基础无机化学“f区元素”课程设计的新认识和重构

doi:10.3866/PKU.DXHX202208030

摘要/Abstract

摘要：

基于对基础无机化学“f区元素”课程内容的重新认识，探索了课程设计的重新构建：(1) 重构并完善教学课程新体系，充实知识、能力、素质三个模块，最终做到三者之间的有机融合；(2) 客观处理“镧系元素”和“锕系元素”的异同，强调两个系列并非“双胞胎”，注重“锕系元素”内容的完整性；(3) 强化“专业与思政同向同行”的理念，充分展现教材的教育功能，突出中国科学家对世界科学进步的贡献。

关键词: 镧系元素, 锕系元素, 课程设计, 有机融合, 人才培养

Abstract:

With new insights into the course content of "f-zone elements" in general inorganic chemistry, this study explored the reconfiguration of the course design, which includes: i) A new system of teaching the course was reconfigured and improved, and three modules of knowledge, ability, and quality were enriched, thus achieving integration between the modules. ii) The similarities and differences between lanthanides and actinides were objectively handled, and the two series were emphasized to no longer appear identical. Meanwhile, the content integrity of actinides was more focused. iii) The idea of major going with ideology politics within the same direction was strengthened. The educational function of teaching materials was fully displayed, and the contribution of Chinese scientists to the world's scientific progress was highlighted.

Key words: Lanthanide, Actinides, Course design, Integration, Personnel training

徐玲, 刘冰, 焦宝娟, 胡满成, 高胜利. 基础无机化学“f区元素”课程设计的新认识和重构[J]. 大学化学, 2022, 37(11): 2208030.

Ling Xu, Bing Liu, Baojuan Jiao, Mancheng Hu, Shengli Gao. New Insight and Reconfiguration in the Course Design of "f-Zone Elements" in General Inorganic Chemistry[J]. University Chemistry, 2022, 37(11): 2208030.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202208030

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2022/V37/I11/2208030

图/表 4

图1

图2

图3

表1

f区元素教学模块的建议内容"

