網(wǎng)上觀摩MIT化學(xué)原理公開課的感想*

馬亞魯

(天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 天津 300072)

天津大學(xué)的無機(jī)化學(xué)課程是面向化學(xué)、化工、制藥、生物、環(huán)境、材料等專業(yè)大一新生開設(shè)的第一門化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)這些專業(yè)學(xué)生打好專業(yè)課學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和構(gòu)建完整的知識(shí)體系起著重要作用。天津大學(xué)作為首批進(jìn)入國(guó)家“211工程”和“985計(jì)劃”建設(shè)的重點(diǎn)大學(xué)之一，在無機(jī)化學(xué)課程建設(shè)上進(jìn)行了長(zhǎng)期努力，目前該課程已成為國(guó)家級(jí)精品課程。

2001年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，簡(jiǎn)稱MIT)首先在學(xué)校網(wǎng)站上傳了超過1000個(gè)視頻課程。此后，美國(guó)的哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)，英國(guó)的劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)等世界名校紛紛加入到免費(fèi)傳播公開課的行列。筆者作為一線教師，在天津大學(xué)有著近10年無機(jī)化學(xué)的教學(xué)經(jīng)歷，利用課余時(shí)間選修了MIT的化學(xué)原理(36學(xué)時(shí))課程，該課程是面向MIT醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生物學(xué)專業(yè)大一新生的化學(xué)基礎(chǔ)導(dǎo)論課程，由Catherine L.Drennan 教授和Elizabeth Vogel Taylor講師共同講授。在學(xué)習(xí)了全部課程后，得到了一些較為深刻的啟示和感受。

1 比較

1.1 課程設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容

MIT所開設(shè)的化學(xué)原理(課程代碼5.111)是面向大一新生的化學(xué)導(dǎo)論課，課程內(nèi)容涉及生物化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)講授原子和分子的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、酸堿性和氧化還原平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、催化作用等方面的基本原理。作為主講教師之一的C.L.Drennan是MIT化學(xué)和生物學(xué)系教授，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)研究員。HHMI成立于1953年，是迄今全球規(guī)模最大的非盈利性私立醫(yī)學(xué)研究所和基金會(huì)，一直致力于生物醫(yī)學(xué)方面的研究資助?；瘜W(xué)原理課程的開設(shè)與Drennan所主持的HHMI項(xiàng)目有密切聯(lián)系，這是在MIT開展的幾乎人人皆知的 “打通生物學(xué)與化學(xué)間的界限，讓生物學(xué)家為化學(xué)歡呼”項(xiàng)目，開設(shè)化學(xué)原理課程是該項(xiàng)目的活動(dòng)之一。Drennan的科研方向是包含DNA生物合成和環(huán)境修復(fù)的金屬酶制劑的研究，豐富的研究工作為課堂講授提供了第一手的例證。另一位主講教師Taylor是MIT化學(xué)系的講師，于2006年在MIT獲有機(jī)化學(xué)博士學(xué)位。

表1列出了化學(xué)原理課程的進(jìn)度，授課內(nèi)容(學(xué)時(shí))，以及圍繞課程講授所設(shè)計(jì)的課堂演示、示范和與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的最新研究成果。

表1 化學(xué)原理課程進(jìn)度、授課內(nèi)容和課堂演示、示范及與生物學(xué)相關(guān)的教學(xué)實(shí)例

在內(nèi)容設(shè)置上，MIT的化學(xué)原理課程涵蓋了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)熱力學(xué)和化學(xué)平衡、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、酸堿反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)、過渡金屬及金屬配合物等內(nèi)容。其中物質(zhì)結(jié)構(gòu)(14學(xué)時(shí))包括原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)的主要理論；反應(yīng)熱力學(xué)和化學(xué)平衡(5學(xué)時(shí))涉及化學(xué)反應(yīng)的限度和化學(xué)平衡移動(dòng)的基本知識(shí)；酸堿反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)(6學(xué)時(shí))包含酸堿平衡和滴定、氧化還原平衡和原電池的基本原理。作為導(dǎo)論課，內(nèi)容設(shè)置相對(duì)全面，在課程相關(guān)章節(jié)還穿插了生物熱力學(xué)、生物大分子、藥物設(shè)計(jì)、酶動(dòng)力學(xué)和合成酶制劑的案例和實(shí)例分析，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富、有趣。

