張壽春　王曼娟

[摘 要] 元素化學是“無機化學”課程的重要內(nèi)容，但由于其內(nèi)容多而雜，形成了教師難教和學生難學的現(xiàn)象。以碳族元素中“碳的單質(zhì)和氧化物”內(nèi)容為例，闡述了在元素化學教學中開展創(chuàng)新教學設(shè)計的探索與實踐。采用線上線下混合式教學模式，將線上慕課自學和線下課堂講授有機結(jié)合。以生動的案例導(dǎo)入課程內(nèi)容，激發(fā)學生的學習熱情;通過問題引導(dǎo)、課堂討論、課外研學等方法，同時合理融入思政元素，啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，促進學生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 元素化學;教學設(shè)計;碳元素;混合式教學

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）13-0046-04 [收稿日期] 2022-01-25

元素化學是“無機化學”課程的重要組成部分，主要講述元素周期表中100多種元素的單質(zhì)與化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途及變化規(guī)律等。由于元素化學包含的元素種類多，由各元素組成的物質(zhì)數(shù)量更是龐大，涉及的知識點眾多且分散，大多數(shù)情況下的教學均為簡單敘述式的描述，系統(tǒng)性較差，給教師教學和學生學習都帶來了很大的挑戰(zhàn)。

開展元素化學的教學改革，調(diào)動學生學習元素化學的積極性，提升元素化學的學習效果，國內(nèi)諸多教育工作者進行了許多有益的探索和實踐。一是在教學模式和教學方法上進行改革。比如內(nèi)蒙古師范大學莊曉娟等學者采用問題導(dǎo)向的PBL教學模式，通過精心設(shè)計問題，引導(dǎo)學生帶著問題開展有針對性的元素化學學習[1];上饒師范學院張文廣等學者通過邏輯思維方式組織元素化學教學，引導(dǎo)學生剖析元素化學中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性質(zhì)等內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系[2]，有效培養(yǎng)了學生的科學思維能力。二是在教學手段和教學工具等方面進行創(chuàng)新。中國科技大學李婉等學者開發(fā)了一款針對重金屬離子化學性質(zhì)的教學App，讓學生可以直接觀察常見重金屬離子與堿、常見陰離子之間的反應(yīng)，并經(jīng)過歸納總結(jié)，建立起化合物、反應(yīng)現(xiàn)象與化學性質(zhì)之間的聯(lián)系[3];北京大學馬鍇果等學者制作了元素周期表實物展窗，形象化地展示各種元素的化學特性，將實物樣品展示度與樣品背后的化學內(nèi)涵相結(jié)合，有效地展示了元素化學的風貌，提升了學生的興趣[4]。

本文以碳族元素中碳的單質(zhì)和氧化物為例，介紹了作者開展元素化學的創(chuàng)新教學設(shè)計及課堂組織與教學效果。

一、教學背景與思路

（一）教學背景分析

“無機化學”是面向大多數(shù)理工科專業(yè)本科一年級學生開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課程，學生在中學化學中已對碳元素及其簡單化合物的性質(zhì)有了初步認識，為大學里開展碳族元素的進一步學習奠定了一定的基礎(chǔ)。此外，在學習元素化學內(nèi)容之前，學生已經(jīng)學習了物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的相關(guān)知識，如原子結(jié)構(gòu)、化學鍵理論及固體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，為元素化學教學中培養(yǎng)學生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的辯證思維創(chuàng)造了條件。這一辯證思維的培養(yǎng)和應(yīng)用，是元素化學教學的重點和難點，也是元素化學教學取得良好成效的關(guān)鍵點。

（二）教學模式與教學方法

采用“線上慕課自學+線下重點講授+課堂互動討論”相結(jié)合的線上線下混合式教學模式開展教學。在教學方法上，將案例導(dǎo)入、問題引導(dǎo)、課堂討論、課外研學等多種方法相融合;此外，根據(jù)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的辯證思想，通過對比、歸納、總結(jié)等方法進行元素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學。

二、教學方法及組織實施方式

（一）線上線下混合組織教學

與相對枯燥的化學原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論相比，元素化學充滿更多的趣味，但過于豐富且較零散的內(nèi)容給學生造成過重負擔，影響了學習的積極性和主動性，因此需精心設(shè)計和有效組織，以期獲得更好的教學效果。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的日趨發(fā)展，將線上教學資源和線下實體課堂有機結(jié)合開展混合式教學，是提升元素化學教學質(zhì)量和學習效率的一個非常有效的手段。

