無機(jī)化學(xué)研究型教學(xué)探討*

顏魯婷 唐愛偉 劉博 段武彪 戴春愛 劉蓮云

(北京交通大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 北京100044)

無機(jī)化學(xué)是高校理工科化學(xué)、化工專業(yè)的首門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是研究無機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)過程的科學(xué)，授課時(shí)間一般安排在大一的第一或第二學(xué)期。無機(jī)化學(xué)課程起承前啟后的作用，對中學(xué)的化學(xué)知識有所銜接，但與中學(xué)化學(xué)相比，又補(bǔ)充了大量的新內(nèi)容、新理論，在深度、廣度和難度方面都增加了很多。大學(xué)的授課方式為授課內(nèi)容多，練習(xí)少，與中學(xué)授課內(nèi)容少，練習(xí)多，保證學(xué)生聽懂的授課方式有很大不同。此外，本門課的學(xué)習(xí)效果將直接影響到學(xué)生之后的其他化學(xué)課程包括分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)的學(xué)習(xí)。面對以上情況，探索合理的教學(xué)方法是教好這門課的關(guān)鍵。

研究型教學(xué)模式，指教師在給學(xué)生傳授知識的過程中，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神為教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)模式。研究型學(xué)習(xí)的核心教育觀念就是改變以往學(xué)生單純接受教師傳授知識的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生在接受知識的同時(shí)，感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程，形成一種對知識的主動(dòng)探求、發(fā)現(xiàn)和體驗(yàn)［1-4］。無機(jī)化學(xué)知識點(diǎn)繁雜，探索新型研究式教學(xué)法，可以加強(qiáng)理論課與實(shí)驗(yàn)課的結(jié)合與協(xié)調(diào)，引導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究;強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)、相互啟發(fā)，重視“學(xué)的過程”，有利于提高無機(jī)化學(xué)的教學(xué)效果。

1 研究型教學(xué)設(shè)計(jì)的總體思路

無機(jī)化學(xué)課程的教學(xué)基本要求分為了解、理解、熟悉、掌握。了解為一般的認(rèn)知，知道其存在;理解為本質(zhì)上的認(rèn)知(知其然，知其所以然);熟悉要求不僅要理解，還要記住;掌握要求不僅要記住，還要學(xué)會應(yīng)用。研究型教學(xué)立足于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)主動(dòng)探究式的學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)、討論、研究式教學(xué)方法，變換對化學(xué)問題的思考角度，將學(xué)生置于實(shí)際化學(xué)問題研究的環(huán)境之中，為學(xué)生提供了思考解決問題的空間，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂教學(xué)以問題為中心，通過提出問題—解決問題—延伸思考，使問題成為知識的紐帶;通過設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生參與、思考，喚起學(xué)生解決問題的欲望，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

2 研究型教學(xué)的主要內(nèi)容

在無機(jī)化學(xué)研究型教學(xué)的探索過程中，采取的主要形式為:專題報(bào)告、綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、課堂討論、課外自學(xué)等。

2.1 專題報(bào)告

以無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容為中心，開展相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展報(bào)告。以小組的方式展開，人數(shù)以5～6人為宜，安排小組長在小組集體課上做報(bào)告。要求小組成員積極合作，以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識和協(xié)調(diào)組織能力。學(xué)生通過查找文獻(xiàn)并進(jìn)行閱讀，可以加強(qiáng)對教學(xué)內(nèi)容的理解，拓寬知識領(lǐng)域，并通過學(xué)術(shù)論文的撰寫，為以后在科研領(lǐng)域開展工作打下良好的基礎(chǔ)。專題報(bào)告選題既可以從教師提供的資料中選擇(如霧霾的成因及消除方法、我國合成氨工業(yè)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、融雪劑使用現(xiàn)狀調(diào)查及對環(huán)境的影響、固體超強(qiáng)酸的種類及其作為催化劑的應(yīng)用、電池的發(fā)展方向等)，也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合學(xué)生自己的興趣自由選題。

