大学化学, 2020, 35(8): 60-66 doi: 10.3866/PKU.DXHX202002043

教学研究与改革

寻找课堂的“催化剂”,激发元素化学趣味性

鹿现永,

Catalysts for Establishing an Interesting Class of Element Chemistry

Lu Xianyong,

通讯作者: 鹿现永,Email: xylu@buaa.edu.cn

收稿日期: 2020-02-20   接受日期: 2020-03-13  

基金资助: 北京航空航天大学2018年“基础化学2”“凡舟”课程教学团队项目
2018年校教学改革重点项目
2018年双百工程(优质课程)项目

Received: 2020-02-20   Accepted: 2020-03-13  

摘要

针对元素化学课程特点,本文提出重视教案设计、精选国内外化学元素视频、航空航天特色结合找交集、日常生活巧结合、诺贝尔大奖结合讲“课程思政”和紧跟时代的考试试题设计等教学手段,“催化”学生学习化学的兴趣,激发课堂活力。

关键词: 元素化学 ; 教学设计 ; 交集 ; 课堂催化剂

Abstract

Well-designed teaching plan, wonderful videos about chemical elements, applications in aeronautics and astronautics, chemistry in daily life, Nobel Prize about chemical elements and novel test questions have been applied in the class of element chemistry. These strategies as effective "catalysts" stimulate students' interest in learning chemistry.

Keywords: Element chemistry ; Teaching designing ; Intersection ; Catalyst in class

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鹿现永. 寻找课堂的“催化剂”,激发元素化学趣味性. 大学化学[J], 2020, 35(8): 60-66 doi:10.3866/PKU.DXHX202002043

Lu Xianyong. Catalysts for Establishing an Interesting Class of Element Chemistry. University Chemistry[J], 2020, 35(8): 60-66 doi:10.3866/PKU.DXHX202002043

元素化学是无机化学重要的组成部分,具有知识点繁多、规律性不强、描述性内容多等特点。学生不但需要熟练掌握元素周期表各主族、副族元素单质、重要化合物的性质及其变化规律;也需要了解掌握元素周期表各族元素单质、化合物的存在、制备及用途等有关知识。学生普遍认为记忆知识太多,而且过于分散,因此上课提不起兴趣。如何寻找元素化学课堂中激发学生兴趣的“催化剂”,是每一位任课教师必须面临的问题。张雯等[1]采用结合传统的面授教学和数字化网络教学的优势,使丰富的教学资源多样化呈现、重要知识点多方位训练,这种博采众长的混合式教学模式受到学生的普遍欢迎。李玲等[2]自创“小诗”让复杂化学元素知识活跃起来;陈咏梅等[3]以“N2分子的结构与性质”为例,引导学生复习化学键理论解释氮气分子结构与其化学性质之间的关系,组织学生以分组方式讨论工业合成氨等实际生产生活问题中的化学原理,使学生关注国计民生的重大需求、了解科技前沿研究热点;魏明灯等[4]以“碳的结构与性能及其应用”为例,引导学生在复习碳元素的结构与性质的基础上,组织学生开展课堂讨论,引导学生对不断涌现的新型碳材料的关注和兴趣。笔者及教学团队通过“重视教案设计,精选化学精彩视频激兴趣、航空航天特色应用找定位、诺贝尔大奖寻兴趣结合点、生活中的化学元素和时代特征考题映射化学魅力”等教学手段,在激活元素化学课堂教学方面取得了一定成效。教学内容基于教材,但又有所扩充,注意总结规律,贯彻基础化学理论对元素规律性性质的解释,培养学生分析问题、解决问题的能力,培养化学基础扎实具有航空航天特色的理科人才。

1 元素化学在北京航空航天大学授课情况介绍

元素化学是北京航空航天大学化学专业、应用化学专业、基础学科拔尖学生培养试验计划-理科实验班三个本科专业的必修基础课程。“元素化学”又称为“基础化学2”,基于“基础化学1”所讲授化学学科的基本理论,如物质存在的形态、物质结构、热力学、动力学和四大化学平衡的基础上,讲授周期表中各个元素及其化合物的基本性质。笔者教学团队承担着高等理工学院理科实验班元素化学的教学任务。理科实验班在一年级要求统一进行高水平理科基础教育和通识教育,目的是培养具有远大理想、高尚情怀、国际化视野和一流竞争力的创造型人才和学术领军人才。高等理工学院作为我校高素质人才培养基地和教学改革试验基地,教育改革创新的先行者、先进人才培养理念的倡导者和空天信融合的践行者,近年来为航空航天相关领域培养了基础牢固、实施全新设计和注重学科交叉融合能力的拔尖创新人才。“元素化学”作为基础学科的重点基础课,不但要完成基础教材内容教学大纲的基本要求,还必需满足于具有国际视野的高素质拔尖人才的需要。这就要求任课教师针对高等理工学院理科实验班的人才培养特点,激发学生的学习兴趣,打造具有国际视野的元素化学授课课堂。

