無機化學(xué)課程設(shè)置創(chuàng)新型作業(yè)的思考與實踐*

任玲 曹敏花 張秀輝

(北京理工大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京100081)

無機化學(xué)是高等院校相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是相關(guān)專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后最早學(xué)習(xí)的專業(yè)課程，對轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識有著不可替代的作用。近年來，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教學(xué)改革中，無機化學(xué)課程的改革卓有成效，學(xué)者們對無機化學(xué)課堂教學(xué)的元素(如教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法)進行了深入的探討，碩果累累。課外作業(yè)是課堂教學(xué)的補充，兩者相輔相成，如何在無機化學(xué)課程中利用課外作業(yè)提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同樣是一個值得深入研究的課題。有學(xué)者提出，可以通過讓學(xué)生撰寫微、小論文培養(yǎng)學(xué)生的能力［1-3］;通過讀書報告會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［4］;通過書籍、網(wǎng)絡(luò)閱讀、交流與討論、實驗與研究提升學(xué)生獨立獲取知識的能力、表達能力和創(chuàng)新能力［5］。我們在教學(xué)實踐中，設(shè)置了不同于傳統(tǒng)課外作業(yè)的創(chuàng)新型作業(yè)——創(chuàng)新大作業(yè)，對提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維有明顯的效果。下面討論在無機化學(xué)課程中設(shè)置創(chuàng)新型作業(yè)的一些淺見。

1 無機化學(xué)課程設(shè)置創(chuàng)新型作業(yè)的思考

課堂知識授受和課外作業(yè)練習(xí)是學(xué)生獲取知識的兩個途徑。兩個途徑既緊密相連，又有區(qū)別。在課堂知識授受過程中，教師是核心，學(xué)生以接受為主，處于被動地位。而在課外作業(yè)練習(xí)過程中，學(xué)生可以跳出教師的思路，跳出課件，跳出教材，更多地去思考和發(fā)揮，處于主動地位。我們認為，課堂教學(xué)和課外作業(yè)的功能不完全相同。課堂教學(xué)的主旨是知識傳授，而課外作業(yè)練習(xí)更能發(fā)散學(xué)生的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的實際能力。然而，傳統(tǒng)的課外作業(yè)過多地強調(diào)課堂教學(xué)的補充性，以鞏固課堂知識為目的，重在提高學(xué)生對課堂知識的記憶和理解，忽視了讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行拓展和發(fā)散。因此，課外作業(yè)需要改革，改革的方向是增加有利于提高學(xué)生創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的創(chuàng)新型作業(yè)。

基于上述思考，我們在無機化學(xué)教學(xué)實踐中，設(shè)置了創(chuàng)新型作業(yè)——創(chuàng)新大作業(yè)。

2 無機化學(xué)課程設(shè)置創(chuàng)新型作業(yè)的實踐

2.1 無機化學(xué)創(chuàng)新型作業(yè)的內(nèi)容設(shè)計

我們設(shè)計的創(chuàng)新大作業(yè)類型多樣，包括文獻綜述、知識拓展、創(chuàng)新追蹤、理論應(yīng)用、總結(jié)類比、概括歸納、學(xué)科滲透等，給學(xué)生以多種選擇，使其有廣闊的想象空間。這符合滿足個性、因材施教的創(chuàng)新教育規(guī)律。

2.1.1 文獻綜述

創(chuàng)新是在人類原有發(fā)展基礎(chǔ)上的新拓展、新發(fā)現(xiàn)、新發(fā)明。了解學(xué)科前沿是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。但是，教材一般都強調(diào)知識的經(jīng)典性、成熟性和穩(wěn)固性，加上更新周期以及編寫者水平的限制，鮮有涉及學(xué)科前沿者。為了彌補這一不足，我們設(shè)計了創(chuàng)新大作業(yè)——無機化學(xué)學(xué)科前沿文獻查閱及綜述。例如，綜述21世紀(jì)化學(xué)進展、21世紀(jì)化學(xué)的多維定義、無機化學(xué)的研究特點及存在的問題、無機化學(xué)的發(fā)展方向等。學(xué)生通過完成這樣的作業(yè)，可以俯瞰學(xué)科進展，既能開闊視野，也能學(xué)習(xí)到文獻查閱和評述的方法。