例如，2012級一位學(xué)生對無機(jī)發(fā)光材料特別感興趣，于是將專題報(bào)告的題目定位在CdSe發(fā)光量子點(diǎn)的制備與改進(jìn)方面。專題報(bào)告不但對CdSe量子點(diǎn)的常見制備方法如高溫溶劑熱法、巰基水相法等的一般制備步驟進(jìn)行了梳理和介紹，而且比較了每種制備方法的突出優(yōu)勢、適用范圍以及存在的主要問題和局限性，并對文獻(xiàn)中的實(shí)例做了進(jìn)一步的輔助說明。在高溫溶劑熱法中重點(diǎn)介紹了綠色環(huán)保的反向注入法，利用無膦前驅(qū)體，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，可使熒光量子產(chǎn)率提高到60%～70%，并且熒光穩(wěn)定性增強(qiáng)［5］。在巰基水相法中重點(diǎn)討論了NaHB4作為還原劑其用量對產(chǎn)物穩(wěn)定性和熒光性能的影響［6］。這位學(xué)生花費(fèi)了大量時(shí)間研讀文獻(xiàn)，并消化整理成自己的語言，使材料更精練、更明確、更有層次和邏輯，培養(yǎng)鍛煉了其發(fā)現(xiàn)問題、歸納問題和解決問題的能力。教師在專題報(bào)告的準(zhǔn)備過程中起引導(dǎo)的作用，引導(dǎo)學(xué)生怎樣利用數(shù)據(jù)庫查找文獻(xiàn)，并從海量的文獻(xiàn)中挑出所需的信息。此外，大一的學(xué)生閱讀外文文獻(xiàn)有一定的困難，翻譯工具有時(shí)也不能準(zhǔn)確地表達(dá)原文的意義，教師要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇鹨山饣?。最后，該學(xué)生想在此領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究，于是加入了一位教師的課題組，進(jìn)行量子點(diǎn)發(fā)光材料的制備探索。

再比如，最近幾年，由于環(huán)保意識提高，大家對霧霾的關(guān)注度很高，這也體現(xiàn)在研究型教學(xué)中“霧霾”這一選題被學(xué)生選中的概率很高。為了既把霧霾的來龍去脈這一問題研究清楚，又讓自己的研究報(bào)告出彩，有些學(xué)生費(fèi)心去想、去做了，取得了很好的效果。同樣是2012級的一位學(xué)生，改編了一段動(dòng)漫，重新編輯了字幕，將動(dòng)漫中的競技場面演變成了怎樣在霧霾中生存，詼諧幽默，讓人在哈哈一笑中也深刻記住了需要了解的知識。

2.2 綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的對象主要為無機(jī)納米材料，以文獻(xiàn)調(diào)研為主，培養(yǎng)學(xué)生查閱專業(yè)知識的能力。給出具體的合成路線，實(shí)驗(yàn)所用的藥品、儀器、反應(yīng)的條件;組織學(xué)生對所設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行論證。最后，如果具備實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生可通過動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的目的為激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)動(dòng)手實(shí)踐，綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識、基本操作，結(jié)合化學(xué)基本理論、元素化合物的知識以及化學(xué)計(jì)算等相關(guān)知識解決相關(guān)問題。此外，綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)還可以與教師的實(shí)際課題相結(jié)合，這樣實(shí)驗(yàn)?zāi)康募搬槍π詴鞔_，有利于實(shí)驗(yàn)方案的完成;另外，實(shí)驗(yàn)方案還可以得以延續(xù)，有利于學(xué)生參加大二開始的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

例如，SnO2是一種重要的寬能級n型半導(dǎo)體金屬氧化物;由于其具有化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)及催化性能，在透明導(dǎo)電薄膜、電池電極、光催化劑等方面發(fā)揮著重要作用。學(xué)生通過查閱資料，制定了具體的合成路線，以四氯化錫和氫氧化鈉為原料，采用水熱法制備產(chǎn)品。樣品基本呈圓球狀，雖然顆粒大小比較均勻，但顆粒尺寸較大，為微米級的SnO2球形顆粒。學(xué)生再通過進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了調(diào)整:原料四氯化錫與氫氧化鈉混合后經(jīng)充分反應(yīng)進(jìn)行離心分離，取沉淀進(jìn)行水熱反應(yīng)，最后所獲粒子粒徑在納米級的尺寸。通過綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)訓(xùn)練，加強(qiáng)了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，并鍛煉了動(dòng)手能力及解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣。

2.3 課堂討論

課程中的有些內(nèi)容以教師講課為輔，以學(xué)生參與教學(xué)環(huán)節(jié)為主。比如展開案例討論、知識點(diǎn)總結(jié)、自學(xué)內(nèi)容講解、案例學(xué)習(xí)體會交流等。鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)，課堂積極參與。通過對一些知識難點(diǎn)及易產(chǎn)生分歧的知識點(diǎn)的討論，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象。

比如學(xué)習(xí)完酸堿理論知識后，可以組織學(xué)生對緩沖溶液的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行討論，從而加深對緩沖溶液配制及使用時(shí)的注意事項(xiàng)的理解。另外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)的標(biāo)定方法，了解常用的緩沖溶液體系。更進(jìn)一步，討論路易斯酸堿與質(zhì)子酸堿的關(guān)系，了解固體超強(qiáng)酸作為催化劑的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域。

