宋心琦化学科学发展与教学改革的几点思考市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

化学科学发展与教学改革几点思索 清华大学化学系 宋心琦 山东泰安 4月第1页几点新认识几点新认识学科现实状况与发展趋势和社会对学科现实状况与发展趋势和社会对公民素质要求是教育改革推进力公民素质要求是教育改革推进力要学习并重视当代教育学和学科教要学习并重视当代教育学和学科教学研究提供新理念和方法学研究提供新理念和方法要区分职业性要求和素质性要求要区分职业性要求和素质性要求学段衔接更着重于能力学段衔接更着重于能力第2页正确认识基础性和时代性关系正确认识基础性和时代性关系有学科发展轨迹中永远起作用基础；也有为构有学科发展轨迹中永远起作用基础；也有为构建学科基础服务建学科基础服务“基础基础”。后者如。后者如4 4类基本反应；类基本反应；“化学元素化学元素”不变概念；基本化学键类型；不变概念；基本化学键类型；“惰性气体惰性气体”等等。等等。基本概念或理论是不停发展。比如原子、分子；基本概念或理论是不停发展。比如原子、分子；化合物化合物-物种；物质导电机制；酸和碱等等物种；物质导电机制；酸和碱等等应该重视那些对学科和新技术发展连续起作用应该重视那些对学科和新技术发展连续起作用基础知识和基本概念；它们建构、发展过程和基础知识和基本概念；它们建构、发展过程和视角改变。更应该从新科技发展中吸收养分。视角改变。更应该从新科技发展中吸收养分。这是进行情感态度价值观教育着力点这是进行情感态度价值观教育着力点第3页磁场诱导下变色体系磁场诱导下变色体系丁铎尔效应应用丁铎尔效应应用Yadong Yin et al:A simple magnet can control the color of a liquid,making new technologies possible.全文见Angew.Chem.,July 3,第4页氢动力能源新构想氢动力能源新构想已知：已知：HgCl2溶液滴在溶液滴在Al板上，将板上，将破坏破坏Al2O3保护作用保护作用 2Al+6H2O 2Al(OH)3+3H2镓铝合金也有类似作用镓铝合金也有类似作用 单质单质 Ga:熔点：熔点：29.78oC;沸点：沸点：2403oC 有可能组成实时供氢燃料电池有可能组成实时供氢燃料电池.周期表还能提供什么启示和信息？周期表还能提供什么启示和信息？Chemical Newsletter/14（Purdu U）第5页除汞新技术除汞新技术C&ENs July 7,2008 Latest News 报道：破损废旧袖珍荧光灯泡（CFLS）中残汞处理一直受到关注。R.Hurt 发觉由亚硒酸钠和谷胱甘肽（C10H17O6N3S）反应制成无定形粉状纳米硒和汞能够生成无生物活性HgSe，二十四小时内可除去近99.9%汞。单个灯泡用量仅10mg,而常规除汞剂如硫、锌、活性炭等用量为数克至数千克。第6页发觉绿色水母蛋白为何得奖发觉绿色水母蛋白为何得奖荧光标识法是一个惯用于研究一些动态过程示踪荧光标识法是一个惯用于研究一些动态过程示踪技术。如研究菲啶溴红和小牛胸腺技术。如研究菲啶溴红和小牛胸腺DNA中不一样中不一样碱基正确络合稳定性和碱基正确络合稳定性和DNA热变性热变性研究活性生物分子如研究活性生物分子如DNA变性过程，需要对原初变性过程，需要对原初过程干扰微弱荧光探针，绿色水母蛋白可能能够过程干扰微弱荧光探针，绿色水母蛋白可能能够处理这个问题。因而获奖处理这个问题。因而获奖更为根本问题：是否全部化学体系都应该能够发更为根本问题：是否全部化学体系都应该能够发射荧光？依据光化学原理（分子调控概念）射荧光？