压缩学时背景下无机化学教学改革

刘海燕，代小平，张瑛，宋卫余，张楠

1中国石油大学(北京)化学工程与环境学院，北京 102249

2中国石油大学(北京)新能源与材料学院，北京 102249

3中国石油大学(北京)理学院，北京 102249

无机化学是化学、化工类专业本科生必修的四大专业基础课之一[1]。目前，中国石油大学(北京)为化工与制药类专业本科生设置的无机化学教学与分析化学一起，课程名称为“无机化学与分析化学”，为纯理论课教学，总学分4.5学分，总学时72学时，其中，无机化学60学时，分析化学12学时。随着我国高等教育改革的深入进行，要求加强学生实践能力的培养。为此，本校拟在教学目标不降低的前提下将无机化学与分析化学由72学时压缩至64学时，且更加强调学生知识面的拓宽和实践能力的培养。因此，无机化学的教学学时由60学时压缩至52学时，为此无机化学的教学内容和教学方法均需要做出相应的调整。

此外，随着我国新一轮中学化学教育的改革与推进，许多传统的“无机化学”内容，包括Hess定律、热化学方程式、标准平衡常数、弱电解质的解离平衡、化学反应速率等化学基础理论以及核外电子能级、多电子原子的核外电子排布甚至元素周期律、价层电子对互斥理论、杂化轨道理论等结构化学的部分内容均出现在中学化学的选修课本中[2,3]。这一方面造成了由于我国地域辽阔，各地高中所选修的化学内容不尽相同而带来的大一本科生化学基础参差不齐、甚至相差较大的问题；另一方面，学生虽然在中学学习过某些无机化学的相关概念或理论，但受到中学化学的教学特点以及中学生认知水平的限制，使得学生在学习相关概念和理论的时候，只知其然，不知其所以然，所学到的知识呈“碎片化”，学生不能从广度和深度上系统把握无机化学的整体脉络[4.5]。因此，调整无机化学教学内容、改革教学方法，帮助学生把握无机化学知识整体脉络，是在压缩学时背景下，提高无机化学教学水平的要求。

综上所述，本文的目的是在学时压缩的背景下，考虑中学化学课程改革情况，适应高等教育对学生实际应用能力培养的要求，适当调整、拓宽和深化无机化学教学内容，改革教学方法，使学生掌握更深、更广的无机化学知识，建立无机化学整体架构；并基于成果导向教育(Outcome Based Education, OBE)理念，开拓学生视野，培养学生的实践能力，帮助学生建立“知识-能力”一体化的学习理念。

1 无机化学教学内容的调整、拓宽和深化

无机化学教学内容的调整原则是删除或弱化无机化学中与中学化学重复内容的教学，深化、拓宽无机化学基本概念、基础理论教学并梳理它们之间的内在联系，建立无机化学知识脉络和整体框架。为此，打破传统的四大平衡体系，将整个无机化学知识以化学平衡概念为核心划分为五个模块(如图1所示)，并针对不同的模块，适度删减、弱化、拓宽或深化部分教学内容。五个模块分别为化学基础理论模块，包括化学热力学和化学动力学基础；溶液中的离子平衡模块，包括酸碱平衡、沉淀溶解平衡和配位平衡；氧化还原反应与电化学平衡模块；物质结构模块以及元素化学模块。

图1 无机化学5个模块及其关系图

“化学基础理论”模块：在充分了解高中化学所教授知识的基础上，删除热化学方程式部分，增加相应公式的推导，使学生牢固建立起“化学平衡”这一核心概念；将化学热力学和化学动力学基本概念、基础理论的教学由高中阶段的对基本概念、基础理论的简单记忆和理解转变为综合应用其基本原理分析和解决实际问题的能力培养上来。本模块由原来的19学时压缩至16学时。

以Hess定律的应用为例。Hess定律对于计算化学反应的热效应具有重要的意义。对于任一化学反应，其发生的条件不同，热效应也不相同。在热力学上分别用摩尔反应焓变和摩尔反应热力学能变来表示反应在等压和等容条件下的热效应。在大部分无机化学教材中，都给出了化学反应的等压反应热和等容反应热之间的关系式(如式(1))。但该式的推导过程及其适用条件未给出，造成学生对公式的应用存在疑惑。因此，增加等压反应热和等容反应热之间关系的推导，可使学生深入理解Hess定律在研究不同条件(等压或等容)下化学反应热效应时的具体应用。

具体推导过程如下[6]：

考虑任一等温条件下的化学反应，建立如图2所示的反应网络。

图2 等温条件下的化学反应

(i) 该反应由反应物(T,p1,V1) (始态)经过一步等温等压反应到生成物(T,p1,V2) (终态)，如图2反应路径A，此时该反应的反应热即为等压反应热 ΔrHm；