2.1.2 知識拓展

教材中的很多知識點較淺，教師不可能一一地通過課堂教學(xué)去彌補，而應(yīng)該把問題留給學(xué)生，讓學(xué)生通過課外作業(yè)去深入、細化和完善。例如，惰性電子對效應(yīng)，有教材解釋為隨原子序數(shù)的增加，外層ns軌道的一對電子愈不容易參加成鍵、顯得不活潑所致［6］;也有教材解釋為由于ns2電子隨n增大逐漸穩(wěn)定的結(jié)果［7］;還有教材解釋為更大程度上是離子半徑對成鍵能力影響的一種反映［8］。這些解釋都沒有追蹤深層次的原因。我們在課堂講授時也沒有對此刻意擴展，而是設(shè)計了延伸深化的創(chuàng)新大作業(yè)——提出惰性電子對效應(yīng)更深層的解釋。有學(xué)生在“惰性電子對效應(yīng)的深入探討”作業(yè)中，引用近來提出的相對論性效應(yīng)解釋了惰性電子對效應(yīng)，即惰性電子對效應(yīng)是旋-軌耦合效應(yīng)、相對論性收縮、相對論性膨脹3種效應(yīng)都隨原子序數(shù)的增大而迅速增強，導(dǎo)致第6周期及以后的大多數(shù)重元素的相對論性效應(yīng)顯著的結(jié)果。完成這樣的作業(yè)，有助于加深學(xué)生對難點的理解，教會學(xué)生深層次思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力。

2.1.3 創(chuàng)新追蹤

創(chuàng)新都有一個過程，有靈感的閃現(xiàn)，有辛勞的付出，有失敗的痛苦，有成功的喜悅。無數(shù)的創(chuàng)新，凝成一個個公式、原理和概念，固化在教材中。如果教師一直平鋪直敘地講授這些公式、原理和概念，不僅枯燥無味，而且還會使學(xué)生把這些創(chuàng)新看成是天經(jīng)地義的，麻木了創(chuàng)新意識。據(jù)此，我們設(shè)計了創(chuàng)新追蹤類的大作業(yè)。例如，諾貝爾化學(xué)獎獲得者創(chuàng)新軌跡追蹤。有學(xué)生在作業(yè)中探討了美國科學(xué)家利普斯克(Lipscomb)的創(chuàng)新歷程。利普斯克用X射線單晶衍射儀測定并解釋了多種硼氫化合物的結(jié)構(gòu)及其成鍵規(guī)律，因而獲得了1976年諾貝爾化學(xué)獎。利普斯克的這一重要發(fā)現(xiàn)的靈感是源于一個本科學(xué)生的觀點。在一次極普通的學(xué)術(shù)報告會上，就讀于牛津大學(xué)的克里斯托弗·朗古特-希金斯提出了三中心二電子鍵的設(shè)想，嘗試解釋硼族化合物的結(jié)構(gòu)。此前，由于硼復(fù)雜的成鍵結(jié)構(gòu)，一般的化學(xué)鍵理論無法解釋。利普斯克就是在受到克里斯托弗·朗古特-希金斯設(shè)想的啟發(fā)后，才開始這一創(chuàng)新歷程的［8］。通過這樣的創(chuàng)新追蹤，可以使學(xué)生透視科學(xué)家的思維脈絡(luò)，捕捉科學(xué)家的睿智，啟迪智慧，提高創(chuàng)新意識;也可使學(xué)生消除創(chuàng)新的神秘，提升創(chuàng)新的勇氣。