依据光化学原理（分子调控概念）Ah A*A+H（非辐射弛豫）A+h(荧光或磷光），etc第7页基础不但限于化学 第一个稀有气体化合物发觉，源于物理概第一个稀有气体化合物发觉，源于物理概念利用念利用 O2+PtF6-和 Xe+PtF6-对比：对比：O2和和Xe第一电离能相近，两种盐晶格能相近第一电离能相近，两种盐晶格能相近 无机富勒烯（无机富勒烯（WS2,MoS2等）发觉，源于几等）发觉，源于几何学考虑：正六边形网格改变何学考虑：正六边形网格改变 石墨烯制备最简便方案：源于对物质表面石墨烯制备最简便方案：源于对物质表面黏附力差异应用黏附力差异应用第8页打印出来计算机芯片MITMIT年轻科学家年轻科学家 Jacobson Jacobson继电子纸继电子纸,电子油墨之后电子油墨之后,提出了在塑料片上提出了在塑料片上直接打印出计算机芯片构想直接打印出计算机芯片构想电子纸电子纸电子油墨电子油墨能够用打印方法制造芯片能够用打印方法制造芯片第9页摩擦化学和高速硬盘摩擦化学是力化学一个分支，要摩擦化学是力化学一个分支，要求体系内最少有一相为固相。求体系内最少有一相为固相。一艘新油轮失火原因一艘新油轮失火原因与机械、建筑、飞行器、润滑系与机械、建筑、飞行器、润滑系统等领域关系统等领域关系硬盘转速与摩擦化学关系硬盘转速与摩擦化学关系第10页法拉第名言法拉第名言 潜移默化地进行情感态度价值观教育。潜移默化地进行情感态度价值观教育。“蜡烛火焰能把暗处照亮，而金刚石蜡烛火焰能把暗处照亮，而金刚石璀璨在没有火焰照亮时却什么都没有璀璨在没有火焰照亮时却什么都没有”在讲到华丽色彩和像长笛一样蜡烛时，在讲到华丽色彩和像长笛一样蜡烛时，“不要做漂亮奴隶不要做漂亮奴隶”;“”;“全部这些知识全部这些知识才是有意义，而漂亮并没有什么用处才是有意义，而漂亮并没有什么用处”第11页化学学科现实状况和问化学学科现实状况和问题题学科教育落后于学科现实状况，从而学科教育落后于学科现实状况，从而使学生学习兴趣下降，生源水准下滑。使学生学习兴趣下降，生源水准下滑。表现为理论滞后、试验技术滞后、教表现为理论滞后、试验技术滞后、教学改革滞后学改革滞后学科面目含糊方向不明学科面目含糊方向不明过分重视能过分重视能够做什么，而不是能够知道什么够做什么，而不是能够知道什么什么是化学大问题什么是化学大问题 参考文件：Philip Ball:What chemists want to know.Nature 442,3 August,500-502第12页化学学科大问题化学学科大问题怎样设计含有特殊功效和动态特征分子怎样设计含有特殊功效和动态特征分子细胞化学基础细胞化学基础怎样制造未来能源、空间和医药所需材料怎样制造未来能源、空间和医药所需材料思维和记忆化学基础思维和记忆化学基础生命在地球上是怎样开始。在其它世界中，生命在地球上是怎样开始。在其它世界中，何地和怎样才会出现生命何地和怎样才会出现生命怎样发觉全部元素可能组合，据估算数量怎样发觉全部元素可能组合，据估算数量级将大于级将大于1014；合成产率能否到达；合成产率能否到达100%第13页牛顿名言启示牛顿名言启示怎样了解牛顿关于怎样了解牛顿关于“巨人肩膀巨人肩膀”名名言所包含言所包含治学之道治学之道巨人在哪里？全部学科教育共有巨人在哪里？全部学科教育共有任务任务怎样才能爬上巨人肩膀？怎样才能爬上巨人肩膀？具备台具备台阶基础才是有效基础阶基础才是有效基础不但要看得远，方向还要对不但要看得远，方向还要对第14页化学试验体系三要素化学试验体系三要素符合探究目标而且不确定原符合探究目标而且不确定原因最少化学反应体系因最少化学反应体系合理试验装置，包含安全办合理试验装置，包含安全办法等法等合理而且有序试验步骤和合合理而且有序试验步骤和合乎规范操作技术乎规范操作技术第15页试验与探究性学习试验与探究性学习案例案例1:拉瓦西测定空气组成试验拉瓦西测定空气组成试验 步骤步骤1 2Hg O2 2HgO 步骤步骤2 2HgO 2Hg O2 步骤步骤3 步骤步骤2得到得到O2和步骤和步骤1剩下剩下N2混合，得混合，得到到“原来原来”空气空气学习关键点：学习关键点：1。