无机化学教学中的创新思维

常新红

(洛阳师范学院化学化工学院，河南 洛阳 471934)

目前世界正处于“百年未有之大变局”， 中华民族伟大复兴之路面临诸多挑战。1988年9月，邓小平同志根据当代科学技术发展的趋势和现状，提出了“科学技术是第一生产力”的论断。党的十八大以来，习近平总书记多次强调，“中国要强盛、要复兴，就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地。”高等教育承担着为谁培养人,培养什么样的人的历史重任。如何在无机化学专业课程中融入思政内容,从而培养高素质创新型人才就成为时代要求。笔者常年担任高师《无机化学》专任教师，深切感到无机化学课程教学过程中融入创新思维教育对于培养优秀的社会主义创新型人才是大有作为的[1]。

1 思维的收敛性和发散性

分析原子结构一章，发现人类在认识原子结构的历史过程中，具有收敛性思维的特征[2]。最早的古希腊原子论认为，原子的数目是无穷的，它们之间没有性质的区别，只有形状、体积和序列的不同。运动是原子固有的属性。它们互相结合起来，就产生了各种不同的复合物。原子分离，物体便归于消灭。当然，这种对原子的认识是原始的和初步的，是人类探索原子结构的初始阶段，没有解释清楚原子的微观结构是什么状态，但是认为物质是由原子组成的。19世纪初提出了道尔顿理论，认为原子是组成化学元素的、非常微小的、不可再分割的物质微粒。在化学反应中原子保持其本来的性质。道尔顿理论非常粗糙，但是也有其合理的地方，圆满地解释了当时已知的化学反应的定量关系，和古希腊的原子论相比，有了很大的进步。但是限于当时的实验条件，又存在很多问题，例如从“思维经济原则”出发，错误的给出许多元素原子量。也没有涉及到原子的微观结构究竟是什么样子的。20世纪初，卢瑟福提出原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核 ，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着原子核旋转。该理论合理的地方是提出原子由原子核和核外电子组成, 按照这个学说，可很好地解释α粒子的散射实验结果，α粒子散射实验的数据还可以估计原子核的大小。卢瑟福原子模型也存在致命弱点，即正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释原子系统的稳定性。1913年，年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时在总结当时最新的物理学发现：普朗克黑体辐射和量子概念、 爱因斯坦光子论和卢瑟福原子带核模型的基础上建立了氢原子核外电子运动模型,解释了氢原子光谱，后人称为玻尔理论。玻尔理论合理的内容是：核外电子处于定态时有确定的能量；原子光谱源自核外电子的能量变化。这一真理为后来的量子力学所继承。玻尔理论的基本科学思想方法是，承认原子体系能够稳定而长期存在的客观事实，大胆地假定光谱的来源是核外电子的能量变化，用类比的科学方法，形成核外电子的行星模型，提出量子化条件和跃迁规则等革命性的概念。然而新量子力学证明了电子在核外的所谓“行星轨道”是根本不存在的。用玻尔的方法计算比氢原子稍复杂的氦原子的光谱便有非常大的误差。最终提出量子力学了理论来解释原子结构。按照量子力学理论，核外电子运动没有固定的轨道，在任何区域都可能出现，只不过在有些区域出现的概率大，在有些区域出现的概率小，例如波尔理论中氢原子的波尔半径就是基态氢原子中电子出现概率最大的区域。通过分析前面几种理论的合理的地方和不足的地方，结合量子力学，综合起来提出了最新的原子结构模型，即用概率理论来解释核外电子的运动规律。并用薛定谔方程来描述核外运动状态[3]。当然，对于大学一年级同学来说，没有必要掌握复杂的数学推导过程，只要掌握四个量子数，就能描述核外电子的运动状态。这种通过人类认识原子结构历史性，以及逐渐完备过程的分析，提出量子力学的原子结构理论，既能够理解原子结构认识的历史，也能使同学们明白及早把握最新的科学成就对科学发展的重要意义。当然也说明任何新理论都不是凭空产生的，需要站在前人的肩膀上，并要用实验作为基础。分析原子的认知过程，始终沿着同一个目标，即物质是由原子组成的，那么原子的结构是什么样子的？经过两千多年的不懈努力，人们终于弄清楚了原子的组成情况。可见，在科学的发展过程中，思维的收敛性起到了巨大的促进作用。

