本科化学专业教与学中的三条主线

2024年2月9日发(作者：忠于职守的意思)

第7期胡宇芳，等:本科化学专业教与学中的三条主线-193

-本科化学专业教与学中的三条主线胡宇芳，王邃*，郭智勇（宁波大学材料科学与化学工程学院，浙江宁波315211）摘要:在高等教育改革背景下，高校本科化学专业的教与学都面临着持续改进的迫切需求。结合作者多年的教学经验，提出了本科化学

专业体系中的三条主线:结构决定性质，量化，化学反应热力学与动力学。在专业课程体系教与学的过程中，牢牢把握住这三条主线，能

够强化学生对于化学专业整体性和系统性的认知，同时可有效提高学生的科学素养。关键词：结构决定性质；量化；热力学和动力学；科学素养；化学专业中图分类号：G642.'

文献标识码：A

文章编号：'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现代科技革命极大地改变了人类生存和发展的步伐，国家

之间的核心竞争力主要集中在科技和人才之间的竞争。新材

料、大健康和人工智能作为新时代的三大前沿研究领域，各国

都在抢占科技制高点，谁走在前面谁就拥有了话语权。化学作

为一门传统学科，对于人类文明发展做岀了巨大贡献。虽然在

表面上化学已经不那么时髦，其重要性有所下降，但是其作为

现代科技的中心学科，其核心地位并没有改变。本科阶段化学专业的核心课程主要包括无机化学、分析化

学（含仪器分析）、有机化学、物理化学（含结构化学）、高分子化

学五门课程，分别对应化学学科的五个二级学科。在今天日益

注重不同学科和专业之间交叉融合、强化专业技术性和实用性

的大背景下,许多高校在本科化学专业教学过程中进行了许多

改革［1-2］。例如,适当简化核心课程的教学内容和教学学时，并

结合各个高校的实际情况适当增加一些其他专业的交叉复合

课程、直接面向应用对象的技术类或应用类课程等。这些措施

对提高学生的综合素质、培养更多复合型人才取得了良好的效

果，但同时也给实际的教学效果、特别是专业素养的培养带来

了一些弊端。主要体现在:（1）知识基础不够扎实，科学理念不

够深入。例如:量子力学是描述微观世界物质运动规律的基础

与核心，量子化、波粒二象性、测不准原理体现着现代科学理

念，也是深入理解电子运动规律的基础，作者通过大量学生的

调查了解，许多高校化学专业在这块内容的实际教学过程中都

有或多或少的缩水现象;（2）专业的系统性和整体性有所降低。

例如:部分高校中应用型较强的化学专业将《结构化学》列为选

修课,许多学生了解到该课程比较难学以后最终放弃了选修;（3）实际应用能力不强。虽然改革后的化学专业培养方案中增

加了很多面向对象的应用类课程，但是“根基不牢、地动山摇”，

由于不能真正理解科学知识背后所蕴含的科学方法，学生在面

对复杂多变的实际需求时很难做到举一反三、灵活运用；（4）科

学素养不高。国务院办公厅印发的《全民科学素质行动计划纲

要实施方案》中所述2015年我国公民具备科学素质的比例

6.20%,与我国受过高等教育的人群所占比重比较，表明有很多

高校毕业生并不具备基本的科学素养。针对上述现状，

作者根据多年从事化学专业本科教学工作

的经验，提岀了本科化学专业教与学中的三条主线,希望藉此

分享给同仁，以期在新形势下的化学专业人才培养过程中,对

于弥补核心基础课程相对弱化所带来的副作用、强化教学效

果、提升学生科学素养方面起到一定的参考作用。1本科化学专业教与学中的三条主线1.1结构决定性质“结构决定性质”在有机化学的教学中普遍都是比较重视

的［3］,强调官能团和分子结构决定着化学反应的位点、活性以

及产物结构,但如果从“原子轨道”这个源头岀发，把“结构”的

含义进行拓展，向更微观层面推广到核外电子排布结构、向宏

观方面拓展到大分子高级结构，那么“结构决定性质”就会成为

贯穿无机化学、有机化学、结构化学、高分子化学的主线。量子

力学一原子轨道一核外电子排布一化学键/分子间作用力一分

子结构一化学反应特性一高级分子结构一化合物/材料特性,

每个尺度上都一脉相承的体现着结构决定性质这个基本规律。

化学从原始的实践经验开始，原子分子论的诞生标志着化学真

正成为一门科学，随后建立了许多基本定律、编制了元素周期

表、发展了有机结构理论等，化学的系统性得以充分完善并逐

渐形成了无机化学、分析化学、有机化学、物理化学四个经典的

二级学科。之后随着高分子材料在实际应用中的比重急剧提

高，高分子化学得到了极大发展,并且与有机化学的区分也越

来越大，使得高分子化学成为并列的第五个二级学科。今天的本科化学专业教学体系充分体现了现代化学的发

展成果，主要得益于现代物理学的长足进步，特别是量子理论

的发展不仅使得化学和物理开始深度交叉,而且解决了原来许

多化学上无法解决的问题。

早期的元素周期表主要利用原子

量、元素的物理性质和化学性质进行排列，虽然对于新元素和

新反应的发现做岀了巨大贡献，但是直到应用量子理论和现代

物理分析仪器彻底解决了核外电子排布的问题以后，才有了现

收稿日期：2020-11-01基金项目：宁波大学校级教研项目（JYXMXKG201908,

JYXMXYB202062）作者简介:胡宇芳（1985—），女，湖南株洲人，博士研究生，副教授，主要从事生命分析化学领域的教学科研工作；-通信作者:

王邃（1971—）,河北沧州人，博士研究生，教授，主要从事分析化学和高分子水凝胶领域的教学科研工作。

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卷在广泛使用的元素周期表,也才真正从本质上解决了“结构决