筆者的課程團隊已經(jīng)建設(shè)了資源豐富的“無機化學”在線開放課程（慕課），學生可通過中國大學MOOC平臺進行自主學習。教師借助慕課堂智慧教學工具，實時追蹤學生的線上預(yù)習進度，并檢查學生的線上預(yù)習成果和課堂聽課效果。再通過慕課平臺查看并分析各項學情數(shù)據(jù)，對教學內(nèi)容和教學方法進行適當?shù)恼{(diào)整與改進。

課前準備階段，教師提前一周在慕課平臺公告欄中發(fā)布章節(jié)預(yù)習任務(wù)，讓學生帶著目標有針對性地進行線上慕課預(yù)習，也為提升線下課堂的教學效果奠定基礎(chǔ)。

課中授課階段，教師先通過慕課平臺工具發(fā)布本章課堂前測（10道基礎(chǔ)性題目，5分鐘內(nèi)完成），學生在手機端完成。通過現(xiàn)場投屏顯示學生得分及每道題的正確率，檢查和了解學生線上預(yù)習情況，以及對一些簡單的、基礎(chǔ)性內(nèi)容的掌握情況。對于正確率偏低的題目進行講解，并將相應(yīng)的知識點作為重點內(nèi)容講授。線下課堂授課著重探討元素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，以及元素性質(zhì)的應(yīng)用拓展等有一定難度和深度的問題，并結(jié)合問題引導(dǎo)、課堂討論等方法開展教學。在碳族元素中碳的單質(zhì)和氧化物這一部分內(nèi)容中，碳族元素的通性、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的基本理化性質(zhì)等內(nèi)容由學生通過線上慕課完成學習，對其中個別知識點進行選擇性講解;而碳的兩種同素異形體金剛石和石墨之間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的比較分析、CO的結(jié)構(gòu)與成鍵、CO和CO2的性質(zhì)和應(yīng)用拓展等則作為重點講授內(nèi)容。以“CO的結(jié)構(gòu)與成鍵”為例。CO為異核雙原子分子，與N2是等電子體。CO的分子軌道能級圖與N2分子類似，僅能量上略有差異（PPT展示CO的分子軌道能級圖），其電子排布式為（1σ）2（2σ）2（3σ）2（4σ）2（1π）4（5σ）2。由此再引導(dǎo)學生思考，CO分子中含有幾重鍵？分別是什么類型的鍵？這些鍵又是由哪些分子軌道形成的？并要能畫出CO的結(jié)構(gòu)示意圖。進一步介紹在CO的分子軌道中有兩組軌道（5σ軌道和2π軌道）被稱為前線軌道，其中5σ軌道為最高占有軌道（HOMO， Highest Occupied Molecular Orbital），2π軌道為最低未占軌道（LUMO， Lowest Unoccupied Molecular Orbital）。再提出問題，結(jié)合CO的分子軌道能級圖，思考“前線”“最高占有”和“最低未占”這些名詞的含義分別是什么？由此啟發(fā)學生對“前線軌道”概念的理解。在學生討論回答后，教師進行總結(jié)和拓展。前線軌道理論是20世紀50年代由諾貝爾獎獲得者、日本科學家福井謙一提出的一種分子軌道理論。在分子中，HOMO上的電子能量最高，所受束縛最小，所以最活潑、容易變動;而LUMO在所有的未占軌道中能量最低、最容易接受電子。LUMO和HOMO合稱為前線軌道。這兩個軌道決定著分子的電子得失和轉(zhuǎn)移能力，決定著分子間反應(yīng)的空間取向等重要化學性質(zhì)。CO分子軌道及前線軌道等理論的介紹為后面學習羰基化合物打下了基礎(chǔ)。

課后總結(jié)階段，教師再通過慕課堂智慧工具發(fā)布本章的課堂后測（難度大于課堂前測，30分鐘內(nèi)完成）。學生課后在手機端作答，并可即時查看自己的分數(shù)、各題得分情況與習題解析。教師也可以在慕課后臺及時了解學生的學習情況，并對各項學情數(shù)據(jù)進行階段性總結(jié)分析，再反饋至教學過程中，對教學設(shè)計和教學過程進行修正，以提升教學質(zhì)量和學習效果。

