知识、能力、素养有机融合的“无机化学”教学改革实践——以自治区一流课程“无机化学”建设为例

梁永锋，杨楠楠，李振亮，韩新宁，赵文霞

（宁夏师范学院 化学化工学院，宁夏 固原 756000）

2015年11 月国务院颁布了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，2016年国家启动了“世界一流大学和世界一流学科”（简称“双一流”）建设工程，2019年4月国家教育部启动了一流本科专业建设的“双万计划”。无论是“双一流”建设还是“双万计划”，其目的都是为党和国家培养一流人才，提升我国各项事业、各个领域的国际竞争力和创新能力。培养一流人才的基础和核心是一流本科教育，基本抓手是一流课程的建设。

“无机化学”是化学及化工类相关专业的一门基础课程，也是学生入学后的第一门基础课，其处于中学教学和大学教学的连接点上，对学生的专业学习起着承前启后的作用，在培养学生学习方法和习惯，提高专业兴趣等方面也起着关键作用，其教学内容极其广泛，几乎涵盖了元素周期表中的所有元素及其化合物，所涉及的物质结构类型众多，化学键型复杂，化学反应多样。如何应对“双一流”建设和“双万计划”对“无机化学”课程教学提出的新要求，是当前“无机化学”任课教师需要高度关注的问题之一。本文在“双一流”建设和“双万计划”视阈下，以一流课程“无机化学”建设为目标，从教学内容、教学模式、考核评价等方面对“无机化学”课程教学进行了改革与实践。

1 “无机化学”一流课程建设的内涵

2019年教育部印发了《关于一流本科课程建设的实施意见》（高教[2019]8号），正式实施一流本科课程建设，目的是推动课程改革创新，打造实现学生更好发展的金钥匙[1]。“无机化学”一流课程整体上要体现出“高观点、多角度、大视野”的特色。具体内容：一是课程目标要与本校应用化学专业人才培养目标高度契合且符合“无机化学”课程性质，具有结构化和层次性；二是育人上始终落实“立德树人”根本任务，坚持政治性与学理性的统一，将系统传授“无机化学”知识与培养学生家国情怀、社会责任、人文底蕴、科学精神和职业素养有机融合，将“无机化学”基本能力培养与价值引领、品格塑造相结合，引领学生树立社会主义核心价值观，加强对学生的科学思想与科学方法、科学伦理与学术道德、职业精神与职业伦理和职业道德培养；三是课程内容要系统体现“无机化学”完整的学科体系以及发展的前沿和时代性，且能够及时汲取“无机化学”最新发展成果和教学改革与研究成果，能对学生的思想教育转化为课程内容且具有较高的科学性，增加研究性、创新性和综合性内容；四是课程团队人人要树立以“教书育人为初心，立德树人为使命”的信念；五是教学过程中要落实“以学生发展为中心”的理念，体现“高阶性、创新性和挑战度”，“高阶性”是指教学中将“无机化学”知识传授与学生能力素质的培养有机融合，重点提高学生解决复杂问题的综合能力和训练学生的高级思维；“创新性”是指教学内容要反映“无机化学”发展前沿和具有时代性，教学模式呈现先进性和互动性，学习方式具有探究性和体现个性化，学习结果既要追求实、深、厚的知识养成，又能够理论联系实际，解决或思考生活、生产和社会发展中的现实问题，而不是对碎、浅、薄的知识追求；“挑战度”是指“无机化学”教学内容要有一定难度，通过师生共同努力才能够完成；六是课程设计上要遵循教学规律和学生身心发展特点及认知特点，体现现代教育思想和理念，构建以学生为中心的新型教与学的师生关系，构建“互联网+教育”深度融合的课程结构和教学模式，课程体系科学，评价考核方式合理，兼顾过程性评价与终结性评价，突出评价的导向性，加强学生的综合能力和高阶能力的考核，重点培养学生的批判性思维、合作能力和解决复杂问题的能力。