再比如，合成氨是化學(xué)工業(yè)極為重要的反應(yīng)，對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。合成氨是一個(gè)放熱反應(yīng)，低溫、加壓有利于平衡正向移動(dòng)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，選擇反應(yīng)溫度在460～550℃，反應(yīng)壓力約32MPa，且使用鐵系催化劑。學(xué)生以合成氨為例，討論了化學(xué)平衡與反應(yīng)速率原理的綜合運(yùn)用。通過考慮生產(chǎn)中動(dòng)力、設(shè)備、材料生產(chǎn)效率等因素，體驗(yàn)了實(shí)際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異。并進(jìn)而以合成氨中的鐵觸媒為例，討論了催化劑的形態(tài)、使用條件對化學(xué)反應(yīng)的影響，以及合成氨領(lǐng)域催化劑的最新發(fā)展趨勢。

2.4 課外自學(xué)

結(jié)合部分章節(jié)知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安排部分自學(xué)內(nèi)容，并要求學(xué)生進(jìn)行課上講解。培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、交流表達(dá)能力。

比如原子結(jié)構(gòu)這一章，元素的性質(zhì)受到核外電子排布的影響，核外電子的排布具有周期性，導(dǎo)致元素性質(zhì)也有一定的遞變規(guī)律。本章前半部分內(nèi)容圍繞“原子微觀結(jié)構(gòu)”展開，較為抽象且理論性很強(qiáng)。教師通過課堂講授促進(jìn)學(xué)生的理解。而“元素性質(zhì)的周期性”是前部分理論的很好的應(yīng)用。因此，安排這一部分內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)，能加深對知識點(diǎn)的理解;通過性質(zhì)的遞變規(guī)律，可更好地理解微觀結(jié)構(gòu)理論。

再比如，元素化合物知識是描述性的化學(xué)知識，內(nèi)容龐雜、材料瑣碎、涉及的化學(xué)現(xiàn)象和各種化學(xué)反應(yīng)較多，不容易記憶。若單純采取教師課堂講、學(xué)生坐著聽，而之前又沒有預(yù)習(xí)的話，授課效果不會理想。完成“P區(qū)元素(一)”的授課之后，遵循“單質(zhì)—?dú)浠铩趸铩跛帷}”這條路線，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)“P區(qū)元素(二)”的內(nèi)容，加深對知識點(diǎn)的理解。學(xué)生自主學(xué)習(xí)了“P區(qū)元素(二)”的內(nèi)容之后，進(jìn)行知識點(diǎn)的總結(jié)與展示。在此過程中發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)特點(diǎn):學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中變得認(rèn)真了，角色由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，由單純的聽課變?yōu)橐皞湔n”，責(zé)任心增強(qiáng)了;學(xué)生的課件做得很漂亮，細(xì)致、有條理，體現(xiàn)了對課本知識的系統(tǒng)掌握，并融入了PPT制備的新的技巧，表達(dá)清晰，畫面簡潔美觀;不局限于課本知識，對所學(xué)知識進(jìn)行了拓展，引入了元素化合物應(yīng)用領(lǐng)域的介紹，比如古氏試砷法的介紹、過氧化氫用于油畫的漂白等。通過自主學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率并拓寬了思考問題的思路。

除專題報(bào)告、綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、課堂討論、課外自學(xué)幾種形式之外，我們還鼓勵(lì)學(xué)生采取多種形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。如12級的學(xué)生曾參加過學(xué)校舉辦的視頻制作大賽，對視頻的制作有著一定的經(jīng)驗(yàn)。于是，教師就鼓勵(lì)他們嘗試將自己做的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)做成視頻，既可作為研究型教學(xué)多樣化的一種體現(xiàn)形式，又可以儲備為實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻資料。作為初步嘗試，學(xué)生選擇了粗食鹽的提純，這一實(shí)驗(yàn)他們比較熟悉，而且包括稱量、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶及干燥等一些最基本的操作。從資料準(zhǔn)備到操作、錄像、配音、剪輯，幾位學(xué)生做了合理的分工與協(xié)作，經(jīng)過不斷嘗試，最終做出了畫面清晰、操作規(guī)范、配樂優(yōu)美、解說簡潔明了的實(shí)驗(yàn)錄像，被評為學(xué)校2012-2013學(xué)年第二學(xué)期優(yōu)秀研究型教學(xué)學(xué)生作品。