2.1.4 理論應(yīng)用

無機化學(xué)是一門經(jīng)典學(xué)科，內(nèi)容多是經(jīng)典理論，這很容易使學(xué)生產(chǎn)生錯覺，以為所學(xué)的內(nèi)容都是古董，陳舊而無用。而事實上，無機化學(xué)是一門極富活力的科學(xué)，無機化學(xué)的創(chuàng)新在整個自然科學(xué)創(chuàng)新中舉足輕重。所有的創(chuàng)新都得益于基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)，基礎(chǔ)理論又因創(chuàng)新而豐富完善。所以，我們注意通過課外作業(yè)讓學(xué)生用所學(xué)理論去解釋學(xué)術(shù)新成果。例如，在講授配合物結(jié)構(gòu)一章時，我們介紹了配合物的價健理論，明確本章教學(xué)目的是解決配合物空間結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及磁性問題，隨后引入了發(fā)表在J.AM.CHEM.SOC.上的學(xué)科前沿論文“Large-Scale Synthesis of Uniform Nanotubes of a Nickel Complex by a Solution Chemical Route”［9］。針對論文中制備的配合物，我們設(shè)計了創(chuàng)新大作業(yè)——試用本章所學(xué)配合物價健理論分析該論文中配合物［Ni(NH3)6］Cl2的空間構(gòu)型、雜化方式、穩(wěn)定性及磁性等，并評價其應(yīng)用價值。通過得出的“空間構(gòu)型為正八面體、雜化方式為sp3d2、屬于外軌型配合物、有2個成單電子”的結(jié)論，使學(xué)生認識到，即使是最新制備的配合物，仍然是符合經(jīng)典理論的，是經(jīng)典理論指導(dǎo)下的產(chǎn)物。這增強了學(xué)生對基礎(chǔ)理論重要性的認識，基礎(chǔ)理論并非虛幻無用，而是創(chuàng)新的靈魂和動力;進而也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的熱情。

2.1.5 總結(jié)類比

學(xué)科知識大多有著內(nèi)在的聯(lián)系。但是，教材分章節(jié)著述，課堂獨立講解，致使學(xué)生難以融會貫通，難以把握整體。例如，學(xué)習(xí)價鍵理論、雜化軌道理論、價層電子對互斥理論以及分子軌道理論，學(xué)生大多是機械地接受，局限于淺層次的理論要點，而難以看出各個理論之間的內(nèi)在聯(lián)系、異同點和優(yōu)越性。對此，我們不是通過簡單答疑的方式來解決問題，而是設(shè)計了創(chuàng)新大作業(yè)——列表總結(jié)分子軌道理論、價鍵理論、雜化軌道理論及價層電子對互斥理論的基本要點、共同性、適用范圍及優(yōu)越性。通過完成這樣的作業(yè)，學(xué)生可以牢固掌握上述4個理論，用這4個理論分別確定不同類型分子的空間結(jié)構(gòu)，并能用雜化軌道理論及價層電子對互斥理論共同解決化合物的空間構(gòu)型問題。

2.1.6 概括歸納

歸納是創(chuàng)新的重要方法，也是學(xué)生靈活、牢固掌握所學(xué)知識的鑰匙。所以，我們特別重視讓學(xué)生學(xué)會歸納，提綱挈領(lǐng)地學(xué)好知識，逐步掌握創(chuàng)新的方法。例如，無機化學(xué)的元素部分內(nèi)容枯燥。我們在教學(xué)中，對零散、孤立的元素內(nèi)容進行組合，形成主線。精講s、p、d區(qū)的通性即大通性，如p區(qū)元素講授其通性——各族元素變化的規(guī)律性、多樣性、多氧化態(tài)、半導(dǎo)體性質(zhì)和多氫化物類型等;精講各個族的通性即中通性，如硼族元素講授其共同特征尤其是缺電子性等。而對于元素的個性，則重點指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會收集材料、整理素材，以創(chuàng)新大作業(yè)的形式進行概括歸納，形成系統(tǒng)知識。這樣能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)獲取知識的習(xí)慣，也把許多枯燥乏味、需要死記硬背的內(nèi)容變成了生動的、有規(guī)律性的知識，增加了學(xué)習(xí)的興趣。

2.1.7 學(xué)科滲透

學(xué)科與學(xué)科之間不是對立的，都存在著有機的聯(lián)系，學(xué)科相互交叉滲透是創(chuàng)新的重要途徑?；瘜W(xué)是一門中心科學(xué)［10］，有很強的滲透力，很多改變?nèi)祟惿畹膭?chuàng)新都是化學(xué)與相關(guān)學(xué)科相互滲透的成果。據(jù)此，我們設(shè)計了無機化學(xué)與相關(guān)學(xué)科相互交叉滲透的創(chuàng)新大作業(yè)，例如探討“化學(xué)元素與人體健康”、“化學(xué)與大氣污染防治”、“水體污染與化學(xué)處理”、“食品安全與化學(xué)”、“PM2.5成因及應(yīng)對”等。引導(dǎo)學(xué)生把所學(xué)知識與相關(guān)學(xué)科相結(jié)合，運用所學(xué)知識解決實際問題。同時，通過可見的實例，也彰顯了化學(xué)與社會發(fā)展、與人類生活不可分割的關(guān)系，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 無機化學(xué)創(chuàng)新型作業(yè)的布置和完成