作為對(duì)比，天津大學(xué)開設(shè)的無機(jī)化學(xué)課程分為80學(xué)時(shí)和96學(xué)時(shí)兩類。96學(xué)時(shí)課程是為理科應(yīng)用化學(xué)專業(yè)和藥學(xué)院本科生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，分兩學(xué)期授課，每學(xué)期48學(xué)時(shí)。80學(xué)時(shí)的課程是面向化工、制藥、環(huán)境、材料等工科專業(yè)的本科生開設(shè)的，也是兩學(xué)期完成，每學(xué)期40學(xué)時(shí)。這兩類無機(jī)化學(xué)課程主要涵蓋化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)平衡、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬配合物、元素化學(xué)、定量化學(xué)分析等內(nèi)容。96學(xué)時(shí)的課程在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論部分和元素化學(xué)部分有所加強(qiáng)。此外，無機(jī)化學(xué)課程在講授無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)概念與理論的同時(shí)，注意突出工科背景和工程應(yīng)用，為學(xué)生日后的專業(yè)銜接做好準(zhǔn)備和鋪墊。

1.2 教學(xué)手段

MIT的化學(xué)原理教材采用Atkins等人編著的ChemicalPrinciple:TheQuestforInsight(第4版)，每節(jié)課的講義和需閱讀的材料在課上發(fā)放或通知。其教學(xué)環(huán)節(jié)由教學(xué)團(tuán)隊(duì)來完成，教學(xué)團(tuán)隊(duì)由Drennan、Taylor及多名助教組成。盡管前18講課程由Taylor主講，后18講課程由Drennan負(fù)責(zé)。但課堂上經(jīng)常是一位教師主講，另一位幫助演示或示范，多名助教協(xié)助發(fā)放實(shí)驗(yàn)用品或器材。這樣的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，課程聽起來很順暢，同時(shí)能節(jié)省課堂活動(dòng)時(shí)間。助教每周還負(fù)責(zé)2次課后習(xí)題討論，解答學(xué)生在學(xué)習(xí)上的問題，檢查并評(píng)價(jià)學(xué)生的作業(yè)完成情況。

化學(xué)原理課程是在能容納近200人的階梯教室中講授，選修人數(shù)為100余人。課堂內(nèi)安裝有互動(dòng)反饋系統(tǒng)，教師的課堂提問通常設(shè)計(jì)成選擇題的形式，學(xué)生作答后很快在大屏幕上顯示答對(duì)比例和學(xué)生答案的分布情況，教師可針對(duì)測(cè)試結(jié)果有選擇地進(jìn)行講解。同時(shí)反饋系統(tǒng)可記錄學(xué)生的平時(shí)成績(jī)和出勤情況，這樣能起到督促學(xué)生按時(shí)出勤、認(rèn)真聽講的作用。

天津大學(xué)無機(jī)化學(xué)課程使用的教材是天津大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編的《無機(jī)化學(xué)》(第4版)，上課多使用與教材配套的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和電子教案。教學(xué)團(tuán)隊(duì)由十幾位中青年教師組成，承擔(dān)全校近40個(gè)班的教學(xué)任務(wù)。多年來，無機(jī)化學(xué)教研室重視教學(xué)質(zhì)量，每周進(jìn)行課程討論，并不定期舉辦教學(xué)沙龍。無機(jī)化學(xué)課堂多以大班授課為主，課上以多媒體教學(xué)和板書相結(jié)合的方式進(jìn)行。筆者針對(duì)講課對(duì)象為化工專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，在化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的講解過程中，增加了工業(yè)合成氨等與化工工藝學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)讓學(xué)生了解基礎(chǔ)課和今后專業(yè)課的共通性。在調(diào)動(dòng)大班學(xué)生上課積極性方面，經(jīng)常把學(xué)生分成若干小組，課上適時(shí)提出已設(shè)計(jì)好的思考題，以組為單位進(jìn)行交流，這樣可以活躍課堂氣氛。

1.3 教學(xué)方法

1.3.1 師生互動(dòng)的課堂

師生互動(dòng)是MIT化學(xué)原理課程教學(xué)的一大亮點(diǎn)。教師在講授新的知識(shí)點(diǎn)之前，經(jīng)常是先給出設(shè)計(jì)好的問題和實(shí)驗(yàn)，先讓學(xué)生思考，再啟發(fā)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦去發(fā)現(xiàn)和提出問題，最后由教師展開知識(shí)點(diǎn)。例如：Drennan在講化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)之前，發(fā)給每人一袋葡萄糖溶液，學(xué)生在品味葡萄糖溶液的同時(shí)，體會(huì)著熱力學(xué)角度能夠發(fā)生的反應(yīng)，而反應(yīng)快慢則受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制。接下來展開討論酶催化作用下葡萄糖在體內(nèi)的氧化過程，從而給學(xué)生留下了深刻印象。