定性质”的本源,而只不是进行实验事实的总结归纳。无机化学中的物质结构基础部分和结构化学中均以量子

力学在化学中的应用、化学键和空间结构为核心。

量子力学确

定了元素的核外电子排布规律，这是所有化学层面上一切性质

的决定性因素。原子轨道的数量、能级和形状这种电子结构特

征决定了元素的许多基本性质，如电负性、电离能、电子亲和

能、原子半径等。元素价电子层的结构特征则决定了元素之间

相互作用所形成的化学键的性质,如元素价电子层中的成单电

子数决定了形成共价键的数量也就是饱和性、价电子轨道的方

向性决定了形成共价键的角度也就是方向性等。

化学键的结

构特征进一步决定了分子以及化合物的诸多物理性质和化学

性质，如共价键的极性和方向性通过“矢量合成”决定了由共价

键组成的分子的极性，分子的极性对于分子间作用力大小和氢

键形成有着重要影响，后者直接决定了化合物的熔沸点和溶解

性等物理性质;再如原子电负性差决定着共价键的极性，共价

键的方向性决定分子的空间构型,也就决定了有机化学官能团

的活性，它们一起在有机化学中的反应位点、反应活性、旋光特

性等性质中起着决定性作用。 高分子化学中的基础反应特性

与有机化学相似,也是由官能团的结构特征所决定；由高分子

构成的化合物或材料拥有许多小分子有机化合物不具备的奇

特性质，这在本质上是也由结构决定的，只不过此时的结构不

仅包括化学键和官能团这些基础结构特征，还要把相对分子质

量分布、晶态、织构等高级结构特征考虑进来。“结构决定性质”还可以进一步拓展，将不同课程的内容进

行有效连接，可以使学生对于知识的理解更加深入、应用更加

灵活，做到学新不忘旧、融会贯通，可有效提升对于专业知识体

系整体性和完整性的认识。以酸碱理论为例:最早的酸碱是按

照H+和OH-定义的，也就是说是H+和OH-的结构决定着酸碱

性，后来发展的酸碱质子理论，是分析化学中酸碱滴定和无机

化学中酸碱平衡的理论基础;Lewis酸碱理论，则为更宏观的认

识有机化学反应规律提供了有力的工具。Lewis酸碱理论由于

理论层次很高、适用性很广，缺少合适的酸碱定量标准，难以直

接有效的解决具体问题，使得老师教与学生学的过程中重视度

普遍不够。特别是有许多老师也没有从根本上搞清楚这条线,

只是简单的让学生按照Lewis酸碱定义（包括后续改进的软硬

酸碱理论等）去分析，学生只能通过大量记忆官能团和反应以

后才能判断哪些是给电子的Lewis碱、哪些是得电子的Lewis

酸。如果从最基本的元素电负性去认识Lewis酸碱，通过比较

给定体系或官能团所涉及元素的电负性差异，推断酸碱性的相

对强弱，将有机化学反应均归结为广义的“酸碱反应”，对于深

入理解有机化学反应活性和位点、减少“死记硬背”大量有机反

应有很大帮助，从根本上改变学生对于有机化学很难学、记不

住的刻板印象。这同样适用于高分子化学基本反应以及对高

分子材料进行官能团修饰改性的学习。1.2

量化科学素养不仅体现在拥有一定的科学知识，更重要的是掌

握科学方法,具备独立思考的能力，良好的科学精神等方面。

其中科学方法可以从逻辑化、定量化和实证化三个方面进行解

读。分析化学课程除了教授一些化学分析和仪器分析的具体

技术和实际应用，核心是要培养学生对于科学重要标志之一的

“量”的认识和理解［4-5］。如果老师没有在教的过程中反复强

化“量”的价值和意义，如果学生在学习过程中没有真正理解

“量”的科学涵义并能够恰到好处的应用“量”，在某种意义上来

说,分析化学的教与学都是不成功的。分析化学主要包括四大滴定、重量分析、基于光电色波的

