武汉大学无机化学教研组一直以来重视元素化学教学，目前采用“线下+线上+实践”三者相结合的方式组织教学。在线下学时数大幅缩减的情况下，用约占总学时1/3的时间(32–40学时)探讨元素化学内容；除此以外还利用慕课、网络和文献阅读和讨论等线上方式进一步与学生交流，对内容进行补充、拓展和总结；实践部分则是在基础实验中配有近30学时的元素性质实验，通过实操加深学生的知识理解和应用能力。笔者拟根据武汉大学无机教研组的教学实践，简要介绍我们在化学原理引领元素化学教学方面的理念和做法。
1 元素化学是基本原理的练兵场
我们一直坚持以化学基本原理引领元素化学教学。性质各异的各种元素可以搭建多场景、多素材和多拓展性的练兵场[12]，元素化学的教学过程就是师生一起熟悉场景，操练和精进各种化学技能的过程。通过这一发现事实和解决问题的操练过程，学生不仅可以了解元素化学的诸多化学事实，还可以加强对化学基本原理的理解和应用能力、训练化学思维和科学态度等，而后者正是化学教学的终极目标。化学事实有了原理的加持更具逻辑性和记忆性；化学基本原理也因化学事实的加入而更生动和富于活力；两者在认识和理解上相互促进，从而达到更好的教学效果。另外，利用化学基本原理引导元素教学也能让学生更深刻地体会化学理论的应用场景和优缺点，有助于培养他们的化学思维，为后续专业学习和研究做准备。
2 用基本理论贯穿点线面
实际教学过程中，我们以基本化学理论为暗线贯穿元素化学教学，以“结构–存在–制备–性质”为明线组织教学。
元素化学绪论部分的教学以元素周期表为背景展开，以原子结构基本理论和元素周期律帮助学生勾画出周期表中的线和面，建立周期表中线和面的位置关系及它们与元素基本通性之间的关系。结合具体事实(如NaBH4的键合、性质和应用并拓展到LiAlH4)进一步强化“结构决定性质，性质决定应用”这一化学的根本思想。旨在为学生心中种下心锚：考虑问题要宏观与微观相结合、性质与结构相结合、性质与环境条件相结合，找寻现象背后的内在规律和联系。
章节教学是由线及点的过程，从通性到递变性再到特殊性，以“结构–存在–制备–性质”为主线展开内容。每章节的教学过程中，我们会着重做好以下几个方面。首先，充分利用章节目录。我们所用教材为吉林大学主编的《无机化学》[13]，教材每章均有章节目录。开始正式讲授前，教师会利用目录勾画一个基本的内容框架并指明重难点。从学生角度，他们既可以此目录做预习，也可以目录为思维导图主干，在学习结束后完善思维导图，用于知识总结和复习。其次，充分挖掘元素电势图或自由能-氧化数图。每章在建立知识框架后，我们会从电极电势角度引导学生认识元素的基本存在形式和基本性质。实践证明这是学生初步了解本族各元素基本性质一个非常好的工具。通过对元素电势图的分析，学生不仅能对元素的各种状态、稳定性和反应性等有一个基本认识，也促使他们进一步理解和应用电化学中的相关化学原理。最后，明确课堂教学和线上教学的重点。元素部分内容多且杂，有限的课堂学时不可能涵盖教材所有内容，另外还有些拓展性内容需要面对面讨论，因此课堂教学内容要有所取舍。我们将课堂教学的重点放在通过基本原理理解物质的结构性质和制备方法等方面，而一些相对简单的化学事实部分则通过线上学习的方式让学生了解。表 1列出了每章内容的重点讲授内容及与基本原理的结合点。
表1 元素化学章节中的讨论内容和对应化学原理
| 章节 | 课堂重点讨论内容与对应化学原理 |