模块单元	内容布局及核心点	讲授设计策略	主要设计特点
1. 稀土元素概述(1学时)	内容：稀土元素和镧系元素的概念；稀土元素的发现和命名；稀土元素在自然界中的存在；稀土元素资源的分布及我国的稀土资源；稀土元素的一般性质核心点：稀土元素和镧系元素的概念；我国的稀土资源及特点；稀土元素的一般性质	前三个内容为线上提供资料学生自学；略讲我国的稀土资源及特点；详讲稀土元素的一般性质(从电子结构及成键讲述价态、原子半径和离子半径、离子的颜色等规律性或周期性特点)；全面介绍稀土元素一般性质的规律性、典型化学反应、晶体结构的多样性、制备技术	线上线下混合；依据课时安排张弛有度；有例题、思考题启发学生思考、交流；尽量精制表、彩图穿插，利于科学解析和阐释及课件制作；提供充足的参考文献，注重及时引入最新研究成果
1. 稀土元素概述(1学时)	历史事件回顾1)：混合稀土的分组命名历史事件回顾2)：有关f区元素定义的争论仍在继续	专题讲座专题讲座	提高科学思辨能力，吸收化学史的营养
2. 稀土元素的光谱性质和磁学性质 (0.5学时)	内容：稀土元素的光谱性质；物质的磁性核心点：镧系离子的电子构型及基态光谱项；稀土金属的磁性特性	线上提供资料，课堂明晰概念：从镧系离子的电子构型及基态光谱项，引出有重要用途的镧系三价离子的能级和吸收光谱；从稀土元素离子的磁矩引出稀土金属的磁性及其与d过渡元素磁性的对比。目的在于讲清楚“构效关系”	不是基础课核心内容，将光谱性质和磁学性质放在一起，注重概念和特点，为后面应用打基础，保持知识的连续性和科学性。目的使学生清楚“学以致用”
3. 镧系元素的重要化合物(0.5学时)	内容：氧化数为+3的化合物；氧化数为+2和+4的化合物；纳米稀土氧化物核心点：重要稀土化合物(卤化物、硝酸盐、硫酸盐、草酸盐、碳酸盐、磷酸盐、高氯酸盐)；氧化物及氢氧化物；几种重要的纳米稀土氧化物	重点知识详讲：物理性质、化学性质的某些规律性、制备及应用基础。提倡“发散思维”	注重从表、图中获得信息，理出头绪；提供充足的参考文献
4. 稀土元素配位化学简介(1学时)	内容：稀土元素结构化学；稀土元素配位化学简介；稀土配合物的一般合成；稀土配合物的热力学性质；稀土与无机配体生成的配合物；稀土与大环配体及其开链类似物生成的配合物；稀土生物配合物核心点：稀土元素结构化学；稀土元素配位化学简介	重点知识讲解保持张弛有度：尝试将结构化学和配位化学放在一个模块，基本内容偏重基础，适当扩充知识深度和宽度；稀土元素配位化学是在学生已有“配位化学知识基础”上学习，扩充应用范围，体现“高阶性”	不是基础课核心内容，注重概念和特点，为后面应用打基础，保持知识的连续性和科学性。注重利用结构数据和热力学数据对问题的阐释
5. 稀土元素的提取(0.5学时)	内容：提取稀土元素的概况；提取稀土元素的工业原料；稀土精矿的分解；稀土元素的化学法分离；稀土元素的离子交换法分离；稀土元素的溶剂萃取法分离核心点：稀土精矿的分解；稀土元素的主要分离方法概述	重点知识详讲：我国稀土不光是资源储量世界第一，而且在资源开发和工业生产中的理论、工程技术也是独占鳌头。尽力突出中国科学家对世界科学进步的贡献，利于体现一个国家、一个民族的价值观体系功能，激起学生的爱国情怀	重点以典型的稀土矿为例讲解矿物分解原理、工艺、生产；以无机元素分离方法为基础，突出工业离子交换法和溶剂萃取法分离应用；提高学生的知识应用能力
5. 稀土元素的提取(0.5学时)	历史事件回顾3)：徐光宪发展串级萃取理论	线上提供资料+专题讲座：突出中国稀土20世纪70年代对国际稀土界形成“中国冲击”，是北京大学徐光宪院士等提出的串级萃取理论及工业实践	突出中国科学家的贡献，学习老一辈科学家的敬业精神和爱国情怀，学习理论联系实际的研究作风、科学研究方法；将专业与思政有机结合，提高教材质量
6. 稀土元素的应用简介(0.5学时)	内容：磁性材料；荧光、激光材料；玻璃陶瓷材料；贮氢、超导材料；在冶金工业、催化、农业、医药中的应用核心点：光、电、磁性质在先进功能材料中的应用	线上提供丰富资料，学生自学；提示注重构效关系、新型材料应用	以文献索引引导学生自主学习、认真思考(设置思考题)
7. 锕系元素简介(1学时)	内容：锕系元素的概念；锕系元素的一般性质；锕系元素的几种重要反应；锕系元素的几种重要化合物；锕系元素的分离；锕系元素的应用和毒性核心点：一般性质；重要反应；重要化合物；锕系元素的分离、应用	线上提供丰富资料，学生自学；课堂重点知识详讲，构架锕系元素知识的完整性	以对照镧系元素特征规律的方式揭示锕系元素与镧系元素的异同和特点