2 打造元素化学兴趣课堂教学实践

2.1 重视教案设计,找准知识切入点

元素化学教学必需要加强科学的教案设计。随着电子课件和慕课在教学中的推广,任课教师普遍存在“重课件设计”而“轻教学设计”现象。下面以碳族元素的“碳的同素异形体知识点”为例,说明如何展开知识点教案设计。石墨和金刚石是碳的同素异形体典型代表。在课堂上,笔者首先介绍同素异形体的定义,然后通过对比让学生了解到两种物质的基本物理化学性质的差别(图1)。如提问引导学生思考为什么同是碳元素,物理化学性质差别那么大?学生此时很容易想到高中化学的相关知识:石墨是层状结构,金刚石是三维网状结构。任课教师此时要引导学生利用杂化轨道理论去解释:石墨的每个碳原子以sp2杂化轨道与邻近的3个碳原子以共价单键相联结,构成片层结构。每个碳原子均有1个未参与杂化的p电子,形成大π键($\pi _{n}^{n}$),这些离域电子使得石墨在层向具良好的导电性。层间的分子间作用力小,易滑动,故石墨有润滑性。而对于金刚石来说,碳原子sp3等性杂化,每个碳原子与相邻四个碳原子成σ共价键,由于无自由电子,故金刚石不导电。由于碳原子全部成键,形成三维网状结构,因此金刚石具有高强度。通过现象对比,引导学生思考;通过理论解释,提升知识点的构建的教学案例设计,极易激发学生的学习兴趣。此外,也要拓展作为碳的同素异形体的石墨烯和富勒烯获得诺贝尔奖的故事及其最新的科学应用,做到教学知识点的升华。

图1

图1   碳同素异形体知识点构建


2.2 精选国内外精彩视频素材,降低学生课堂学习的“活化能”

激发元素化学课堂学生的听课主动性和兴趣点是提高教学质量的关键之一。元素化学知识点多、规律性不强,而且存在着实验课和理论课衔接不畅等问题,那么如何激发学生学习的兴趣,在理论课课堂增加精彩视频素材是很好的解决办法。笔者精选了世界知名化学家,前英国皇家学会副主席,英国诺丁汉大学马丁∙波利亚科夫(Martyn Poliakoff)教授团队拍摄的一系列化学元素单质、化合物及相关应用精彩视频[5]。该视频拍摄团队既有化学系教授、实验教师,也有BBC电视台专业视频记者,因此拍摄的视频质量较高[6]。笔者以N元素视频为例,讲述如何利用在课堂中利用该视频进行教学。图2为笔者精选的视频截图,其中有一段视频在介绍叠氮化物(NaN3)性质的时候,介绍到该化合物应用于汽车安全气囊。化学反应涉及到日常生活中的问题,笔者此时暂停一下视频,引导学生思考汽车的安全气囊背后的化学反应是什么?汽车在发生激烈碰撞后,触发叠氮化钠分解瞬间产生大量的氮气,给安全气囊急速充气。此时任课教师把该化学反应板书写到黑板上,让学生思考该反应存在哪些安全隐患。学生很快想到该反应还存在活泼金属纳。如何消除上述安全隐患,笔者此时通过表1介绍汽车气囊除了叠氮化钠还有KNO3和SiO2及其两者涉及到中间反应和终极反应。学生通过视频引出的三个化学反应,不但掌握了叠氮化合物的性质,回顾了碱金属及其过氧化物性质,更为重要的是激发了他们学习化学的兴趣。在氮元素的视频中,液氮让柔软的橡胶手套变成易碎的玻璃;硝酸铅受热分解产生棕色NO2气体的反应也给学生留下了深刻的印象。

图2

图2   以N元素为例,精彩视频应用于元素化学知识扩展


表1   视频中反馈的汽车安全气囊背后的化学反应

化学反应反应物化学方程式知识点
碰撞触发的反应NaN32NaN3 = 2Na + 3N2叠氮化合物性质
中间反应Na, KNO3Na + KNO3 = K2O + Na2O + N2金属钠性质
终极反应K2O, Na2O, SiO2K2O + Na2O + SiO2 = Na2K2SiO4过氧化物性质

