“科教融合”在配位化學(xué)課程教學(xué)中的探索*

金曉麗，陳卓華，劉小娣，蘭 青，黨萌菲，謝海泉，黨元林，柳文敏

(南陽師范學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河南 南陽 473061)

配位化學(xué)是無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)熱門的重要分支學(xué)科，并不斷和有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科相互融合，現(xiàn)已成為了各學(xué)科之間的樞紐[1]。但是由于配位化學(xué)的基本內(nèi)容固定且教學(xué)方式單一，難以達(dá)到預(yù)想的教學(xué)效果，這證明了該教學(xué)體系已不適用于當(dāng)今化學(xué)教學(xué)創(chuàng)新性理念[2]。所以如何在保證教學(xué)內(nèi)容的情況下培養(yǎng)出具有創(chuàng)新性思維的人才，是我們教育工作者應(yīng)該面臨和考慮的一項(xiàng)極其重要的課題。

目前，高等教育人數(shù)激增且知識(shí)構(gòu)成變化迅速，當(dāng)今社會(huì)對(duì)高等教育的需求已不滿足于傳統(tǒng)的教學(xué)手段[3]，高校教師應(yīng)該注重“教學(xué)”與“科研”的雙重發(fā)展。我們?cè)诮虒W(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，通過將優(yōu)秀的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源并帶到實(shí)際課堂中，可有效提高學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新能力。從配合物的合成、性質(zhì)研究及一系列表征實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考和自主動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，可加深他們對(duì)基礎(chǔ)概念的理解和掌握，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，可見這種教學(xué)方式達(dá)到了預(yù)想的育人功能。

1 配位化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)特點(diǎn)

配位化學(xué)是在化學(xué)本科專業(yè)學(xué)生修完無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等課程之后開設(shè)的一門專業(yè)選修課。本課程主要介紹配位化學(xué)的基本原理和知識(shí)，現(xiàn)代配位化學(xué)的新知識(shí)、新物質(zhì)、新領(lǐng)域、新成果、進(jìn)展及趨勢。目前配位化學(xué)主要教學(xué)內(nèi)容分為三個(gè)級(jí)別，第一級(jí)別包括配合物的基礎(chǔ)概念、構(gòu)成、分類、命名規(guī)則，和配合物的幾種異構(gòu)現(xiàn)象，教學(xué)目的是使學(xué)生對(duì)配位化學(xué)形成一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，為后面深層次的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)；第二級(jí)別主要為配位化合物的價(jià)鍵理論和晶體場理論的要點(diǎn)及應(yīng)用，其中內(nèi)容繁雜且較為抽象，可與前面所學(xué)過的雜化軌道理論進(jìn)行聯(lián)系和類比，根據(jù)學(xué)生接受程度靈活調(diào)整教學(xué)進(jìn)度；第三級(jí)別主要介紹配位化學(xué)當(dāng)前在科研領(lǐng)域的進(jìn)展，介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法和大型儀器使用步驟，可以開闊學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到以下目標(biāo)：(1)培養(yǎng)學(xué)生掌握配位化學(xué)的基本知識(shí)、基本理論及研究任務(wù)；了解配位化學(xué)的新領(lǐng)域、新成果、新知識(shí)和未來的發(fā)展趨勢；了解配位化學(xué)與其他學(xué)科相互交叉、滲透和融合的特點(diǎn)。(2)使學(xué)生對(duì)配位化學(xué)的知識(shí)具有一定的系統(tǒng)性和覆蓋面，掌握理論與事實(shí)；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用先行課所學(xué)的理論知識(shí)來解決配位化學(xué)的實(shí)際問題；使學(xué)生了解配位化學(xué)的新領(lǐng)域、新知識(shí)和新成就，拓展和加深知識(shí)的層面和深度，培養(yǎng)學(xué)生不斷吸取新知識(shí)和新技術(shù)的能力；指導(dǎo)學(xué)生通過書面作業(yè)、查閱文獻(xiàn)等一系列科學(xué)方法解決日常生活、工作實(shí)踐、科學(xué)研究中遇到的難題，培養(yǎng)學(xué)生的反思研究能力、創(chuàng)新意識(shí)和科研素養(yǎng)。(3)教書與育人相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)踐，注重實(shí)踐教學(xué)，采取啟發(fā)式教學(xué)，通過課堂問答，小組討論等形式，提高學(xué)生的認(rèn)知能力和理解能力；培養(yǎng)學(xué)生具備團(tuán)隊(duì)合作精神、愛崗敬業(yè)、艱苦奮斗的科學(xué)精神和實(shí)事求是的工作態(tài)度；培養(yǎng)學(xué)生積極向上、刻苦務(wù)實(shí)、實(shí)事求是和勇于創(chuàng)新的素質(zhì)。

總的來說，配位化學(xué)的教學(xué)形式為由淺入深、由表及里，在學(xué)生理解了基本概念和原理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)引入前沿的科研知識(shí)，通過二者的協(xié)同作用讓學(xué)生更好地拓寬思路、開闊視野。