| 碱金属和碱土金属 | IA、IIA金属的物理性质及变化规律：金属键、原子排列 IA、IIA金属活泼性、电极电势与电离能的变化：热力学循环、水合热、强度过程的条件 IA、IIA金属单质制备：电解法和金属交换法所涉及到的反应热力学和动力学 金属氧化物、过氧化物和超氧化物的稳定性问题：软硬酸碱 盐的溶解性：巴索洛规则、晶格能的使用条件、相似相溶原理 氢氧化物的碱性：酸式电离、碱式电离、酸碱性、离子势 含氧酸盐的热稳定性：化学键、离子极化理论 锂的特殊性：对角线规则、离子势 锂离子电池：氧化还原反应 |
| 硼族元素 | 硼单质的晶体结构及性质：B12的成键特点、利用软硬酸碱理论讨论硼的亲氧亲氟性 硼烷：缺电子性、氨硼烷结构与储氢、多中心多电子键的成键特点 硼的氧化物和卤化物：化学键、软硬酸碱理论、路易斯酸的酸性和离域π键 铝的性质：原子结构阐明两性、缺电子性讨论分子的二聚 Tl(I)–Tl(III)的氧化还原性：惰性电子对效应 |
| 碳族元素 | 碳的同素异形体：化学键的类型与性质、原子簇的化学键理论 碳还原性：利用化学反应热力学讨论艾林罕姆图 单质硅：硅的提纯方法、区域熔炼、反应耦合、化学反应热力学和动力学 硅的氧化物和卤化物：Si―O的四面体；硅的含盐酸及其盐：多聚、分子筛、化学键理论 Se和Pb的化学性质：两性和惰性电子对效应、原子结构和化学键 |
| 氮族元素 | 氮的氢化物：不同氢化物的还原性和稳定性结构、杂化理论、电极电势 氮的氧化物：结构、氧化性 磷：P4、P―O四面体，与Si类比 含氧酸：结构(d–pπ配键)、缩聚 浓酸的氧化性和酸性：电离理论及分子结构 卤化物水解(专题讨论) |
| 氧族元素 | 氧的成键：化学键理论 过氧/多硫化物：结构、性质、制备 硫的含氧酸：结构与性质、化学键(d–pπ配键)、鲍林规则、缩聚、电离 |
| 卤素元素 | 氟的特殊性：离子势、键合特点、反应性 各种单质制备、HX制备：电极电势与反应 卤化物、拟卤素、卤素互化物：水解、稳定性、键合、VSEPR 卤素的含氧酸及其盐：稳定性、结构、氧化性、酸性 第四周期的次周期性(小结) |
| 氢和惰性气体 | 氢的成键特点(总结)：H+，H−，氢键、氢桥、极化与反极化 同位素分离：单质的物理性质、原子结构、化学键 |
| 氢和惰性气体 | 金属氢：金属键 储氢：形式和条件、结构与性质(结合原理讨论不同储氢方法的特点) 稀有气体的发现：从热力学和结构的角度分析 稀有气体化合物结构：VSEPR、化学键、分子轨道 |
| 铜锌副族 | ds区副族元素成键特点：从原子结构与周期律和热力学循环等角度讨论，铜锌副族元素因为d轨道作为价层故其键合能力和方式不同于碱金属和碱土金属 铜族的化合物：不同条件下Cu(I)和Cu(II)化合物的相对稳定性及其转化条件(比如固相和水溶液体系，水溶液和液氨溶液体系，稳定性、电极电势、溶剂化热) Cu(II)配位：姜泰勒效应、晶格能、Cu(I)的配位特点 Ag(I)、Au(III)的稳定性(热力学循环)及配位特点 锌副族：Zn(II)两性、Hg(I)和Hg(II)的转化、配位、氧化还原和平衡 |
| 钛钒副族 | Ti冶炼：多方法对比(补充讲解用TiI4提纯Ti单质的原理，金属单质的制备总结) Ti化合物及性质：Ti(IV)、Ti(III)的颜色及其产生原因，和配合物结合起来；氧化还原反应 TiO2在太阳能电池中的广泛应用、Ti的化合物的水解 Zr、Hf分离：分离技术(格拉汉姆定律的应用)、镧系收缩 钒的含盐酸盐：钒的化合物的颜色、丰富的氧化态之间的转化 |
| 铬锰副族 | Cr的性质：通过标准电极电势讲解Cr(II)的不稳定性及醋酸铬中Cr-Cr四重键的特殊存在 Cr(III)的两性Cr(VI)含氧酸在pH不同时的存在形式及氧化还原能力：键合特点、酸碱性影响、氧化还原性 Mn的性质：氧化还原性和稳定性；元素电势图；Mn的化合物在化学反应过程中的动力学问题，影响实验现象的观察 金属-金属多重键：[Re2Cl8]2−、多重键理论 |
