元素化学的重要性和发展前景不言而喻，但内容多、琐碎且课时少，各种教学矛盾突出，教师不知该怎么讲好，而学生不知道怎么学好。究其原因，可能主要有三个。其一，元素化学大多是物理、化学性质和客观现象的罗列，虽有不少对实验现象总结的规律性，但能够上升到理论的为数不多，因此教材内容的组织比较困难；其二，教材编排通常已成一种模式，即按照元素的周期性、相似性、内在联系、反应规律、制备方法和用途等由非金属到金属逐一分族实施教学，每族内又以元素通性→单质→化合物(氧化物、卤化物、硫化物、含氧酸及其盐)逐类依次分解，课堂上教师若照本宣科、千篇一律，势必造成课堂气氛枯燥乏味，教学效果不好；其三，学时数难以满足教学要求，元素化学涉及面非常广泛，若全面讲授，则学时不够；若蜻蜓点水，则不深不透，学生难以领会和掌握。

为提升教学效果，国内学者进行了一些有益探索。一是在教学模式和教学方法上进行改革，例如，胡瑞祥等^[1]采用以实验为情景问题的PBL教学法，通过精心设计问题，引导学生带着问题开展有针对性的学习；二是在教学手段和教学工具等方面进行创新，如鹿现永^[2]通过重视教案设计、与日常生活巧结合和紧跟时代的考试试题设计等教学手段激发课堂活力。为提升教学质量，进一步改变枯燥乏味的元素化学课堂，借鉴了先前一些先进教学方法和教授手段，通过十几年的一线教学，我们也总结了一些经验，在此开展探讨。

动机是推动学习活动的内部动力，在学习和实践中形成兴趣和求知欲是激发主动学习和提升学习效果的重要条件。一提到元素化学，学生学习意愿有下降趋势，因此教师理所当然负责带节奏，激发学生兴趣，增加内驱力。

湖北工业大学王薇团队^[3]往装有CoCl₂溶液的试管中先加NH₄Cl溶液，后加氨水，实验设计是为观察生成的[Co(NH₃)₆]²⁺ (土黄色)被空气氧化成[Co(NH₃)₆]³⁺ (红色)。若不及时摇匀，试管内五彩缤纷且分层明显，像调制好的“鸡尾酒(图 1a)”。由失误引发有趣的实验现象使学生不仅感到新奇，而且激发其求知欲。进一步探究发现，分层是因各种沉淀密度不同：蓝色沉淀(Co(OH)Cl)、粉色沉淀(Co(OH)₂)、暗棕色沉淀(Co₂O₃∙xH₂O)和暗棕色沉淀逐渐溶解生成的红色[Co(NH₃)₆]³⁺，通过这样有趣的实验探究，学生深入掌握了Co(II)、Co(III)配合物的颜色性状。受其启发，我们在开展三草酸合铁(III)酸钾制备这个典型的无机化学综合实验时，将实验中涉及的沉淀、氧化、配位和结晶四个过程的基本操作以及较多的无机化学基本原理，如氧化还原平衡(过氧化氢-草酸亚铁)、配位平衡(草酸钾与铁离子)、酸碱平衡(草酸的电离平衡)和沉淀溶解平衡(草酸亚铁沉淀生成与溶解)与实验现象的变化有机结合起来，并配之生动形象的语言，称为“三杯饮料的调制”和“烧杯里的春天”，即亮黄色的草酸亚铁悬浊物恰如一杯“果粒橙”、氧化阶段生成的氢氧化铁及混合物又似一杯深咖色“拿铁”、结晶前溶液苍翠碧绿正像一杯“苹果汁”以及结晶过程中生长的晶莹剔透的草色晶体(图 1b)。在讲述Pb²⁺和I⁻反应的实验过程中，有趣地发现，Pb²⁺和I⁻混合瞬间生成明亮的黄色沉淀，溶于热水、重结晶后，以黑色为背景，以强光源照射，无数金色亮片在溶液中飞舞着、翻腾着，流光溢彩，梦幻炫丽，即“黄金雨(图 1c)”。笔者称之为“满城尽带黄金甲”。

发现美、创造美的过程令人愉悦。借助于无机化学实验中多变的形状和色彩，把枯燥、乏味、分散的描述性化学事实变得生动、活泼、有趣，利用化学实验的独特魅力激发学生对化学的探知兴趣和学习热情，可为元素化学学习注入强大的内驱力。