表1

参考文献 48

1	曹锡章;宋天佑;王杏乔.无机化学(下册),第3版北京:高等教育出版社,1995.
2	宋天佑;程鹏;徐家宁;张丽蓉.无机化学(下册),第4版北京:高等教育出版社,2019.
3	Некрасов, B. B. 普通化学教程. 北京大学化学系, 南开大学化学系, 北京工业学院化工系的无机化学教研室, 合译. 北京: 高等教育出版社, 1952.
4	格林卡, Н. Л. 普通化学. 殷恭宽, 张志炳, 潘秉智, 译. 北京: 商务印书馆, 1952.
5	徐光宪.大学化学,2001,17(1),1. doi: 10.3866/PKU.WHXB20010101
6	申泮文;车云霞.大学化学,2002,17(4),9.
7	郑兰荪.中国大学教学,2015,(11),4. doi: 10.3969/j.issn.1005-0450.2015.11.001
8	Theodore, G. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe; Black Dog & Leventhal Publishers: New York, NY, USA, 2009.
9	邓翀;苏一茂;黄闻亮.核化学与放射化学,2020,42(6),443.
10	邓翀;苏一茂;黄闻亮.核化学与放射化学,2021,43(1),1.
11	Heсмеянов, A. Н. 放射化学. 何建玉, 魏连生, 赵月民, 译. 北京: 原子能出版社, 1985.
12	Runder, W. H.; Schulz, W. W. Chapter 8: Americium. In The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 4th ed.; Morss, L. R., Edelstein, N. M., Fuger, J. Eds.; Springer: Dordrecht, Netherlands, 2010.
13	成迎春.化学教与学,2020,(2),45. doi: 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.014
14	MaZ. H.;TianH.;CongL. Y.;WuQ.;YueM.;SunS. H.Angew. Chem. Int. Ed.2019,58,14509. doi: 10.1002/anie.201907763
15	ZhengH. W.;WangX. M.;WeiH. W.;ZhenY.;YinC. L.;YangZ. P.;JiaoH.Chem. Commun.2021,57,3761. doi: 10.1039/D1CC00893E
16	LiH.;LiuB.;XuL.;JiaoH.Dalton Trans.2021,50,143. doi: 10.1039/D0DT03626A
17	ShenM. L.;LiuB.;XuL.;JiaoH. J.Mater. Chem. C2020,8,4392. doi: 10.1039/D0TC00364F
18	MarinR.;BrunetG.;MurugesuM.Angew. Chem. Int. Ed.2021,60,1728. doi: 10.1002/anie.201910299
19	Kramers, H. H. The Atom and the Bohr Theory of Its Structure; Gyldendal: London, UK, 1923.
20	SeaborgG. T.Chem. Eng. News1945,23,2190. doi: 10.1021/cen-v023n023.p2190
21	LavelleL. J.Chem. Educ.2008,85,1482. doi: 10.1021/ed085p1482
22	ChandrasekarA.;JoshiM.;GhantyjT.Chem. Sci.2019,131,122. doi: 10.1007/s12039-019-1713-7
23	徐玲;刘保健;刘冰;焦桓;高胜利.化学教育,2021,42(22),106.
24	徐光宪.北京大学学报(自然科学版),1978,(1),51.
25	徐光宪.北京大学学报(自然科学版),1978,(1),67.
26	李标国;徐献瑜;徐光宪.北京大学学报(自然科学版),1980,(2),66.
27	李标国;严纯华;乔书平;徐光宪.中国稀土学报,1985,6(3),20. doi: 10.3321/j.issn:1000-4343.1985.03.004
28	李标国;严纯华;乔书平;徐光宪.中国稀土学报,1986,7(4),1. doi: 10.3321/j.issn:1000-4343.1986.04.001
29	程福祥;吴声;廖春生;严纯华.中国稀土学报,2021,39(3),490.
30	应浙聪;赵胜洋.核化学与放射化学,,2020,42(4),242.
31	刘耀阳;刘志斌;赵闯;周羽;高杨;何辉.化学进展,2020,32(Z1),219.
32	池哲鑫;罗爽;田景林;姜春雪;周江林;邓煜;潘茜.应用化工,2019,48(3),656. doi: 10.3969/j.issn.1671-3206.2019.03.038
33	黄昆;毛国淑;丁有钱;张生栋;杨志红;杨磊;宋志君.核化学与放射化学,2020,42(4),249.
34	李波;马利建;罗宁;李首建;陈云明;张劲松.化学进展,2020,32(9),1316.
35	蒋德祥;何辉;朱文彬;李峰峰;唐洪彬.核化学与放射化学,2012,34(3),142.
36	杨奇;陈三平;谢钢;高胜利.中国大学教学,2016,(4),31.
37	李晓光;杨仁茂.化学教育,2022,43(13),42.
38	北京大学络合物及萃取化学组.北京大学学报(自然科学版),1973,(1),91.
39	马鹏起.稀土,2016,37(6),108.
40	李标国;严纯华;高松;徐光宪.稀土,1986,7(6),8.
41	徐光宪;袁承业.稀土的溶剂萃取,北京:科学出版社,1987.
42	ChengF. X.;WuS.;LiuY.;WangS. L.;ZhangB.;LiaoC. S.;YanC. H.Sep. Purif. Technol.2014,131,8.
43	ChengF. X.;WuS.;WangS. L.;ZhangB.;LiuY.;LiaoC. S.;YanC. H.Adv. Mater. Phys. Chem.2015,5,325.
44	ChengF. X.;WuS.;WangS. L.;ZhangB.;LiuY.;LiaoC. S.;YanC. H.Chin. J. Chem.2014,32,1022.
45	廖春生;程福祥;吴声;严纯华.中国科学: 化学,2020,50(11),1730.
46	廖春生;程福祥;吴声;严纯华.中国稀土学报,2017,35(1),1.
47	严纯华;吴声;廖春生;贾江涛;程福祥;王嵩龄;张玻.无机化学学报,2008,(8),1200.
48	吴声;廖春生;严纯华.中国稀土学报,2012,30(2),163.

