知识点对比与一体化在无机化学教学中的应用

展鹏，刘新泳

山东大学药学院 (济南 250012)

无机化学是一门药学主干基础课，是分析化学、有机化学、物理化学等课程的前设课程，该课程不仅要培养学生自主获取知识，解决一般化学问题的能力，而且要培养学生创新与逻辑思维能力，为后续化学与药学课程奠定基础。无机化学涵盖物质结构理论、物质的变化以及元素化学，内容庞杂、知识点多、基本理论部分内容艰深晦涩，描述化学部分记忆内容多[1- 4]。加之大一学生刚迈入大学校园，尚未脱离高中学习模式，给课程学习带来一定困难。因此，在双一流建设背景下，研究和探讨有效的教学方法是一线教师的迫切任务[5- 8]。

有比较才有鉴别，比较是一切思维的基础，该课程应根据无机化学相关知识的内在联系和学生认识的规律构建化学知识体系。笔者在教学时采用比较的方法，由浅入深，由易到难，突出知识的内在联系，有效促进正迁移。同时，引导学生在比较中发现规律，在比较中激发思维，从而加深对知识的理解。

事物是普遍联系的，这是一体化教学的哲学基础。斯科特扬在《如何高效学习》中提出，整体关联思维是高效学习的核心。善于学习的人脑中，构建的知识体系如同大树一样，学生应关注知识结构与彼此间的联系，而不是零碎知识的堆积。因此，在无机化学的教学中，教师应跳出课程的藩篱，引导学生构建知识体系，将相关知识点融会贯通。

笔者在多年的无机化学教学实践中，根据该课程的特点，逐步建立了关键知识点对比教学及相似内容融会贯通一体化教学的独特方法。本文总结了知识点对比与一体化在无机化学教学中的应用。

1 无机化学基本理论内部的对比

无机化学基本理论包括物质结构理论和结构的变化这两个相对独立却紧密相连的版块。物质结构理论中的原子结构、分子结构与配合物前后承接，学习者对多个理论、概念、术语的比较可以加深其理解。例如，原子轨道与电子云、钻穿效应与屏蔽效应、元素的电离能与电子亲和能、电负性、σ键与π键、共价键中的σ键、π键与分子轨道中的σ轨道、π轨道、分子轨道理论与价键理论、原子轨道近似能级图与分子轨道近似能级图、不同的分子间van der Waals力的比较、共轭酸碱与氧还电对、分子结构中的价键理论与配位化合物的价键理论、配合物价键理论与晶体场理论、内轨型与外轨型化合物、氧化数与化合价、杂化轨道类型与分子空间构型的关系相较于配合物价键理论中杂化轨道与配离子构型的关系等；而结构的变化主要涵盖四大化学平衡，都符合化学平衡的一般原理，但又彼此各成体系，每种平衡常数都有特定的含义。

2 元素化学内部知识版块对比

元素化学内容庞杂，知识点罗列，理论性不强，是无机化学教学中教师普遍感到棘手的部分。教师可以充分利用元素周期表在教学中的作用，挖掘元素化学的知识版块间存在内在联系与规律性。例如，碱金属与碱土金属、主族元素与过渡金属元素、s区与ds区元素、铁系元素与铂系元素等。

在比较教学中，教师应避免知识点灌输，须充分调动学生的主观能动性。例如，从电子构型、电离能、升华热、水合能、理化性质等方面，让学生自主完成ds区与s区元素及化合物性质的比较，同时采取启发式教学，针对这些差异性，启发引导学生分析性质差异与电子层结构的关系。此外，还可以采取将对比知识点蕴于题目的方式，设计具有挑战度的题目。以铁系元素的差异性比较为例，设计题目如下：

①普鲁士蓝的分子式为：Fe4[Fe(CN)6]3；滕氏蓝的分子式为：Fe3[Fe(CN)6]2

试分析二者的结构有何区别？

②Fe3+与Co3+的电荷相同，半径也相近(分别为64pm和63pm)，而Fe3+配合物的稳定性为何比Co3+配合物差？

3 基本理论与元素化学的对比与一体化

元素化学原本就是无机化学基本理论在具体元素中的应用。因此，无机化学基本理论与元素化学之间存在千丝万缕、不可割裂的联系。对于元素化学的教学，教师不应止步于描述阶段，应运用演绎思维把离子极化理论、元素电势图等现代物质结构理论与化学平衡原理充分运用到元素化学的各个部分，紧密结合物质的组成、结构、性质和应用，将枯燥、零碎的元素化学知识变得生动和富有逻辑性。例如，笔者用分子结构理论解释碳的同素异形体结构(石墨、金刚石和富勒烯)；通过对锂的标准电极电势反常的分析对电化学基本原理进行再认识。