有意义的动机，能促使人主动积极地进行思考与探索。将理想信念、家国情怀、社会责任感等思政育人的理念巧妙地融合于课程中能激发学生的学习热情。例如，在学习卤族元素时，可从我国盐湖资源、KCl和高纯度HF等产品讲起，使学生了解我国解决钾肥短缺所作的努力，以及高纯HF难以国产化造成芯片制造过程中面临的“卡脖子”难题，激发他们的责任担当与奋斗动力。在学习氧族元素时，引入广东省硫铁矿资源优势的知识背景以及讲述国家级循环经济产业园区建设的优势，使学生树立起绿色发展理念；在学习氮族元素时，从硝酸钠钾热稳定性和全球能源危机讲起，介绍硝酸盐在太阳能光热发电中的储热作用以及我国太阳能光热发电在全球的地位，激励学生投身新能源高效利用方面的研究，为“碳达峰”和“碳中和”目标的实现做出努力；学习铝元素时，通过金属铝常温惰性实验，了解铝合金成为轻质金属材料的科学基础及其在高铁、航空工业中的广泛应用，进而介绍“中国高铁”历史与现状——中国高铁产业从无到有，从落后到先进，在吸收和自主研发基础上，实现“后发先至”的奇迹，让学生体会到掌握核心技术的重要性和迫切性，激励他们刻苦学习，培养他们为解决我国技术短板所需的钻研精神。

元素化学史也贯穿着科学家感人的爱国故事。胸怀报国志的侯德榜先生，面对国外技术封锁，经历500多次实验和2000多个样品分析，最终发明联合制碱法，使中国无机化工跻身世界舞台。稀土被誉为“工业黄金”。让国人痛心疾首的是先前稀土矿石低廉出口，却再花高价进口高纯稀土。为打破技术封锁，1972年，徐光宪先生临危受命——分离镨钕(国际公认稀土元素中最难分离的一对)。虽然徐先生之前的研究方向并非和稀土有关，年过半百的他却决定迎难而上，从改进稀土萃取分离工艺入手，通过选择/创新萃取剂和配位剂，最终研制出季铵盐，使镨钕分离系数打破当时世界记录，使我国一跃从稀土“资源大国”到“生产强国”。1949年，唐敖庆先生从哥伦比亚大学博士毕业，毅然回国，攻克难关，废旧墨水瓶和细棉线制成“酒精灯”；师资力量匮乏，一人主讲无机化学、物理化学、结构化学等十几门课程。作为矢志不渝、自强不息的开拓者，他被誉为“中国量子化学之父”……这些都深深地吸引着学生们。

元素在生产生活中有着不可估量的作用，可谓得资源者得天下。农药多是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物；半导体材料都是周期表里金属与非金属交界处，如Ge、Si、Ga、Se等；石油催化裂化、重整等广泛采用过渡元素作催化剂。过渡元素有着良好的催化性能，跟它们未充满电子的d轨道有密切关系；IIIB到VIB的过渡元素，如Ti、Ta、Mo、W、Cr具有耐高温、耐腐蚀等特点，既是制作特种合金的优良材料，也是制作火箭、导弹、宇宙飞船、飞机、坦克不可缺少的金属。火箭推进剂以肼类化合物及其衍生物和N₂O₄为主，但生物毒性大；采用液氢/液氧环保但价格昂贵，对储运、发动机制造要求高；Al质合金轻质价廉、易加工，主导航空航天材料；Ti因强度高、耐蚀性好、耐热高成为后起之秀；Re是航空发动机材料的“味精”，可制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴等^[4]。

许多生活现象离不开化学元素。纯碱做馒头松软可口；明矾净水、液氯消毒、食盐含碘、牙膏含氟；顺铂给癌症患者带来曙光；锂盐可治疗精神错乱；碘化银用于人工降雨；洗涤剂中添加多聚磷酸盐可软化水，过度使用引发水体富营养化。在课堂上，选择时机，合理安排时间，引入这些例子作为切入点，可取得事半功倍的效果。

无机化学按内容分为两部分：化学原理和元素化学，其中元素化学是无机化学教学的主脉。元素化学重要性还在于学生在其后大学阶段的学习中可能再也不会遇到系统介绍元素的课程但又会常常用到，因此，加强元素化学教学是学科发展的要求。

