李大塘　湯建庭

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問(wèn)題教學(xué)法在無(wú)機(jī)化學(xué)理論課中的應(yīng)用

李大塘1,2,3,*湯建庭3

(1湖南科技大學(xué)教師教育大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，湖南湘潭411201；2湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南湘潭411201；3湖南科技大學(xué)理論有機(jī)化學(xué)與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201)

摘要：在無(wú)機(jī)化學(xué)理論課的教學(xué)中運(yùn)用問(wèn)題教學(xué)法，以突出問(wèn)題教學(xué)創(chuàng)造性和發(fā)展性的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的思維創(chuàng)新性和科學(xué)好奇心，有效培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)創(chuàng)能力。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}教學(xué)法；無(wú)機(jī)化學(xué)；教學(xué)；實(shí)踐；創(chuàng)新

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由于科學(xué)技術(shù)日新月異的迅猛發(fā)展，社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定的不斷進(jìn)步，開(kāi)展創(chuàng)新性教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，已成為當(dāng)今高校面臨的緊迫任務(wù)。如何充分利用思維發(fā)展的客觀規(guī)律來(lái)解決教學(xué)實(shí)際問(wèn)題，問(wèn)題教學(xué)法為此開(kāi)辟了新的途徑。關(guān)于問(wèn)題教學(xué)法的由來(lái)、實(shí)施模式、理論依據(jù)、作用與意義等已見(jiàn)文獻(xiàn)[1,2]，在此不多贅述，下面僅就問(wèn)題教學(xué)法在無(wú)機(jī)化學(xué)理論課中的實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1　利用客觀事實(shí)與學(xué)生原有知識(shí)的矛盾沖突創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

在講溶液濃度的幾種表示形式時(shí)，教師問(wèn)，醫(yī)療常用生理鹽水中氯化鈉的濃度為多少？大家齊聲回答為0.9%。教師又問(wèn)，是否為100 g生理鹽水中含0.9 g氯化鈉？大家異口同聲好似很有把握地回答說(shuō)是。見(jiàn)學(xué)生對(duì)這事例認(rèn)識(shí)是如此的高度一致時(shí)，教師明確指出，醫(yī)藥上并非如此。這一矛盾的事實(shí)使學(xué)生隱約地預(yù)感到，莫非還有別的濃度表示方式不成，由此產(chǎn)生了問(wèn)題情境。

這時(shí)，教師問(wèn)學(xué)生：為什么生理鹽水濃度不是溶質(zhì)的質(zhì)量比溶液的質(zhì)量？然后啟發(fā)學(xué)生看書(shū)查資料，以了解醫(yī)用藥物的濃度概念。要求學(xué)生查閱圖書(shū)后，學(xué)生終于明白生理鹽水的濃度是100 g水中含0.9 g氯化鈉，5%的葡萄糖是100 g水中含5 g葡萄糖，10%的葡萄糖是100 g水中含10 g葡萄糖。也就是醫(yī)用藥物百分比濃度(如溶質(zhì)為固態(tài))是指100 g水中所含溶質(zhì)的質(zhì)量，而不是通常的100 g溶液中所含溶質(zhì)的質(zhì)量。

通過(guò)這一問(wèn)題教學(xué)，真正掌握了常用醫(yī)療藥物濃度的概念和特別的表示方法，從而完成了對(duì)未知知識(shí)的探索及問(wèn)題的解決。

利用客觀事實(shí)與學(xué)生原有知識(shí)的矛盾沖突創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境的實(shí)例還有許多，例如金屬銅直接與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣[3]；金屬鋁直接與稀硝酸反應(yīng)制取氫氣[4]；雖然電極電勢(shì)φA(Hg2+/Hg) = 0.851 V >φA(I2/ I－) = 0.536 V，把硝酸汞溶液與碘化鉀溶液混合卻不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)[5]；某些液態(tài)共價(jià)化合物(如五氯化磷、五溴化磷、三氟化溴、五氟化碘、純硝酸、純硫酸等)具有強(qiáng)電導(dǎo)性等。

2　利用學(xué)生對(duì)某一問(wèn)題所持的不同看法創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