谱学分析、样品采集及前处理技术、数据处理与质量保证等内

容。以滴定分析为例，准确称量质量的分析天平，准确读取体

积的滴定管、移液管、容量瓶，基准物质的纯度和滴定反应完全

程度的标准，滴定突跃范围和指示剂选择,滴定误差计算，近似

处理条件，数据记录和处理中有效数字的位数要求等，所有的

设计和理论依据都是围绕0.1%这个允许误差进行的。实际工

作当中,0.1%的允许误差常常会根据实际分析对象的精度要求

相应的调整到0.2%-0.5%之间。针对痕量目标分析物的检测

时,根据浓度或含量的量级、分析仪器和方法的精度、检测限要

求等，其允许误差通常为1%-5%。超痕量分析和极端复杂物

质分析时，允许误差可放宽至10%以上。只有真正理解并运用

好“量”，才能确保一个完整分析过程的所有环节都恰好满足这

个要求，设计好实验步骤和仪器方法选择，满足复杂基体样品

对于分析检测准确度的要求。

避免一个环节的误差超岀允许

范围而导致整个结果的准确可靠性受到影响，以及采用过高级

别的试剂或仪器导致没有必要的浪费。同时，基于对量化的深刻认识和把握还能够加深科学性的

理解,提升个人的科学素养，即使不从事与分析检测相关的直

接工作，也能够科学理性的对待生活中遇到的许多问题。例

如：2009年11月由海口市工商局发布3种饮料总砷超标的“砒

霜门事件”，后来公开的调查结果为由于仪器老化、样品前处理

不恰当导致检测结果有误。实际上，砷元素在自然界中有多种

形态，各形态砷元素的毒性差异非常大，而普遍存在于水果和

水产品中的有机砷，在正常食用量的范围内可以认为无毒。甲

醛也是人们日常生活中经常关注的一个有害物,实际上甲醛在

许多水果、奶制品、啤酒等食品中也广泛存在，然而并不会对人

体带来实质性危害。能否真正对人体带来伤害，关键是“量”。

科普领域有一句话“抛开剂量谈毒性就是耍流氓”，虽然这种表

述具有很大局限性，但是对于许多人们日常接触的有害物而

言,依然有足够的科学性,分析化学让我们对“量”有了正确认

识，至少能够采取科学理性的态度加以辨析，从而避免简单的

盲从和迷信、极端的否定或过分的担忧。1.3化学反应热力学与动力学化学最有魅力之处在于“站在分子上跳舞”，在微观层面直

接操控各个原子设计制造岀人们需要的各种物质。

化学专业的

学生只有在充分掌握一些基本的化学反应、有能力设计实现一

些相对简单的物质合成、深刻理解控制化学反应的要素之后，才

能为从事新材料研发和生产工作奠定坚实基础。在学习了一些

基本的化学反应知识以后,要从更高层面上去认识并控制化学

反应，就需要用到化学反应热力学和动力学两个理论工具。无机化学中对于热力学和动力学进行了初步教学，深入系

统的教学则放在了物理化学课程中。 这两部分内容的教学难

度大，不仅抽象、枯燥，而且化学热力学更是涉及高等数学、概

率论与数理统计、热力学与统计物理等相关知识，对于化学专

业的学生而言成为了一个天然障碍。 化学热力学和动力学核

心解决的问题是化学反应的“可能性”和“现实性”，对于大多数

实际工作来说，能够利用好吉布斯-亥姆霍兹方程、反应速率方

程、平衡常数就够了,进一步结合高等教育大众化的趋势、本科

化学专业的教学改革现状,热力学和动力学的教学过程可以大

力删减一些公式的推导和证明,同时加强热力学和动力学在化

学反应过程和产物控制中的理解和应用,这不是降低难度而是

改变教与学的侧重点,增强学生对于化学专业体系整体性的认

识和融会贯通的能力。深刻理解热力学和动力学，不仅是学习无机化学和物理化

学的要求，同时对于有机化学和高分子化学的学习也有很大帮