为何选择为何选择 Hg？(Hg沸点沸点:356.6oC;HgO分解温度分解温度:约约500oC;HgO不溶于不溶于Hg)2。为何。为何3个步骤都有必要性？个步骤都有必要性？3。还能想到些什么？。还能想到些什么？(物理和化学改变差异和共同点物理和化学改变差异和共同点)第16页试验与探究式学习试验与探究式学习案例案例2：空气组成测定体系选择：空气组成测定体系选择 4 P 5O2 2P2O5 1。已知。已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都能够满、蜡烛等都能够满足和空气中足和空气中O2发生燃烧反应条件，为何发生燃烧反应条件，为何P是是最正确选择？最正确选择？2。对这个探究性试验来说，为何以。对这个探究性试验来说，为何以Hg方案方案最为理想？（经过与最为理想？（经过与Hg方案对比）方案对比）3。实施实施“磷磷”方案时，最主要前提假设是方案时，最主要前提假设是什么？（磷能够把空气中什么？（磷能够把空气中O2用尽）用尽）4。采取。采取“磷磷”方案时，除去经典体积测定方案时，除去经典体积测定法外，还能想到哪些方法？法外，还能想到哪些方法？第17页值得深入思索问题值得深入思索问题选择这类试验体系来探究类似于空气组成问题时，选择这类试验体系来探究类似于空气组成问题时，共同共同前提假设前提假设：同名分子间不可区分性同名分子间不可区分性用气体分压或分体积改变来提供相关气态化学物用气体分压或分体积改变来提供相关气态化学物质改变信息时，理论依据是什么质改变信息时，理论依据是什么气体摩尔体积；气体摩尔体积；理想气体之间关系理想气体之间关系一些单质或化合物和氧发生反应条件和氧化物组一些单质或化合物和氧发生反应条件和氧化物组成与性质（在水中溶解度，是否和氮也能反应等）成与性质（在水中溶解度，是否和氮也能反应等）化学物质体系物理性质和化学性质化学物质体系物理性质和化学性质 氧能否全部耗尽氧能否全部耗尽化学反应进行程度化学反应进行程度假如希望提升试验所得数据准确程度，除去改进假如希望提升试验所得数据准确程度，除去改进装置外，还应该考虑哪些问题装置外，还应该考虑哪些问题第18页最基本化学概念和理论最基本化学概念和理论了解和把握化学学科定义是初等化学了解和把握化学学科定义是初等化学教学关键点，它包含了最基本化学概教学关键点，它包含了最基本化学概念和理论念和理论 组成：元素种类和原子、离子数目组成：元素种类和原子、离子数目（以及结合方式）。经典元素教学应（以及结合方式）。经典元素教学应该突出它们特点和差异。教学试验关该突出它们特点和差异。教学试验关键点亦在此。键点亦在此。第19页课堂教学中试验探究课堂教学中试验探究Na和和O2反应通常包含以下两个试验：反应通常包含以下两个试验：常温，空气中常温，空气中 2Na+O2 2Na2O 点燃后，空气中点燃后，空气中 2Na+O2 Na2O2 应该观察和思索问题：应该观察和思索问题：1。试剂或物质存放，稳定性和活性。试剂或物质存放，稳定性和活性 2。Na和和Mg在空气中燃烧时现象比较在空气中燃烧时现象比较 3。Na2O和和Na2O2相比，能想到些什么？对了相比，能想到些什么？对了解解Na2O2性质有什么启示性质有什么启示 4。Na在空气中燃烧只有在空气中燃烧只有Na2O2一个产物吗一个产物吗第20页课堂教学中试验探究课堂教学中试验探究氯气溶于水后漂白作用问题氯气溶于水后漂白作用问题1。