新工科背景下《無機(jī)化學(xué)》教學(xué)模式探索

馮雪風(fēng)， 羅 峰

(東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

無機(jī)材料的發(fā)展日新月異，已成為電子、能源、醫(yī)藥衛(wèi)生、建筑、航空航天等行業(yè)發(fā)展的高效催化劑。近年來，僅有關(guān)硅等半導(dǎo)體材料進(jìn)展就很快，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、太陽能電池、發(fā)光材料，并成了這些產(chǎn)品性能好壞的標(biāo)志。這也僅僅是無機(jī)物材料的冰山一角。如何認(rèn)識(shí)無機(jī)物的性質(zhì)，挖拙、開發(fā)其應(yīng)用，使其更好地服務(wù)于國計(jì)民生，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，這就要求我們高等學(xué)校培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新型人才，承擔(dān)起時(shí)代賦予高等教育的使命。

無機(jī)化學(xué)是普通院?；瘜W(xué)、應(yīng)用化學(xué)、化工、材料科學(xué)與工程、環(huán)境工程、給排水工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，現(xiàn)有的常規(guī)教學(xué)法只要求大學(xué)一年級(jí)學(xué)生掌握無機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)的原理等基礎(chǔ)知識(shí)及無機(jī)物的制備等基本技能、技巧，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力要求只是蜻蜓點(diǎn)水。把培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力作為無機(jī)化學(xué)教學(xué)的核心目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)從事創(chuàng)造和發(fā)明活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造、創(chuàng)新熱情，對(duì)于培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才具有重要意義。

1 無機(jī)化學(xué)教學(xué)存在的問題

無機(jī)化學(xué)課程的常規(guī)教學(xué)方法是課堂教學(xué)。教師都是根據(jù)教材的內(nèi)容按章節(jié)順序教學(xué)，通過課前預(yù)習(xí)、課后練習(xí)和實(shí)驗(yàn)來輔助加深和增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，通過考試評(píng)價(jià)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)、技能的水平。面對(duì)新工科工程教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，無機(jī)化學(xué)教學(xué)存在以下問題。

(1) 交叉學(xué)科前沿性問題及應(yīng)用示例很少引入課堂。近20年來，無機(jī)和其它學(xué)科形成很多新的二級(jí)和三級(jí)學(xué)科，比如說金屬有機(jī)化學(xué)，配位化學(xué)、生物無機(jī)化學(xué)、無機(jī)固體化學(xué)、超分子化學(xué)等等。而僅僅生物無機(jī)化學(xué)就是配位化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、營養(yǎng)化學(xué)、環(huán)境學(xué)科等學(xué)科相互結(jié)合的產(chǎn)物，涉及到很多目前正在開展的熱門研究，每一個(gè)研究熱點(diǎn)都有新的問題層出不窮，每個(gè)問題的解決都是一個(gè)小的科技創(chuàng)新。由于信息的不對(duì)稱，教師個(gè)人精力、能力及教學(xué)目標(biāo)的不同，現(xiàn)階段的教學(xué)很少向?qū)W生介紹學(xué)科前沿性問題，以致學(xué)生缺少學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的動(dòng)力。

(2) 教學(xué)內(nèi)容陳舊，并且與中學(xué)化學(xué)教材交叉重復(fù)。各類無機(jī)化學(xué)教材從形式上，8-10年才出新的版本，總體進(jìn)展慢；無機(jī)化學(xué)教材內(nèi)容，以經(jīng)典原理、常見性質(zhì)為主，元素性質(zhì)比中學(xué)化學(xué)內(nèi)容沒有進(jìn)一步加深，不能滿足學(xué)生的好奇，引起學(xué)生興趣。有些老師由于科研任務(wù)繁重，教案多年不變，教案紙都泛黃。

(3) 實(shí)踐教學(xué)中缺少與工程應(yīng)用相關(guān)的實(shí)踐內(nèi)容。無機(jī)化學(xué)實(shí)踐教學(xué)主要是在實(shí)驗(yàn)室開展制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，都屬于驗(yàn)證性，或各種操作技能、化學(xué)原理綜合的綜合實(shí)驗(yàn)。雖然這些實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解和掌握無機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力，但是僅僅屬于掌握知識(shí)，探究性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，與工程應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)也少，缺乏引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)理論聯(lián)系實(shí)際、發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際工程中出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)。