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(ii) 该反应也可以由反应物(T,p1,V1)先经过一步等温等容反应a到生成物(T,p2,V1) (中间态)，再经过一步等温过程b到生成物(T,p1,V2)，如图2反应路径B。根据Hess定律，此反应路径下反应的等压反应热为

(iv) 反应路径B中的步骤b为一等温物理变化过程。分两种情况讨论：① 对于理想气体，由于一定量理想气体的焓只是温度的函数，由此得出ΔHb= 0；② 而对于非气体，由于物理变化的焓变远远小于化学反应的焓变，故此时可以认为ΔHb≈0。

综上所述，即可以得到化学反应等压反应热和等容反应热之间有如式(1)所示的关系。

“溶液中的离子平衡”模块：拓宽酸碱理论的教学，弱化一元弱酸/弱碱的解离平衡的相关计算，重点讲授二元弱酸、盐的水解以及缓冲溶液及其pH的计算和应用；弱化溶解度和溶度积的换算，强化利用溶度积规则讨论沉淀的次序以及沉淀的转化等；强化配位平衡的计算；除此之外，扩大学生的知识面，加强与实际科研和工业生产之间的联系。本模块由原来的12学时压缩至10学时。

对于学生知识面的拓宽，如酸碱理论的教学除了使学生深刻理解在中学和大学阶段涉及到的Arrhenius电离理论、Brønsted-Lowry酸碱质子理论以及Lewis酸碱电子理论外，适当地通过文献查阅、开展大学生科技创新训练项目等手段，使学生自主学习和了解Ingold-Robinson亲电-亲核试剂理论、Lux-Flood氧离子理论、LUMO-HOMO轨道理论、软硬酸碱理论等其他酸碱理论，以拓宽学生视野；并通过分析实际工业过程，如流化催化裂化、烷基化中所用的固体酸Y、ZSM-5分子筛等以及液体酸如硫酸、离子液体等的酸性质，理解各类酸碱理论在实际工业催化过程中的应用。

“氧化还原反应与电化学”模块：针对学生对此模块的内容相对生疏的事实，加强电化学基本概念和基础理论，如电极、电极的分类、电动势、电极电势等的教学，以Nernst方程为核心，加强电极电势影响因素的教学及其相关计算，并将电化学理论与化学电池、化学防腐等过程联系起来；使学生深刻理解元素电势图的意义，为后续学习元素及其化合物的氧化还原性打下基础。此模块是无机化学基础理论部分计算最多、计算综合性最强且最难理解的一部分，因此，为了加强电化学相关计算的教学，在本模块特别设置了1学时的习题课，使本模块学时由原来的9学时增加至10学时。

“结构化学”模块：针对目前有约40%–50%的学生未在高中选学结构化学这一事实，加强基本概念和基础理论的教学，帮助学生建立起基本的结构化学知识体系，并结合后续元素部分的教学，将元素部分涉及到的某些物质，如B2H6、O3、H2O2、SO2等的结构教学提前到本模块中，以提高学生应用原子结构、分子结构、晶体结构以及配合物结构等相关理论理解物质的结构及其结构与性质之间的关系。本模块由原来的10学时增加至12学时。

“元素化学”模块：删除中学化学学过的s区元素包括第IA和IIA元素以及p区元素中的卤素和惰性气体的教学，强化第IIIA–VIA族以及d区及ds区元素的教学。指导学生从原子的核外电子排布、分子轨道理论以及元素电势图出发，来认识元素的共性和特性，如元素的缺电子性、氧化还原性、某些物质的氨合性以及d(ds)区元素的共性，等等。此模块以学生课下自主学习为主、课堂讲授为辅，且将部分元素单质及其化合物的结构调整到结构模块进行教学。因此，本模块课堂学时大幅缩减，由原来的10学时压缩至4学时。

2 无机化学教学方法的改革

2.1 “模块化”教学

如前所述，根据无机化学教学内容，将无机化学划分为5个模块，并以化学平衡为核心建立5个模块之间的关系网络，如图1所示，进行“模块化”教学。

“化学基础理论”模块的教学目的是使学生掌握化学热力学和化学动力学基本概念和基础理论，牢固建立起“化学平衡”的概念，为应用化学平衡及标准平衡常数解决实际问题，如溶液中的离子平衡以及电化学平衡的问题打下坚实基础。其次，引导学生运用化学热力学和化学动力学知识综合分析实际生产过程，如合成氨、硫酸生产、苯乙烯制备等，理解其工艺条件选择的热力学和动力学依据，培养学生解决实际问题的能力。