在講元素性質(zhì)時(shí)，教師提問(wèn)：H2(g) + Cl2(g)?2HCl (g)，H2、Cl2混合氣體在光照過(guò)程中，系統(tǒng)的壓強(qiáng)是否變化？如何變化？不少學(xué)生看到方程式反應(yīng)前后氣體分子數(shù)沒(méi)有變化，馬上回答系統(tǒng)的壓強(qiáng)沒(méi)有變化，而有些學(xué)生則認(rèn)為有變化，究竟誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？教師提示，要求學(xué)生回憶中學(xué)所掌握有關(guān)鹵素的知識(shí)，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生看教科書(shū)，并獲取網(wǎng)絡(luò)信息。通過(guò)爭(zhēng)論發(fā)現(xiàn)，盡管反應(yīng)前后氣體分子數(shù)沒(méi)有變化，但H2、Cl2混合氣體在點(diǎn)燃的鎂條(或太陽(yáng)光)照射下會(huì)發(fā)生爆炸[6]，所以H2、Cl2混合氣體在光照過(guò)程中，系統(tǒng)的壓強(qiáng)會(huì)變大。

在講有關(guān)化學(xué)平衡知識(shí)時(shí)，教師提問(wèn)：向某恒溫恒壓下的氮?dú)浞磻?yīng)合成氨的氣相平衡體系中加入氮?dú)?，試推斷平衡將向何方向移?dòng)？許多學(xué)生馬上想到因?yàn)槭窃黾臃磻?yīng)物濃度，立即回答平衡將向合成氨的方向移動(dòng)，而有些學(xué)生想到雖然是增加反應(yīng)物濃度但同時(shí)也增大了系統(tǒng)的體積，則認(rèn)為平衡將向氨分解的方向移動(dòng)，到底孰是孰非？通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)信息并進(jìn)行爭(zhēng)論發(fā)現(xiàn)，向平衡體系中加入nx L N2后，平衡移動(dòng)的方向由起始氮?dú)獾钠胶鉂舛萩(N2)的大小決定，可能存在下列三種情況[7]：

由此完成了對(duì)這些具有爭(zhēng)議問(wèn)題的教學(xué)。

3　利用學(xué)生典型的、普遍性的錯(cuò)誤設(shè)置問(wèn)題情境

在講電化學(xué)知識(shí)向?qū)W生介紹化學(xué)電源時(shí)，教師提問(wèn)：燃料電池的效率能否大于1？不少學(xué)生立即聯(lián)想到卡諾循環(huán)原理所給出的永動(dòng)機(jī)制不出來(lái)的結(jié)論，馬上回答燃料電池的效率不可能大于1。這時(shí)教師要求學(xué)生回顧化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：(1)恒壓熱效應(yīng)等于系統(tǒng)的焓變；(2)體系自由能的變小值是體系所做非體積功的最大限量；(3)體系的自由能變與體系的焓變、熵變及溫度的關(guān)系是：ΔG =ΔH－TΔS。明確的科學(xué)依據(jù)有助于學(xué)生對(duì)問(wèn)題的準(zhǔn)確判斷，接著讓學(xué)生查找資料，經(jīng)過(guò)閱讀、討論，學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)了燃料電池的效率有大于1的可能性[8]。

在講述原子核外電子分布規(guī)律與元素周期表結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí)，教師提問(wèn)：是否有最外層電子數(shù)大于8，或其電子層數(shù)與所在元素周期表中周期數(shù)不一致的中性原子存在？許多學(xué)生憑借基礎(chǔ)教育積累下來(lái)的知識(shí)，回答說(shuō)沒(méi)有中性原子最外層電子數(shù)大于8的元素。這時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生看教科書(shū)最后面的元素周期表，一種最外層電子數(shù)為18的46號(hào)鈀元素躍然紙上，這樣就產(chǎn)生了問(wèn)題情境。經(jīng)閱讀、討論后，大家一致認(rèn)識(shí)到要掌握原子的實(shí)際電子分布情況，必須遵從客觀事實(shí)。

回顧原子核外電子分布原理后，在講元素周期律介紹第一電離能大小規(guī)律時(shí)，教師問(wèn)：第一電離能I1大小順序?yàn)閚s2np3> ns2np4是否確切？學(xué)生回答說(shuō)確切。什么原因？“因p3是半充滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)難于失去電子，而p4容易失去1個(gè)電子變成p3半充滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。所以I1大小順序?yàn)閚s2np3> ns2np4是確切的”。這時(shí)教師提示，要求學(xué)生看書(shū)并查閱資料，通過(guò)比較、討論，逐步認(rèn)識(shí)到：要準(zhǔn)確掌握原子第一電離能大小順序，必須從客觀事實(shí)出發(fā)，具體問(wèn)題具體分析，盡管Sb、Bi是p3結(jié)構(gòu)，Te、Po為p4結(jié)構(gòu)，但由于前者的金屬性比后者強(qiáng)，表現(xiàn)出更容易失去電子的趨勢(shì)，所以第一電離能I1大小順序?yàn)?s25p3< 5s25p4，6s26p3< 6s26p4[9,10]。