此外，笔者通过设置一题多解型的“高阶性”题目，采用启发式教学与问题导向式方法，从多个角度去阐明物质的性质和反应规律，以锻炼学生的发散思维，提高其学以致用与创新能力。例如，Co2+和Co3+水合物、氨合物稳定性存在如下差异：对于水合物，[Co(H2O)6]2+常温下稳定；[Co(H2O)6]3+不稳定，具强氧化性；对于氨合物，[Co(NH3)6]2+很不稳定;[Co(NH3)6]3+常温下稳定。引导学生从电极电势、配合物成键情况、中心离子与配体之间的软硬酸碱匹配性来解释；无机化合物(配合物)的颜色用离子极化、电荷迁移跃迁、配合物理论(d-d跃迁光谱)等解释。

4 无机化学与有机化学的对比与一体化

无机化学和有机化学是化学中的两大分支，随着科技的发展和认知层次的提升，无机化学和有机化学之间的界限现在已相对模糊[9]。例如，无机化学教学中涉及的多个理论都是有机化学学习的基础，包括共价键理论、分子轨道理论、分子间力与氢键、分子的极性与变形性、原子结构中的电子密度、电子云、原子轨道及图形、Lewis酸碱理论等。绝大多数有机化学反应都用到无机试剂或催化剂(例如，烯烃催化加氢用到的铂、钯、镍等催化剂、Friedel-Crafts烷基化与酰基化反应中的路易斯酸等)；有机官能团鉴定中也使用到硝酸铈铵、铬酸、斐林试剂、托伦试剂等多种无机化学试剂；硫酸钠、变色硅胶等有机实验室常用干燥剂也涉及了无机化学中的水合、配位等基本原理。此外，作为无机化学和有机化学之间桥梁的金属有机化学，仍是当前有机化学领域的前沿。

毋庸置疑，无机化学为有机化学的学习奠定了坚实的基础。因此，在无机化学教学中教师应该提前让学生知道二者之间密不可分的关系，以增强其学好无机化学的积极性，为后续课程的学习奠定坚实基础。

5 无机化学与分析化学的对比与一体化

分析化学与无机化学一样，也属于药学专业必修基础课程，且知识点交叉密集。例如，酸碱滴定法、沉淀滴定法、配位滴定法、氧化还原滴定法是分析化学中滴定分析法的核心[10]；无机化学中溶液的相关知识是分析化学中滴定分析法、定量分析计算的依据；无机化学的离子反应是分析化学中滴定分析法的基础；化学反应速率和化学平衡原理是氧化还原滴定法、酸碱滴定法和配位滴定法的理论基础；无机化学课程中的元素化学与分析化学中的定性分析内容重叠度较大。盐类的水解、缓冲溶液等是分析化学中酸碱滴定曲线规律的理论基础；配位化学与分析化学中的检验离子、掩蔽剂、萃取分离、重量分析法、配位滴定等密切相连。在实验课程中，溶液的配制和稀释也是分析化学中配制标准溶液的基本实验技能。

总之，两门课相辅相成。一方面，教师通过分析具体知识点的交叉情况，在无机化学教学中有意识地体现与分析化学的联系；另一方面，针对传统的分析化学与无机化学两门课程在开设过程中存在的内容重叠、信息量大且课时严重不足等矛盾，相关教师可以采取调整课程结构、整合教学内容等措施，采取一体化教学模式，对两门课程进行合理的对接。有条件的院校可以将无机化学和分析化学整合为一门课程，以达到优化课程结构、提高教学效益的目的[11-12]。

6 无机化学与药物化学的对比与一体化

药物化学是药物发现的龙头学科。早期的药物化学是建立在无机化学的基础上，典型药物包括三氧化二砷、碳酸锂、氢氧化铝等无机化合物，以及铂类配合物药物。教学中，教师要启发并引导学生学习无机药物的基本化学原理。例如，根据配位化学的理论，矿物药中含有具有空轨道的中心离子，可以与含有孤对电子的生物配体发生化学反应，形成配合物或者其他化合物，有利于提高矿物药的溶解度，增强疗效。

当前，无机药物化学依然是药物化学的重要分支。Flamazine、Trisenox、Myocrisin、丽珠得乐、Pylorid等金属药物仍是临床常用药物[13-16]，且在某些领域无机化学“老树开新花”。例如，铂类配合物抗肿瘤药物存在严重的毒性和耐药性问题。近年来研究者发现通过与免疫疗法联合使用，可以诱导免疫原性细胞死亡，进而发挥协同作用治疗肿瘤。由于此法具有药物剂量低，毒副作用小的优点，肿瘤化学免疫治疗因而成为设计金属抗肿瘤药物的新方向之一[17]。