3 研究型教學(xué)的實(shí)施

與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，在研究型教學(xué)中，教師是教學(xué)的設(shè)計(jì)者、組織者、引導(dǎo)者、啟發(fā)者［7-8］。教師首先要能夠向?qū)W生提出該領(lǐng)域的前沿問題或者帶有學(xué)科視角的問題，然后學(xué)生才能有效地以教師給出的問題為線索開展科學(xué)求證工作，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)生閱讀、思考、調(diào)查和實(shí)驗(yàn)。作為課程的設(shè)計(jì)和組織者，教師首先要考慮“教什么”和“為什么這樣教”，以及“學(xué)什么”，“怎樣才有利于學(xué)生的學(xué)”。教師要不斷學(xué)習(xí)，培養(yǎng)、提升自己開發(fā)和利用課程資源的能力，要花費(fèi)更多的時(shí)間為學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備工作。我們每學(xué)期都為研究型教學(xué)增加新的研究點(diǎn)，平時(shí)也很注意對這一方面教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，不斷地探索、反思、調(diào)整研究型教學(xué)方案。在新學(xué)期之初，通過和學(xué)生之間的溝通交流與協(xié)商，確定研究型教學(xué)的具體實(shí)施模式。另外，作為引導(dǎo)者和啟發(fā)者，在整個(gè)研究型教學(xué)進(jìn)程中，教師和學(xué)生要緊密聯(lián)系，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出來的情感和態(tài)度，幫助他們認(rèn)識自我、樹立信心，進(jìn)而提供必要的指導(dǎo)，答疑解惑并督促學(xué)生完成研究型學(xué)習(xí)的進(jìn)度。

學(xué)生作為研究型學(xué)習(xí)的主體，應(yīng)該擺脫對傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生的依賴性。學(xué)生應(yīng)具有較強(qiáng)的懷疑精神，對學(xué)習(xí)中遇到的一些重要“結(jié)論”要敢于通過科學(xué)的方法去求證。研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容是通過研究課題來實(shí)現(xiàn)的，課題的內(nèi)容可以來源于學(xué)科課程，也可以來自于實(shí)際生活，確定研究課題的前提是善于發(fā)現(xiàn)新穎的值得研究的問題，所以學(xué)生對問題的意識是十分重要的。此外，研究型學(xué)習(xí)需要一定的科研能力，比如良好的觀察能力、調(diào)查研究能力、信息處理能力以及實(shí)驗(yàn)操作能力。在研究型學(xué)習(xí)中，通過學(xué)生主動(dòng)參與，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的獨(dú)立性，自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的基本能力及與其他同學(xué)的合作性［9］。

4 研究型教學(xué)的考評

研究型教學(xué)法要求教師特別重視學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)和在具體研究中的表現(xiàn)，通過對學(xué)生平時(shí)參與討論的頻率和討論質(zhì)量，以及研究的規(guī)范程度、所遞交報(bào)告的研究質(zhì)量，來評定學(xué)生課程成績。

在專題報(bào)告及綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)類型的研究型教學(xué)中，不僅對文獻(xiàn)的充足性、研究內(nèi)容的豐富性有一定的要求，要求多方面、多角度地展示有關(guān)主題的科研成果，而且對整體的思路有條理清晰、邏輯縝密的要求，還包括對個(gè)人思考的要求，鼓勵(lì)學(xué)生對所做課題發(fā)表自己的觀點(diǎn)，對課題的前景進(jìn)行展望。

在課外自學(xué)環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生對知識內(nèi)容融會貫通，加入自己的理解，并對知識點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展，鼓勵(lì)適當(dāng)?shù)匾胝n外相關(guān)知識或該領(lǐng)域前沿科研進(jìn)展。

為體現(xiàn)公平性，評分由教師和學(xué)生共同給出。學(xué)生互評分?jǐn)?shù)和教師評價(jià)分?jǐn)?shù)各占50%。研究型教學(xué)的成績最終體現(xiàn)在學(xué)生的平時(shí)成績中?？紤]實(shí)際情況，占平時(shí)成績的25%～50%，占總評成績的10%～20%。

5 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐表明，在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中采用研究型教學(xué)，通過教師的引導(dǎo)、啟發(fā)和支持，能克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的一些不足，很好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情和興趣，幫助學(xué)生掌握自主學(xué)習(xí)的方法和思考問題的思路。3年的研究型教學(xué)實(shí)踐使我們獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但是教學(xué)質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)任重道遠(yuǎn)，我們將堅(jiān)持不懈地努力，繼續(xù)探索下去，不斷地修正和調(diào)整，尋找更為合適的研究型教學(xué)的模式。

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