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2.3 巧用航空航天热点问题与化学元素交集,“催化”学生学习化学兴趣

航空航天是中国现代工业的结晶,是北京航空航天大学大部分专业共有的特色。结合化学元素在航空航天领域的应用,对于激发学生兴趣具有很好的促进作用。笔者以化学元素基本物理化学性质为主线,以航空航天领域的燃料、材料、能源、导航和生命维持五大系统应用为知识模块(图3),结合北京航空航天大学的特色专业背景,在化学元素课堂穿插航空航天的国内外应用的讲述[7]。学生深刻了解到高效的燃料、轻质高强的新材料、高性能的化学电源、更加精确的时间和可靠的生命维持系统,这一系列的需求都需要化学元素的重新优化组合带来的新物质。这对于激发学生对于元素化学学习的兴趣,具有很好的促进作用。

图3

图3   航空航天热点问题与化学元素的交集应用举例


2.4 体会生活中的化学,找准学生学习兴趣的自我体验感

化学元素在生活中的应用是最能激发学生兴趣的源泉。元素周期表中几乎每个化学元素(放射性元素除外),我们都能在生活中找到它的影子。任课教师在元素化学课堂上,除了理论之外讲解生活中的化学能够深层次刺激学生的兴趣。例如,如图4所示,生活中的84消毒剂主要成分次氯酸钠;医院常用消毒伤口的过氧水;保护牙齿的含氟牙膏的秘密;铁路修建中铝热反应;蒸馒头用的小苏打;学校复印室内臭氧浓度过高的原因;高档冰激凌店打包袋内干冰;重大节日夜晚燃放的漂亮的烟花;国庆节阅兵式战斗机彩色的拉烟;医院牙科治疗室的麻醉气体N2O;可口可乐用于铁锅除绣的奥秘;用硫粉去除水银倾洒的反应;具有记忆效应的钛合金眼镜架;故宫家具的红色颜料——朱砂,这些与生活中衣食住行相关的应用的讲解,使学生感受到化学的魅力,而且让学生意识到我们日常生活离不开元素化学。

图4

图4   生活中与化学元素教学相关举例


2.5 找准课堂时机,恰当引入“课堂思政”

如何在元素化学课程中发掘和贯彻“课程思政”理念,将理想信念、家国情怀、社会主义核心价值观塑造等思政育人的理念巧妙融会是每一位任课教师的责任。化学的终极任务是通过反应创造新物质。在化学元素发现的历史上,涌现出许多勇于探索的优秀科学家。诺贝尔奖是最有权威和最受社会关注的奖。笔者在讲述元素化学课堂上,讲述诺贝尔(化学奖、物理奖)获奖大师如何通过努力发现新元素的故事,让学生了解科学的发现需要不断的努力和探索,是需要几代人共同的努力才能实现的。笔者在表2中总结了诺贝尔化学奖/物理奖大师们在化学元素发现和科学发展中起的主要作用[8]。以氟单质的制备为例,讲述了科学家与氟的故事。氟是元素周期表中最活泼的非金属元素,氧化能力很强,在常温下,它几乎可以和所有元素反应,生成氟化物。在化学元素史上氟元素的发现,堪称是参加人数最多、工作难度最大,且危险系数最高的课题。科学家们冒着生命危险进行科学探究,在化学史上留下极其悲壮的一页。图5描述了11位具有代表性的科学家历经300多年,从含氟化合物的初步了解、氢氟酸的制备,到氟单质制备的艰难历程。16世纪矿物学之父德国科学家阿格里科拉(Georgius Agricola)首次提及将萤石描述为一种助熔剂;1764年德国化学家马里拉夫(Andreas Sigismund Marggraf)首次将萤石与硫酸在玻璃器皿中加热,制备了具有腐蚀性的氢氟酸;1771年,瑞典化学家舍勒(Carl Wilhelm Scheele)重复了上述反应,他认为反应产物是酸;1810年,法国物理学家安培(André-Marie Ampère)提出,氢氟酸是氢的一种未知元素的氢化合物;英国化学家戴维(Sir Humphry Davy)首次建议使用“氟”的名称;戴维以及著名的法国化学家吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac)和塞纳德(Louis Jacques Thénard),由于吸入氟化氢气体三人健康都遭受了严重的伤害。爱尔兰化学家诺克斯兄弟(Thomas Knox和George Knox)冒着中毒的危险开发了用于氟化氢处理的萤石装置。比利时化学家路易(Paulin Louyet)和法国化学家尼克尔斯(Jerome Nickles)继续进行诺克斯兄弟未完成的研究工作。尽管两人意识到危险,但他们还是因HF中毒而死亡。1886年6月26日,法国化学家莫瓦桑(Henri Moissan)尝试了许多不同的方法之后,构造了特别耐腐蚀的设备,采用低温电解的方法分离出元素氟。1906年在莫瓦桑去世前的两个月,他荣获了当年的诺贝尔化学奖[9]。氟这匹猛兽被莫瓦桑驯服后,就开始服服帖帖地为人类服务,从日常生活用品、农药、医疗乃至航天,氟都表现出了它的非凡作用。科学家经过几百年的不懈努力,终于分离出单质氟元素。这种永不放弃的科研精神,对于培养学生原始创新的恒心和毅力具有很好的激励作用。这也是我们元素化学“课程思政”重要手段之一,为培养创新型拔尖人才起到很好的促进作用。

