本科化學專業教與學中的三條主線

2024年2月9日發(作者：忠于職守的意思)

第7期胡宇芳，等:本科化學專業教與學中的三條主線-193

-本科化學專業教與學中的三條主線胡宇芳，王邃*，郭智勇（寧波大學材料科學與化學工程學院，浙江寧波315211）摘要:在高等教育改革背景下，高校本科化學專業的教與學都面臨著持續改進的迫切需求。結合作者多年的教學經驗，提出了本科化學

專業體系中的三條主線:結構決定性質，量化，化學反應熱力學與動力學。在專業課程體系教與學的過程中，牢牢把握住這三條主線，能

夠強化學生對于化學專業整體性和系統性的認知，同時可有效提高學生的科學素養。關鍵詞：結構決定性質；量化；熱力學和動力學；科學素養；化學專業中圖分類號：G642.'

文獻標識碼：A

文章編號：'008-02'X（202'）07-0193-02Three

Main

Lines

of

Teaching

and

Learning

in

Undergraduate

Chemistry

MajorHu

Yufang,

Wang

Sui

*

,

Guo

Zhiyong(

College

of

Materials

Science

and

Chemical

Engineering，Ningbo

University，Ningbo

315211，China)Abstract：Under

the

background

of

higher

education

reform，

the

teaching

and

learning

of

undergraduate

chemistry

major

are

facing

the

urgent

need

of

continuous

improvement.

The

authors

sum

up

the

teaching

experiences

and

put

forward

the

following

three

main

lines:

structure

determining

properties,

quantification,

and

thermodynamics

and

kinetics

of

chemical

reactions.

In

the

process

of

teaching

and

learning

of

the

professional

curriculum

system，

the

teachers

and

students

try

to

understand

the

ideas，

which

would

benefit

to

strengthen

students'

cognition

of

the

integrity

and

systematicness

of chemistry

major,

and

at

the

same

time

can

effectively

improve

students'