从学习内容上，高中只学习Na、Mg、Al、Fe、Cu和C、Si、Cl、S、N等10余种元素及其化合物；而大学的元素化学丰富而繁杂，几乎涵盖整张元素周期表s、p、d、f区118种元素的单质及化合物的结构与性质。对角线规则、稀有气体的性质和用途、d区元素、f区元素对大一新生都较陌生；相对高中化学教学，从阐述方式上，大学元素化学的教学则是提供多种理论、以多样的视角去了解世界，因此在描述某一种物质时信息更完备、更“眼花缭乱”。以Fe为例，高中只限单质和氧化物的颜色、状态、稳定性及用途，Fe(OH)₂的制备，Fe²⁺和Fe³⁺的检验以及铁三角的互相转化；在大学，除铁及其化合物的颜色、状态、稳定性等与高中内容相同部分外，还涉及到其配合物、标准电极电势、不同状态下电极电势的计算等内容。同时，作为铁系元素，铁钴镍物理和化学性质较相似，都有强磁性。作为一个系列，须对不同价态的铁钴镍离子的水解性、铁钴镍的氧化物和氢氧化物的氧化还原性、配合物的颜色、性状及稳定性质进行横向比较^[5]；从教学方式上，高中教师会指导学生如何学习，并为其安排详细的学习计划并注重考试的相关内容，但在知识整体性和逻辑性方面的讲授、讨论和启发上有所欠缺，这给学生造成了依赖心理，形成被动学习的习惯；在大学，教师的学科前沿知识和生产实践案例更丰富，但每节课进度很快，这要求学生提高自学能力和拓展思维以及教师挖掘和培养学生的创造性思维的方法。因此，大学元素化学虽然要求学习100多种元素知识，但不再以知识传授、掌握和再现为主，而是以元素知识承载的能力(如问题的提出、分析、解决，文献的利用、自主学习能力、批判性思维、合作交流的态度和意识、综合运用能力等)培养为目标。

基于以上目标，教师须根据不同章节内容，采取不同教学方式。与中学教学内容有一定重复、内容难度不大，放手让学生自学，如碱金属、碱土金属及稀有气体元素的性质；有新概念引入的碳族和硼族元素，如惰性电子对效应和缺电子性、硼烷结构，采用讲授与自学并重方式；卤族、氧族和氮族元素三章，相对于高中知识，内容有较多的深化(如高中的氮族元素只涉及到N元素及其相关的NO、NO₂、NH₃、NH₄⁺、HNO₃等简单化合物，而无机化学中的氮族元素包括N、P、As、Sb、Bi五种及这些元素的复杂化合物等众多内容)，以教师讲授为主。中学和大学的知识点衔接非常多，但深度和广度各不相同，须根据课程标准要求设立教学目标，设计学习任务、创设情境学习活动(如课堂讨论、课外研习和延伸以及小组探究等形式)，在原有的基础上进一步扩宽知识点的外延，让学生学会主动学习与分享，并体会到其中的快乐。

随着科技发展，新兴工业和尖端技术的发展对无机化学提出更高、更新的要求。它反映在元素化学教学过程中，必须将与之相关的新技术、新方法、新材料及新成果融入到元素化学教学中，确保无机化学教材的先进性^[6]。

H₂O₂作为一种环境友好型氧化剂，在医用消毒、污水处理、纸浆漂白、精细化工等领域被广泛应用。因此，教师在教授氧族元素时，除介绍传统的蒽醌循环法制备H₂O₂外，还可引入最新权威研究成果进行讲述。阐述蒽醌循环法在大规模制备H₂O₂的优势时，也将其耗能高、污染重、需大型设备以及高浓度H₂O₂运输存在安全隐患这些问题提出来，引导学生进行思考，鼓励制备方法的创新，随后介绍原位小规模生产H₂O₂新途径——钒酸铋法双氧水工艺。这种利用钒酸铋单晶阳极催化剂上发生两电子水氧化反应的电化学方法有望制备低成本、环保型、高纯度双氧水原料^[7]。因为每次科学上重大突破都是以解放思想为先导，是思维方式的突破，因此，有选择性地介绍化学新的重大发现和变革是十分必要的。借鉴这些富含科学性、创新性和价值性的科研成果/事例，对提高学生的思辨能力和培养其创新意识具有非凡意义。同时，在引入这些先进研究成果时，有意识地侧重介绍我国化学工作者的成果，能够激发其民族和文化自信，增强其学习自觉性和主动性，最终将激发其为祖国振兴、为民族繁荣勤奋学习的激情。