在講Fe(III)試劑顏色時(shí)，教師幫助學(xué)生復(fù)習(xí)回顧有關(guān)知識(shí)后，提問(wèn)：含F(xiàn)e3+的溶液是否有顏色？什么色？學(xué)生一致回答含F(xiàn)e3+的溶液呈黃色。接著教師指導(dǎo)學(xué)生看教科書(shū)并查閱資料，通過(guò)閱讀討論后，學(xué)生了解到硫酸酸化的硫酸鐵和硝酸酸化的硝酸鐵等幾近無(wú)色[11]，將含F(xiàn)e3+溶液一概排除在“無(wú)色溶液”外[12]是不確切的。

4　通過(guò)課堂演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

在講碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液性質(zhì)與鑒別方法時(shí)，教師提示學(xué)生回憶堿土金屬的碳酸鹽與碳酸氫鹽的水溶性后，提問(wèn)：常規(guī)法能否用可溶性堿土金屬鹽溶液來(lái)鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液？學(xué)生不假思索地回答說(shuō)可以。接著教師取兩支小試管并分別加入2 mL的0.02 mol?L－1碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液，再向兩支試管中依次加入2 mL的0.02 mol?L－1氯化鋇溶液后震蕩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚表明，兩支試管都產(chǎn)生渾濁甚至沉淀。這時(shí)教師要求學(xué)生查找網(wǎng)絡(luò)信息，通過(guò)爭(zhēng)論發(fā)現(xiàn)碳酸鋇溶解度較小，即使存在離子強(qiáng)度的影響，由于碳酸氫鈉溶液中HCO3－所解離出的碳酸根離子CO32－

也足以與常量濃度的Ba2+產(chǎn)生渾濁甚至沉淀。因此，常規(guī)法不能用可溶性鋇鹽溶液鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液[13]。同時(shí)明白，沒(méi)有澄清透明常量濃度的堿性碳酸氫鋇、碳酸氫鈣溶液，碳酸氫鋇、碳酸氫鈣澄清透明液一定呈微酸性[13,14]。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和討論后，教師又問(wèn)：常規(guī)法能否用可溶性鎂鹽溶液鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液？學(xué)生受上述實(shí)驗(yàn)的影響，馬上回答說(shuō)不能。接下來(lái)教師取兩支小試管并分別加入2 mL的0.02 mol?L－1碳酸鈉與1 mol?L－1(近飽和)碳酸氫鈉溶液，再向兩支試管中依次加入2 mL的0.02 mol?L－1和1 mol?L－1氯化鎂溶液后震蕩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚表明，裝碳酸鈉這支試管產(chǎn)生渾濁，而裝碳酸氫鈉這支試管卻不產(chǎn)生沉淀甚至渾濁，由此產(chǎn)生新的問(wèn)題情境。教師提示學(xué)生獲取網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，經(jīng)過(guò)閱讀、討論，學(xué)生明白盡管碳酸鎂為難溶鹽，由于其溶解度大于碳酸鋇，又因Mg2+能與HCO3－結(jié)合成可溶性[Mg(HCO3)]+配離子，加之離子強(qiáng)度的影響，即使用近飽和的碳酸氫鈉溶液與氯化鎂溶液混合，也不見(jiàn)溶液產(chǎn)生沉淀甚至渾濁，而稀碳酸鈉溶液與稀的氯化鎂溶液混合也能出現(xiàn)渾濁，所以能用可溶性鎂鹽鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液[15]。

盡量展示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路與過(guò)程，有目的地創(chuàng)設(shè)探索問(wèn)題的氛圍，使之成為師生共同參與的“亞研究”過(guò)程，不僅能有效訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)造性能力。

5　通過(guò)提出、檢驗(yàn)假設(shè)的方法創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