scientific

words：structure-determining

nature；quantification；thermodynamics

and

kinetics；scientific

literacy；chemistry

major現代科技革命極大地改變了人類生存和發展的步伐，國家

之間的核心競爭力主要集中在科技和人才之間的競爭。新材

料、大健康和人工智能作為新時代的三大前沿研究領域，各國

都在搶占科技制高點，誰走在前面誰就擁有了話語權。化學作

為一門傳統學科，對于人類文明發展做岀了巨大貢獻。雖然在

表面上化學已經不那么時髦，其重要性有所下降，但是其作為

現代科技的中心學科，其核心地位并沒有改變。本科階段化學專業的核心課程主要包括無機化學、分析化

學（含儀器分析）、有機化學、物理化學（含結構化學）、高分子化

學五門課程，分別對應化學學科的五個二級學科。在今天日益

注重不同學科和專業之間交叉融合、強化專業技術性和實用性

的大背景下,許多高校在本科化學專業教學過程中進行了許多

改革［1-2］。例如,適當簡化核心課程的教學內容和教學學時，并

結合各個高校的實際情況適當增加一些其他專業的交叉復合

課程、直接面向應用對象的技術類或應用類課程等。這些措施

對提高學生的綜合素質、培養更多復合型人才取得了良好的效

果，但同時也給實際的教學效果、特別是專業素養的培養帶來

了一些弊端。主要體現在:（1）知識基礎不夠扎實，科學理念不

夠深入。例如:量子力學是描述微觀世界物質運動規律的基礎

與核心，量子化、波粒二象性、測不準原理體現著現代科學理

念，也是深入理解電子運動規律的基礎，作者通過大量學生的

調查了解，許多高校化學專業在這塊內容的實際教學過程中都

有或多或少的縮水現象;（2）專業的系統性和整體性有所降低。

例如:部分高校中應用型較強的化學專業將《結構化學》列為選

修課,許多學生了解到該課程比較難學以后最終放棄了選修;（3）實際應用能力不強。雖然改革后的化學專業培養方案中增

加了很多面向對象的應用類課程，但是“根基不牢、地動山搖”，

由于不能真正理解科學知識背后所蘊含的科學方法，學生在面

對復雜多變的實際需求時很難做到舉一反三、靈活運用；（4）科

學素養不高。國務院辦公廳印發的《全民科學素質行動計劃綱

要實施方案》中所述2015年我國公民具備科學素質的比例

6.20%,與我國受過高等教育的人群所占比重比較，表明有很多

高校畢業生并不具備基本的科學素養。針對上述現狀，

作者根據多年從事化學專業本科教學工作

的經驗，提岀了本科化學專業教與學中的三條主線,希望藉此

分享給同仁，以期在新形勢下的化學專業人才培養過程中,對

于彌補核心基礎課程相對弱化所帶來的副作用、強化教學效

果、提升學生科學素養方面起到一定的參考作用。1本科化學專業教與學中的三條主線1.1結構決定性質“結構決定性質”在有機化學的教學中普遍都是比較重視

的［3］,強調官能團和分子結構決定著化學反應的位點、活性以

及產物結構,但如果從“原子軌道”這個源頭岀發，把“結構”的

含義進行拓展，向更微觀層面推廣到核外電子排布結構、向宏

觀方面拓展到大分子高級結構，那么“結構決定性質”就會成為

貫穿無機化學、有機化學、結構化學、高分子化學的主線。量子

力學一原子軌道一核外電子排布一化學鍵/分子間作用力一分

子結構一化學反應特性一高級分子結構一化合物/材料特性,

每個尺度上都一脈相承的體現著結構決定性質這個基本規律。

化學從原始的實踐經驗開始，原子分子論的誕生標志著化學真

正成為一門科學，隨后建立了許多基本定律、編制了元素周期

表、發展了有機結構理論等，化學的系統性得以充分完善并逐

漸形成了無機化學、分析化學、有機化學、物理化學四個經典的

二級學科。之后隨著高分子材料在實際應用中的比重急劇提

高，高分子化學得到了極大發展,并且與有機化學的區分也越

來越大，使得高分子化學成為并列的第五個二級學科。今天的本科化學專業教學體系充分體現了現代化學的發

展成果，主要得益于現代物理學的長足進步，特別是量子理論

的發展不僅使得化學和物理開始深度交叉,而且解決了原來許

多化學上無法解決的問題。

早期的元素周期表主要利用原子

量、元素的物理性質和化學性質進行排列，雖然對于新元素和

新反應的發現做岀了巨大貢獻，但是直到應用量子理論和現代

物理分析儀器徹底解決了核外電子排布的問題以后，才有了現

收稿日期：2020-11-01基金項目：寧波大學校級教研項目（JYXMXKG201908,

JYXMXYB202062）作者簡介:胡宇芳（1985—），女，湖南株洲人，博士研究生，副教授，主要從事生命分析化學領域的教學科研工作；-通信作者:

王邃（1971—）,河北滄州人，博士研究生，教授，主要從事分析化學和高分子水凝膠領域的教學科研工作。

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卷在廣泛使用的元素周期表,也才真正從本質上解決了“結構決