表2   诺贝尔奖与元素化学

年代获奖科学家获奖理由
1904Sir William Ramsay在空气中发现惰性气体
1906Henri Moissan氟单质的制备
1911Marie Curie镭元素和钋元素的发现
1918Fritz Haber利用氮气和氢气合成氨
1934Harold Clayton Urey发现重氢
1935Frédéric Joliot, Irène Joliot-Curie磷的放射性同位素的发现
1951Edwin Mattison, McMillan Glenn, Theodore Seaborg超铀元素的发现
1976William N. Lipscomb硼烷结构的研究揭示了化学键合问题
1995Paul J. Crutzen, Mario J. Molina, F. Sherwood Rowland臭氧形成与分解机理
1996Robert F. Curl Jr., Sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley发现富勒烯
2019John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino锂离子电池的开发
2010Andre Geim, Konstantin Novoselov石墨烯的发现(2010年诺贝尔物理奖)

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图5

图5   化学家与氟元素


2.6 考题内容与时俱进,元素化学学习兴趣的再激发

在期中、期末考试中,我们利用航空航天热点问题与化学交叉科学知识出题;利用热点电影大片中化学问题与课本知识点联系出题;利用生活中的化学问题出题。如表3所示,热点问题C919飞机首飞和金属铝性质结合;航天舱生命维持制氧系统的过氧化锂的应用;生活中的84消毒剂的主要成分次氯酸钠;中美贸易摩擦中的芯片与硅的性质结合;热映大片《流浪地球》中的二十面体的骰子与晶体硼的性质的结合等,这不但考查了学生对课本知识点的掌握,更为重要的是锻炼了学生的化学科学思维,学会利用化学知识解决问题,再次激发了对元素化学的兴趣。

表3   考试试题举例

考试试题知识点
2017年5月5日下午中国首款国际主流水准的干线客机C919首飞成功。在C919大飞机使用的制造材料中有65%左右的铝合金,下面有关铝的化学性质叙述错误的是……(2017年期中考试选择题)航空航天热点问题,金属铝的化学性质
宇航密封舱中使用Li2O2作为CO2吸收剂和供给氧气,主要原因是Li2O2与Na2O2相比,前者具有密度小和质量轻的优势。(2018年期末考试判断题)航空航天热点问题,碱金属过氧化物的物理化学性质
“84”消毒液是一种以NaClO为主的高效消毒剂,家用洁厕灵的主要成分是盐酸,由于“84”消毒液和洁厕灵中均含有氯元素,所以日常生活中二者可以混在一起使用。(2019期末考试判断题)生活中的化学,次氯酸纳的性质
2018年4月美国商务部发布对中国企业中兴通讯股份有限公司的出口禁令,禁止美国公司向中兴通讯股份有限公司出售包括芯片等在内的零部件及软件。高纯度的单晶硅是制造芯片不可或缺的重要材料,目前我国12英寸及以上规格的硅晶圆几乎全部依靠进口。下列关于硅的叙述中,不正确的是……(2019年期末考试试题)国际热点问题,硅的化学性质
电影《流浪地球》中出现过的正二十面体骰子,在化学中也有类似的结构,例如晶体硼的基本结构单元B12。(2019年期中考试试题判断题)热映电影,晶体硼的性质

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3 结语

针对元素化学的特点,笔者通过重视教案设计、精选国内外化学元素视频、航空航天特色结合、日常生活巧结合、诺贝尔大奖结合讲“课程思政”和紧跟时代的考试试题设计,“催化”了学生学习化学的兴趣,激发了课堂活力,收到了良好的效果。理科拔尖人才实验班的上述教学实践,不但让上课学生感受到化学魅力,而且给教学同行在元素化学教学方面提供参考。

参考文献

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魏明灯; 魏巧华. 大学化学, 2020, 35 (8), 24.

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