许多热点问题，如环境污染、生命体内的微量元素、人工固氮等都与元素化学紧密联系，将这些领域的前沿动态和科研成果渗透到课堂教学中，既凸显元素化学相关知识的高阶性，又能开阔学生的知识面，使其看到一片新天地，驱动他们勇攀科学高峰。

严宣申教授曾说，“掌握理论最好的途径是经常运用，记住元素性质最有效的办法是找到它们与理论部分的联系”^[8]。在元素化学教学中，应运用原子结构、分子结构、化学热力学、动力学和氧化还原等化学原理知识去理解、判断、解释元素及其化合物的性质与结构，使两者有机结合。

例如，从吉布斯自由能变的角度理解不同还原剂(Al、Mg、H₂、C和CO等)还原氧化物为单质的化学反应，能更好地掌握“焓驱动”为主的铝热法；“熵驱动”为主的高温碳还原法和“焓、熵协同驱动”的氢气还原法。能深层次理解为什么碳的还原能力在高温下显著增强(熵增)；为什么活泼性Na < K (标准电极电势：K −2.931 V，Na −2.71 V；电离能：K 419 kJ∙mol⁻¹，Na 495 kJ∙mol⁻¹)，高温下Na却可置换出钾？热力学数据(3Mg(s) + Al₂O₃(s) == 2Al(s) + 3MgO(s)，Δ_rG^ϴ = −125.6 kJ∙mol⁻¹)阐明了Mg比Al的还原性更强。又如，通过难溶电解质溶于酸转化为溶解度稍大于正盐的酸式盐的平衡计算，能更深刻地理解CaCO₃、CaC₂O₄和BaSO₄的溶度积相近，而CaCO₃可溶于醋酸，CaC₂O₄能溶于稀的强酸，BaSO₄不易溶于酸的缘由。再如，解释CCl₄在常温下不水解、而SiCl₄易水解的事实时，需用原子结构和热力学数据相关知识。因Si的半径较大且有3d空轨道，配位原子难以屏蔽H₂O进攻，在H₂O进攻下可形成五配位的中间态；由CCl₄(l) + 2H₂O(l) == CO₂(g) + 4HCl(g)，Δ_rG^ϴ = −377 kJ∙mol⁻¹可知，CCl₄常温下不容易水解应不是热力学原因，而是动力学原因。C原子半径较小且无2d轨道，受到4个Cl的有效屏蔽，水分子难以介入，且配位已达饱和，没有空轨道接受水分子形成中间态。然而，当外界提供足够能量克服水解过程需要的高活化能时，则水解可能发生，实际上，在过热水蒸气条件下，CCl₄可水解产生COCl₂和HCl。

通过对教材知识的整合，以元素或族为“线索”将单一物质网络化，以化学原理为“线索”将族或周期知识整体化，挖掘元素性质背后涉及的化学原理，增加各元素间的关联度，引导学生自主“织网”，如此教学，老师有的讲，学生有的听，兴趣盎然。当然，目前还有许多实验事实不能用现有理论解释清楚，如把这些介绍给学生，也能培养学生的科学发展观。

丰富的网络资源为学生自主学习和探究元素知识提供了可能。教师可整合网络资源，提高学生探索问题的趣味性，提高学习效率。《美丽化学》包括“化学反应”和“化学结构”两部分，用4k高清摄影机捕捉化学反应中的缤纷色彩和微妙细节，分别从宏观和微观尺度展现、用数字技术表现了化学独特之美^[9]。例如，图 2和图 3展示的铬酸钾结晶过程和铬酸钾与硝酸银沉淀反应过程这些具有视觉冲击的化学知识相关视频，能够很好地“活跃”课堂气氛。又如，英国诺丁汉大学的马丁教授团队^[10]拍摄的一系列化学元素单质、化合物及相关应用视频，以风趣幽默的方式介绍元素化学知识。单质氟是一种淡黄色有剧毒的气体，腐蚀性很强，化学性质极为活泼，危险系数高，课堂教学中一般不开设F元素的相关性质实验，借用马丁院士拍摄的F元素视频，可观看氟单质的颜色和性状，直接感受氟与金属和非金属反应的剧烈程度。这些文字、声音、图形和图像融为一体，给学生带来高级而细腻的视觉盛宴，恰当引用这些资源能够很好地为课堂增色添彩。