“溶液中的离子平衡”模块的教学目的是提高学生利用化学平衡及标准平衡常数的基本理论解决水溶液中易溶弱电解质、难溶强电解质以及配合物的生成和解离等单相或多相离子平衡问题的能力。

“氧化还原反应与电化学”模块继续以化学平衡概念为核心，分析和解决发生在原电池中化学反应平衡的问题。本模块是无机化学教学的难点和重点所在，必须以溶液中的离子平衡为基础，如在讨论电极电势的影响因素时涉及到弱电解质的解离、沉淀的生成或配合物的生成或解离等问题。此外，本模块教学也是后续元素部分教学的基础，如对元素电势图的认识和应用为理解元素及其化合物的氧化还原性提供了思路。

“物质结构”模块相对独立。由于近年来中学化学改革的进行，约有40%–50%的学生未在中学阶段选修此部分内容，所以本模块仍然以基础知识和基本理论的教学为主。在原子核式结构的基础上，将原子结构的认识进一步深化到Bohr的原子结构理论以及基于薛定谔方程的原子核外电子运动状态的描述上，使学生理解原子轨道和量子数等基本概念，掌握原子的核外电子排布以及元素周期律，为后续理解元素的特性，如缺电子性、配位性能等打下良好的基础。在分子结构、晶体结构和配合物结构部分，以化学键及其相关理论，如杂化轨道理论为重点，讨论分子的构型、晶体的结构以及配合物的构型及稳定性等。由于本模块与元素化学具有较紧密的联系，因此，在教学中将元素部分的相关内容进行了适当的前移。如在讲解杂化轨道理论时，将B2H6、AlCl3、H2O2、O3、SO2、NO3-等物质的结构提前到本部分教学中。

“元素化学”模块的教学目的是在学生掌握原子核外电子排布的基础上，认识元素及其化合物性质的周期性变化规律，并结合分子结构、配合物结构以及元素电势图的应用，在第三和第四模块的基础上，重点把握元素周期表中重要元素及其化合物的共性和特性问题，理解“结构-性质”变化规律。

对于前4个模块的教学主要采取“课上教学”为主、“课下自学”为辅的教学方式，而对于第5模块，针对元素化学内容繁多、知识零散、化学理论和化学计算较少，但需要大量记忆和理解的特点，采用学生“课下自学”为主、“课上辅导”为辅的教学模式，在有限的课堂学时(如4学时)内，针对元素的共性，如元素的两性、氨合性、与S2-离子的反应性能；或特性问题如第IIIA族元素的缺电子性、d区元素的共性、元素及其化合物的氧化还原性等展开讨论，引导学生以原子结构、分子结构理论以及元素电势图为基础，配合相应的习题，采用“对比”“归纳”的方法将零散的元素化学知识归纳总结到一起，强化记忆和理解，提高利用元素化学知识分析和解决实际问题的能力[5]。

2.2 “分层化”教学

综合考虑学生化学基础参差不齐、甚至相差较大的问题，采用“分层化”教学。对于化学基础较薄弱的学生，注重基本概念、基础理论的教学，充分利用网络资源，督促学生进行课外自主学习，巩固课堂所学基础知识；而针对化学基础较好、学有余力的学生，则提出更高要求，进一步宽化或深化教学内容，或者结合学科发展前沿以及实际生产中的问题以及笔者的科研方向，为其设置“专题研讨”或“大学生科技创新训练项目”，组织学生开展课下研讨或第二课堂，以扩大学生视野，提高学生利用无机化学知识解决实际科研工作及工业生产问题的能力。

以物质结构模块中原子结构的教学为例，介绍“分层化”教学模式。对于中学未选修结构化学的学生，主要教学目标是使学生建立起基本的原子结构知识架构，要求其在掌握原子核式结构的基础上，重点掌握Bohr的原子结构理论、原子轨道、波函数、电子云、四个量子数等基本概念；能够依据原子核外电子排布规则进行多电子原子的核外电子排布；认识原子轨道角度分布图、波函数的径向分布图以及电子云图；掌握原子半径、电离能、电子亲和能、电负性等基本概念以及元素周期律，并能够根据元素的核外电子排布判断其在元素周表中的位置。而对于有一定结构化学基础的学生，除了要求其掌握上述基本概念、基础理论，达到基本能力要求外，进一步要求其理解薛定谔方程，掌握基态氢原子薛定谔方程的求解，能够绘制p轨道的角度分布图，并能够应用波函数的径向分布图理解屏蔽效应和钻穿效应以及能级交错等概念。