助［6-8］。例如:有机化学反应大都有多种产物，投加相同原料的

反应，各产物的比例也常常会因温度、时间、催化剂等外界条件

的改变而改变。传统有机化学教学过程中，对此类现象主要通

过反应机理对依据大量实验结果归纳总结岀的规则或规律进

行解释。反应机理虽然也属于反应动力学研究的内容,但由于

很多反应机理更像一种推测，学生经常会认为“反应机理是科

学家为了解释实验现象而提岀来的一种假设”，可信度不高,加

之比较抽象，学习效果有限,学习好的学生也往往只停留在“照

猫画虎”的状态。教学过程可以首先应用吉布斯-亥姆霍兹方

程进行相关热力学计算，找岀各种产物中热力学上更有利的构（下转第196页）

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卷的主观能动性被忽略，只是机械地照着书上的步骤和教师的要

求完成实验，遇到问题过度依赖教师,不能独立思考，且有些学

生的操作很不规范。(4)教师在讲解时更多地注重对基本实验

操作的训练,忽视了实验内容与科学研究和解决实际问题的联

系，使学生像完成任务一样完成实验，失去了实验探索的兴趣,

过于机械化起不到培养学生的创新能力和科研兴趣的作用。2演示视频引入无机化学实验中的意义2.1通过演示视频激发学生兴趣兴趣是最好的老师，我们可以利用无机化学实验演示视频

来激发学生对无机化学实验课的兴趣,展现无机化学实验本身

的魅力，使学生对做化学实验充满期待,并愉悦的完成实验。

如何正确使用普通漏斗进行过滤操作，如何正确使用分液漏斗

进行分液操作等。

一些学生即使在高中阶段没有接触过化学

实验,通过在预习的时候观看实验的演示视频也可以较好的了

解无机化学实验的基本操作。

通过预习的时候观看演示视频

的教学方式,可以很好的帮助高中阶段没进行过实验操作的学

生对实验的畏惧感，增强学生对实验课程学习的自信心。借助

演示视频，可以帮助学生在预习的时候就基本掌握一些操作规

范，教师在课堂上就可以轻松讲解这些基本操作的要求，把更

多的精力放在培养学生的创新思维上，更好的提高学生的化学

专业素养以及实验创新能力。3结语实验演示视频可以在网络上实现资源共享，教师可以通过

互联网给学生们提供优质的演示视频资源供学生学习。

将实

验演示视频应用到无机化学实验教学中能有效的激发了学生

对学习的兴趣，提高了学生学习的主动性、积极性。学生在预

习阶段就对实验内容有一个清晰的印象。课后,学生可以针对

性的重复观看、学习，巩固学习效果。通过合理应用演示视频，

可以高效利用有限的课堂教学时间，把节省的时间用于启迪学

生的创新思维以及培养学生的实验创新能力，提高无机化学实

验课的课堂教学效率和质量。教师可以根据实验项目针对性的提供演示视频，视频内容不

长，且按照学生熟悉的方式传播,首先可以利用演示视频加深

学生对整个实验的印象;其次可以利用视频的可视化和生动性

吸引学生，激发学生的学习兴趣和开展实验的兴趣，从而达到

引导学生积极主动学习并提高学习效率的目的。2.2通过演示视频加深学生印象当同学们通过演示视频进行预习时，相当于将整个实验流

程在脑海里过了一遍。通过看视频和教材相结合的方法进行

预习比单纯看书预习的效果好的多，同学们可以清晰的、形象

的知道这次实验的整个实验过程和实验细节，这比看书更容易

理解且印象更加深刻。同时，演示视频也能很好的解决教师课

堂实验演示的即时性的问题。教师可通过班级QQ群发送演示

视频给学生的方式供学生完成学习，学生可以针对性的重复观

看、学习，有利于学生学习、记忆和掌握，提升学生的学习

效果[6]。参考文献[1]