2 “无机化学”一流课程建设的现状及教学痛点

我校“无机化学”课程开设于1975年创办的六盘山大学的化学专业（专科），1975～1977年，是“无机化学”课程建设的起步阶段，主要面向六盘山大学化学专业（专科）开设；1978～2005年，是我校“无机化学”课程发展初期，面向的固原高等师范专科学校化学科（后改为化学与化学工程系）的化学、应用化学、环境检测与保护、综合理科专业和护理专业、药学专业开设，2004年批准建设为宁夏回族自治区精品课程（专科层次）；2006年至今，是我校“无机化学”快速发展阶段，随着学校升为本科层次，“无机化学”授课对象也相应改变为化学、应用化学、化学工程与工艺等本科专业的专业课程之一，2009年“无机化学”被立项建设为学校精品课程，2012年被立项建设为宁夏回族自治区“精品课程”，2013年被立项建设为宁夏回族自治区“特色优质公开课程”，2019年被立项为宁夏回族自治区“一流课程”建设的课程。经过40多年几代人的努力，“无机化学”课程建设取得了较好的成绩，但是与一流课程建设标准对照，依然存在着教学模式以讲授为主，忽视了学生学习的主体作用；教学研究注重教法轻学法；考核评价注重结果轻过程；学生培养注重知识传授轻能力素养提高等问题。

3 “无机化学”课程改革与实践

3.1 优化课程体系及重构教学内容，培养学生能力与素养

3.1.1 优化与重构课程内容

为适应课时压缩、质量提高的人才培养新要求，我们将“无机化学”课程分为化学反应原理、物质结构和元素化学三大模块(如图1所示)，教学中以化学反应原理指导元素化合物知识的学习,以元素化合物性质帮助学生深化对化学反应原理理解。“化学原理和物质结构”在大学一年级上学期开设，“元素化学”在一年级下学期开设，使学生初步掌握元素周期律、化学热力学、近代物质结构、化学平衡以及基础电化学等基本原理，避免与后续课程内容重复，解决与后续课程和中学化学的衔接问题。元素化学部分尽可能反映现代化学的多学科相互渗透、交叉这一特征，适当增加生物无机、簇合物及固体无机化学等知识和与学生日常生活密切相关的内容，如“化学元素与人体健康”“大气污染和水体污染与化学处理”等，引导学生将课堂上所学的知识与自己周围的生活环境、当今社会的热点问题联系起来，培养学生理论联系实际的学习理念，提高运用知识的水平和解决实际问题的能力；在加强基础知识学习的同时，力求使课程内容能反映学科前沿，具有先进性和时代感。课程内容中引入了影响干电池放电的因素、pH表示溶液酸碱性的优劣性、酸度AG代替pH的科学性和可行性、C60及其衍生物、纳米材料、储氢材料、低温（低热）固相反应等学科前沿的内容。通过实例分析和深入浅出的介绍，让学生了解“无机化学”的前沿和最新研究成果，为学生进一步的发展奠定基础。

图1 无机化学教学新体系

3.1.2 帮助学生理解和掌握“无机化学”本源性知识

本原就是刨根问底、溯本求源，就是在教学中引导学生掌握“无机化学”中最为原始、朴素、本质的知识，如在化学反应原理模块中，化学平衡原理及其标准平衡常数就是描述化学反应限度这一本质问题，不论四大化学反应类型（酸碱反应、沉淀反应、配位反应和氧化还原反应）中的何种都涉及到反应限度，都有其对应的标准平衡常数，酸碱反应的平衡常数为Kθa(或Kθb)，沉淀反应的平衡常数为Kθsp，配位反应的标准形成常数为Kθf和标准解离常数为Kθd,氧化还原反应平衡常数为Kθ，无论用哪种符号表示，其实质都是化学平衡原理在某一类型反应中的应用。通过热化学中的化学反应等温式ΔrGm(T)=ΔrGm（θT）+RTlnJ将化学平衡与化学反应中的能量变化联系起来。当化学反应体系达到平衡状态时，ΔrGm(T)=0，此时J对应为Kθ，即ΔrGm（θT）=-RTlnKθ。在氧化还原反应中，ΔrGm（θT）=-zFEθMF=-RTlnKθ。因此，化学反应平衡原理及其标准平衡常数无论在理解化学反应的本质还是在有关化学反应进度、物质量的计算过程中都起着重要的作用，是各类化学反应的一条主线。在后续课程化学分析当中，不论是酸碱滴定、沉淀滴定及配位滴定，还是氧化还原滴定、化学计量点以及计量点前后±0.1%误差时，其基础都是基于化学反应标准平衡常数和条件平衡常数，所以教学中帮助学生深刻理解并掌握这一本源性问题，对于相关内容的学习会起到画龙点睛的效果。