2 無機(jī)化學(xué)教學(xué)模式的探索

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，推動(dòng)新工科工程教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，我們從理論和實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)方式等方面進(jìn)行實(shí)踐探索。

(1)課堂教學(xué)內(nèi)容實(shí)例采取多學(xué)科相結(jié)合、理論和實(shí)際相結(jié)合。無機(jī)化學(xué)主要有化學(xué)反應(yīng)原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、元素化學(xué)三大部分。在化學(xué)原理部分主要對(duì)例題進(jìn)行調(diào)整，每一章的例題都根據(jù)相關(guān)內(nèi)容調(diào)整為日常生活問題、當(dāng)代工農(nóng)醫(yī)行業(yè)中的前沿，解決“學(xué)這個(gè)有什么用”的煩惱。如氣體這章節(jié)，例題采用小汽車airbag中氣體產(chǎn)生來源、材料、質(zhì)量需多少、產(chǎn)生多少體積氣體可防撞，又引申airbag本身材料是什么，耐沖擊強(qiáng)度、熔點(diǎn)等高分子材料性能，既解決了理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用，又增長了見識(shí)和探索的動(dòng)力。化學(xué)動(dòng)力學(xué)則引入了“空氣中的CO和O2能不能反應(yīng)”，解決這個(gè)問題既復(fù)習(xí)了化學(xué)熱力學(xué)內(nèi)容又解決了反應(yīng)速率方程的確定、速率影響因素?；瘜W(xué)平衡則緊密與化學(xué)熱力學(xué)聯(lián)系，理論推導(dǎo)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)，反應(yīng)所處的狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)定量計(jì)算推導(dǎo)，驗(yàn)證中學(xué)定性分析化學(xué)反應(yīng)所處狀態(tài)，而不是重復(fù)。四大具體化學(xué)平衡之酸堿平衡，可以克服教材中的原理呆板，引入醫(yī)學(xué)方面的知識(shí)。沉淀平衡則引入無機(jī)材料的制備、齲齒的防護(hù)等內(nèi)容。氧化還原反應(yīng)可以將鋰電池生產(chǎn)、太陽能電池、燃料電池等內(nèi)容入課堂，并且詳細(xì)講解，充實(shí)氧化還原反應(yīng)原理的應(yīng)用方面。配位化學(xué)可以將醫(yī)藥的生產(chǎn)、作用、治病機(jī)理充實(shí)課堂內(nèi)容。通過多學(xué)科相結(jié)合，理論和實(shí)際相結(jié)合，明顯提高課堂教學(xué)效果，學(xué)生課堂精力集中，課堂氣氛活躍。

(2)課堂教學(xué)方法采取教+導(dǎo)+學(xué)+做相結(jié)合。物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)包括原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)三章，內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，是無機(jī)化學(xué)的重難點(diǎn)。這三章的教學(xué)關(guān)鍵在于原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)，教師要深入淺出地教，循循善誘地導(dǎo)，學(xué)生要聚精會(huì)神地聽課、探本溯源地思考，一絲不茍地做練習(xí)。那么后面二章就迎刃而解。對(duì)于這種抽象的重難點(diǎn)，教師的課堂講授舉足輕重。

舉個(gè)例子：氫原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這節(jié)。如果僅僅據(jù)課本內(nèi)容，原子軌道和四個(gè)量子數(shù)這些概念就像黑烏鴉一下從四面八方飛過來，有點(diǎn)類似“雞生蛋”還是“蛋生雞”，千頭萬緒理不清。這就要求老師處理教材內(nèi)容：調(diào)整順序，添加內(nèi)容，理成一條線。整個(gè)教學(xué)過程如下。

首先，由物質(zhì)的多樣性—原子—原子的結(jié)構(gòu)—電子—電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)—單電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，引入正題：氫原子核外的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

然后，提出問題：氫原子核外的電子如何描述？

舉例：汽車在平面上直線或者橢圓運(yùn)動(dòng)(并在坐標(biāo)上畫出直線和橢圓)，可以通過函數(shù)描述(y=ax+b，x2/a2+y2/b2=1)，那么氫原子核外的這個(gè)電子是不是也可以通過類似的函數(shù)描述出其在原子核外三維空間的運(yùn)動(dòng)？

引入：薛定諤方程。指出解這個(gè)方程可以得到氫原子核外的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)，關(guān)鍵是如何解？(大部分教材這兒就直接拿出波函數(shù)、角度分布函數(shù)、徑向分布函數(shù)、三個(gè)量子數(shù)(n、l、m)、原子軌道能級(jí)[1-3]。同學(xué)們搞不清這幾者間關(guān)系，學(xué)起來困難)。