黄莎华，王爱民，周祖新.演示视频在无机化学及实验教学

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教学中的应用研究一以“现代教育技术”实验课程为例[J].

现代教育技术,2013,23(10)

：36-40.[4

]朱文靖,冯建成，张才灵，等.微课在无机化学实验教学中的

2.3通过演示视频的学习更好的帮助学生掌握基本

操作作为化学专业学生进入大学后接触的第一门专业实验课，

结合基本操作的演示视频可以让学生形象地了解化学实验的

基本操作规范。

在课前，教师将本节课相关视频发送到学生手

中,学生可以根据自己看书预习的情况，结合教材观看视频，认

真观看演示视频中的基本操作细节，不但能悉知实验的流程，

还能熟悉仪器的使用及规范实验操作动作，例如利用玻璃棒如

何引流、如何进行过滤操作,如何使用酒精灯和酒精喷灯，如何

使用托盘天平和分析天平进行称量操作,如何使用容量瓶配制

一定浓度的溶液，如何使用吸量管和移液管准确移取一定量的

溶液,如何正确使用酸式滴定管和碱式滴定管进行滴定操作，(上接第194页)应用研究[J].广东化工,2020,47(9)

：206-208.[5]

王磊,张艳鸽，王宏胜.雨课堂在无机及分析化学实验教学

改革中的应用[J].山东化工,2020,49(2)

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胡敏,高培红，向丹，等.微视频在无机化学实验教学中的应

用[J].大学化学,2016,31(10)

：57-59.(本文文献格式:付秋平，扈雨，莫昌琍，等.演示视频在地方院校

无机化学实验教学中的应用[J

].山东化工，2021,50

(

7)

:

195

-196.)型构象;再依据碰撞理论和过渡态理论,从动力学上分析有利

于反应速率提高的因素；当不同产物的热力学优势和动力学优

势不一致或者存在竞争反应时，可结合“结构决定性质”和“量

化”进行综合考虑。不仅对于反应机理的学习大有裨益，而且

也便于通过控制条件提高目标产物的收率。对于高分子化学

中的聚合反应机理、相对分子质量的大小及分布调节、聚合温

度与时间控制、反应工程设计等,反应热力学与动力学同样是

重要工具。教学模式及启示[J].大学化学,2016,31(7):101-106.[2]

刘婧靖，彭建南,任辉.化学新生专业教育的思考和改革[J].

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朱文远，杜甫佑,聂瑾芳，等.分析化学实验教学中培养学生

的量的概念[J].教育教学论坛,2017,26(6)

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李金鑫.“功能高分子材料”的化学教学价值[J].中国教师,

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

刘峰，杜敏疏，黄林科，等.热力学与动力学相关性,科学与

2结语在本科化学专业教与学的过程中，师生充分重视到贯穿本

科化学专业五大核心课程的三条主线一一结构决定性质、量

化、化学反应热力学和动力学，对于化学专业知识体系的完备

性和自洽性构建非常有利。可以有效降低知识学习的碎片化

程度,减少单纯记忆性的知识点数量，改善各个知识点以及课

程之间彼此分隔的状况，加强化学各个领域之间的交叉融合,

从而提高教与学的效率，达到全面提升学生综合素质的目的。人文的统—[J].自然杂志,2019,41(4)

：242-254.[8]

贾淑果，宁向梅,黄金亮，等.材料热力学与动力学教学体系

的改革探索[J].科技视界,2018,43(3)

：43-44.(本文文献格式:胡宇芳，王邃，郭智勇.本科化学专业教与学中

的三条主线[J].山东化工,2021,50(7)

：

193-194+196.)参考文献[1]曹敏惠，徐胜臻，陈长水.澳大利亚国立大学化学专业教育