為了活躍課堂氣氛, 教師適時(shí)將與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題帶到課堂。例如：Taylor在利用雜化軌道理論講解甲烷和二氧化碳分子結(jié)構(gòu)時(shí)，在一旁幫助演示分子模型的Drennan號(hào)召學(xué)生參加第2天的能源辯論會(huì)，并希望學(xué)生就辯論激烈的能源問題提出自己的獨(dú)到見解。又如在L14開課之初，Taylor介紹了在當(dāng)天揭曉的2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主及綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與研究進(jìn)展，從而把社會(huì)熱點(diǎn)問題在第一時(shí)間帶到課堂。

天津大學(xué)同國(guó)內(nèi)其他高校一樣[1]，無機(jī)化學(xué)與化學(xué)分析的課堂教學(xué)多以教師講授為主，學(xué)生有問題一般在課下答疑。近年來學(xué)校大力提倡教師改進(jìn)教學(xué)方法，筆者利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)資源，開通了網(wǎng)上答疑，把常見問題和共性問題公布在網(wǎng)上。在課堂教學(xué)中，嘗試在講授難點(diǎn)問題時(shí)，先啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，以小組為單位討論，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性去自己發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，這種互動(dòng)的教學(xué)方法很受學(xué)生歡迎。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)演示的課堂

多樣的課堂演示和示范是MIT化學(xué)原理課程的又一特色。演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教師利用直觀的教學(xué)手段，使學(xué)生加深對(duì)化學(xué)基本概念的理解。課堂演示生動(dòng)形象，費(fèi)時(shí)不多，對(duì)提高課堂教學(xué)效果起著積極作用?；瘜W(xué)原理的課堂演示經(jīng)常是由兩位教師共同來做，并有多名助教協(xié)助，實(shí)驗(yàn)秩序井然。例如在L2中講原子結(jié)構(gòu)時(shí)，模擬盧瑟福背散射實(shí)驗(yàn)，全場(chǎng)學(xué)生共投擲266個(gè)乒乓球，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理求算模擬原子核的小球直徑為2.7cm，而其實(shí)際尺寸為2.5cm，演示效果非常好。又如在L21中講酸堿平衡時(shí)，利用蔬菜紫甘藍(lán)提取物為指示劑判定日常用品的pH。課堂上所涉及到的實(shí)驗(yàn)用品均為生活或廚房用品，這樣可將化學(xué)原理潛移默化地應(yīng)用于生活。

在天津大學(xué)的無機(jī)化學(xué)課程中進(jìn)行課堂演示的歷史可追溯到20世紀(jì)70年代。1979年，由人民教育出版社出版了《無機(jī)化學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)》，其中總結(jié)了上百個(gè)演示和投影實(shí)驗(yàn)。歷經(jīng)幾代人的實(shí)踐，現(xiàn)有近80個(gè)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂。學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)很感興趣，在演示過程中加深了對(duì)無機(jī)化學(xué)基本概念和理論的理解，熟悉了化學(xué)元素及化合物的性質(zhì)。目前已制作完成了80多個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的影像資料，為課堂教學(xué)提供了豐富的素材。

1.3.3 與科學(xué)前沿接軌的課堂

緊跟科學(xué)前沿，注重理論聯(lián)系實(shí)際是MIT化學(xué)原理課程教學(xué)的根本和出發(fā)點(diǎn)。幾乎每節(jié)課都強(qiáng)調(diào)化學(xué)與生物學(xué)的聯(lián)系，化學(xué)理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值。在L1的開場(chǎng)白中，Drennan提問學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)化學(xué)？學(xué)了化學(xué)用來做什么？MIT的化學(xué)家都在研究什么？以MIT的 J.Stubbe小組研究吉西他濱抗癌藥物為例，說明酶的基本原理，酶催化以及酶是如何工作的，使學(xué)生對(duì)所開課程內(nèi)容有初步理解。在L36中，Drennan從蛋氨酸合成酶的案例分析著手，從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)平衡、酸堿反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、過渡金屬配合物等角度，說明蛋氨酸合成酶的作用及反應(yīng)機(jī)理，這可以與第一講的開場(chǎng)白所呼應(yīng)。通過蛋氨酸合成酶的案例討論，學(xué)生能深刻感受到所學(xué)知識(shí)的積累，體會(huì)到化學(xué)思想深入到生物學(xué)的研究領(lǐng)域，為更好地開展今后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在課堂上，Drennan介紹了MIT的T.Jamisan小組在分子合成方面，T.Swager小組在分子檢測(cè)方面，A.Davidson小組利用生物谷進(jìn)行心臟病診斷方面的研究工作，為學(xué)生的學(xué)習(xí)打開眼界。通過對(duì)量子點(diǎn)、藥物合成和酶制劑方面的科研前沿進(jìn)展的介紹，告誡大一新生應(yīng)有選擇地學(xué)習(xí)一些科目，保持開放的思維、探索未知的領(lǐng)域。

