研究前沿在大学化学教学中的引入

时间：2024-07-28

商虹

(中国地质大学(北京)数理学院，北京 100083)

大学化学是化学及材料等专业学生入学后学习的第一门化学类相关课程。作为一名大学化学教师，应该利用有限的学时，充分调动学生学习的主动性和趣味性，使学生全面并且高效率的掌握知识内容，提高教学质量。研究前沿在大学化学教学中的引入是一项有效措施，在提升教学水平的同时还可以提升学生及教师本身的科研素养。

1 大学化学教学存在的不足

随着科技的蓬勃发展和人们的广泛关注，科研成果也越来越多的涌现并且影响着人类的生活，但各种版本的大学化学教材普遍没有关注到最新的科学研究前沿及热点。枯燥的书本知识会打击同学们的学习积极性；重复性教学会阻碍教师尤其是青年教师的发展。若想使学生全面并且高效率的掌握知识内容并培养科研素养，教师需要采用新颖的方法来活跃课堂氛围，提升教学水平。

2 将研究前沿引入大学化学教学中

2.1 将碳材料的研究引入到杂化轨道的教学中

在共价键与分子结构章节中，为了解释多原子分子的空间构型，鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论[1]。根据教材，中心原子的杂化轨道类型不同，分子的空间构型也不同，其杂化轨道类型通常分为sp杂化、sp2杂化、sp3杂化，并分别以乙炔、乙烯、甲烷中碳的杂化方式进行举例说明。在教学过程中，这些在高中阶段就已经学习的简单的有机化合物并不能很好的引起学生的关注及学习兴趣，并且在空间构型上有一定的想象局限性。所以有必要对其代表性物质进行延伸和拓展。

近年来，碳材料被广泛地研究并应用于诸多领域。通过不同的杂化方式，碳元素可形成诸多的同素异形体，如天然存在的坚硬物质金刚石，是由sp3杂化碳构成的原子晶体。sp2杂化碳原子组成的碳材料有多种，例如石墨、富勒烯、石墨烯等，其中富勒烯由于极大促进了

图1 石墨烯(a)和石墨炔(b)结构示意图

纳米材料的发展而被誉为纳米王子；石墨烯(图1a)由于具有优异的光电特性被认为是一种未来革命性的材料[2]；由于贡献突出，富勒烯及石墨烯的发现者均获得了诺贝尔奖。sp杂化碳形成的碳材料在理论上得到了很好的预测，但直到2010年才被成功制备，具有中国完全自主产权的石墨炔，是由sp和sp2杂化碳共同构成的(图1b)，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，是一种非常有前景的催化和储能材料，这使其成为目前碳材料领域最前沿研究热点[3]，并成为“十三五规划”中的重点研究材料。课堂上，由这些研究前沿材料来引出三种杂化轨道类型，既能引起学生的学习兴趣，加深对基础理论知识的认识和理解，又能拓展学生的科研学术视野，利于培养新一代创新型科研人才。

2.2 将卟啉酞菁类化合物的研究引入到配位化学基础的教学中

图2 卟啉(a)和酞菁(b)结构示意图

在配位化学基础章节中，讲到了配合物的组成、分类、空间构型等。根据教材，在配合物的分类中，将其主要分为三大类：简单配合物、螯合物及特殊配合物。其中，特殊配合物是近几十年才蓬勃发展起来的一类新型配合物，教材中主要介绍几种常见的配合物，但欠缺对其性质及应用领域的说明，使得学生对其理解比较抽象且缺少学习兴趣。作者认为，在教学过程中引入一些研究前沿配合物，如卟啉、酞菁类配合物，将能引起学生的学习兴趣，在充实学生知识的同时促进教学质量的提升。

卟啉(图2a)是一类具有特殊生物活性的化合物，它存在于自然界和生命体内，例如生物体中运输氧气的载体血红素和光合作用的中心叶绿素分别是卟啉衍生物铁和镁的配合物。酞菁是卟啉的衍生物，如图2b所示。它们中间结构的四个氮原子可以和多种金属及非金属络合形成稳定的配合物，特别是当其与如镧系、锕系等半径较大，配位数较高的金属离子配位时，极易形成三明治型双层或多层配合物[4]。课堂上，由卟啉、酞菁单分子的研究及代表举例引出配合物这一章节的学习，以具体配合物的结构引导学生认识配合物的组成(中心离子、配体与配位原子、配位数等)，使抽象的概念变得具体化，使索然无味的知识点变得形象生动，更有利于学生的理解和学习。

2.3 将锂电池的研究前沿引入到电化学基础的教学中

在电化学章节最后，讲到了化学新知识-燃料电池，作者认为，由研究前沿锂电池引出电化学基础章节，会更能引起学生的学习兴趣，尤其是今年的诺贝尔化学奖颁发给了锂电池领域的研究学者。

21世纪，能源和环境是全世界共同面临的难题。为了开发新能源，各政府加大了对储能设备的研究资助，其中，锂离子电池被认为是高容量电池的理想之选[5]。已经商品化的锂离子电池，正极材料采用LiCoO2复合金属氧化物，负极材料采用层状石墨，而石墨的容量已经达到了其理论最大值。锂金属负极具有最高的理论容量(3860 mA·h·g-1)和最低的电化学电位(相对于标准氢电极为-3.04 V)，是提升锂电池能量密度较理想的负极材料[6]，但是，不稳定的固体电解质膜及充电过程中金属锂在电极表面发生不均匀沉积会造成不可逆的锂损耗，需要科研工作者的努力解决问题。在教学过程中，由这些科研前沿问题引出章节学习，有助于激发学生的探索能力及解决问题的能力，将对其研究生阶段的学习和科研起到积极地作用。