張壽春　王曼娟

[摘 要] 元素化學(xué)是“無機(jī)化學(xué)”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(xué)生難學(xué)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(xué)教學(xué)中開展創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐。采用線上線下混合式教學(xué)模式，將線上慕課自學(xué)和線下課堂講授有機(jī)結(jié)合。以生動(dòng)的案例導(dǎo)入課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;通過問題引導(dǎo)、課堂討論、課外研學(xué)等方法，同時(shí)合理融入思政元素，啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)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(xué);教學(xué)設(shè)計(jì);碳元素;混合式教學(xué)

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

元素化學(xué)是“無機(jī)化學(xué)”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(xué)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(diǎn)眾多且分散，大多數(shù)情況下的教學(xué)均為簡單敘述式的描述，系統(tǒng)性較差，給教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都帶來了很大的挑戰(zhàn)。

開展元素化學(xué)的教學(xué)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)元素化學(xué)的積極性，提升元素化學(xué)的學(xué)習(xí)效果，國內(nèi)諸多教育工作者進(jìn)行了許多有益的探索和實(shí)踐。一是在教學(xué)模式和教學(xué)方法上進(jìn)行改革。比如內(nèi)蒙古師范大學(xué)莊曉娟等學(xué)者采用問題導(dǎo)向的PBL教學(xué)模式，通過精心設(shè)計(jì)問題，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題開展有針對性的元素化學(xué)學(xué)習(xí)[1];上饒師范學(xué)院張文廣等學(xué)者通過邏輯思維方式組織元素化學(xué)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生剖析元素化學(xué)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(xué)生的科學(xué)思維能力。二是在教學(xué)手段和教學(xué)工具等方面進(jìn)行創(chuàng)新。中國科技大學(xué)李婉等學(xué)者開發(fā)了一款針對重金屬離子化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)App，讓學(xué)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(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系[3];北京大學(xué)馬鍇果等學(xué)者制作了元素周期表實(shí)物展窗，形象化地展示各種元素的化學(xué)特性，將實(shí)物樣品展示度與樣品背后的化學(xué)內(nèi)涵相結(jié)合，有效地展示了元素化學(xué)的風(fēng)貌，提升了學(xué)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(xué)的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)及課堂組織與教學(xué)效果。

一、教學(xué)背景與思路

（一）教學(xué)背景分析

“無機(jī)化學(xué)”是面向大多數(shù)理工科專業(yè)本科一年級學(xué)生開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課程，學(xué)生在中學(xué)化學(xué)中已對碳元素及其簡單化合物的性質(zhì)有了初步認(rèn)識，為大學(xué)里開展碳族元素的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。此外，在學(xué)習(xí)元素化學(xué)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)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(xué)鍵理論及固體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，為元素化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)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(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是元素化學(xué)教學(xué)取得良好成效的關(guān)鍵點(diǎn)。

（二）教學(xué)模式與教學(xué)方法

采用“線上慕課自學(xué)+線下重點(diǎn)講授+課堂互動(dòng)討論”相結(jié)合的線上線下混合式教學(xué)模式開展教學(xué)。在教學(xué)方法上，將案例導(dǎo)入、問題引導(dǎo)、課堂討論、課外研學(xué)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(jìn)行元素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學(xué)。

二、教學(xué)方法及組織實(shí)施方式

（一）線上線下混合組織教學(xué)

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

筆者的課程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建設(shè)了資源豐富的“無機(jī)化學(xué)”在線開放課程（慕課），學(xué)生可通過中國大學(xué)MOOC平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。教師借助慕課堂智慧教學(xué)工具，實(shí)時(shí)追蹤學(xué)生的線上預(yù)習(xí)進(jìn)度，并檢查學(xué)生的線上預(yù)習(xí)成果和課堂聽課效果。再通過慕課平臺查看并分析各項(xiàng)學(xué)情數(shù)據(jù)，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與改進(jìn)。