| 铁系和铂系 | Fe：稳定性；Fe(II)、Fe(III)、FeO42−(VI)转化及合成中条件控制的问题 元素电势图、条件电势、金属原子簇化学 Co和Ni性质：Co(III)、Ni(IV)的存在及稳定性 Co(II)、Co(III)水中稳定性差异：热力学活性和动力学活性分析 铁系和铂系配合物：晶体场理论；立体化学；软硬酸碱，强调d8电子构型易形成平面正方形配合物的原因 多羰基化合物：18电子规则、软硬酸碱、晶体场理论 颜色：荷移跃迁、d–d跃迁 |
下面以碱金属和碱土金属这一章为例，对教学安排做简单说明。我们选择从这一章开始进行元素化学的讲授主要基于下面原因：首先是基于碱金属和碱土金属的性质对于学生相对熟悉，即练兵场的场景学生是非常熟悉的，适于引入教学；其次，也是非常重要的一个原因，即这部分内容涉及化学基本原理很多，通过逐个由现象到本质的分析能加深学生对“理论联系实际”的理解，慢慢地帮助他们习得提出、分析和解决问题的一般思路。具体在本章教学中，教师会带领学生研读教材部分章节，以此让学生了解如何针对化学事实提问和如何进行思考，提高学生自学的能力。如针对碱金属和碱土金属电极电势从上到下的变化趋势与电离能变化趋势的差异，指出两个概念的差异并引入热力学循环过程进行解释；针对金属单质的特点设计的不同的制备方法并从理论上比较制备方法；针对盐的溶解性提出的巴索洛规则；针对氢氧化物的碱性差异提出离子势，并提出酸式及碱式两种不同解离方式；结合离子键和离子极化等理论解释一些含氧酸盐热稳定性的问题；在讨论锂的特殊性时进一步去理解对角线规则等。通过这一根据事实“提出问题–分析问题–解决问题”的过程，不断训练学生对基本原理的理解和应用能力以及化学思维。此章虽然内容相对简单，我们仍用约4学时陪伴学生学习，以此强化他们理论联系实际的意识，帮助他们逐步习得应用理论解决实际问题的方法。而这些化学原理和解决问题的思路在后续章节的学习中会进一步强化和应用。表 1列出了每章内容的重点讲授内容及与基本原理的结合，供大家参考。具体理论引领元素化学教学的实例，见文章“谈元素化学教学内容的组织——以Se和Au元素为例”[14]。
3 多形式多角度丰富理论引领
除了讲授外，我们还引入了一些其他形式，如专题讨论、文献学习和视频学习等来丰富课题教学。专题讨论交流一方面能帮助学生进行知识总结，另一方面也能加深学生对化学原理的系统性理解，如针对同一类问题，可从不同角度进行分析；同一物质因环境不同，表现出的性质会有明显差异；理论的应用范围和局限性等。我们开设的专题讨论主题有无机化合物的酸碱性、化合物的水解、单质的制备、化合物的热稳定性、化学热循环在元素相关问题中的应用、原子簇与化学键、主族元素和副族元素的性质对比等。我们通过文献学习来帮助学生拓展知识面和进一步理解化学原理的发展和应用，小组讲解讨论和论文调研是通常采取的两种方式。如本学年我们选择了Melen发表的关于p区元素前沿[15]，Parkin发表的关于3c-2e键[16]，BF、CO和N2等电子体的结构与性质[17]及Fe(IV)配合物[18]等文章帮助学生理解化学原理和元素性质。另外，在课堂教学过程中我们也会引入一些元素化学相关的短视频以活跃课题氛围，如bilibili网站的up主——H2元素实验室，其中就有很多集科学性、趣味性、生动性于一体的关于元素性质的视频资料。
以上是武汉大学无机化学教研组关于元素化学的教学中基本理论引导教学的一些理念和做法。充分利用好元素化学这一练兵场的资源，在让学生熟悉元素化学性质的同时加深对化学基本理论的理解，并训练他们的化学思维和自学能力。
参考文献
