在高等教育大眾化的今天,世界多數國家十分重視發展??平逃耘囵B高等技術應用性專門人才。隨著我國化工基礎行業的蓬勃發展,急需面向一線的化工類應用人才,化工專業也成為高校熱門專業,培養高素質的應用型化工人才是高等化工職業教育的首要任務。教學改革是提高教學質量的核心,是培養應用型專門人才的有力保障。無機化學是化工專業的核心專業基礎課;同時無機化學課通常安排在大一新生的第一學期,在提高學生獨立學習解決問題能力,培養學生的創新意識和創新能力方面發揮重要作用。作者在教學實踐中不斷進行教學改革,提高了教學效果,取得了一些成果和經驗。
1、 基于化工行業特點,建立以行業為核心的教學理念
教學理念是培養目標與課程教學內容之間的連接點。培養應用型人才應以行業為導向,實現學業與就業的無縫對接?,F代化學工業雖然種類繁多,工藝各異,規模差異大,但化工生產過程多具有高溫高壓有毒易燃易爆及安全生產要求嚴格等行業共同特點。不管在檢修或運行期間化工生產要求的工藝條件都非??量?,行業間競爭激烈。學生在入學時多數對專業了解停留在表面上,還伴有一定畏懼感,專業信念不堅定。所以教師在日常的教學活動中應逐步使學生科學認識化工行業,逐步熟悉行業建立良好職業素養,專業教育應貫穿在教學活動的始終。在教學中要精心選材,使書本知識密切結合當下化工行業,理論聯系實際。例如反應動力學部分濃度溫度催化劑對反應速度影響可結合N2\\(g\\)+3H2\\(g\\)→2NH3\\(g\\)在工業應用即工業合成氨工藝。該反應特點是分子數減少放熱,壓強增大降低溫度有利于氨的轉化,反應活化能大約 335 kJ/mol。工業合成氨首先使用鐵觸媒將活化能降到 167 kJ/mol 以下,考慮反應速率溫度不宜太低采用 500 ℃,考慮到實際動力和耐壓材料因素壓力控制在 20~40 MPa 之間,實現上述反應條件需要機械電子材料化學工程等學科的有機結合;再用工藝流程圖簡介生產流程,工藝參數調節、原料氣精制、產品分離精制、安全措施等過程及產生的經濟效益,產業鏈的下游生產液氨合成尿素等。這種理論結合現實化學工業案例教學方法不僅深化了學生對知識的理解,增強了學生對化工行業本身生產過程如高溫高壓有毒的特點科學認識,消除了盲目畏懼感,有助于樹立專業信心堅定專業信念,還提高了學生學習興趣??山Y合的切入點還有很多這里不再枚舉?;ば袠I為核心的教學理念縮短了學生與專業的距離,選好結合點是關鍵,把握好知識深度分清主次兼顧深度與廣度。
2、 密切跟蹤化工行業發展動態,優化教學內容
現行??茻o機化學教材多為通用性教材,很少有專門的化工類無機化學教材,版本通常是幾年前的;而化工行業發展迅猛,新技術新工藝不斷涌現。這種更新應反映到課堂教學上,密切跟蹤化工行業發展動態,適時更新教學內容,保證教學內容的適用性和先進性,使學生了解化工專業最新技術。例如在講到硅化學性質時,可結合 2013 年 8 月在建的赤峰盛森硅業科技發展有限公司的具有國際先進水平國內規模最大的年產 5000 噸氣相法二氧化硅及國內首創年產 1000 噸電子級高純硅烷氣\\(純度超過 7N\\)項目講解,由于是國內最新技術,學生很感興趣。該項目以四氯化硅和氫氣為原料,氣相法二氧化硅是利用硅的氯化物在氫氧焰中燃燒進行高溫氣相水解,其火焰溫度大于 1000 ℃,經過凝聚、分離、脫酸、篩選等精制過程生產而成??