完成創(chuàng)新大作業(yè)，要求學(xué)生獨立思考，有創(chuàng)意，有動手能力，而且要求學(xué)生有充分的思想準(zhǔn)備、知識積累和材料儲備，還要求學(xué)生能集中精力，集中時間。查閱文獻、搜集資料是完成此類作業(yè)的基礎(chǔ)。為了達到作業(yè)設(shè)計的效果，我們采用課初提出、隨堂布置、跟蹤提示、自由選題、書面完成、口頭宣講、重點答辯的方式。課初提出即:在課程講授之初也就是緒論講授時就提出創(chuàng)新大作業(yè)的概念，告知學(xué)生在學(xué)期結(jié)束前要完成這樣的作業(yè)以及完成這種作業(yè)的途徑和方法;明確提出創(chuàng)新大作業(yè)設(shè)計和完成的目的是要學(xué)生對所學(xué)知識進行自主拓展深化，提高創(chuàng)新意識，激發(fā)創(chuàng)新思維。隨堂布置即:根據(jù)課堂講授的內(nèi)容隨時布置相關(guān)的創(chuàng)新大作業(yè)。跟蹤提示即:對已布置的創(chuàng)新大作業(yè)隨著內(nèi)容的進展不斷地予以提示。自由選題即:學(xué)生在教師設(shè)計的創(chuàng)新大作業(yè)中自主選擇一題或數(shù)題，以興趣為主。書面完成即:學(xué)生必須用書面形式完成創(chuàng)新大作業(yè)?？陬^宣講即:學(xué)生完成創(chuàng)新大作業(yè)初稿后，做成PPT，在班上逐一宣講。重點答辯即:每班遴選出幾篇優(yōu)秀創(chuàng)新大作業(yè)，完成者在大課堂上講演并答辯。

3 無機化學(xué)課程設(shè)置創(chuàng)新型作業(yè)的效果

學(xué)生對完成創(chuàng)新大作業(yè)充滿了興趣，對于選擇題目、查找資料、連綴成文、制作PPT、講演答辯中的每一環(huán)節(jié)都很認真，收到了預(yù)期的效果。

(1)開闊了學(xué)生的視野。完成創(chuàng)新大作業(yè)需要查找資料和文獻，這使學(xué)生有機會跳出教科書，跳出課堂，跳出教師的耳提面命，游弋在廣闊的知識海洋里，甚至觸摸到學(xué)科的最前沿。例如，有學(xué)生的創(chuàng)新大作業(yè)內(nèi)容涉獵了《科學(xué)》等權(quán)威雜志上發(fā)表的最新科研成果。在完成創(chuàng)新大作業(yè)后所附的感言中，很多學(xué)生表達了這種感受。一位學(xué)生說:創(chuàng)新大作業(yè)需要檢索大量的論文，從中篩選出易于理解、新型實用的化學(xué)新突破。為了能夠全面理解論文，我們必須了解論文中所涉及的很多新概念、新方法，極大地拓展了我的知識面。另一位學(xué)生感言:創(chuàng)新大作業(yè)是讓我自主接近化學(xué)前沿的一次難忘經(jīng)歷——主題的確定，資料的搜索、整理、編輯，幻燈片的制作，無一不讓我激動萬分，畢竟這是我第一次完成這樣有創(chuàng)意的作業(yè)。

(2)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識、學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。學(xué)習(xí)的動力是興趣，找到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法，就是找到了根除厭學(xué)頑癥、提高教育質(zhì)量的金鑰匙。從學(xué)生的反映看，創(chuàng)新作業(yè)的布置、提示、完成、展示，在很大程度上提高了他們學(xué)習(xí)專業(yè)知識、探索科學(xué)的興趣。一位學(xué)生在創(chuàng)新大作業(yè)后所附的感言中說:“創(chuàng)新大作業(yè)讓我得以近距離接觸科學(xué)世界。我發(fā)現(xiàn)科學(xué)并不像想象中那樣枯燥無味，它妙趣橫生，充滿新鮮，遨游在科學(xué)中我永不疲倦，創(chuàng)新大作業(yè)點燃了我對科學(xué)的創(chuàng)新熱情!”