除了建立慕課并利用慕課等智慧工具開展線上線下混合式教學之外，還可以通過微信群、QQ群等新媒體平臺開展線上輔助教學。比如利用微信群或QQ群及時發(fā)布與課程相關(guān)的信息或?qū)W習資料，在群內(nèi)與學生進行交流互動，及時解答學生的疑難問題。此外，還可以通過微信群或QQ群向?qū)W生推送一些與元素化學相關(guān)的拓展資源，比如推送碳單質(zhì)（碳納米管、富勒烯、石墨烯等同素異形體）和碳的化合物（CO、CO2等）的研究文獻或者短視頻給學生進行自主學習，開闊學生的視野，激發(fā)學生的科研熱情，也能起到很好的學習效果。

（二）案例導(dǎo)入課程內(nèi)容

課程導(dǎo)入方法有很多種，常見的有直觀導(dǎo)入、復(fù)習導(dǎo)入、問題導(dǎo)入、案例導(dǎo)入等。在“元素化學”課程中，很多內(nèi)容與社會生活、生產(chǎn)實踐或者科學研究的案例密切相關(guān)。因此，通過案例導(dǎo)入是一種非常有吸引力的課程導(dǎo)入方法，也能夠很好地激發(fā)學生對于生產(chǎn)生活及科研的關(guān)注與熱情。

以《碳族元素》這一章為例，從商家售賣“石墨烯保暖內(nèi)衣”的案例介紹導(dǎo)入，激發(fā)學生對當前一些社會生活熱點問題的關(guān)注。同時，播放一段“神奇的新材料——石墨烯”短視頻，引導(dǎo)學生認識石墨烯的結(jié)構(gòu)、性能和潛在的重要用途，并提出問題“請同學們根據(jù)石墨烯的性質(zhì)對石墨烯保暖內(nèi)衣這種借高科技幌子的產(chǎn)品進行真相揭秘”。在學生觀看視頻后，教師組織課堂討論，然后歸納總結(jié)，點出石墨烯具有很強的導(dǎo)熱性、散熱快，保暖功能無從談起;此外，石墨烯造價貴，在內(nèi)衣中填充石墨烯材料，其成本將遠不止一兩百元。消費者現(xiàn)在購買所謂的“石墨烯保暖內(nèi)衣”，都是因缺乏科學判斷而交了“智商稅”。接著講授石墨烯這種新材料實際上也是碳的一種同素異形體，是碳這個大家族里近年來繼碳納米管、富勒烯之后又一種引起全世界廣泛關(guān)注的新興碳材料，進一步引導(dǎo)學生對碳材料在未來科學領(lǐng)域重要性的認識，從而引入本章課程教學內(nèi)容。

關(guān)于碳的單質(zhì)及化合物的科學研究案例也非常多，教師搜集整理研究文獻或視頻素材作為案例導(dǎo)入課程內(nèi)容，也能有效提升學生的學習興趣。

（三）巧用辯證思維開展教學

元素化學以化學原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)為理論基礎(chǔ)，講述元素及其單質(zhì)和化合物的制備、組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用。闡明物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的邏輯關(guān)系是元素化學教學的重要內(nèi)容。將自然辯證法巧妙地滲透到元素化學的教學中，培養(yǎng)學生樹立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的辯證思維。通過分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成鍵特征，揭示物質(zhì)性質(zhì)表現(xiàn)的內(nèi)在原因;闡釋物質(zhì)的性質(zhì)與用途、性質(zhì)與制備方法、性質(zhì)與存在方式之間的邏輯關(guān)系，從而順利實現(xiàn)元素化學完整知識體系的傳授和多維教學目標的達成[5]。此外，在教學過程中注重辯證思維的哲學智慧，滲透辯證唯物主義的科學觀和技術(shù)觀，使得學生在深刻認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的邏輯關(guān)系的同時，也具備未來面對錯綜復(fù)雜的實際情況能夠靈活處理的能力。

講述碳的幾種重要的同素異形體（金剛石、石墨、碳納米管、富勒烯、石墨烯等）時，以金剛石和石墨兩種物質(zhì)為例，通過提問“金剛石和石墨同為碳的同素異形體，但為什么它們的性質(zhì)卻有明顯差異？”引導(dǎo)學生根據(jù)所學的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論進行對比分析，并組織課堂討論，教師再進行歸納總結(jié)，金剛石和石墨的晶體結(jié)構(gòu)不同，碳原子的成鍵方式也不一樣，從而使得它們的性質(zhì)迥異?？梢栽O(shè)計表格對金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進行具體分析和比較，強調(diào)兩種物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的不同點，以及這些結(jié)構(gòu)上的不同導(dǎo)致兩種物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)上的顯著差異。