[1]	冯五一, 赵娣. 浅谈人工智能技术融入高校化学教学的意义和举措[J]. 大学化学, 2025, 40(9): 156 -163 .
[2]	宝金荣, 张景林, 李文先, 朱晓伟. 苯甲酸稀土配合物的制备及性能表征——基于应用化学专业人才培养的综合化学实验案例分析[J]. 大学化学, 2025, 40(8): 218 -224 .
[3]	樊漪, 蒋焯琪, 李智鹏, 周璇, 林景安, 张来英, 侯旭. 偶极诱导液体门控可视化物质检测——化学“101计划”表界面性质应用实验新设计[J]. 大学化学, 2025, 40(8): 265 -271 .
[4]	陈方方, 樊海明, 李延, 和媛. 化学生物学专业多元化人才培养导向的课程体系优化探索[J]. 大学化学, 2025, 40(8): 92 -99 .
[5]	王婷婷, 孙初锋, 李振华, 王鸿灵, 王文芳, 苏小平, 崔璐娟, 王成君. 面向工程实践能力培养的“化工原理”四阶递进教学创新[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 112 -118 .
[6]	张佳敏, 范震, 杜建忠. 中外融会贯通教学——以生物医用高分子材料创新人才培养为例[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 156 -160 .
[7]	张景慧, 沈薇, 唐盛, 贾儒, 钟伟. 国际竞争新格局下分析化学跨学科教学探索与反思[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 1 -9 .
[8]	刘莹, 孙玲杰, 杨方旭, 程姗姗, 张小涛. 教育部重点实验室大型仪器设备平台的建设与管理[J]. 大学化学, 2025, 40(6): 215 -221 .
[9]	沈海云, 刘禹彤, 江文革, 杨秋华. 新工科背景下大学化学课程创新与实践[J]. 大学化学, 2025, 40(6): 77 -84 .
[10]	宋宜辉, 秦上尚, 吴凯, 金成允, 余斌. 生物化学在高水平创新型药学人才培养中的交叉融合应用——以去甲基化酶LSD1抑制剂的活性评价为例[J]. 大学化学, 2025, 40(6): 341 -352 .
[11]	彭谦, 姚鹏飞, 王梓聪, 许秀芳, 孙宏伟. 优化理论计算化学课程体系助推拔尖人才培养[J]. 大学化学, 2025, 40(5): 261 -267 .
[12]	雷洋, 蔡洁琼, 孙大明, 陶彩虹. 立德树人与工科人才培养融合的“化工原理”教学探索与实践[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 230 -236 .
[13]	谭占鳌, 于润楠. 基于软物质功能材料大学生创新平台的多元化教育实践与人才培养探索[J]. 大学化学, 2025, 40(2): 191 -200 .
[14]	于鸿达, 章翰堂, 陈长宝, 尹延斌, 张坤, 尚鹏鹏, 朱树华, 张丽丽. 教育信息化改革下农林院校基础化学实验课程思政建设探索[J]. 大学化学, 2025, 40(10): 33 -38 .
[15]	张维维, 任永鑫, 张红, 鹿可. “学、教、践”三位一体理念下现代分析测试技术本科生培养现状与质量提高措施[J]. 大学化学, 2025, 40(10): 78 -85 .