元素化学课堂教学设计探索与实践

张寿春　王曼娟

[摘 要] 元素化学是“无机化学”课程的重要内容，但由于其内容多而杂，形成了教师难教和学生难学的现象。以碳族元素中“碳的单质和氧化物”内容为例，阐述了在元素化学教学中开展创新教学设计的探索与实践。采用线上线下混合式教学模式，将线上慕课自学和线下课堂讲授有机结合。以生动的案例导入课程内容，激发学生的学习热情;通过问题引导、课堂讨论、课外研学等方法，同时合理融入思政元素，启发学生思维，培养分析问题和解决问题的能力，促进学生知识、能力和素质的协调发展。

[关键词] 元素化学;教学设计;碳元素;混合式教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）13-0046-04 [收稿日期] 2022-01-25

元素化学是“无机化学”课程的重要组成部分，主要讲述元素周期表中100多种元素的单质与化合物的组成、结构、性质、用途及变化规律等。由于元素化学包含的元素种类多，由各元素组成的物质数量更是庞大，涉及的知识点众多且分散，大多数情况下的教学均为简单叙述式的描述，系统性较差，给教师教学和学生学习都带来了很大的挑战。

开展元素化学的教学改革，调动学生学习元素化学的积极性，提升元素化学的学习效果，国内诸多教育工作者进行了许多有益的探索和实践。一是在教学模式和教学方法上进行改革。比如内蒙古师范大学庄晓娟等学者采用问题导向的PBL教学模式，通过精心设计问题，引导学生带着问题开展有针对性的元素化学学习[1];上饶师范学院张文广等学者通过逻辑思维方式组织元素化学教学，引导学生剖析元素化学中物质结构和物质性质等内容之间的逻辑关系[2]，有效培养了学生的科学思维能力。二是在教学手段和教学工具等方面进行创新。中国科技大学李婉等学者开发了一款针对重金属离子化学性质的教学App，让学生可以直接观察常见重金属离子与碱、常见阴离子之间的反应，并经过归纳总结，建立起化合物、反应现象与化学性质之间的联系[3];北京大学马锴果等学者制作了元素周期表实物展窗，形象化地展示各种元素的化学特性，将实物样品展示度与样品背后的化学内涵相结合，有效地展示了元素化学的风貌，提升了学生的兴趣[4]。

本文以碳族元素中碳的单质和氧化物为例，介绍了作者开展元素化学的创新教学设计及课堂组织与教学效果。

一、教学背景与思路

（一）教学背景分析

“无机化学”是面向大多数理工科专业本科一年级学生开设的一门重要基础课程，学生在中学化学中已对碳元素及其简单化合物的性质有了初步认识，为大学里开展碳族元素的进一步学习奠定了一定的基础。此外，在学习元素化学内容之前，学生已经学习了物质结构理论的相关知识，如原子结构、化学键理论及固体结构等内容，为元素化学教学中培养学生形成“结构决定性质，性质反映结构”的辩证思维创造了条件。这一辩证思维的培养和应用，是元素化学教学的重点和难点，也是元素化学教学取得良好成效的关键点。

（二）教学模式与教学方法

采用“线上慕课自学+线下重点讲授+课堂互动讨论”相结合的线上线下混合式教学模式开展教学。在教学方法上，将案例导入、问题引导、课堂讨论、课外研学等多种方法相融合;此外，根据“结构决定性质，性质反映结构”的辩证思想，通过对比、归纳、总结等方法进行元素的结构与性质的教学。

二、教学方法及组织实施方式

（一）线上线下混合组织教学

与相对枯燥的化学原理和物质结构理论相比，元素化学充满更多的趣味，但过于丰富且较零散的内容给学生造成过重负担，影响了学习的积极性和主动性，因此需精心设计和有效组织，以期获得更好的教学效果。随着现代信息技术的日趋发展，将线上教学资源和线下实体课堂有机结合开展混合式教学，是提升元素化学教学质量和学习效率的一个非常有效的手段。

笔者的课程团队已经建设了资源丰富的“无机化学”在线开放课程（慕课），学生可通过中国大学MOOC平台进行自主学习。教师借助慕课堂智慧教学工具，实时追踪学生的线上预习进度，并检查学生的线上预习成果和课堂听课效果。再通过慕课平台查看并分析各项学情数据，对教学内容和教学方法进行适当的调整与改进。