定性質”的本源,而只不是進行實驗事實的總結歸納。無機化學中的物質結構基礎部分和結構化學中均以量子

力學在化學中的應用、化學鍵和空間結構為核心。

量子力學確

定了元素的核外電子排布規律，這是所有化學層面上一切性質

的決定性因素。原子軌道的數量、能級和形狀這種電子結構特

征決定了元素的許多基本性質，如電負性、電離能、電子親和

能、原子半徑等。元素價電子層的結構特征則決定了元素之間

相互作用所形成的化學鍵的性質,如元素價電子層中的成單電

子數決定了形成共價鍵的數量也就是飽和性、價電子軌道的方

向性決定了形成共價鍵的角度也就是方向性等。

化學鍵的結

構特征進一步決定了分子以及化合物的諸多物理性質和化學

性質，如共價鍵的極性和方向性通過“矢量合成”決定了由共價

鍵組成的分子的極性，分子的極性對于分子間作用力大小和氫

鍵形成有著重要影響，后者直接決定了化合物的熔沸點和溶解

性等物理性質;再如原子電負性差決定著共價鍵的極性，共價

鍵的方向性決定分子的空間構型,也就決定了有機化學官能團

的活性，它們一起在有機化學中的反應位點、反應活性、旋光特

性等性質中起著決定性作用。 高分子化學中的基礎反應特性

與有機化學相似,也是由官能團的結構特征所決定；由高分子

構成的化合物或材料擁有許多小分子有機化合物不具備的奇

特性質，這在本質上是也由結構決定的，只不過此時的結構不

僅包括化學鍵和官能團這些基礎結構特征，還要把相對分子質

量分布、晶態、織構等高級結構特征考慮進來。“結構決定性質”還可以進一步拓展，將不同課程的內容進

行有效連接，可以使學生對于知識的理解更加深入、應用更加

靈活，做到學新不忘舊、融會貫通，可有效提升對于專業知識體

系整體性和完整性的認識。以酸堿理論為例:最早的酸堿是按

照H+和OH-定義的，也就是說是H+和OH-的結構決定著酸堿

性，后來發展的酸堿質子理論，是分析化學中酸堿滴定和無機

化學中酸堿平衡的理論基礎;Lewis酸堿理論，則為更宏觀的認

識有機化學反應規律提供了有力的工具。Lewis酸堿理論由于

理論層次很高、適用性很廣，缺少合適的酸堿定量標準，難以直

接有效的解決具體問題，使得老師教與學生學的過程中重視度

普遍不夠。特別是有許多老師也沒有從根本上搞清楚這條線,

只是簡單的讓學生按照Lewis酸堿定義（包括后續改進的軟硬

酸堿理論等）去分析，學生只能通過大量記憶官能團和反應以

后才能判斷哪些是給電子的Lewis堿、哪些是得電子的Lewis

酸。如果從最基本的元素電負性去認識Lewis酸堿，通過比較

給定體系或官能團所涉及元素的電負性差異，推斷酸堿性的相

對強弱，將有機化學反應均歸結為廣義的“酸堿反應”，對于深

入理解有機化學反應活性和位點、減少“死記硬背”大量有機反

應有很大幫助，從根本上改變學生對于有機化學很難學、記不

住的刻板印象。這同樣適用于高分子化學基本反應以及對高

分子材料進行官能團修飾改性的學習。1.2

量化科學素養不僅體現在擁有一定的科學知識，更重要的是掌

握科學方法,具備獨立思考的能力，良好的科學精神等方面。

其中科學方法可以從邏輯化、定量化和實證化三個方面進行解

讀。分析化學課程除了教授一些化學分析和儀器分析的具體

技術和實際應用，核心是要培養學生對于科學重要標志之一的

“量”的認識和理解［4-5］。如果老師沒有在教的過程中反復強

化“量”的價值和意義，如果學生在學習過程中沒有真正理解

“量”的科學涵義并能夠恰到好處的應用“量”，在某種意義上來

說,分析化學的教與學都是不成功的。分析化學主要包括四大滴定、重量分析、基于光電色波的

譜學分析、樣品采集及前處理技術、數據處理與質量保證等內

容。以滴定分析為例，準確稱量質量的分析天平，準確讀取體

積的滴定管、移液管、容量瓶，基準物質的純度和滴定反應完全

程度的標準，滴定突躍范圍和指示劑選擇,滴定誤差計算，近似

處理條件，數據記錄和處理中有效數字的位數要求等，所有的

設計和理論依據都是圍繞0.1%這個允許誤差進行的。實際工

作當中,0.1%的允許誤差常常會根據實際分析對象的精度要求

相應的調整到0.2%-0.5%之間。針對痕量目標分析物的檢測

時,根據濃度或含量的量級、分析儀器和方法的精度、檢測限要

求等，其允許誤差通常為1%-5%。超痕量分析和極端復雜物

