

《无机化学》是高校化学及相关专业学生接触的第一门重要专业基础课，其内容既是中学基础知识的进一步阐述及延伸，同时也是以后学习《有机化学》，《物理化学》等专业基础课的重要铺垫。本文以酸碱理论（阿伦尼乌斯酸碱理论，布朗斯特酸碱理论，以及路易斯酸碱理论）的发展为例，阐述以基础知识模块为结构单元的教学方法。通过酸碱反应“是什么”，“怎么发生”以及“为何会发生”的逻辑过程，加深学生对酸碱理论的理解。同时，引入学科前沿的科学研究成果，以强化学生对理论知识重要性认同，增强学生对学习基础理论的兴趣，同时培养其独立思考精神、拓展其视野、培养其创新意识。

无机化学模块化教学酸碱理论教学改革《无机化学》是高等学校化学、化工、材料、物理及医学等相关专业的专业基础课，该课程一般对大一新生开设，是一门必修课。《无机化学》课程中的诸多内容是高中学习知识的延伸和释义。可以说中学课程中所学的知识是知其然，而大学所学知识是进一步知其所以然。另外，大一《无机化学》所学知识还是以后进一步学习《有机化学》《物理化学》等专业知识的重要铺垫。例如，分子轨道理论、酸碱电子理论（路易斯酸碱理论），化学热力学等在后面的《有机化学》《物理化学》等课程中还要进一步深入探讨。而一到两年后部分知识可能已经被遗忘，有些知识可能要从新开始着手学习。造成此情况的一个重要原因是由于目前较传统的学科分类所决定的，如一般化学学科均包括无机、有机、物化、分析等专业。

而另一方面，由于各专业迅猛发展及知识的延伸的必然要求，各学科之间互相渗透，共同发展形成交叉学科，如生物化学、材料化学、环境化学等。这些交叉学科的形成，要求未来的科技人才具有扎实的基础知识、完备的专业体系以及对学科前沿领域的认知。而对于没有经过专业训练大学生而言，其获得专业知识的主要渠道为课堂学习，这给课堂教学的内容及方法提出了极高的要求。

目前的大部分无机化学教学内容安排相似，主要有化学原理（气体及溶液、化学热力学、动力学、化学平衡）、化学理论（原子结构及元素周期率、化学键及分子与晶体结构、配位化学）以及元素部分。其包含的内容多为数年前已形成的经典内容，且各部分内容直接的承接关系以及逻辑顺序不强。另外，对于所学知识与最前沿的研究领域及应用联系不紧密。书中所列举的例题、习题等多可直接套用所学理论得直接到充分解决。书中一般不含有这些知识理论的现代用途，让学生感到所学知识无用，无法激发学生强烈的学习兴趣。本文以酸碱理论的发展为例，拟用模块教学方法让学生形成完善的关于酸碱理论的知识体系，其中包括什么是酸碱，酸碱的内涵，如何形成酸碱以及酸碱理论的有机化学适用性及当代用途等。

中学所涉及到的酸碱理论为阿伦尼乌斯酸碱理论，是酸碱理论发展的最初形式。以电解质在水溶液中能否电离出H+（酸）或OH-（碱）为酸或碱的判断标准（即酸碱“是什么”）。在中学学习中学生熟悉常见的酸碱中和反应、盐类的水解反应等，在布朗斯特酸碱理论中都可归结为酸碱反应。这与中学所学不太相同，而在中学学习时先入为主和反复提及的知识有时反而阻碍学生的进一步接受大学所讲的布朗斯特酸碱理论以及共轭酸碱对理论。《无机化学》所学的酸碱理论主要指的布朗斯特酸碱理论，其范畴包括阿伦尼乌斯酸碱理论。由于大学所学的布朗斯特酸碱理论可简单描述为两对共轭酸碱对之间的反应。学生在理解布朗斯特酸碱理论时需从中学时期的酸碱是两类物质转变为一个经过质子转移的过程。酸和碱不是绝对的，而是相对的，并且相互联系。酸失去质子生成（共轭）碱，而碱得到质子生成（共轭）酸。进而布朗斯特酸碱理论的范围扩大到包括酸碱中和反应、酸和碱电离、盐类水解及溶剂（如水）的自耦电离。