2.3 “专题研讨式”教学

“专题研讨式”教学的目的是针对无机化学中某些特定的知识点，结合当前科学发展的前沿以及工业生产实际，开展小组研讨或科技创新训练，以深化学生对相关无机化学知识点以及相关知识点之间关系的理解，拓宽学生视野，把握无机化学脉络，建立“整体化”概念；并培养学生综合应用无机化学知识解决实际问题的能力。小组研讨可以在课上或者在课下进行，对于少数化学基础较强的学生，结合大学生科技创新以科技创新训练项目的形式来完成，以下分别列举了近两年的“专题研讨式”教学所采用的小组研讨题目示例(如①和②)以及大学生科技创新训练项目题目示例(如③–⑤)。通过“专题研讨”或“科技创新训练”，不仅使学生对于相关的无机化学知识有了更加深入全面的理解和认识，培养了学生多角度思考问题、利用所学知识解决实际问题的能力，同时使学生的创新意识和创新能力也得到了进一步加强和提高。

① 温度对于化学反应来说是非常重要的影响因素，分别从化学热力学和化学动力学角度讨论温度是如何影响化学反应的？它对化学反应的影响与什么有关？哪些因素决定着其对化学反应的影响程度？

② Al是第IIIA族元素，气相中氯化铝的结构是怎样的？为什么工业上用AlCl3作为固体酸催化剂？其酸性特征与常用的硫酸、硝酸相同吗？

③ 酸碱理论的发展历程及ZSM-5分子筛的合成及酸性表征。

④ 根据乙硼烷结构的确定，了解现代表征手段对科研的作用。合成SSZ-13分子筛并对其进行结构和酸性表征。

⑤ 我国天然硅酸盐矿物资源状况调研及其组成、结构及活化性能研究。

3 应用效果

本文所述教学改革已应用于化工与制药类本科生无机化学的教学中，取得较好的效果，主要体现在：第一，精简了教学内容，将“课上教学”与“课下自主学习”有机结合起来，提高了学生的学习兴趣，培养了学生自主学习的能力。近两年，绝大多数学生都能够积极主动地通过超星平台下载课件及课外学习资料，且主动完成超星平台上提供的课外练习的比例也提高至90%以上；第二，采用“模块化”教学，帮助学生建立起以化学平衡为核心的无机化学基础理论架构；并将结构化学与元素化学紧密结合起来，使学生深刻理解“结构-性质”之间的关系，做到“既见树木，也见森林”；第三，采用“分层化”和“专题研讨式”教学，一是减轻了基础相对较弱学生的学习压力和心理负担，使学生具有一定的获得感；二是开阔了基础相对较好学生的视野，提高了学习积极性，培养了学生利用无机化学知识分析和解决实际问题的能力及创新意识，形成“知识-能力”一体化的学习理念。通过“分层化”教学的实施，基础相对较弱的学生降低了对自己的预期，对无机化学的学习态度由一开始的厌烦、不适应甚至恐惧的心态慢慢转变为可以接受甚至喜欢的心态上来；而化学基础较强的学生对“专题研讨”表现积极，并对所设置的大学生科技创新训练项目尤其感兴趣，近两年积极要求参与无机化学科创训练的学生人数也大幅增加。2018级有20名学生进入由笔者设置的科创小组进行科创训练，2019级又有12名学生进入无机化学科创小组。通过专题研讨和科创训练，深化和宽化了学生对无机化学知识的理解，培养了创新意识。

4 结语

在压缩学时的背景下适度调整、拓宽并深化无机化学教学内容，探索“模块化”“分层化”及“专题研讨式”教学模式；帮助学生建立以“化学平衡”概念为主线的无机化学理论体系，将结构化学与元素化学紧密结合起来，使学生从结构出发，认识元素及化合物的共性和特性。拓宽学生的知识面，在加强无机化学知识教学的基础上，注重培养学生解决实际问题的能力。

通过近几年教学改革的开展与实施，一方面转变了学生的学习理念，使学生由被动转为主动，由知识学习转变为知识学习与能力培养并重的模式，取得了良好的效果。目前本校化工与制药类无机化学课程实际上是面向化学工程与工艺以及能源化学工程两个本科专业而开设的。随着我国工程专业认证工作的不断推进，对不同专业提出了不同的培养要求。鉴于此，无机化学教学改革更加需要进一步推进，在充分考虑本文所述的学生基础相差较大、学时面临压缩的基础上，无机化学教学既要同时满足两个专业本科生培养目标的要求，也要针对不同的专业特色，有所侧重地对学生进行差别化培养，并在此过程中针对不同专业所涉及的不同的实际工业过程开展“专题研讨”或科研创新训练活动，以提高学生将无机化学知识应用于分析和解决实际问题的能力。