弄清楚原子的组成以后，人类通过获得的相关知识，揭示了很多现象，即思维的发散性。例如，解释了氢原子的线状光谱产生的原因，是由于电子吸收能量后发生了轨道跃迁，然后再回到低能级状态时释放出光子，产生了线状光谱。氢原子核外只有一个电子，电子只受到原子核的吸引，波函数可以精确求解。而对于多电子原子，电子除受核的吸引作用外，还受到其它电子的排斥作用，又因为电子运动符合海森堡不确定性原理，所以用量子力学处理时，需要采用近似方法进行处理。根据元素的原子序数从小到大的顺序排列起来，其性质表现出明显的周期性。至今仍然是指导化学家研究各种物质的重要工具。通过元素的核外电子的排布规律，将元素分成不同的族、周期和区等，并研究元素及其化合物的物理性质和化学性质的变化规律[4]。从中可以发现，思维的收敛与发散是对立统一的，具有互补性，对于科学技术的发展具有重要的推动作用。

2 思维的逻辑性与非逻辑性

思维的逻辑性与非逻辑性的辩证统一对于科学研究和技术发明也非常重要。创造性思维过程的逻辑性，指创造过程中包括演绎、归纳、类比推理等逻辑性思维过程和方法的运用，在创造过程中离不开这些逻辑思维的运用。例如，波尔理论的第一个理论要点，即行星模型，就是将氢原子核外电子的运动类比为太阳系中的行星绕太阳运行，通过这种方法，普通人也会很容易理解原子核外电子的运动状态。为了更容易理解核外电子运动的概率分布，将其类比为一个成绩优秀的射箭选手射箭，虽然不知道他射出的每一支箭会射中靶子的什么地方，但是，当他射了100支箭以后，分析一下结果，必定会发现射中10环的箭应该比较多，即射中靶心的概率比较大。对电子来说，在核外任何地方都可能出现，只不过在有些地方出现的概率大，在有些地方出现的概率小。这里同样运用类比的方法，使我们更容易理解电子的运动规律[5]。

最佳说明推理：分子结构一章主要学习现代价键理论和分子结构理论，其中价层电子对互斥理论和杂化轨道理论是价键理论的内容。 现代价键理论有三个理论要点：一、形成共价键的电子反向自旋、配对成键；二、共价键具有饱和性，即一个原子有几个单电子，就最多可形成几个共价键；三、共价键具有方向性。对于碳原子来说，原子核外有两个2p电子是单电子，按照价键理论，最多可以形成两个共价键，但是CH4分子中，碳和氢之间形成了4个单键，且能量相等，为四面体构型。为了说明这一现象，1931年，Pauling在价键理论的基础上，提出了原子轨道杂化理论。该理论认为，碳原子在形成甲烷分子过程中，1个2s轨道和3个2p轨道发生了杂化，杂化后四个轨道的能级相等，每个轨道中有一个单电子，这样就可以解释为什么CH4分子能形成四个C-H共价键，并且键长和键能都相等。这就是溯因推理，同样也是最佳说明推理。

另外，价键理论也不能说明O2分子具有顺磁性的现象。按照价键理论，每个O原子包含两个单电子，O2分子中两个氧原子之间形成氧氧双键，分子中没有单电子，所以O2分子应该具有抗磁性，但实验表明，O2分子实际上具有顺磁性。这就需要溯因推理，探索其中原因。于是，科学家提出了分子轨道理论，按照价键理论，成键电子只局限在成键两原子间运动。并没有以整个分子来考虑，因而是不够完善的。分子轨道理论就是从分子整体出发，把分子看成是一个多核的统一体。分子中的电子就是在多核体系内运动，即每个电子都属于整个分子或者说围绕着整个分子运动，多原子分子也是如此。因此成键电子是非定域的。同样，分子中各电子也处于不同的空间运动状态。根据分子轨道理论，O2分子中存在两个三电子的 Π键，即分子中有单电子，所以O2分子表现出顺磁性。这里也可以看作溯因推理。

创造性过程中，非逻辑思维的作用是不容忽视的。例如，卢瑟福原子模型的建立，就是把原子特征与行星绕太阳运行的结构进行联想而创造的新的科学模型，经过实验验证具有很高的相似性。晶体结构一章，为了理解晶体的结构，将组成晶体中的原子、分子或者离子都看作一个小圆点，这也是一种联想，通过联想，就很容易理解晶体的各向异性的性质。

3 结 语

无机化学作为高等师范院校化学类专业第一门专业课，对于学生的各方面能力发展起着至关重要的作用。其中，创新能力是大学生需要培养的能力之一，对于化学专业学生的全面发展起着基础性的作用。无机化学的教学过程中，注意学习总结其中的创新思维思想，可以使师生在教学过程中站的更高，看的更远，可以为培养创新型人才贡献做出贡献。