布朗斯特酸碱理论其实描述了酸碱反应是怎么发生的，即一个质子从酸转移至碱，形成（共轭）碱或（共轭）酸。也就是酸碱反应的实质是质子的转移。至于这种现象是为何发生，则需要进一步学习并理解路易斯酸碱理论，而路易斯酸碱理论（酸碱电子理论）在教材中仅简单提及，且并未探讨电子转移过程。

以HCl在水中的电离为实例，如下图所示。阿伦尼乌斯及布朗斯特酸碱理论可以方便通过方程式（1）和（2）来理解。

然而，从专业角度解释反应如何发生则需要调用路易斯酸堿理论，即水分子中氧原子p轨道中一对孤对电子可以与H+中的空s轨道“头碰头”作用而成σ键，而此时形成＼[H3O＼]+及Cl-均符合路易斯八隅体规则的稳定结构（H为2电子）（方程式（3））。

对于一年级新生能理解并接受路易斯酸碱理论，或已足够。然而，进一步理解该反应发生的机理并能画出在该酸碱反应中电子转移的路径＼[方程式（4）＼]，将会对未来进一步理解《有机化学》课程中的亲核取代等反应大有裨益。在学习酸碱理论之前，学生一般通过原子结构及元素周期率的学习已经对原子的电负性有所了解，此时，可以鼓励学生调用已学知识，从本质上理解酸碱反应，即：酸碱反应的本质是电负性较强的分子或离子中局部电荷对带相反电荷的H+的静电吸引而形成更强的化合键导致的。

最后，为了进一步巩固酸碱反应，让学生意识到其重要性还应让学生了解酸碱反应在现代化学反应中无处不在。例如，在金属催化的有机反应中绝大多数反应如Suzuki偶联反应，Grubbs烯烃复分解反应等催化过程都经历了金属空轨道（路易斯酸）与催化底物（路易斯碱）相互作用的过程，以提升学生对探索未知世界的兴趣。此外，酸碱反应在生活中也随处可见。人们在日常生活中使用的肥皂、洗涤剂、化妆品、香精等都是化学酸碱品。例如，爽身粉中就含有少量杀菌消毒用的硼酸，漂白剂中含有次氯酸钠等。此外，在治病和保健中也有很多酸碱类药物。比如当人体摄入过多食物后，会引起胃酸分泌过多，体内pH值下降，从而使人感觉不适。抑酸剂就是为减小体内酸量而特制的，常用胃药原料就是氧化镁、碳酸钙等碱这些贴近生活的例子，更会激发学生对化学的学习兴趣。

《无机化学》作为一门重要的专业基础课，对其教学内容与方法进行优化，结合生产生活，结合实际，引入与时俱进的内容以加深学生对课程的理解，激发学生对化学学习的热情，对后面其他知识的传授具有积极作用。本文所提的模块化教学是一项系统工程，在教学时间的保证上可能存在一定的挑战，但在强调培养创新、创造性人才的今天，将有可能发挥更切实可行的效果。

参考文献：

＼[1＼]曹锡章，宋天佑，王杏乔.无机化学.北京：高等教育出版社，2012.

＼[2＼]张祖德.无机化学.合肥：中国科学技术大学出版社，2016.

＼[3＼]Alastair J.J.Lennox and Guy C.Lloyd-Jones， Selection of boron reagents for Suzuki-Miyaura coupling，Chem.Soc.Rev.，2014，（43）：412.

＼[4＼]Georgios C.Vougioukalakis and Robert H.Grubbs，Ruthenium-based heterocyclic carbene-coordinated olefin metathesis catalysts，Chem.Rev.2010，（110）：1746.