引入：解薛定諤方程的具體過程，演繹推導(dǎo)給學(xué)生看，要求學(xué)生熟練這個(gè)解薛定諤方程的思路過程，從而理解波函數(shù)、角度分布函數(shù)、徑向分布函數(shù)、三個(gè)量子數(shù)、原子軌道能級(jí)的由來、意義。原子軌道、原子軌道徑向、角度分布圖、電子云角度、徑向分布圖也就變得清晰生動(dòng)起來。

然后，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出氫原子核外的原子軌道(由核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)確定)有哪些，其電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又如何描述。

最后布置層次分明、有代表性、相關(guān)性強(qiáng)的課后習(xí)題供學(xué)生課后練習(xí)。結(jié)果顯示，課后作業(yè)經(jīng)批改后，發(fā)現(xiàn)90%以上同學(xué)掌握得很好。

(3)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性、應(yīng)用性四相結(jié)合。以往開展的實(shí)驗(yàn)大部分是常見無機(jī)物的制備(硝酸鉀、硫酸亞鐵銨、氯化銨、高錳酸鉀的制備)，主要培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力、化學(xué)原理應(yīng)用、綜合設(shè)計(jì)能力。但是就這些實(shí)驗(yàn)的名稱就無法提起學(xué)生興趣，導(dǎo)致被動(dòng)。因而我們重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系：項(xiàng)目一，儀器的認(rèn)識(shí)和洗滌；項(xiàng)目二，酒精噴燈的使用和玻璃儀器的加工；項(xiàng)目三，溶液的配置和滴定；項(xiàng)目四，硝酸鉀制備；項(xiàng)目五，海帶中碘的提?。豁?xiàng)目六，用廢舊易拉罐制備明礬及明礬凈水；項(xiàng)目七，由鈦鐵礦制備二氧化鈦；項(xiàng)目八，由鈦白粉副產(chǎn)物制備氧化鐵顏料；項(xiàng)目九，元素性質(zhì)綜合實(shí)驗(yàn)(也同期開展網(wǎng)絡(luò)下載、自制元素性質(zhì)實(shí)驗(yàn)視頻等多媒體手段教學(xué))；項(xiàng)目十，從孔雀石制備硫酸銅、焦磷酸銅及其應(yīng)用(自主設(shè)計(jì)研究)。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系注重基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性、工程應(yīng)用性相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

(4)教學(xué)組織方式采用多場(chǎng)合、多渠道相結(jié)合。主要采取課堂教學(xué)—網(wǎng)絡(luò)—課堂實(shí)驗(yàn)—工廠見習(xí)、實(shí)習(xí)及演講、報(bào)告會(huì)多場(chǎng)合多渠道教學(xué)，使學(xué)生循序漸進(jìn)地進(jìn)入掌握知識(shí)—技能—技巧，從而進(jìn)一步實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新的良性循環(huán)。

課堂教學(xué)通過講授、談話、討論等方式，根據(jù)教學(xué)目的、教學(xué)原則，圍繞教學(xué)內(nèi)容實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)則通過視頻、動(dòng)畫、PPt等方式給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)場(chǎng)所，收集學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、信息反饋。實(shí)驗(yàn)則通過課堂實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)、教師科研實(shí)驗(yàn)的形式培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、基本操作、實(shí)踐、創(chuàng)新能力[4]。通過工廠見習(xí)熟悉工程開展的步驟、要求，培養(yǎng)工程意識(shí)。

總之，無機(jī)化學(xué)是化學(xué)、化工、材料、生物領(lǐng)域重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，起著承上啟下的作用。把工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為無機(jī)化學(xué)的核心目標(biāo)，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容上，緊跟時(shí)代發(fā)展，突出無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、工程應(yīng)用；在教學(xué)方法上，采用教、導(dǎo)、學(xué)、做相結(jié)合，增加學(xué)生自主調(diào)研環(huán)節(jié)，讓學(xué)生了解當(dāng)前信息領(lǐng)域的熱門研究課題，通過演講、報(bào)告會(huì)等多種形式交流思想，共享信息；在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上，加強(qiáng)基本操作、原理應(yīng)用的同時(shí)，更注意引導(dǎo)學(xué)生面向?qū)嶋H需求，解決實(shí)際問題。