質分析時，允許誤差可放寬至10%以上。只有真正理解并運用

好“量”，才能確保一個完整分析過程的所有環節都恰好滿足這

個要求，設計好實驗步驟和儀器方法選擇，滿足復雜基體樣品

對于分析檢測準確度的要求。

避免一個環節的誤差超岀允許

范圍而導致整個結果的準確可靠性受到影響，以及采用過高級

別的試劑或儀器導致沒有必要的浪費。同時，基于對量化的深刻認識和把握還能夠加深科學性的

理解,提升個人的科學素養，即使不從事與分析檢測相關的直

接工作，也能夠科學理性的對待生活中遇到的許多問題。例

如：2009年11月由海口市工商局發布3種飲料總砷超標的“砒

霜門事件”，后來公開的調查結果為由于儀器老化、樣品前處理

不恰當導致檢測結果有誤。實際上，砷元素在自然界中有多種

形態，各形態砷元素的毒性差異非常大，而普遍存在于水果和

水產品中的有機砷，在正常食用量的范圍內可以認為無毒。甲

醛也是人們日常生活中經常關注的一個有害物,實際上甲醛在

許多水果、奶制品、啤酒等食品中也廣泛存在，然而并不會對人

體帶來實質性危害。能否真正對人體帶來傷害，關鍵是“量”。

科普領域有一句話“拋開劑量談毒性就是耍流氓”，雖然這種表

述具有很大局限性，但是對于許多人們日常接觸的有害物而

言,依然有足夠的科學性,分析化學讓我們對“量”有了正確認

識，至少能夠采取科學理性的態度加以辨析，從而避免簡單的

盲從和迷信、極端的否定或過分的擔憂。1.3化學反應熱力學與動力學化學最有魅力之處在于“站在分子上跳舞”，在微觀層面直

接操控各個原子設計制造岀人們需要的各種物質。

化學專業的

學生只有在充分掌握一些基本的化學反應、有能力設計實現一

些相對簡單的物質合成、深刻理解控制化學反應的要素之后，才

能為從事新材料研發和生產工作奠定堅實基礎。在學習了一些

基本的化學反應知識以后,要從更高層面上去認識并控制化學

反應，就需要用到化學反應熱力學和動力學兩個理論工具。無機化學中對于熱力學和動力學進行了初步教學，深入系

統的教學則放在了物理化學課程中。 這兩部分內容的教學難

度大，不僅抽象、枯燥，而且化學熱力學更是涉及高等數學、概

率論與數理統計、熱力學與統計物理等相關知識，對于化學專

業的學生而言成為了一個天然障礙。 化學熱力學和動力學核

心解決的問題是化學反應的“可能性”和“現實性”，對于大多數

實際工作來說，能夠利用好吉布斯-亥姆霍茲方程、反應速率方

程、平衡常數就夠了,進一步結合高等教育大眾化的趨勢、本科

化學專業的教學改革現狀,熱力學和動力學的教學過程可以大

力刪減一些公式的推導和證明,同時加強熱力學和動力學在化

學反應過程和產物控制中的理解和應用,這不是降低難度而是

改變教與學的側重點,增強學生對于化學專業體系整體性的認

識和融會貫通的能力。深刻理解熱力學和動力學，不僅是學習無機化學和物理化

學的要求，同時對于有機化學和高分子化學的學習也有很大幫

助［6-8］。例如:有機化學反應大都有多種產物，投加相同原料的

反應，各產物的比例也常常會因溫度、時間、催化劑等外界條件

的改變而改變。傳統有機化學教學過程中，對此類現象主要通

過反應機理對依據大量實驗結果歸納總結岀的規則或規律進

行解釋。反應機理雖然也屬于反應動力學研究的內容,但由于

很多反應機理更像一種推測，學生經常會認為“反應機理是科

學家為了解釋實驗現象而提岀來的一種假設”，可信度不高,加

之比較抽象，學習效果有限,學習好的學生也往往只停留在“照

貓畫虎”的狀態。教學過程可以首先應用吉布斯-亥姆霍茲方

程進行相關熱力學計算，找岀各種產物中熱力學上更有利的構（下轉第196頁）

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卷的主觀能動性被忽略，只是機械地照著書上的步驟和教師的要

求完成實驗，遇到問題過度依賴教師,不能獨立思考，且有些學

生的操作很不規范。(4)教師在講解時更多地注重對基本實驗

操作的訓練,忽視了實驗內容與科學研究和解決實際問題的聯

系，使學生像完成任務一樣完成實驗，失去了實驗探索的興趣,

過于機械化起不到培養學生的創新能力和科研興趣的作用。2演示視頻引入無機化學實驗中的意義2.1通過演示視頻激發學生興趣興趣是最好的老師，我們可以利用無機化學實驗演示視頻