课前准备阶段，教师提前一周在慕课平台公告栏中发布章节预习任务，让学生带着目标有针对性地进行线上慕课预习，也为提升线下课堂的教学效果奠定基础。

课中授课阶段，教师先通过慕课平台工具发布本章课堂前测（10道基础性题目，5分钟内完成），学生在手机端完成。通过现场投屏显示学生得分及每道题的正确率，检查和了解学生线上预习情况，以及对一些简单的、基础性内容的掌握情况。对于正确率偏低的题目进行讲解，并将相应的知识点作为重点内容讲授。线下课堂授课着重探讨元素的结构与性质之间的关系，以及元素性质的应用拓展等有一定难度和深度的问题，并结合问题引导、课堂讨论等方法开展教学。在碳族元素中碳的单质和氧化物这一部分内容中，碳族元素的通性、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的基本理化性质等内容由学生通过线上慕课完成学习，对其中个别知识点进行选择性讲解;而碳的两种同素异形体金刚石和石墨之间结构与性质的比较分析、CO的结构与成键、CO和CO2的性质和应用拓展等则作为重点讲授内容。以“CO的结构与成键”为例。CO为异核双原子分子，与N2是等电子体。CO的分子轨道能级图与N2分子类似，仅能量上略有差异（PPT展示CO的分子轨道能级图），其电子排布式为（1σ）2（2σ）2（3σ）2（4σ）2（1π）4（5σ）2。由此再引导学生思考，CO分子中含有几重键？分别是什么类型的键？这些键又是由哪些分子轨道形成的？并要能画出CO的结构示意图。进一步介绍在CO的分子轨道中有两组轨道（5σ轨道和2π轨道）被称为前线轨道，其中5σ轨道为最高占有轨道（HOMO， Highest Occupied Molecular Orbital），2π轨道为最低未占轨道（LUMO， Lowest Unoccupied Molecular Orbital）。再提出問题，结合CO的分子轨道能级图，思考“前线”“最高占有”和“最低未占”这些名词的含义分别是什么？由此启发学生对“前线轨道”概念的理解。在学生讨论回答后，教师进行总结和拓展。前线轨道理论是20世纪50年代由诺贝尔奖获得者、日本科学家福井谦一提出的一种分子轨道理论。在分子中，HOMO上的电子能量最高，所受束缚最小，所以最活泼、容易变动;而LUMO在所有的未占轨道中能量最低、最容易接受电子。LUMO和HOMO合称为前线轨道。这两个轨道决定着分子的电子得失和转移能力，决定着分子间反应的空间取向等重要化学性质。CO分子轨道及前线轨道等理论的介绍为后面学习羰基化合物打下了基础。

课后总结阶段，教师再通过慕课堂智慧工具发布本章的课堂后测（难度大于课堂前测，30分钟内完成）。学生课后在手机端作答，并可即时查看自己的分数、各题得分情况与习题解析。教师也可以在慕课后台及时了解学生的学习情况，并对各项学情数据进行阶段性总结分析，再反馈至教学过程中，对教学设计和教学过程进行修正，以提升教学质量和学习效果。

除了建立慕课并利用慕课等智慧工具开展线上线下混合式教学之外，还可以通过微信群、QQ群等新媒体平台开展线上辅助教学。比如利用微信群或QQ群及时发布与课程相关的信息或学习资料，在群内与学生进行交流互动，及时解答学生的疑难问题。此外，还可以通过微信群或QQ群向学生推送一些与元素化学相关的拓展资源，比如推送碳单质（碳纳米管、富勒烯、石墨烯等同素异形体）和碳的化合物（CO、CO2等）的研究文献或者短视频给学生进行自主学习，开阔学生的视野，激发学生的科研热情，也能起到很好的学习效果。

（二）案例导入课程内容

课程导入方法有很多种，常见的有直观导入、复习导入、问题导入、案例导入等。在“元素化学”课程中，很多内容与社会生活、生产实践或者科学研究的案例密切相关。因此，通过案例导入是一种非常有吸引力的课程导入方法，也能够很好地激发学生对于生产生活及科研的关注与热情。

