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展現化學之美、回歸基礎本源

發布時間:2020年04月29日 來源:中國化學會

——2019全國高中生化學奧林匹克競賽命題思路解析


李愷

學習工作經歷:2004.8– 2008.7  清華大學化學系本科2008.8– 2009.7  參加團中央扶貧接力計劃,赴青海支教一年2009.8– 2014.7  清華大學化學系碩博連讀2012.7– 2012.9  香港科技大學唐本忠院士課題組交流2014.7– 今      鄭州大學化學學院 副教授2017.3– 2017.9  香港科技大學唐本忠院士課題組訪問學者2019.9– 今      鄭州大學化學學院國家級實驗示范教學中心副主任研究領域:研究方向為聚集誘導發光材料、團簇發光材料、光致變色材料,以主持人身份承擔各類項目6項,包括國家自然科學青年基金、聯合基金等項目。鄭州大學青年拔尖人才計劃入選者。以通訊作者或第一作者發表SCI論文40余篇,部分代表作如下:Angew.Chem. Int. Ed.2020,DOI:10.1002/anie.201915844.CCS Chem. 2019, 1,553-560.Adv.Sci.2019, 6,1801304.Chem.Sci.2017,8,7258-7267.J. Am. Chem. Soc. 2014,136, 1643-1649.

展現化學之美、回歸基礎本源第33屆中國化學奧林匹克(決賽)暨冬令營于2019年11月28日至12月4日在鄭州舉辦,來自全國30個代表隊的348位優秀選手匯聚黃河之濱,交流學習。本屆試題注重對化學基礎知識的考察,具有體現最新科研成果、發掘化學之美、融合思政教育、將適賽性和趣味性相結合等特點,綜合考察學生利用化學知識靈活分析解決問題的能力。作為一個通過化學競賽道路走進大學并最終從事化學教學科研的親歷者,筆者有幸參與了本次比賽的命題和組織工作。此次比賽的理論試題中,筆者與命題組同事一起,在中國化學會的指導下,參與了第一、二、四、六、七題的命題工作。從2004年的參賽選手到2019年的命題人,兩種不同的角色讓我真切感受到了化學競賽參賽選手科學視野、知識寬度的驚人變化,這也從一個側面反映出了我國化學事業的飛速發展。本文將從本次比賽部分理論試題出發,對本次比賽的命題思路、出發點進行簡單介紹,加以個人對化學競賽的思考,希望能為為輔導化學競賽的一線教師和參加化學競賽的學生提供有益的幫助。
對于高中生化學競賽來說,通過參加競賽培養廣大學生對化學學習的興趣是其根本目的。因此,在本次命題工作中,我們特別注重試題的趣味性,希望通過試題表現出的化學之美,激起學生對于化學的熱愛。通過廣泛查閱資料,我們選擇了一系列具有優美化學結構的分子,經過討論和篩選,最終確定了兩例體現在試題之中。

 

第一題介紹了一種結構有趣的有機分子,一個分子上同時包含了同一族的四種不同元素,這樣的結構,宛如一個“糖葫蘆”,把同一族的不同元素串聯起來,趣味十足。

 

第六題介紹了一種具有高度對稱性、精巧組裝結構的金屬簇有機框架,與一般的金屬有機框架不同,金屬簇結點的加入,使其結構更為宏偉也更為精密,充分展現了化學之美。同時,第六題也體現了反映科學前沿、融合思政教育的命題理念。題目涉及的“聚集誘導發光”、“金屬團簇基自組裝材料”等內容皆為化學研究的前沿熱點問題。更重要的是,本題將2017年國家自然科學一等獎成果“聚集誘導發光”的概念引入題干中,通過介紹這一由中國科學家首先提出并推廣的科學概念,融合思政教育,提升學生民族自豪感,促進其對化學的熱愛。

在筆者作為選手參加競賽的2004年,那時還幾乎沒有什么網絡資源,對于新的化學進展和動向,我們只能通過圖書館訂閱的《化學進展》等中文雜志來進行獲取。其時效性和視野寬度與網絡資源發達的今天不可同日而語,當時學生主要的知識儲備主要都來源于經典化學教材。在與廣大教學同行的交流中我們得知,現在參加全國決賽的選手的文獻閱讀量甚至超過了我們的很多碩士、博士生;JACS、Angew等頂級化學期刊甚至已成了培訓老師和參賽學生每周必刷的“題庫”,這樣的現狀實際上已經背離了化學競賽考察的初衷。對于化學競賽來說,考察的應該是參賽選手的思維能力,而非知識的儲量。因此,在此次命題中,我們能夠傳遞出讓化學競賽回歸基礎本源的思想。利用基礎化學知識,結合科學的思維方法就能完成題目的解答,而不需要過度的知識儲備。同樣的內容,看過相關文獻的同學和沒有看過相關文獻的同學應該能在同一起跑線上進行判斷。以第一題為例,我們給出了“糖葫蘆”型分子的結構,題目中指出“A、B、CD四種元素位于同一族的相鄰周期”,提示了這四種元素是副族元素的可能性極低,因為第七周期的副族元素基本屬于不穩定放射性元素。通過觀察有機分子的結構可以發現,A、B、C、D每個元素價鍵飽和度為3,即可初步判定它們屬于VA族。這樣的題目設計,使得即使沒有看到該文獻的同學,也能有充分的信息,通過邏輯推導得到正確的答案。而恰巧看到過該文獻的同學,對A、B、CD四種元素的順序也不可能完全記憶,仍然需要結合題目中的其他條件,進一步思考才能完成解答。在本次命題過程中,我們也特別注意將化學知識在實際生產生活中的應用展現給參賽選手,讓他們知道化學不是空中樓閣、化學是為國民經濟服務的、化學是有用的。

 

 

例如,在第四題中,利用石硫合劑這種化學產品的生產過程,將元素化學的基礎知識融入其中,考察其分析解決化學生產實際問題的能力。又如,在第七題中,通過家用制氧機的例子,介紹物理化學過程在生活中的應用。然而,在賽后總結中我們發現,這些基于實際生產生活例子的試題的答題情況不甚理想,其中第四題的得分率在所有題目中最低。這主要是由于題目其中隱藏信息較多,需要細心發掘。其解答過程類似我們做化學研究,需要通過不同的實驗、不同的表征,結合每一個化學現象,拼圖式的完成對整個化學過程的理解。在此過程中,嚴密的邏輯思維必不可少。例如,本次比賽的第二題中,許多選手直接把相同時間間隔內吸光度的比值為一常數,作為一級反應的判斷標準,而未通過朗伯比爾定律將吸光度與濃度相關聯,從而遺憾失分。因此,提高學生分析問題、解決問題的能力,培養嚴密的邏輯思維,是我們今后在競賽培訓和學生培養中所需要進一步加強的。我們希望通過本次比賽試題,為參加化學競賽的學生展現化學之美、為輔導化學競賽的一線教師傳遞回歸基礎本源的思想。對于高中生化學競賽來說,能力培養的意義遠大于知識儲備的意義。培養學生對化學的熱愛、建立科學的思維方法、更好的為國家培養優秀的化學人才,我們任重道遠。

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