值得注意的是，当今药物化学的前沿热点领域依然与无机化学紧密相连，例如，分子间作用力与药物设计、熵焓补偿与药物设计、以金属依赖性蛋白为靶标的药物设计、硼酸类药物设计、稀土元素与探针、基于金属配合物探针、氧化还原与蛋白的氧化磷酸化等[18-23]。在药物的生产与制备过程中，氢键对药物晶体的形成具有显著影响，药物制剂中涉及溶液与酸碱平衡基本知识等。总之，学科交叉研究让无机化学焕发出新的活力。

7 无机化学与哲学的对比与一体化

德国化学家肖莱马曾说“化学的发展是按辩证法的规律进行的”。无机化学中蕴含着丰富的辩证法思想，例如，原子核外电子排布体现的矛盾的普遍性与特殊性，元素周期律反映出的质量互变规律，共轭酸碱、氧还电对、原子内部粒子之间的吸引与排斥背后的对立统一规律，以及原子学说、酸碱理论、配合物理论等所体现的否定之否定规律等。

此外，在方法论方面，无机化学的教学需要注重以基本自然规律为指导，注重模型的引出、理想模型与实际状态的比较，注重由特殊到一般、由性质到结构，注重理论、模型、推论等的阶段正确性和发展性，这属于辩证唯物主义认识论。

无机化学中还蕴含着重要的思维方式，除了熟知的发散思维与收敛思维，量子思维和元素思维是另外两大重要思维方式，钱旭红院士对此有过精彩的论述。量子力学告诉我们，事件的发生可以无视因果顺序，最著名的例子莫过于又死又活的“薛定谔的猫”，量子纠缠、量子态重叠等均不符合因果顺序，几乎同时存在。波函数被微扰而坍塌呈现为现实世界的样子。在量子思维中，对世界的认识不是简单的分解还原，而是一个不可分割的、不确定的整体。量子思维的基本观点是，观察可以改变一切，在未被观察前，微观世界粒子的特性是不确定的，它被观察的那一刻，其不确定性才会消失。即世界范围内的观察结论等于观察主体、被观察客体、主体和客体的相互关系综合作用的结果。正如王阳明所言：“你未看此花时，此花与汝心同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来，便知此花不在你的心外。”因此，“世界是我的表象，世界是即我的意志”，“世界因你而不同”[24-26]。

任何一个事物，即使再复杂，也可以被部分认知。元素思维模式即面对巨大复杂的目标或者难题时，尝试将其分解成若干个更小的单元，然后继续分解下去，直到基本元素为止。只要各元素间的排列具有一定的规律性，各单元间的排列具有规律性，就有可能获得整个领域的规律性。例如，基因遗传中的密码子、核酸中的碱基、蛋白质中的氨基酸、人必需的维生素、糖、矿物质等，均是人们自觉运用元素思维认识和理解客观世界的结果[24-26]。

8 无机化学与人文美学的对比与一体化

大学生人文、美育素质的培养是我国高等院校必须完成的一项重要任务。无机化学中蕴含着丰富的美学元素。例如，元素周期表表现出的结构框架、基本对称的形态美，多样统一的内在美；杂化轨道理论、价层电子对互斥理论等反映出的物质结构理论的对称美；水分子通过氢键形成漂亮的雪花反映出物质形态的对称美；薛定谔方程式的简单美、配位化合物的结构美、配位化合物的颜色美(普鲁士蓝)等不胜枚举。

此外，中国古典文学甚至也可与无机化学基本知识“暗合”。例如，唐代刘禹锡《浪淘沙词九首》中的诗句“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金”，反映了金元素密度大、散存、贵重、稀有的物理性质以及稳定、以单质形式存在的化学性质。《道德经》中“有无相生，难易相成，长短相形，高下相倾，音声相和，前后相随。”“反者道之动”，与质子理论中共轭酸碱的相互依存关系(有酸才有碱，有碱才有酸；酸中有碱，碱中有酸)一脉相承。再如，饶毅教授在《做自己尊重的人》中曾说：“从物理学来说，无机的原子逆热力学第二定律出现生物是奇迹；从生物学来说，按进化规律产生遗传信息指导组装人类是奇迹。愿在你所含全部原子再度按热力学第二定律回归自然之前，它们既经历过物性的神奇，也产生过人性的可爱。”这段文字既涉及无机化学中的热力学原理，又引发人们对生命观的深刻思索，可以作为化学与人文巧妙结合的范例[27]。