以《碳族元素》这一章为例，从商家售卖“石墨烯保暖内衣”的案例介绍导入，激发学生对当前一些社会生活热点问题的关注。同时，播放一段“神奇的新材料——石墨烯”短视频，引导学生认识石墨烯的结构、性能和潜在的重要用途，并提出问题“请同学们根据石墨烯的性质对石墨烯保暖内衣这种借高科技幌子的产品进行真相揭秘”。在学生观看视频后，教师组织课堂讨论，然后归纳总结，点出石墨烯具有很强的导热性、散热快，保暖功能无从谈起;此外，石墨烯造价贵，在内衣中填充石墨烯材料，其成本将远不止一两百元。消费者现在购买所谓的“石墨烯保暖内衣”，都是因缺乏科学判断而交了“智商税”。接着讲授石墨烯这种新材料实际上也是碳的一种同素异形体，是碳这个大家族里近年来继碳纳米管、富勒烯之后又一种引起全世界广泛关注的新兴碳材料，进一步引导学生对碳材料在未来科学领域重要性的认识，从而引入本章课程教学内容。

关于碳的单质及化合物的科学研究案例也非常多，教师搜集整理研究文献或视频素材作为案例导入课程内容，也能有效提升学生的学习兴趣。

（三）巧用辩证思维开展教学

元素化学以化学原理和物质结构为理论基础，讲述元素及其单质和化合物的制备、组成、结构、性质及应用。阐明物质的结构和性质之间的逻辑关系是元素化学教学的重要内容。将自然辩证法巧妙地渗透到元素化学的教学中，培养学生树立“结构决定性质、性质反映结构”的辩证思维。通过分析物质的结构和成键特征，揭示物质性质表现的内在原因;阐释物质的性质与用途、性质与制备方法、性质与存在方式之间的逻辑关系，从而顺利实现元素化学完整知识体系的传授和多维教学目标的达成[5]。此外，在教学过程中注重辩证思维的哲学智慧，渗透辩证唯物主义的科学观和技术观，使得学生在深刻认识物质结构与性质的逻辑关系的同时，也具备未来面对错综复杂的实际情况能够灵活处理的能力。

讲述碳的几种重要的同素异形体（金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯等）时，以金刚石和石墨两种物质为例，通过提问“金刚石和石墨同为碳的同素异形体，但为什么它们的性质却有明显差异？”引导学生根据所学的物质结构理论进行对比分析，并组织课堂讨论，教师再进行归纳总结，金刚石和石墨的晶体结构不同，碳原子的成键方式也不一样，从而使得它们的性质迥异。可以设计表格对金刚石和石墨的结构与性质进行具体分析和比较，强调两种物质在结构上的不同点，以及这些结构上的不同导致两种物质相关性质上的显著差异。

（四）有机融入思政元素

元素化学中蕴藏着大量的思政元素，教师可以通过合理巧妙的教学设计将思政元素融入教学中，培养和提高学生的辩证思维、创新意识、社会责任和探索精神等素质和能力。比如讲述碳的几种同素异形体时，通过对金刚石和石墨的性质与结构之间的比较学习，培养学生辩证思维的能力。还可以引导学生认识“结构决定性质”这一基本化学原理在碳材料中的体现，改变碳原子之间的连接方式就会得到性能迥然不同的材料。石墨是层状型晶体，如果将其中的一层剥离出来就能形成石墨烯，而将石墨中一层或若干层碳原子卷曲就能形成碳纳米管，由此启发和培养学生对于新材料的探索热情。在讲述CO的毒性时，介绍2019年8·10青岛火锅店煤气中毒事件，并请学生利用所学的化学原理讨论分析CO中毒的主要原因，引导学生关注生活，关爱生命。在讲述CO2的性质时，可以介绍随着全球变暖，温室效应和能源短缺引起人们的普遍关注。通过光催化、电催化或加氢还原反应使CO2转化为具有高附加值化学品或燃料，是实现CO2资源化利用的有效方式，对于解决温室效应及全球能源问题均具有重要意义。并以金属配合物光催化CO2还原反应为例，简要介绍该反应的机理。此外，可以将一些最新的研究成果引入课堂，比如介绍国际权威期刊Science于2021年9月刊发的我国科学家从头设计了十一步主反应的非自然CO2固定与淀粉合成新途徑，在国际上首次实现了CO2到淀粉的从头合成，具有重大的开创性意义。通过此例让学生更多地了解我国的科技进步，激发学生的爱国热情。