Hess定律是化学热力学模块中最基础的定律之一，将状态函数内能的变化量与功(W)和热(Q)这两个非状态函数完美对接，计算和分析化学反应过程中体系与环境因功和热交换而引起研究对象体系内能的变化量等问题。Hess实际的应用就是通过化学反应的偶联可以有效控制化学反应的方向和化学反应进行的限度，其实质就是热力学第一定律在特定条件（定容和定压）下的化学反应所遵循的规律。定容下，体系从环境吸收热量或向环境放出热量称为定容热(QV)，此条件下Qv=ΔU，化学反应体系中体积没有变化(△V=0)；定压下，体系从环境吸收热量或向环境放出热量称为定压热(Qp)，此条件下，化学反应体系中体积可能有所变化(△V≠0)，体系对环境做功或环境对体系做功不为零，根据热力学第一定律及焓的定义有Qp=ΔH。QV、Qp都是非状态函数，而Δ U、ΔH为状态函数。据此学生能自然而然得出在化学反应体系当中，定容下的热效应和定压下的热效应只决定于始态和终态，而与途径无关这个结论，此结论正是Hess定律的另一种表述。通过Hess定律解决了化学反应体系热效应的计算问题，将非状态函数的问题转化为状态函数，而ΔrGm（θT）=-RTlnKθ，化学反应的吉布斯自由能变ΔG与焓变ΔH一样，是确定的状态函数，标准状态下化学反应的摩尔吉布斯自由能变：ΔrGθm（T）=ΔrHθm（T）-TΔrSθm。因此，从某种意义来说，没有Hess定律，标准平衡常数也就无从谈起。教学中，只要善于引导学生深刻理解掌握基本概念和基础理论，再难以理解的知识也会迎刃而解。

3.1.3 挖掘知识之间的内在联系，引导学生融会贯通

元素化学是无机化合物教学中重要的模块之一，内容繁杂且规律性不强，往往被学生称为“第二门外国语”。为了帮助学生理解和掌握元素化合物的性质，教学中要注意知识之间的联系，对教学内容进行整合和总结研究，形成教学论文、教材并引入教学，如为了帮助学生深刻理解元素化合物的性质，教学中开展了无机化合物性质定量化研究，在无机化学理论指导下，推导提出了无机含氧酸的氧化性计算公式[2]Eθ=难溶无机化合物溶解度计算公式[3]：

无机含氧酸强度计算公式[4]：

碳酸盐热稳定性计算公式[7]：

和元素不同氧化态电负性计算公式[8]：

并将其引入到本科教学中，使化学元素和化合物的描述性知识得以系统化、条理化和规律化。

3.1.4 利用“反常”知识，培养学生的创新素养

创新素养的本质是探究未知世界和对一些模糊不清、未有最后定论的问题进行质疑。“无机化学”课程中有很多这样培养学生创新素养的素材，如学习热还原法制取金属时，用Na还原KCl制备K。而在中学化学学习中，学生都知道K比Na活泼，Na不可能将K从其化合物中置换出来，为什么无机化学中会出现“反常”，因为反应条件发生了变化[9]，中学化学中K比Na活泼，是在水溶液中进行的反应，而用Na还原KCl制备K是在干态下进行的；再如元素化合物性质出现的“二次周期性”[10]等问题，教学中若有意识启发学生思考这些“反常”问题，一方面可以加深学生对知识的理解和掌握，另一方面能够促使有志于科学研究的学生继续关注该知识或相关领域并进行探究。