偡磻剑篠iCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl,副產品為鹽酸;鹽酸解析出的氯化氫與硅粉反應生產三氯氫硅 3HCl+Si→SiHCl3+H2,副產的氫氣用于生產氣相法二氧化硅;三氯氫硅經歧化催化反應生產電子級的高純硅烷氣4SiHCl3→SiH4+3SiCl4;硅烷氣生產過程中副產大量的四氯化硅再用于氣相法二氧化硅產品的生產。生產工藝采用的新技術是創新性地使用先進的閉式爐和分段熱回收工藝,首創了用歧化催化法生產高純硅烷氣技術,突破了國外技術封鎖,使電子級高純硅烷氣生產技術躋身國際行列。通過這個項目巧妙地將抽象的硅化學反應方程式與先進的高純硅烷氣生產技術相聯系,既深入掌握了硅化物的重要化學性質又對先進的硅化工技術有了一定認識,學生能真正體驗到知識轉化為生產力的巨大力量力,增強了專業興趣。在教學中發現學生對于高新技術產業有很強的求知欲探索欲,所以在選材時一定要突出“新”的特點。
3、 依據專業特點,處理好理論與應用關系,調整教學內容
無機化學課程內容包含化學基本原理物質結構基礎元素化學三部分,內容繁雜。教材編寫者考慮到知識的系統性及完整性內容含量全而多,教學時應根據專業特點以知識夠用為原則精選教學內容把握知識深度。精選那些實用性強內容,精簡理論性內容,重在會應用所學知識解決實際問題,無機化學三部分內容都可做適當處理。物質結構部分比較抽象,是歷來學習難點,對這部分內容必須抓重點精講多用。物質結構中的原子結構部分重點內容是描述核外電子遠動特性的四個量子數及原子核外電子排布規律。先著重闡述四個量子數的取值及意義,說明核外電子運動具有統計規律,在核外空間運動幾率除 S 軌道外具有不均勻性有最大值和零值,并以一定能量值和空間幾率分布作為一個原子軌道,接著簡介兩種四個量子數的形象化空間表示方式:波函數的角度分布圖及電子云圖,圖的應用必須掌握,可以以 Cl2分子內的共價單鍵及 N2分子內的三個共價鍵為例進行介紹,為后面的共價鍵及配合物形成打下基礎;對于涉及原子結構的量子理論即普朗克的量子論海森堡的微觀粒子運動測不準原理及薛定諤方程及其求解等這些內容簡介作為鋪墊就可以,否則學生會糾纏于抽象的量子理論而削弱對基本理論的學習,這樣既保證了原子結構理論的系統性又降低了理論難度,突出了理論的應用性。接著以原子軌道為基礎,講解鮑林原子軌道能級圖和基態原子核外電子排布三原則:即能量最低原理泡利不相容原理及洪特規則,突出原子核外電子排布規律,及元素周期表的內在關系;在此基礎上簡介元素周期表結構深入理解周期族與核外電子排布關系。接著重點學習元素周期律掌握元素電負性金屬性非金屬性遞變規律即可,周期律中其他內容作為了解,這部分內容為元素化學學習打下良好基礎。其他部分可做相似處理。
4、 以結構為主線,增強元素化學規律性
元素化學部分包含周期表中幾乎所有元素單質及其典型化合物的性質制備應用及性質遞變,內容繁雜知識量大,是學生最難以記憶的部分。由于同族元素及化合物間既有共性又有其特殊性規律性不如前兩部分強,學生學習起來感覺知識量大摸不著規律,多憑記憶學習,會出現學得快忘得快的現象。實際上元素化學與物質結構反應原理及是密不可分的,是前兩者的具體應用,因此在教學中以物質結構為主線,結構決定性質,適當輔以化學反應原理組織教學內容,突出規律性,化繁為簡。如氮族元素,價電子構型為 ns2np3有 5 個價電子,決定其主要氧化數為-3、+3 和+5。