作为基础课一线教师，应该博学广识、善于整理，留心之处皆是素材，以赋予专业知识更多的人文色彩与美育功能，培养学生的综合素质。

9 无机化学与其他方面的融合：书本之外，别有洞天

“世事洞明皆学问”，生活即化学，无机化学与日常生活存在密切的联系。例如，民间认为豆腐与菠菜不能同时食用(溶解沉淀)，龋齿的生成与牙齿的保护(溶解沉淀平衡)，溶洞、钟乳石、珊瑚的生成(溶解沉淀平衡)，结石、痛风等病理生理现象(溶解沉淀平衡)，浓差电池与心电图(电化学)，酸碱体质与健康(酸碱平衡)，贫血及其治疗的化学基础知识(配位化合物)等，这些均可以借助图片或实例的形式作为相关章节的内容导入素材。笔者讲授“酸碱平衡”一章时，以一篇题为《“酸碱体质理论大师”被判罚1.05亿美元当庭承认骗局》在中国社交媒体上引发热议的文章为切入点[28]，引发学生思考“酸碱体质理论”是科学还是谎言？让学生带着浓厚的学习兴趣开始本章的学习。值得注意的是，选择与生活相关的实例，不要流于浅表，要有无机化学基本知识点作为“根基”。不要为了贯通而贯通，多想一下贯通的目的是什么？让学生看到无机化学的实用性，提高学习兴趣，坚定学好的决心。

绿色与可持续发展关乎人类命运与福祉，培养学生环境保护与绿色发展的理念是教师义不容辞的责任，也是无机化学的教学目标之一。实例胜于说教，日本的“水俣灾难”(汞)、日本富山县痛痛病事件(镉)、中国云南曲靖重金属污染水库事件(铬)、臭氧层破坏、固氮、酸雨、温室效应、能源短缺和新能源的开发和利用等都与无机化学密切关联。教师应引导学生将所学知识与环境保护联系起来，真正使无机化学内容为绿色发展服务。

另外，实验室安全教育是化学实验室必不可少的环节，但是目前高校安全教育中教条主义严重，很多规章只让学生知其然，而不知其所以然，而元素化学是从科学角度培养学生安全意识的重要课程。例如，当学生学习了碱金属的性质后，自然就明白金属钠着火时为什么不能用水或者二氧化碳灭火器扑灭。

选择与知识版块相关的时事素材，从而充分渗透学生的情感或思政教育，是提高课堂效率、增强教学效果的重要途径。例如，胶体金免疫结合试验是检验医学(病毒检测)中广泛应用的技术。新冠疫情期间，山东大学研究团队，利用胶体金法成功研发出新型冠状病毒IgM抗体快速检测试剂盒。笔者在铜族元素教学中引入该案例，不但通过胶体金的制备原理，强化了学生对金元素性质的认识，而且增强了山大学子作为“山大人”的荣誉感[29]。

10 总结与展望

古老的无机化学依然生机勃勃，无机化学与生命科学、药学的交叉融通又形成了金属有机化学、配位药物化学、稀土元素化学等新的前沿领域。无机化学与日常生活、当下时事的联系千丝万缕。因此，无机化学的教学内容与方法要与时偕行，不应墨守成规。

笔者在无机化学课程教学中引入知识点对比与一体化理念，在对比中碰撞出思维的火花，在一体化中建构出完整的知识体系。在从教的学科当中提炼总结出独特的思维模式，使之互相关联、融会贯通。同时，基于产出理念开展教学评估与反馈，确保教学目标的实现，在教学反思中持续优化，取得了积极的效果。笔者在无机化学学生评教中取得了较高的评价，获山东大学“同屏在线、共振育人”在线直播教学比赛一等奖，2016年、2017年山东大学药学院青年教师讲课比赛一等奖；主持的无机化学课程获2020年山东大学优秀“课程思政”教学设计案例一等奖。

知识点对比与一体化理念有助于建立完整的无机化学课程逻辑体系。教师借鉴“博而通”的原则全面调整后续课程的相互关系，借鉴“少而精”的原则调整教学内容，鼓励使用非固定教材，科研教学一体化，科研成果迁移为教学素材[30-33]。借助探究式、启发式、研讨式教学、非标考试与全过程培养，促进无机化学教学观念从知识传授向思维训练转变，促使学生从知识的存储，到知识的对比与融会贯通、自主构建转变，最终调动知识去创新、创造。