在天津大學(xué)的《無機(jī)化學(xué)》(第4版)教材中，每章都附有與實(shí)際問題相關(guān)的閱讀材料來拓寬學(xué)生的視野，介紹諸如自然界中氮、碳元素的循環(huán)，礦產(chǎn)資源及海洋資源的利用，配位化學(xué)的發(fā)展前景，微觀物質(zhì)的深層次剖析，非水溶液中的無機(jī)反應(yīng)，化學(xué)與化工等學(xué)生感興趣又與現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的內(nèi)容。筆者針對(duì)所教對(duì)象為化工專業(yè)學(xué)生，在化學(xué)反應(yīng)章節(jié)介紹化學(xué)工業(yè)，在熱化學(xué)章節(jié)介紹脂肪和碳水化合物與能量?jī)?chǔ)存,在化學(xué)動(dòng)力學(xué)章節(jié)介紹燃燒和爆炸, 在化學(xué)平衡原理章節(jié)介紹化學(xué)平衡與氮循環(huán)，在酸堿平衡章節(jié)介紹酸雨，在晶體結(jié)構(gòu)章節(jié)介紹液晶，力圖做到化學(xué)原理聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用。

2 小結(jié)

目前，國(guó)內(nèi)各高校都在教學(xué)改革中探索著適合各自學(xué)科發(fā)展的途徑。通過網(wǎng)上觀摩、學(xué)習(xí)MIT的化學(xué)原理課程，筆者認(rèn)為有以下5點(diǎn)值得借鑒和學(xué)習(xí)：(1) 教師應(yīng)是教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)者和設(shè)計(jì)者。教師要精心準(zhǔn)備講義，反復(fù)篩選講課內(nèi)容。只有這樣才能做到在不減少化學(xué)原理講授內(nèi)容的基礎(chǔ)上，遞進(jìn)式地突出生物學(xué)與化學(xué)的緊密聯(lián)系，使教學(xué)效果真正做到“讓生物學(xué)家為化學(xué)而歡呼”。例如在L16～L18中講到反應(yīng)熱力學(xué)時(shí)，Taylor適時(shí)引入了葡萄糖的氧化、三磷酸腺苷(ATP)的水解以及ATP的偶合反應(yīng)等一系列問題，很好地解釋了生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和傳遞。(2) 教師應(yīng)是所講課程領(lǐng)域的專家，熟悉和精通這一領(lǐng)域的科技前沿和發(fā)展動(dòng)向。如Drennan在金屬酶制劑方向的研究為課堂講授提供了豐富的生物學(xué)科研實(shí)例。(3) 教學(xué)活動(dòng)應(yīng)靈活多樣，不拘泥于形式。除常規(guī)的課堂教學(xué)外，還通過每周2次的習(xí)題討論、不定期的辯論賽和學(xué)術(shù)講座、課堂測(cè)驗(yàn)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)等，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中反復(fù)強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)，具有良好的學(xué)術(shù)氛圍。(4)學(xué)生成績(jī)應(yīng)從多層面進(jìn)行綜合評(píng)定。例如：化學(xué)原理課程滿分750分，其中課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)記錄學(xué)生平時(shí)出勤和課堂回答問題50分；平時(shí)的作業(yè)評(píng)價(jià)和專題討論100分；課程進(jìn)行中的3次1小時(shí)的章節(jié)測(cè)驗(yàn)共計(jì)300分，最后還有一次3小時(shí)的期末考試300分。這種多方位的考核評(píng)價(jià)，對(duì)督促學(xué)生學(xué)習(xí)、解決學(xué)生在各章節(jié)中存在的問題都能起到積極作用。(5) 教學(xué)團(tuán)隊(duì)中應(yīng)包括相對(duì)穩(wěn)定的助教隊(duì)伍。助教大多是利用課余時(shí)間兼職做助教工作的在讀研究生。化學(xué)原理的助教在上崗前要進(jìn)行為期5天的培訓(xùn)，平日要隨堂聽課，并進(jìn)行專題討論和習(xí)題課答疑，批改試卷和作業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)定等相關(guān)教學(xué)工作，從而可在教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)揮很大的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 謝逢春.大學(xué)化學(xué),2010,25(2):75