隨電子層增加,產生了惰性電子對效應,As、Sb 及 Bi 的+3 氧化數化合物穩定性漸增;隨原子半徑逐漸增大,有效核電荷緩慢增加電負性呈遞減,由氮的 3.03 遞減到 Bi 的 2.02,元素性質由非金屬經準金屬過渡到金屬\\(金屬性非金屬性以電負性 2.0 為界限\\)。氮與磷分子結構不同,單質氮以三個 P 軌道形成三重鍵N2分子,磷則以 P-P 單鍵形成 P4分子,兩種分子結構的差異可以用分子鍵能數據越大分子越穩定加以說明,類似還有 O2及 S8分子。對于氮氧化物表面上看結構復雜,可以用雜化軌道理論說明氮氧化物的成鍵方式和分子構型,N2O:N=N=O\\(N 采取 sp 雜化,直線形\\)、NO:N=O·、N2O3\\(N 采取 sp2雜化,平面形\\)、NO2\\(N 采取 sp2雜化,V 形\\)、N2O4\\(N 采取 sp2雜化,平面形\\)及 N2O5\\(N 采取 sp2雜化,平面形\\),氮的氧化數由+1 變到+5;由雜化方式看出N2O3NO2N2O4N2O5分子中 N 都是同一種 sp2雜化成鍵方式分子幾何構型為平面三角形,依結合氧原子數不同呈現+1 到+5 氧化數。因此對這幾種氮氧化物構型抓住氮原子的雜化方式這根主線就能輕而易舉掌握其結構及原子間成鍵方式;再根據成鍵分子中N 原子電子分布特點,推知其反應特性,如 NO 分子中 N 原子具有一對孤對電子及一個成單電子,因此 NO 是一優良配體易與過渡金屬形成配合物如[Fe\\(NO\\)]SO4,易于被氧化如 NO 常溫下易氧化為 NO2,易于二聚。熟悉了氮氧化物中氮的 sp2雜化平面三角形成鍵方式,對于其水合物硝酸 HNO3和亞硝酸 HNO2分子中氮的這種成鍵方式及化學性質也就容易學習了,只不過前者結合三個氧原子后者結合兩個氧原子及一個氫原子,所以酸中氮氧化數分別為+3 和+5,相應 HNO2具兩性而 HNO3只有氧化性,氮氧化物及其含氧酸性質只用 N 的 sp2雜化這一結構就聯系起來了,知識間的本質抓住了,也就易學易記牢了;類似地對于本族的磷元素的氧化物及酸也有相似規律。其它族元素可用同樣的手段進行處理,將整個無機化學內容緊密聯系在一起,詳略得當,更易于知識的傳授和掌握。
5、 發展靈活考試制度,重視平時激勵作用
考試不僅是檢驗教與學效果主要工具,也是學生學習的主要動力。隨著??聘呒寄苋瞬排囵B目標的不斷提高,教學內容不斷更新,探索更為合理有效的考試制度對于培養學生綜合素質具有積極的促進作用。將鞏固知識提升應用能力作為考試核心內容,開發了靈活多樣的考試方法。例如增加平時考試次數采取多種考試形式。依據課堂教學內容結合專業特點,考試有專題小論文,課堂學生講課,考試化作業,筆記打分隨堂測驗,章節考試等形式。將考試分散于日常的學習過程中,促進學生學習主動性,不斷激勵,增強應用能力。如熱力學反應熱效應部分給出的論文題目分別是化學反應熱的求算方法及其在民用生活中應用,化學反應熱效應在化工生產中的利與弊,化學反應熱效應在航天器上應用進展,航天工業功能燃料概述與進展。為鍛煉學生自學能力,平時考試成績按 20 %比例計入期末總成績中,一定程度上緩解了期末臨時突擊學習,一考定成績,學完即忘的弊端。
綜上,針對大專的技術應用型和高技能人才培養目標,對作為化工專業核心專業基礎課程的《無機化學》采用了較新型的教學手段,充分開發利用化學課程資源,不僅能保證教學效果,提高學生化學應用能力,而且使學生熟悉現代化學工業,為實現學業與就業的無縫對接創搭建新的平臺;還能培養學生理論實踐結合能力,堅定專業信心,增強專業自豪感,為盡快適應專業崗位在崗位成才創造條件。
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