3.2 教学模式的创新和探索

针对社会对高素质、创新性人才提出的新要求，我校“无机化学”课程教学团队坚持“以学生发展为中心，教师为主导，融知识传授、能力培养和素养提升为一体，持续改进”的理念，构建了“三段式六环节主体学习”教学新模式，开展了对分课堂教学方式实践，力争体现“无机化学”课程的“两性一度”和实现课程高阶学习目标的达成。

“三段式六环节主体学习”教学模式[11]是指将教学过程分为课前(设疑和自学)、课中(探究和质疑)和课尾(检测和反馈)三个阶段六个环节，教学流程如图2。设疑是指教师根据教学内容，创设情境，设置疑点，提出问题，编写自学指导方案；自学是指学生根据教师编写的自学指导方案，带着问题自主阅读教材，独立思考，分析并初步解决教师提出的问题；探究是指经过学生自学并带着问题进入小组合作探究，通过小组讨论，互相启发，解决问题；质疑是指学生从个体学习到小组合作探究解决学习内容中的浅层次问题，通过教师的指导来解决深层次的问题；检测是对学生学习情况的诊断；反馈是教师针对学生存在的问题进行点拨，达到提高的目的。“三段式六环节主体学习”教学模式变“教”为“诱”，变“学”为“思”，以“诱”达“思”，有利于提高“无机化学”课堂教学效率和培养学生的学习能力及综合素质。

图2 无机化学“三段式六环节主体学习”教学模式操作流程

对分课堂教学模式是指教学过程中将课堂时间灵活地划分成教师讲授和学生自学、讨论与交流两部分，并在两者之间穿插引入内化吸收环节[12]。教学的核心就是在教师讲解知识后，留出一定的时间让学生自己独立学习、内化吸收，遇到简单、低层次的问题可以通过同伴小组讨论解决；遇到有一定难度、高层次的问题则通过全班交流、师生对话进行解决。对分课堂将教师主导和学生讨论以时间为节点错开，从环节上将一堂课清晰地划分为讲授、内化吸收和讨论三个过程。对分课堂教学模式有机融合了“以教师为中心”和“以学生为中心”两大教学理念，实践表明，该教学模式的实施使无机化学I和无机化学II的期末考试平均成绩分别提高了11.01%和10.53%，有效促进了师生、生生交流，增强了学生学习的主动性，全方位提升“无机化学”教学效果和学习目标的达成。

3.3 评价方式的改革与评价体系的构建

传统的“无机化学”课程考核评价存在以教师评价为主体，过分关注终结性评价，忽视了过程性评价，评价不全面和评价结果应用价值低等问题，不利于高素质、创造性人才的培养。针对现行评价体系的单一和不足，构建了以学生为中心，关注过程，注重学生发展的“无机化学”课程立体化考核评价模式[13]（如图3所示）并进行了教学实践。

图3 以学生发展为中心的“无机化学”课程立体化考核模式

立体化考核模式将过程性评价与终结性评价有机融合，实现了评价的甄别与激励双重功能，全面促进了学生的发展，有效激发了学生的学习兴趣，促进了教与学方式的转变，提升了人才培养质量。

4 结束语

本文对我校近几年“无机化学”课程建设和教学改革进行了梳理和总结，通过课程体系、教学内容、教学模式、考核评价等方面一系列的改革，激发了学生自主学习的主动性和学习“无机化学”的兴趣，提高了“无机化学”教学质量和人才培养质量，促进了学生综合素质的全面提升。但是，面对新时代我国社会发展对高素质、创新型人才的要求及国家“双一流”建设和“双万计划”的实施，在“无机化学”一流课程的建设上我们还需要不断学习和借鉴其他院校的先进经验，谨记课程建设永远在路上，结合我校实际持续改革和实践，期待取得更好的成绩。