无机及分析化学课程教学与实践

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[摘要]《无机及分析化学》是一门为生物工程、食品等非化学专业本科生开设的专业基础课，而照本宣科的授课方式或早已无法满足培养高质量人才的要求。因此，本文通过挖掘课程中存在的思政元素，引入化学史和前沿科研内容，以期激发学生学习的主观能动性，培养学生自主创新能力，并为改善高等学校教学模式，提高教学质量提供新途径和新思路。

[关键词]无机及分析化学；化学史；前沿科研；思政元素；教学模式

在2019年3月18日主持召开的学校思想政治理论课教师座谈会上强调，“办好思想政治理论课关键在教师，关键在发挥教师的积极性、主动性、创造性[1]。”这不仅要求高校教师有坚定的政治信仰，对所讲内容认同，还要求教师具有深厚的理论功底、渊博的学识，这样才能讲深讲透，讲的有感染力，学生才能听进去。苏霍姆林斯基曾经说过：“教育者的个性、思想信念及其精神生活的财富，是一种能激发每个受教育者检点自己、反省自己和控制自己的力量[2]。”因此，以往灌输式教学模式可能已经无法适应当前对学生素质化的培养。化学史呈现的是几千年来化学的历史发展轨迹，它所展现的是科学家们在追求真理的道路上不畏艰难、一往无前的精神。《无机及分析化学》课程内容繁多，系统性不强，不利于学生理解和记忆，如果教师能将化学史贯穿整个教学过程中，将更有利于提高学生的学习兴趣，并加深理解和记忆。例如在讲解热力学部分时，需要先提到热化学。热化学提供为根本目标，将思政元素融入整个教学过程当中，在使学生掌握书本内容的基础上，进一步引发学生思考，最终实现教书育人的统一。

1《无机及分析化学》课程引入化学史的意义

《无机及分析化学》是新疆大学针对大一新生生物工程、食品等专业开设的一门专业基础课。理论课共有64学时，主要包括无机化学和分析化学两大部分，内容琐碎，大一新生需要从高中紧张灌输式的学习方式转换到大学开放式、发散式的思维方式，难免会有些不适应。按照学校要求，会在学期伊始给学生讲授开学第一课，一是让学生体会到大学和中学学习方式的差异，如中学课程每节课内容少练习多，在课上能够听懂掌握，课后有问题可随时问老师；而大学课程则是每节课内容多，遇到问题需要多思考，课后完全靠自觉。二是让学生了解学习化学这门课的意义。首先，化学是众多学科中与人类生活最为密切的学科，从人类开始使用火开始，到陶瓷、玻璃、金属(天然金属单质、青铜、铁)，再到造纸、火药，直至各式各样新材料的出现，都是化学带来的产物。其次，化学能够提供分析和表征手段，这不仅有利于新分子新结构的设计，也可解决实际生产生活中的具体问题。从化学的数据无论对科学研究还是生产应用都极其重要。工业生产对设备的要求，使用的原料都基于热化学。热力学第一定律又称为能量守恒与转化定律。盖斯很早就意识到热和功的总量只取决于反应始末态，与途径无关。尽管多位科学家都对热力学第一定律做出了说明，但对其明确表述的是迈尔、亥姆霍兹和焦耳。热力学第一定律的确立也说明了“永动机”是不可能制成的。通过对上述三位科学家建立热力学第一定律的过程进行讲解，可以极大地提高学生的学习兴趣。在讲解化学平衡和化学反应速率章节，可以以合成氨为例。首先向学生提问为什么要合成氨，空气中氮气约占78%，能否利用空气中的氮气进行固氮；接着再向学生介绍合成氨从第一次实验室尝试到工业化投产，一共经历了150年的时间，期间无论是加压、加入催化剂，仍然没有重大突破。直至1850~1900年，随着物理化学的不断发展，化学动力学、化学平衡等研究成果为合成氨指明了方向，即利用氢气和氮气制备氨气时温度升高反应会逆向进行，温度降低反应速率太慢，增加压力会使反应朝着合成氨的方向进行。20世纪初，德国化学家哈伯用锇做催化剂制备了氨，尽管产率仅为6%，哈伯因此获得了1918年的诺贝尔化学奖[3]。