(3)迸發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的火花。在學(xué)生完成的創(chuàng)新大作業(yè)中，有很多閃爍著創(chuàng)新的火花。有學(xué)生以“屏蔽常數(shù)的深入討論”為題，討論了原子結(jié)構(gòu)中有關(guān)屏蔽常數(shù)的估算規(guī)則，提出ns、np電子的屏蔽常數(shù)應(yīng)該是有區(qū)別的，這是一個不拘泥于課堂教學(xué)的作業(yè)。有學(xué)生以“無機碳化學(xué)”為題，討論了金剛石的人工合成、碳纖維的開發(fā)利用，提出21世紀(jì)是超碳時代的命題;討論了碳的同素異構(gòu)體，提出了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的命題。有學(xué)生對所學(xué)知識進行擴展，例如討論了乙硼烷均裂和異裂的定義、機理，展望了乙硼烷的應(yīng)用前景。有學(xué)生以“氫鍵與氫橋鍵之我見”為題，比較了兩個容易混淆的概念，歸納了二者的異同點。

(4)激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的熱情。創(chuàng)新大作業(yè)是創(chuàng)新的初步，很多學(xué)生小試牛刀后便興趣盎然，欲罷不能，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間即涉足科研活動，而且對無機化學(xué)方向情有獨鐘。例如，幾位非化學(xué)專業(yè)學(xué)生積極參加國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃，選擇了低維納米結(jié)構(gòu)材料制備。他們以葡萄糖為原料制成無定形碳納米球，再以碳納米球為載體合成納米金屬單質(zhì)，并對其進行各種表征，為進一步催化烯烴加氫反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。還有幾名學(xué)生選擇新型鋰離子二次電池正極材料磷酸鐵鋰為研究對象，采用溶劑熱法和溶膠-凝膠法制備了橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰納米材料，通過包覆對材料進行改性，以提高其導(dǎo)電率和鋰離子遷移率，目的是得到較高理論容量和電壓以及良好的熱穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

高等教育的主要任務(wù)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。正如《教育部、財政部關(guān)于“十二五”期間實施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》中所指出的:“高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)人才”，而提高質(zhì)量是“實現(xiàn)建設(shè)人力資源強國和創(chuàng)新型國家戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵”。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才不僅要求學(xué)生牢固地掌握專業(yè)知識，而且要求學(xué)生有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。傳統(tǒng)作業(yè)在幫助學(xué)生掌握專業(yè)知識方面不可取代，但創(chuàng)新型作業(yè)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識上有著獨特的作用。設(shè)計出能提高學(xué)生創(chuàng)新意識、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的課外作業(yè)，是課外作業(yè)改革的方向。

［1］顧大明，張立珠，強亮生，等.大學(xué)化學(xué)，2011，26(5):20

［2］賴雪飛，謝川.大學(xué)化學(xué)，2014，29(2):26

［3］李良超，錢海生，林秋月，等.大學(xué)化學(xué)，2011，26(4):15

［4］陳三平，謝鋼，楊奇，等.大學(xué)化學(xué)，2012，27(3):14

［5］張歡，楊定明，戴亞堂.無機化學(xué)，2012，22(6):34

［6］大連理工大學(xué)無機化學(xué)教研室.無機化學(xué).第5版.北京:高等教育出版社，2006

［7］宋天佑，徐家寧，程功臻.無機化學(xué)(下冊).北京:高等教育出版社，2004

［8］史啟禎.無機化學(xué)與化學(xué)分析.北京:高等教育出版社，1998

［9］Guo L，Liu C，Wang R.J AM CHEM SOC，2004，126:4530

［10］布里斯羅R.化學(xué)的今天和明天——化學(xué)是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學(xué).華彤文，宋心琦，張德和，等譯.北京:科學(xué)出版社，2001