來激發學生對無機化學實驗課的興趣,展現無機化學實驗本身

的魅力，使學生對做化學實驗充滿期待,并愉悅的完成實驗。

如何正確使用普通漏斗進行過濾操作，如何正確使用分液漏斗

進行分液操作等。

一些學生即使在高中階段沒有接觸過化學

實驗,通過在預習的時候觀看實驗的演示視頻也可以較好的了

解無機化學實驗的基本操作。

通過預習的時候觀看演示視頻

的教學方式,可以很好的幫助高中階段沒進行過實驗操作的學

生對實驗的畏懼感，增強學生對實驗課程學習的自信心。借助

演示視頻，可以幫助學生在預習的時候就基本掌握一些操作規

范，教師在課堂上就可以輕松講解這些基本操作的要求，把更

多的精力放在培養學生的創新思維上，更好的提高學生的化學

專業素養以及實驗創新能力。3結語實驗演示視頻可以在網絡上實現資源共享，教師可以通過

互聯網給學生們提供優質的演示視頻資源供學生學習。

將實

驗演示視頻應用到無機化學實驗教學中能有效的激發了學生

對學習的興趣，提高了學生學習的主動性、積極性。學生在預

習階段就對實驗內容有一個清晰的印象。課后,學生可以針對

性的重復觀看、學習，鞏固學習效果。通過合理應用演示視頻，

可以高效利用有限的課堂教學時間，把節省的時間用于啟迪學

生的創新思維以及培養學生的實驗創新能力，提高無機化學實

驗課的課堂教學效率和質量。教師可以根據實驗項目針對性的提供演示視頻，視頻內容不

長，且按照學生熟悉的方式傳播,首先可以利用演示視頻加深

學生對整個實驗的印象;其次可以利用視頻的可視化和生動性

吸引學生，激發學生的學習興趣和開展實驗的興趣，從而達到

引導學生積極主動學習并提高學習效率的目的。2.2通過演示視頻加深學生印象當同學們通過演示視頻進行預習時，相當于將整個實驗流

程在腦海里過了一遍。通過看視頻和教材相結合的方法進行

預習比單純看書預習的效果好的多，同學們可以清晰的、形象

的知道這次實驗的整個實驗過程和實驗細節，這比看書更容易

理解且印象更加深刻。同時，演示視頻也能很好的解決教師課

堂實驗演示的即時性的問題。教師可通過班級QQ群發送演示

視頻給學生的方式供學生完成學習，學生可以針對性的重復觀

看、學習，有利于學生學習、記憶和掌握，提升學生的學習

效果[6]。參考文獻[1]

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]朱文靖,馮建成，張才靈，等.微課在無機化學實驗教學中的

2.3通過演示視頻的學習更好的幫助學生掌握基本

操作作為化學專業學生進入大學后接觸的第一門專業實驗課，

結合基本操作的演示視頻可以讓學生形象地了解化學實驗的

基本操作規范。

在課前，教師將本節課相關視頻發送到學生手

中,學生可以根據自己看書預習的情況，結合教材觀看視頻，認

真觀看演示視頻中的基本操作細節，不但能悉知實驗的流程，

還能熟悉儀器的使用及規范實驗操作動作，例如利用玻璃棒如

何引流、如何進行過濾操作,如何使用酒精燈和酒精噴燈，如何

使用托盤天平和分析天平進行稱量操作,如何使用容量瓶配制

一定濃度的溶液，如何使用吸量管和移液管準確移取一定量的

溶液,如何正確使用酸式滴定管和堿式滴定管進行滴定操作，(上接第194頁)應用研究[J].廣東化工,2020,47(9)

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王磊,張艷鴿，王宏勝.雨課堂在無機及分析化學實驗教學

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無機化學實驗教學中的應用[J

].山東化工，2021,50

(

7)

:

195

-196.)型構象;再依據碰撞理論和過渡態理論,從動力學上分析有利

于反應速率提高的因素；當不同產物的熱力學優勢和動力學優

勢不一致或者存在競爭反應時，可結合“結構決定性質”和“量

化”進行綜合考慮。不僅對于反應機理的學習大有裨益，而且

也便于通過控制條件提高目標產物的收率。對于高分子化學

中的聚合反應機理、相對分子質量的大小及分布調節、聚合溫

度與時間控制、反應工程設計等,反應熱力學與動力學同樣是

重要工具。教學模式及啟示[J].大學化學,2016,31(7):101-106.[2]

劉婧靖，彭建南,任輝.化學新生專業教育的思考和改革[J].

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李金鑫.“功能高分子材料”的化學教學價值[J].中國教師,

2014(4):19-21.[7]

劉峰，杜敏疏，黃林科，等.熱力學與動力學相關性,科學與

2結語在本科化學專業教與學的過程中，師生充分重視到貫穿本

科化學專業五大核心課程的三條主線一一結構決定性質、量

化、化學反應熱力學和動力學，對于化學專業知識體系的完備

性和自洽性構建非常有利。可以有效降低知識學習的碎片化

程度,減少單純記憶性的知識點數量，改善各個知識點以及課

程之間彼此分隔的狀況，加強化學各個領域之間的交叉融合,

從而提高教與學的效率，達到全面提升學生綜合素質的目的。人文的統—[J].自然雜志,2019,41(4)

：242-254.[8]

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：43-44.(本文文獻格式:胡宇芳，王邃，郭智勇.本科化學專業教與學中

的三條主線[J].山東化工,2021,50(7)

：

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