2《无机及分析化学》课程引入化学史的教学设计与实践

通过向学生介绍合成氨的工业化历程，可史开始讲述可能是最容易让学生接受的方式。英国哲学家培根曾说过“读史使人明智”，即科学只能带给我们知识，而品味历史可以培养学生的审慎之力，同时去思辨和洞悉其中的客观发展规律，进而建立起一套对周遭事物的辨识体系。只有联系化学史，才能培养学生正确的人生观、价值观，掌握科学的辩证唯物主义和历史唯物主义。以使学生了解到事物的发展规律是螺旋式上升的，同样任何知识的汲取也并不是一蹴而就，是需要过程，在走向成功的路上，要顶住压力忍受寂寞。在讲解元素部分时，可以首先介绍元素周期表的建立。俄国化学家门捷列夫于1869年根据不同元素金属性和非金属性、原子价态、相对化学反应活性等对元素进行分类并排列成表。在他所列的元素周期表中还留有四个空位，代表还有未发现的元素。1868年，德国的迈耶尔发表了《原子周期体积性图解》，清楚表示出元素原子量与原子体积的变化规律，另外，与门捷列夫的元素周期表相比，迈耶尔增加了一个“过渡元素族”[4]。元素周期表的建立是化学发展史上的一个里程碑，它将零散的元素视为内在相连的一个整体，奠定了现代无机化学的基础。通过向学生展示元素周期表的建立过程，可以让学生更深刻地体会到科学的发展与进步不可能只靠一己之力，只有多交流才能碰撞出思维的火花。

3《无机及分析化学》课程引入前沿科研的意义与教学实践

高校教师的根本任务是为学生传授新知识，随着知识不断更新，教师也应当及时跟上学科发展，而实现这一目标的唯一途径就是通过科学研究。可以这样说，没有科研，传授知识也仅是一个熟练工种，教师可以通过多年反复不断地练习，逐渐积累教学经验，甚至做到不备课就讲课。但这向学生传授的也仅限于书本上的内容，忽略了当前处于信息时代，每天信息更新的速度呈几何式增长，学生获得的知识可能大部分早已满足不了社会需求，这不仅会降低学生的求知欲，认为学无所用，也会让教师上课缺乏激情，最后成为机械化教学。实际上，教学不应该仅给学生教授知识，更多的是培养学生，即“人才培养”。上课是人与人相互交流的过程，在交流期间由于思想碰撞产生火花，如果仅是老师唱独角戏，缺少与台下学生的互动，自然无法成为一名好老师。著名教育学家钱伟长曾说过，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育[5]。所以，教师的职责不仅限于传道授业解惑，还要培养学生的自主学习能力，为将来就业或深造打牢基础。从这个角度来看，上课过程中为学生引入前沿科研就显得尤为重要了。在《无机及分析化学》开课初期可以通过讲解具体实例，让学生对科研有个清晰的认识。通俗来讲就是随着科学发展，往往会遇到难题，为了解释难题，就要进行实验，用实验来证明，就是科研。例如面对生物工程专业的新生，可以从和他们专业相关的领域讲起，比如让学生讨论植物生长所必须的营养元素是什么？土壤肥沃程度对植物生长是否必要？你认为植物生长需要哪些物质？通过学生的讨论与思考，再对其进行总结，比如19世纪20年代德国植物学家C.P.Sprengel对植物生长可能所需要的矿物质进行了研究，得出碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钾、钙、钠、镁、铝、硅、铁、锰这15种元素是植物所必须的元素等，这样可气也是储氢技术的一个关键性问题。关于储氢材料的选择，首先要满足多孔性，这样可以高容量地储存氢气，还要有可逆吸收并释放氢气的能力，且要满足输运或长期存放氢气的安全性方面的要求。讲到这里，可以再与上面提到的金属有机框架材料相结合，这样可以使学生深刻体会到知识点不是孤立的，而是以知识网形式存在。再比如讲到p区元素碳族这一节，可以简要介绍当前研究比较热门的石墨烯、碳纤维等新型碳材料。碳纤维由于其超轻且耐腐蚀等特性，可用于制作跑车车身；石墨烯其结构为单原子层厚度的石墨，真正将其制备出来是2004年安德烈·海姆和康斯坦丁·诺维肖洛夫将石墨用胶带反复黏贴再拉开合成的，其单原子层的厚度赋予了石墨烯独特的光学、电学以及力学特性。讲到这里，可以将学生在中学学习到的富勒烯、碳纳米管与石墨烯、碳纤维相对比。通过比较各自所具有的结构特征，更有利于加深理解与记忆。比如，碳纳米管可以简单看做石墨烯卷曲形成的结构，而富勒烯则呈封闭类球形结构。讲到氮族这一节时，可以提一下王水，学生对王水并不陌生，知道王水可以溶解黄金等贵金属，但学生对于不同贵金属在王水中的溶解速度可能并不了解。基于此，可以首先介绍王水溶解黄金的故事，是一位诺贝尔奖得主为了防止德国纳粹搜走金质奖章而将其溶解在王水中。尽管黄金在王水中的溶解速度很快，但是白金(铂)会相对慢一些，还有一些金属并不能被王水溶解，如金属铱(Ir)和锇(Os)，所以王水的使用也具有一定的局限性。另外，王水必须现配现制，因为其极易分解。通过讲解上述内容，可以使学生意识到无机化学反应不单单存在于课本当中，也存在于生活中，这样可以提高学生的学习兴趣，加深对化学反应方程式的记忆。