課前準(zhǔn)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(xí)任務(wù)，讓學(xué)生帶著目標(biāo)有針對性地進(jìn)行線上慕課預(yù)習(xí)，也為提升線下課堂的教學(xué)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(xué)生在手機(jī)端完成。通過現(xiàn)場投屏顯示學(xué)生得分及每道題的正確率，檢查和了解學(xué)生線上預(yù)習(xí)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(jìn)行講解，并將相應(yīng)的知識點(diǎn)作為重點(diǎn)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(xué)。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(xué)生通過線上慕課完成學(xué)習(xí)，對其中個(gè)別知識點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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(xué)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(jìn)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(xué)生對“前線軌道”概念的理解。在學(xué)生討論回答后，教師進(jìn)行總結(jié)和拓展。前線軌道理論是20世紀(jì)50年代由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、日本科學(xué)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(dòng);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(gè)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(xué)性質(zhì)。CO分子軌道及前線軌道等理論的介紹為后面學(xué)習(xí)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(xué)生課后在手機(jī)端作答，并可即時(shí)查看自己的分?jǐn)?shù)、各題得分情況與習(xí)題解析。教師也可以在慕課后臺及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并對各項(xiàng)學(xué)情數(shù)據(jù)進(jìn)行階段性總結(jié)分析，再反饋至教學(xué)過程中，對教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程進(jìn)行修正，以提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)。比如利用微信群或QQ群及時(shí)發(fā)布與課程相關(guān)的信息或?qū)W習(xí)資料，在群內(nèi)與學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，及時(shí)解答學(xué)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(xué)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(xiàn)或者短視頻給學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的科研熱情，也能起到很好的學(xué)習(xí)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(xí)導(dǎo)入、問題導(dǎo)入、案例導(dǎo)入等。在“元素化學(xué)”課程中，很多內(nèi)容與社會生活、生產(chǎn)實(shí)踐或者科學(xué)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(xué)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(xué)生對當(dāng)前一些社會生活熱點(diǎn)問題的關(guān)注。同時(shí)，播放一段“神奇的新材料——石墨烯”短視頻，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)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(xué)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(jìn)行真相揭秘”。在學(xué)生觀看視頻后，教師組織課堂討論，然后歸納總結(jié)，點(diǎn)出石墨烯具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性、散熱快，保暖功能無從談起;此外，石墨烯造價(jià)貴，在內(nèi)衣中填充石墨烯材料，其成本將遠(yuǎn)不止一兩百元。消費(fèi)者現(xiàn)在購買所謂的“石墨烯保暖內(nèi)衣”，都是因缺乏科學(xué)判斷而交了“智商稅”。接著講授石墨烯這種新材料實(shí)際上也是碳的一種同素異形體，是碳這個(gè)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(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對碳材料在未來科學(xué)領(lǐng)域重要性的認(rèn)識，從而引入本章課程教學(xué)內(nèi)容。

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

（三）巧用辯證思維開展教學(xué)

元素化學(xué)以化學(xué)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(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。將自然辯證法巧妙地滲透到元素化學(xué)的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)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(shí)現(xiàn)元素化學(xué)完整知識體系的傳授和多維教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成[5]。此外，在教學(xué)過程中注重辯證思維的哲學(xué)智慧，滲透辯證唯物主義的科學(xué)觀和技術(shù)觀，使得學(xué)生在深刻認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的邏輯關(guān)系的同時(shí)，也具備未來面對錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)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(shí)，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(xué)生根據(jù)所學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行對比分析，并組織課堂討論，教師再進(jìn)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。可以設(shè)計(jì)表格對金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行具體分析和比較，強(qiáng)調(diào)兩種物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)，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(jī)融入思政元素

元素化學(xué)中蘊(yùn)藏著大量的思政元素，教師可以通過合理巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)將思政元素融入教學(xué)中，培養(yǎng)和提高學(xué)生的辯證思維、創(chuàng)新意識、社會責(zé)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(shí)，通過對金剛石和石墨的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)之間的比較學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生辯證思維的能力。還可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一基本化學(xué)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(xué)生對于新材料的探索熱情。在講述CO的毒性時(shí)，介紹2019年8·10青島火鍋店煤氣中毒事件，并請學(xué)生利用所學(xué)的化學(xué)原理討論分析CO中毒的主要原因，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，關(guān)愛生命。在講述CO2的性質(zhì)時(shí)，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(xué)品或燃料，是實(shí)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(jī)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(xué)家從頭設(shè)計(jì)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(shí)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(xué)生更多地了解我國的科技進(jìn)步，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情。

還可以將課外研學(xué)與課堂教學(xué)相結(jié)合，以開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。比如鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)查閱與元素化學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)的各種學(xué)習(xí)資源，包括研究文獻(xiàn)或視頻素材等，發(fā)送到微信群或QQ群與同學(xué)共享。教師可以挑選一部分學(xué)生查閱的學(xué)習(xí)資源，布置學(xué)生做成PPT，并從內(nèi)容和形式上予以指導(dǎo)，請學(xué)生在課堂上進(jìn)行演講（一般不超過5分鐘），并將這項(xiàng)工作列為課外研學(xué)活動(dòng)在平時(shí)成績中的加分，從而激發(fā)學(xué)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(xué)的教學(xué)效果是“無機(jī)化學(xué)”課程教學(xué)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(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織形式進(jìn)行合理科學(xué)的設(shè)計(jì)。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(xué)模式的優(yōu)勢，將線上慕課自學(xué)和線下課堂講授進(jìn)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(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。適時(shí)地引入生產(chǎn)生活或科學(xué)研究中的生動(dòng)案例，使學(xué)生了解化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本原理在實(shí)踐中的應(yīng)用途徑。通過合理設(shè)計(jì)將思政元素融入教學(xué)過程中，在傳授知識的同時(shí)提升學(xué)生的思想素質(zhì)?？傊?，在元素化學(xué)教學(xué)中，教師通過創(chuàng)新合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，以最終能實(shí)現(xiàn)學(xué)生在知識、能力和素質(zhì)三方面協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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

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