想探究什么？预期答案可能是什么？。想探究什么？预期答案可能是什么？2。2 ClCl2 HOH 4 HClO2 ClCl HOH HClHClO3。结论：漂白作用来自水与氯气反应产物。结论：漂白作用来自水与氯气反应产物4。不能得出有漂白作用只有次氯酸结论。不能得出有漂白作用只有次氯酸结论5。同是氯元素，价态不一样，性质截然不一。同是氯元素，价态不一样，性质截然不一样。对于样。对于“组成组成”认识是化学最主要基本认识是化学最主要基本概念之一概念之一第21页还能学到和想到些什么还能学到和想到些什么1 1。氯气能够损伤人呼吸道因为呼吸道中有。氯气能够损伤人呼吸道因为呼吸道中有水存在水存在2 2。氯可用钢瓶存放说明室温下氯气和铁单。氯可用钢瓶存放说明室温下氯气和铁单质无作用，不过氯气必须是干燥。质无作用，不过氯气必须是干燥。3 3。氧气、氮气无味，和氯气、氨有刺激气味。氧气、氮气无味，和氯气、氨有刺激气味和它们什么性质相关和它们什么性质相关4 4。高温下氯能够和铁粉或铁屑直接化合生成。高温下氯能够和铁粉或铁屑直接化合生成氯化铁说明物质化学性质往往和所处外氯化铁说明物质化学性质往往和所处外界环境相关（请回想并对比氧气和铁单质界环境相关（请回想并对比氧气和铁单质反应情况反应情况)。还能想到些什么。还能想到些什么第22页课堂教学中另一个形式探究课堂教学中另一个形式探究为何要介绍次氯酸不稳定性？为何要介绍次氯酸不稳定性？1。化学物质稳定性是最主要基本性质。化学物质稳定性是最主要基本性质2。不稳定化学物质怎样转变为安全性较。不稳定化学物质怎样转变为安全性较高商品高商品3。使用时使之转变为原来那个化学物质。使用时使之转变为原来那个化学物质惯用方法惯用方法4。从而推衍出在化学中普遍适用规律。从而推衍出在化学中普遍适用规律第23页还能学到和想到些什么还能学到和想到些什么1 1。酸碱盐间相互联络是探究化学合成方法时。酸碱盐间相互联络是探究化学合成方法时最主要思绪之一。最主要思绪之一。2 2。由强酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）制。由强酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）制备弱酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）；备弱酸（碱、金属、氧化剂或还原剂）；由易溶物制备难溶物由易溶物制备难溶物;由稳定性高代替稳定由稳定性高代替稳定性低等，都是首选化学合成方法基本原性低等，都是首选化学合成方法基本原理为这类过程所共有理为这类过程所共有自发性自发性。判据主要为。判据主要为该过程该过程GG3 3。SS在产物气体分子数多于作用物气体分子数在产物气体分子数多于作用物气体分子数（高温下），纯物理过程如溶解、扩散、掺杂、（高温下），纯物理过程如溶解、扩散、掺杂、分子聚集及有序或无序化等过程中则必须考虑分子聚集及有序或无序化等过程中则必须考虑第24页C C6060发觉史启示发觉史启示用电弧轰击法不但能够得到用电弧轰击法不但能够得到C C6060，也能得到碳纳米管，而，也能得到碳纳米管，而且后者稳定性高于前者。为且后者稳定性高于前者。为何当初只发觉了何当初只发觉了C C6060？教训是？教训是什么什么第25页Zewail因飞秒化学研究获奖原因因飞秒化学研究获奖原因怎样确定怎样确定 t to o=0=0 是飞秒化学试验研究中极难处理是飞秒化学试验研究中极难处理关键问题。亦即谱图和过程怎样契合问题关键问题。