2 配位化學(xué)教學(xué)模式的改革

配位化學(xué)課程知識(shí)點(diǎn)繁多、內(nèi)容豐富，但課時(shí)少，傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能讓學(xué)生很好地融會(huì)貫通。因此，教師們應(yīng)該合理利用有限的課堂時(shí)間，不單單是為了傳授知識(shí)，更應(yīng)該注重對(duì)解決問題和運(yùn)用知識(shí)能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。在這門課的教學(xué)上，我們嘗試開展課堂講解和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于不同類型的知識(shí)點(diǎn)采用不同的教學(xué)手段。類似于配合物的概念、結(jié)構(gòu)、命名等基礎(chǔ)理論知識(shí)，可以結(jié)合圖表、模型或多媒體動(dòng)畫等手段，使抽象枯燥的知識(shí)變得更生動(dòng)、容易理解，激發(fā)起學(xué)生對(duì)配合物學(xué)習(xí)的好奇心和積極性。對(duì)于配合物的合成、表征和應(yīng)用方面，可以將現(xiàn)有科研實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)，教會(huì)學(xué)生如何查找文獻(xiàn)，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)和獲取的資料自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的過程中，了解配位化學(xué)在生活中、科研中的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也可以加深對(duì)前面所學(xué)理論知識(shí)的理解[4]。

3 將“科教融合”理念融入配位化學(xué)教學(xué)

配位化學(xué)是一門以理論為基礎(chǔ)的學(xué)科，且其內(nèi)容較為穩(wěn)定，經(jīng)常無法很好地展示當(dāng)前學(xué)科研究進(jìn)展，難以滿足素質(zhì)教育的要求[5]?！按龠M(jìn)科教融合，提高育人質(zhì)量”是新時(shí)期國家對(duì)高校人才培養(yǎng)的重要指導(dǎo)思想[6]。如何實(shí)現(xiàn)科研成果反哺教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才意義重大。

3.1 學(xué)會(huì)查找文獻(xiàn)，主動(dòng)獲取信息

教師在進(jìn)行配位化學(xué)課程教學(xué)時(shí)，首先要結(jié)合自己的科研方向，向?qū)W生講述目前配位化學(xué)中的研究熱點(diǎn)和先進(jìn)的研究成果，引起學(xué)生對(duì)科研和配位化學(xué)課程的興趣。例如，在將配位化學(xué)的發(fā)展簡史部分，可以給大家展示一篇最近發(fā)表于國際頂刊Science上的一篇論文，金屬有機(jī)配合物用于高效光催化還原CO2，將其作為實(shí)例進(jìn)行課堂上的講解，通過教學(xué)使其得到轉(zhuǎn)化和升級(jí)，使學(xué)生了解配合物的前沿方向，學(xué)習(xí)興趣、獨(dú)立思維與專業(yè)思維能力得到激發(fā)。高水平的研究論文是研究成果的主要呈現(xiàn)形式，因此，在此過程中，教師應(yīng)教會(huì)學(xué)生如何查找文獻(xiàn)，通過不同的方式獲取本專業(yè)的專業(yè)知識(shí)。首先，需提供給學(xué)生查找文獻(xiàn)的網(wǎng)站，如中國知網(wǎng)、維普、萬方，以及查找外文文獻(xiàn)的SCI-HUB、Web of science、PubMed等。然后教會(huì)學(xué)生篩選文獻(xiàn)的方法，通過輸入不同的主題、關(guān)鍵詞、發(fā)表時(shí)間、作者等信息來獲取自己想要的文獻(xiàn)。這是一種不同于以往從書本獲取信息的方式，既開闊了學(xué)生的視野，也可為不久以后參與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。除此之外，對(duì)于教材的選擇，應(yīng)是以一本書作為主教材，輔以參考書、學(xué)術(shù)專著、工程案例等的結(jié)合，這樣才能滿足研究性教學(xué)的教學(xué)材料的開放性、先進(jìn)性和研究性的特點(diǎn)，從而反映學(xué)科發(fā)展的前沿。

3.2 了解儀器使用，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)是科研和教學(xué)過程中很重要的一環(huán)，而諸多儀器尤其是大型儀器的使用是實(shí)驗(yàn)過程必不可少的工具，教師在教學(xué)的過程應(yīng)教會(huì)學(xué)生規(guī)范使用大型儀器，在了解儀器原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)操。在講述配合物的結(jié)構(gòu)表征和測試時(shí)，引入單晶X-射線衍射、粉末X射線衍射、核磁共振、紫外-可見吸收光譜、振動(dòng)光譜、差熱-熱量分析、紅外光譜等相關(guān)儀器的使用，以此來獲得配合物的組成、結(jié)構(gòu)式、原子之間的相互作用以及空間排列方式等相關(guān)信息。為了更加豐富教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生的科研興趣，可增加SHELXTL、XSHELL、DIAMOND等相關(guān)作圖軟件的教學(xué)，了解其在單晶結(jié)構(gòu)解析時(shí)的應(yīng)用，使抽象的結(jié)構(gòu)形象化，有助于學(xué)生接受和理解。同時(shí)，要重點(diǎn)講述儀器的注意事項(xiàng)，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)。例如，在講解用高壓反應(yīng)釜來制備配合物時(shí)，以中國科學(xué)院化學(xué)研究所發(fā)生由于學(xué)生操作不當(dāng)，反應(yīng)釜未冷卻就強(qiáng)行開啟，導(dǎo)致爆炸的安全事故為案例，對(duì)學(xué)生進(jìn)行反應(yīng)釜操作的安全教育，以培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)以及注意安全行為，滿足高等教育快速、健康、可持續(xù)發(fā)展的需要。