4结论

在《无机及分析化学》课程中引入思政元素，不仅可以提高学生素质，也对老师提出了更高要求，这就迫使教师将不断学习贯穿整个教学生涯。本文针对《无机及分析化学》课程的特点，引入化学史和前沿科研，这不仅可以调动学生学习的积极主动性，还可以培养学生自主创新的能力，为今后培养新时代人才奠定基础。参考文献以提高学生对《无机及分析化学》这门课的兴趣。另外，讲到配合物章节，可以和学生讲一讲目前研究较热的配合物骨架材料。配合物主要由金属离子和配体组成，通过简单改变配体结构，可以调节配合物的孔径尺寸，从而实现对氢气、二氧化碳等气体的存储。另外，目前还可以以金属有机框架材料为前驱体制备新材料，所得材料也具有发达的空隙和高比表面积。除此之外，在讲到氧化还原反应章节，可以引入锂离子电池、钠离子电池、电解水产氢技术、新能源汽车等。可以简要介绍锂离子电池正负极材料、隔膜、电解液目前存在的问题，改进的措施以及今后的发展方向。而对于电解水产氢技术，由于原料是水，廉价易得，可以作为一种绿色的产氢方法。但目前电解水施加的电压远大于水的理论分解电压1.23V，因此开发新型高效的电催化剂降低反应所需的过电位极为重要。另外，该过程除了需要用电，产生的氢气还面临后期存储与输运的问题，因此选择什么样的材料来储存氢。

参考文献

[1]．学校思想政治理论课教师座谈会上的讲话．新华网．[2019-3-18]．

[2]B.A.苏霍姆林斯基著，周蕖，王义高，刘启娴等译．给教师的建议[M]．湖北：长江文艺出版社，2014．

[3]徐建中，马海云．化学简史[M]．北京：科学出版社，2019．

[4]广田襄著，丁明玉译．现代化学史[M]．北京：化学工业出版社，2019．

[5]钱伟长．钱伟长论教育[M]．上海：上海大学出版社，2018．

作者：贾巍 单位：新疆大学化学学院