亦即谱图和过程怎样契合问题ZewailZewail找到分子间化合物找到分子间化合物I-HO=C=O为研究为研究体系体系 I-HO=C=O I*+HO=C=O HO=C=O H-O+CO 利用利用I*发出荧光瞬间作为飞秒时间分辨光谱发出荧光瞬间作为飞秒时间分辨光谱上上to，从而得到第一张和化学过程相对应时，从而得到第一张和化学过程相对应时阈为阈为700fs700fs激光时间分辨光谱。激光时间分辨光谱。第26页简易净水机试验探究简易净水机试验探究1.目标物和净水剂选材2.各组分功效和叠放次序3.水样代表性4.样本数5.结论离散程度和不确定性6.水质标准第27页探究性试验一例探究性试验一例关于化学反应速率问题，能够经过对下面试验关于化学反应速率问题，能够经过对下面试验探讨来到达综合目标。探讨来到达综合目标。CaCO3+2HCl CaCl2+CO2+H2O1.怎样能够测得或求得这个反应热效应怎样能够测得或求得这个反应热效应2.影响反应速率原因有哪些影响反应速率原因有哪些3.假如要经过反应速率来了解某个原因影响，试假如要经过反应速率来了解某个原因影响，试验应该怎样设计验应该怎样设计4.仅仅由仅仅由3中某个试验所得结论，为何不能认为对中某个试验所得结论，为何不能认为对这个反应有了全方面认识。这就是科学结论往这个反应有了全方面认识。这就是科学结论往往含有某种程度不确定性原因。往含有某种程度不确定性原因。5.请把以上提议看成一次探究性活动来对待请把以上提议看成一次探究性活动来对待。第28页最基本化学概念和理论最基本化学概念和理论研究化学结构关键点是全部组成元素研究化学结构关键点是全部组成元素原子核形成核排布方式。分析化学反原子核形成核排布方式。分析化学反应时，从静态结构出发，基于动态结应时，从静态结构出发，基于动态结构概念。就能够比较轻易地处理学习构概念。就能够比较轻易地处理学习H2SO4、HNO3、CH3COOH、CH3OH、两性氢氧化物等在不一样条件下不一两性氢氧化物等在不一样条件下不一样改变方式。把握住化学键作用力本样改变方式。把握住化学键作用力本质。质。第29页最基本化学概念和理论最基本化学概念和理论物质由微粒组成是化学最基本概念。能够物质由微粒组成是化学最基本概念。能够推广到电子、质子、中子、光子等推广到电子、质子、中子、光子等化学以原子分子为关键概念，在原子结构化学以原子分子为关键概念，在原子结构理论基础上，离子概念是不难建立。由组理论基础上，离子概念是不难建立。由组成结构来认识分子，才能够真正掌握分子成结构来认识分子，才能够真正掌握分子概念，加上微粒观，才能够正确地认识化概念，加上微粒观，才能够正确地认识化学现象。学现象。稳定结构原子分子，是了解和预见全部不稳定结构原子分子，是了解和预见全部不稳定物种，如自由基、分子离子、原子分稳定物种，如自由基、分子离子、原子分子激发态等基础子激发态等基础第30页最基本化学概念和理论最基本化学概念和理论摩尔为何会成为难点？摩尔为何会成为难点？1.物质由微粒组成，能量子化是两个由物质由微粒组成，能量子化是两个由科学提供而不是直接来自生活经验基科学提供而不是直接来自生活经验基本概念。这是产生困难主要原因，是本概念。这是产生困难主要原因，是教学着力点教学着力点 2.微观上确认，并认可同种微粒间差异；微观上确认，并认可同种微粒间差异；宏观上采取统计平均方式处理。即认宏观上采取统计平均方式处理。即认为这种差异普通能够忽略。为这种差异普通能够忽略。第31页组分动态化学概念启示组分动态化学概念启示分子化学结构不但能够代表分子组成分子化学结构不但能够代表分子组成各部分拓扑关系（静态），而且能够各部分拓扑关系（静态），而且能够预示分子发生化学改变时全部可能性预示分子发生化学改变时全部可能性（动态）（动态）对于化学键了解更靠近与实际对于化学键了解更靠近与实际合成化学和功效性分子设计思绪更为合成化学和功效性分子设计思绪更为宽敞宽敞参考文件：J-M Lehn:From supramolecular chemistry towards constitutional chemistry and adaptive chemistry。