在講Sb(III)、Bi(III)硫化物溶解性過(guò)程中，教師指導(dǎo)學(xué)生看教科書(shū)，當(dāng)學(xué)生得知Sb2S3能溶于9 mol?L－1鹽酸，Bi2S3能溶于4 mol?L－1鹽酸時(shí)，教師可提出這樣的假設(shè)。假設(shè)1：由于Sb2S3和Bi2S3的堿性而溶于鹽酸，那么它們也能溶于相當(dāng)濃度的稀硫酸。這樣產(chǎn)生了問(wèn)題情境。這種假設(shè)正確嗎？讓學(xué)生收集資料，進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)閱讀、討論，學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)到Sb2S3和Bi2S3不能溶于任何濃度的稀硫酸，它們之所以能溶于鹽酸，不是因?yàn)槠鋲A性所致，恰恰是因?yàn)镾b3+、Bi3+的路易斯酸性[16,17]，這樣便證實(shí)了假設(shè)1是錯(cuò)誤的。進(jìn)一步懂得方程式Bi2S3+ 6H+= 2Bi3++ 3H2S和Bi2S3+ 6HCl = 2BiCl3+ 3H2S也是錯(cuò)誤的[17]。

由于碳酸鈉溶液的堿性強(qiáng)于碳酸氫鈉溶液，將氯化鎂溶液與碳酸鈉溶液作用得不到純碳酸鎂，只能得到堿式碳酸鎂。因此，在講碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液性質(zhì)時(shí)，可提出假設(shè)2：由于碳酸氫鈉溶液堿性弱，用氯化鎂溶液與碳酸氫鈉溶液作用可直接制取純碳酸鎂。對(duì)于這種假設(shè)是否正確，同樣要求學(xué)生閱讀教科書(shū)并搜集資料，進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)閱讀、討論后，在教師提示下，學(xué)生回想到能用可溶性鎂鹽鑒別常量濃度的碳酸鈉溶液與碳酸氫鈉溶液，也就是即使將1mol?L－1的氯化鎂與1mol?L－1(近飽和)的碳酸氫鈉溶液混合也不會(huì)產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象。因此，不能用可溶性鎂鹽與碳酸氫鈉溶液直接制取碳酸鎂[18]，這樣就證實(shí)假設(shè)2是錯(cuò)誤的；同時(shí)也能明白方程式Mg2++ HCO3－= MgCO3+ H+是錯(cuò)誤的[18]。

盡管金屬鋁是一種活潑金屬，但由于其在空氣和水中都易與氧氣作用，在表面生成致密氧化膜，從而能制作成飛機(jī)部件、日常用品、炊具等。在講金屬鋁性質(zhì)時(shí)，教師可提出假設(shè)3：如果能有辦法阻斷致密氧化膜的形成，金屬鋁就會(huì)如同金屬鈉一樣，能與冷水作用放出氫氣，在空氣中會(huì)很快腐蝕掉。這種假設(shè)正確與否，有待證實(shí)。在教師的提示下，學(xué)生通過(guò)查閱網(wǎng)絡(luò)信息，了解到鋁汞齊的生成可阻斷金屬鋁表面致密氧化膜的形成。于是教師把準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)試劑與用品展現(xiàn)于講臺(tái)，讓學(xué)生親手做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不出所料，經(jīng)氯化汞溶液處理過(guò)的鋁箔既能與冷水快速不間斷地制取氫氣[19]直至鋁箔消耗殆盡，又能在空氣中迅速被腐蝕(即著名的毛刷實(shí)驗(yàn))。實(shí)驗(yàn)事實(shí)證實(shí)假設(shè)3是正確的。

創(chuàng)新問(wèn)題情境的方法與實(shí)例不勝枚舉，限于篇幅，在此就不一一列舉。只要細(xì)心體會(huì)，教師都會(huì)學(xué)會(huì)使用，進(jìn)而游刃有余。

總之，問(wèn)題教學(xué)法不僅能使學(xué)生廣泛獲得化學(xué)知識(shí)，熟練掌握化學(xué)基本技能，更重要的是能調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)獲取知識(shí)的能力和主人翁精神，并能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造意識(shí)和創(chuàng)新能力。

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?知識(shí)介紹?

The Teaching Practice of Problem-Based Teaching in Inorganic Chemistry Course

LI Da-Tang1,2,3,*TANG Jian-Ting3
(1Students′Innovative Training Center for Teachers′Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China;2College of Chemistry & Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China;3Key Laboratory of Theoretical Organic Chemistry and Functional Molecule, Ministry of Education, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan Province, P. R. China)

Abstract:The problem-based method has been applied to teaching of inorganic chemistry to stimulate students′innovative thinking and scientific curiosity and to effectively raise students′innovative ability.

Key Words:Problem-based teaching method; Inorganic chemistry; Teaching; Practice; Innovation

中圖分類(lèi)號(hào)：O61；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160328

*通訊作者，Email: dtlhx@163.com

基金資助：湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目——湖南科技大學(xué)教師教育大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心成果(145814)；國(guó)家級(jí)化學(xué)特色專業(yè)資助(TS1Z078)