（四）有機融入思政元素

元素化學中蘊藏著大量的思政元素，教師可以通過合理巧妙的教學設(shè)計將思政元素融入教學中，培養(yǎng)和提高學生的辯證思維、創(chuàng)新意識、社會責任和探索精神等素質(zhì)和能力。比如講述碳的幾種同素異形體時，通過對金剛石和石墨的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的比較學習，培養(yǎng)學生辯證思維的能力。還可以引導(dǎo)學生認識“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一基本化學原理在碳材料中的體現(xiàn)，改變碳原子之間的連接方式就會得到性能迥然不同的材料。石墨是層狀型晶體，如果將其中的一層剝離出來就能形成石墨烯，而將石墨中一層或若干層碳原子卷曲就能形成碳納米管，由此啟發(fā)和培養(yǎng)學生對于新材料的探索熱情。在講述CO的毒性時，介紹2019年8·10青島火鍋店煤氣中毒事件，并請學生利用所學的化學原理討論分析CO中毒的主要原因，引導(dǎo)學生關(guān)注生活，關(guān)愛生命。在講述CO2的性質(zhì)時，可以介紹隨著全球變暖，溫室效應(yīng)和能源短缺引起人們的普遍關(guān)注。通過光催化、電催化或加氫還原反應(yīng)使CO2轉(zhuǎn)化為具有高附加值化學品或燃料，是實現(xiàn)CO2資源化利用的有效方式，對于解決溫室效應(yīng)及全球能源問題均具有重要意義。并以金屬配合物光催化CO2還原反應(yīng)為例，簡要介紹該反應(yīng)的機理。此外，可以將一些最新的研究成果引入課堂，比如介紹國際權(quán)威期刊Science于2021年9月刊發(fā)的我國科學家從頭設(shè)計了十一步主反應(yīng)的非自然CO2固定與淀粉合成新途徑，在國際上首次實現(xiàn)了CO2到淀粉的從頭合成，具有重大的開創(chuàng)性意義。通過此例讓學生更多地了解我國的科技進步，激發(fā)學生的愛國熱情。

還可以將課外研學與課堂教學相結(jié)合，以開闊學生的視野，培養(yǎng)學生的綜合能力。比如鼓勵學生主動查閱與元素化學內(nèi)容緊密相關(guān)的各種學習資源，包括研究文獻或視頻素材等，發(fā)送到微信群或QQ群與同學共享。教師可以挑選一部分學生查閱的學習資源，布置學生做成PPT，并從內(nèi)容和形式上予以指導(dǎo)，請學生在課堂上進行演講（一般不超過5分鐘），并將這項工作列為課外研學活動在平時成績中的加分，從而激發(fā)學生的參與熱情，使其綜合能力得以提升。

結(jié)語

提升元素化學的教學效果是“無機化學”課程教學的重要問題。要避免“填鴨式”灌輸和“羅列式”敘述，教師要對元素化學的教學內(nèi)容和教學組織形式進行合理科學的設(shè)計。結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，充分發(fā)揮線上線下混合式教學模式的優(yōu)勢，將線上慕課自學和線下課堂講授進行合理分工，可以得到事半功倍的效果。通過問題引導(dǎo)、課堂討論等方法，有效啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。適時地引入生產(chǎn)生活或科學研究中的生動案例，使學生了解化學基礎(chǔ)知識和基本原理在實踐中的應(yīng)用途徑。通過合理設(shè)計將思政元素融入教學過程中，在傳授知識的同時提升學生的思想素質(zhì)?？傊?，在元素化學教學中，教師通過創(chuàng)新合理的教學設(shè)計，以最終能實現(xiàn)學生在知識、能力和素質(zhì)三方面協(xié)調(diào)發(fā)展的目標。

參考文獻

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[5]張文廣，彭春玉.基于性構(gòu)相依核心化學思想的元素化學的教學與思考——以“硫的含氧化合物”的教學內(nèi)容為例[J].上饒師范學院學報，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年度中南大學教育教學改革研究項目“基于MOOC和SPOC相結(jié)合的無機化學課程混合式教學模式研究”（2020jy080）;2021年度中南大學課程思政建設(shè)研究項目“線上線下混合無機化學課程思政建設(shè)與實踐研究”（2021KCSZ052）

[作者簡介] 張壽春（1974—），男，湖南邵東人，博士，中南大學化學化工學院副教授（通信作者），主要從事無機化學教學研究。