还可以将课外研学与课堂教学相结合，以开阔学生的视野，培养学生的综合能力。比如鼓励学生主动查阅与元素化学内容紧密相关的各种学习资源，包括研究文献或视频素材等，发送到微信群或QQ群与同学共享。教师可以挑选一部分学生查阅的学习资源，布置学生做成PPT，并从内容和形式上予以指导，请学生在课堂上进行演讲（一般不超过5分钟），并将这项工作列为课外研学活动在平时成绩中的加分，从而激发学生的参与热情，使其综合能力得以提升。

结语

提升元素化学的教学效果是“无机化学”课程教学的重要问题。要避免“填鸭式”灌输和“罗列式”叙述，教师要对元素化学的教学内容和教学组织形式进行合理科学的设计。结合现代信息技术，充分发挥线上线下混合式教学模式的优势，将线上慕课自学和线下课堂讲授进行合理分工，可以得到事半功倍的效果。通过问题引导、课堂讨论等方法，有效启发学生思维，培养学生分析问题和解决问题的能力。适时地引入生产生活或科学研究中的生动案例，使学生了解化学基础知识和基本原理在实践中的应用途径。通过合理设计将思政元素融入教学过程中，在传授知识的同时提升学生的思想素质。总之，在元素化学教学中，教师通过创新合理的教学设计，以最终能实现学生在知识、能力和素质三方面协调发展的目标。

参考文献

[1]庄晓娟，韩明梅.探讨PBL教学法在无机化学元素部分教学中的应用[J].大学化学，2016，31（12）：13-16.

[2]张文广，游明祥，彭思艳.巧用逻辑思维方式讲活无机元素化学——以铜族元素的教学为例[J].化学教育（中英文），2019，40（12）：36-39.

[3]李婉，陈林，陈迪，等.重金属离子化学性质教学App的开发与使用[J].大学化学，2020，35（8）：115-121.

[4]马锴果，贾莉，高珍，等.元素周期表实物展窗：元素化学性质的形象化展示[J].大学化学，2019，34（12）：99-105.

[5]张文广，彭春玉.基于性构相依核心化学思想的元素化学的教学与思考——以“硫的含氧化合物”的教学内容为例[J].上饶师范学院学报，2017，37（6）：65-69.

Exploration and Practice of Classroom Teaching Design of Elemental Chemistry—Taking the Teaching Design of “Simple Substance and Oxide of Carbon” as an Example

ZHANG Shou-chun， WANG Man-juan

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Central South University Changsha，

Hunan 410083， China）

Abstract： Elemental chemistry is an important part of inorganic chemistry course， but it is difficult for teachers to teach and students to learn because of its various contents. Taking the Simple Substance and Oxide of Carbon in carbon group elements as an example， the author expounds the exploration and practice of innovative teaching design in elemental chemistry teaching. Online and offline mixed teaching mode is adopted， which organically combines online massive open online course self-study with offline classroom teaching. We introduce cases into the course content to stimulate students learning enthusiasm. Through the methods of problem guidance， classroom discussion and extracurricular research and learning， this paper integrates ideological and political elements to inspire students thinking， cultivate the ability to analyze and solve problems， and promote the coordinated development of students knowledge， ability and quality.

Key words： elemental chemistry; teaching design; carbon; mixed teaching

基金項目] 2020年度中南大学教育教学改革研究项目“基于MOOC和SPOC相结合的无机化学课程混合式教学模式研究”（2020jy080）;2021年度中南大学课程思政建设研究项目“线上线下混合无机化学课程思政建设与实践研究”（2021KCSZ052）

[作者简介] 张寿春（1974—），男，湖南邵东人，博士，中南大学化学化工学院副教授（通信作者），主要从事无机化学教学研究。