由于元素知识庞杂，教师须花费大量时间介绍元素的物理、化学性质和结构特点，学生的学习也往往止步于“化学/离子方程式”的书写和记忆，对各元素实际应用缺乏深入理解。因此巧妙的课堂设计尤为重要。

如果把教学比作拍电影，那么不妨把师生关系比作导演和演员的关系，而且学生是主角。笔者认为最重要的一点是发挥学生的主体作用，在教师的引导下，让学生放开手脚尽情演绎每一堂课。同样，教师也要精选教学内容，选择最合适的教学方法、巧妙运用各种教学手段、设计合理的教学进度，可以通过音乐、图片、视频、讨论等多种形式调控良好的课堂气氛，最大限度调度“演员”的积极性，更好地为教学服务。在学生积极性不高时，要激发兴趣；在兴趣高涨时既要保持又要适当控制兴奋尺度。“导演”还要善于捕捉到“演员”的创新点并及时鼓励、支持和指导。

根据学情、教情分析，灵活地进行教学设计，可预先布置题目和要求，题目可巧用网络语言，譬如，由网络梗“大郞，该吃药了”到前世今“砷”、“黑手党”和“蓝精灵”的制造者——银、无机世界的中流砥柱——硅等。由学生查阅、推送资料，教师可挑选其中内容，让学生制作ppt。简单的、基础性的内容可由学生分组讨论或课堂翻转；有一定深度的问题，如元素性质与结构之间的关系以及应用拓展等可由教师讲授。巧妙而恰当的课堂导入犹如一部好电影的序章，能够先声夺人，唤起学生的求知欲，活跃学生的思维。课堂导入的方法有很多种，如问题导入、案例导入、旧知导入等。以砷元素为例，用视频导入法，先播放一段潘金莲毒杀武大郎的短视频，由砷中毒的剂量和发作时间质疑武大郎的死因，引导学生掌握砷中毒的症状表现及后果、检测方法和解毒方法，如古氏试砷法与马氏试砷法的区别，进一步学习砷的氧化物、氢化物、卤化物、硫化物的性质与用途。并在教学过程中巧妙地渗透辩证唯物主义科学观，虽然砒霜剧毒，但低剂量的三氧化二砷已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于治疗急性早幼粒细胞白血病，近年来还发现其具有良好的治疗实体瘤的效果。

我校化学化工、材料科学与工程、食品科学与工程、轻工科学与工程、环境与能源等专业开设了无机化学(化学原理+元素化学)，该课程实施范围广，受益面大。本团队将“三招”应用于元素化学教学中，实际应用效果良好。2021年，经广泛调研，学生、同行、校级督导对无机化学课程进行了评价，总评为优秀。学生普遍反映，课程内容充实，授课生动风趣，课堂气氛活跃，如“老师采用多样化的教学方法开展教学，善于启发和引导学生，有效激发我的学习兴趣”“老师的教学方式很有创新性，有很多种教学方式，能够充分发展学生的潜力”“老师很优秀，专业知识很全面，教学质量极佳，充满热情”“有很多收获”“每次上课都很快乐”(图 4和图 5)。

近年来，大规模在线开放课程和“金课”建设呈井喷式的发展，从某种意义来讲，优质教育资源已经不再稀缺，然而元素化学教材大体还是描述性的介绍，因此，对以知识传授为主要形式的课堂教学方式带来了挑战。本文结合文献和多年实践对无机化学中的元素化学教学部分进行初步探索，发现教学有法、教无定法。教师可在有限的时间内，用好网络资源，精心选择案例，以化学原理贯穿始终，巧妙进行课堂设计，细心安排，在内容选择上做好中学与大学的衔接，不求面面俱到，可以有很大的灵活性和选择性，可以从不同侧面展示元素世界的丰富多彩；借助各种资源，图文并茂，课堂更生动、更鲜活，更具观感，降低认知负荷；激发学生对元素化学的兴趣，加强综合能力的训练和培养，引领学生遨游元素化学知识的海洋。