Chem.Soc.Rev,.,36,151-160第32页从分子化学到组分动态化学从分子化学到组分动态化学第33页组分动态化学概念模型组分动态化学概念模型第34页第35页第36页铑催化串联反应铑催化串联反应一锅法之一例一锅法之一例第37页组分动态概念之应用组分动态概念之应用 第38页组分动态概念之应用组分动态概念之应用 第39页最基本化学概念和理论最基本化学概念和理论焓表达了物质和能关系，化学只包括焓表达了物质和能关系，化学只包括与核结构和核外电子相关能量改变过与核结构和核外电子相关能量改变过程。所以同时遵照能量与质量守恒标程。所以同时遵照能量与质量守恒标准准熵不但与体系中质点排布（混乱度）熵不但与体系中质点排布（混乱度）相关，还和物质组成。结构相关。它相关，还和物质组成。结构相关。它改变决定了能转化为功效率（另外还改变决定了能转化为功效率（另外还和技术如装置、流程等相关）和技术如装置、流程等相关）第40页熵函数介绍熵函数介绍熵是经过理论加工后组成状态函数熵是经过理论加工后组成状态函数热力学第一定律中心是能量守恒；热热力学第一定律中心是能量守恒；热力学第二定律中心是能分级，即不一力学第二定律中心是能分级，即不一样形式能做功本事不一样，热能属于样形式能做功本事不一样，热能属于低级能。因而有了熵函数低级能。因而有了熵函数H=G+TS H=G+TS 或或 G=H G=H TS TS 体系焓变有用功无用功体系焓变有用功无用功mixmixS=S=R(R(A AS SA Alnln A A+B BS SB Blnln B B)00第41页熵函数介绍熵函数介绍因为因为混合熵混合熵 纯组分熵之和纯组分熵之和，所以，所以气体气体间和溶质往溶剂中扩散及均匀化过程间和溶质往溶剂中扩散及均匀化过程,固体物质污染、掺杂过程均含有固体物质污染、掺杂过程均含有自发自发性性同一物质同一物质S S固固 S S液液SS气气，当产物中气体分，当产物中气体分子数多于反应物时，高温下子数多于反应物时，高温下T TS S项贡献项贡献是火法冶金基础。所以是火法冶金基础。所以在高温下碳能在高温下碳能够还原绝大多数金属氧化物够还原绝大多数金属氧化物3C(s)+3C(s)+FeFe2 2O O3 3(s)(s)2Fe(l)+3CO(g)2Fe(l)+3CO(g)第42页熵函数介绍熵函数介绍由由G=G=H HT TS S可知，纯物质发生可知，纯物质发生相变时，相变时，G=0,G=0,H=TH=TS S。H H和和S S值一定，所以值一定，所以相变温度相变温度T T（如熔点、沸点等）为一定值）为一定值浓差电池能量来自浓差电池能量来自T TS S，浓度梯度，浓度梯度为过程推进力为过程推进力。已成为设计传感器。已成为设计传感器时依据原理之一时依据原理之一第43页教学改革任重而道远教学改革任重而道远从蚂蚁智慧汇报批语学到了从蚂蚁智慧汇报批语学到了什么什么-科学结论不确定性科学结论不确定性化学依然是试验性科学数学解释化学依然是试验性科学数学解释-不定方程不定方程 x+y=6=6求解求解一节小学英语课听后感一节小学英语课听后感 高中活动课汇报会后感想高中活动课汇报会后感想园丁还是泥土？园丁还是泥土？第44页 读书每到情深处，读书每到情深处，先哲教诲更入神。先哲教诲更入神。弱肩强项担铁义，弱肩强项担铁义，风流倜傥世纪人。风流倜傥世纪人。请请与老师们共勉与老师们共勉 宋心琦宋心琦 辛卯之春辛卯之春第45页谢谢大家！第46页