3.3 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科研思維

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校實(shí)踐教學(xué)的主要環(huán)節(jié)之一，是“科教融合”的重要載體，也是了解配位化學(xué)基本概念的一條基本途徑[7-8]。在教學(xué)的過程中，教師將相關(guān)領(lǐng)域的科研成果展示給學(xué)生，同時(shí)積極吸納有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生參加教師的科研活動(dòng)，為學(xué)生盡早接觸科研創(chuàng)造條件。在讓學(xué)生初步了解配合物和合成和表征方法之后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)從文獻(xiàn)中獲取的信息和資料，嘗試自主設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。教師在對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)和評(píng)價(jià)之后，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)來對(duì)理論課上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，加深對(duì)配位化學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維，真正地做到理論和實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)將課題研究成果與學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽、專利申請(qǐng)、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等有機(jī)融合，推動(dòng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果的轉(zhuǎn)化。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例

基于以上“科教融合”在配位化學(xué)課程中認(rèn)知，以“分子氮配合物”為例對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)過程加以介紹，具體如下：

4.1 教學(xué)分析

分子氮配合物是金屬有機(jī)化合物的核心內(nèi)容，同時(shí)也是π配體配合物和固氮酶等后續(xù)內(nèi)容的理論基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生對(duì)N2分子化學(xué)鍵、固氮概念以及無機(jī)化學(xué)課程中的分子軌道理論的內(nèi)容已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對(duì)金屬羰基配合物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵已有初步認(rèn)識(shí)，這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

4.2 教學(xué)重難點(diǎn)

根據(jù)學(xué)情確定本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)為掌握分子氮配合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和固氮應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)為理解分子氮配合物的化學(xué)鍵。

4.3 教學(xué)過程

具體教學(xué)過程分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)：(1)首先教師通過學(xué)習(xí)通發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)：①查閱文獻(xiàn)，了解什么是固氮，目前固氮的方法有哪些以及在什么條件進(jìn)行的，并在下一節(jié)課進(jìn)行PPT匯報(bào)。②復(fù)習(xí)羰基配合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和N2分子的化學(xué)鍵，通過學(xué)習(xí)任務(wù)使學(xué)生明確預(yù)習(xí)重點(diǎn)和學(xué)習(xí)目標(biāo)等。(2)學(xué)生通過學(xué)習(xí)通自主完成教師發(fā)布的任務(wù)。采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法來激發(fā)學(xué)生主動(dòng)利用工具查閱相關(guān)中英文文獻(xiàn)了解分子氮配合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和固氮應(yīng)用，以培養(yǎng)學(xué)生有意識(shí)地對(duì)學(xué)習(xí)過程中各個(gè)階段進(jìn)行計(jì)劃和調(diào)節(jié)的能力。(3)講解互動(dòng)，也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。首先是創(chuàng)設(shè)情景，由實(shí)際生活實(shí)例“氮肥是需求最大的一種肥料，是通過合成氨的途徑來制備的”來引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。接著學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行匯報(bào)，總結(jié)出目前工業(yè)上最常用的固氮方法是哈伯法，哈伯法的弊端是反應(yīng)條件苛刻，需要很龐大和復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到常溫常壓下人工固氮的重要性。根據(jù)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)結(jié)果，得出目前在溫和條件下進(jìn)行人工固氮的方法之一是形成分子氮配合物。在這個(gè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)問題：什么是分子氮配合物以及它是如何固氮的呢？讓學(xué)生主動(dòng)對(duì)新的概念原理進(jìn)行建構(gòu)，引入新知。在接下來的講授過程中，針對(duì)分子氮配合物的化學(xué)鍵這一教學(xué)難點(diǎn)，利用信息化教學(xué)手段進(jìn)行互動(dòng)，應(yīng)用DIAMOND等軟件輔助課堂教學(xué)，通過繪制典型的分子氮配合物的晶體結(jié)構(gòu)幫助學(xué)生更加直觀地理解分子氮配位模式、鍵長、鍵角等，在活躍的課堂氣氛中學(xué)習(xí)知識(shí)，突破難點(diǎn)。本節(jié)課的重點(diǎn)為分子氮配合物的應(yīng)用，積極將“科教融合”理念融入教學(xué)中，將科學(xué)家針對(duì)常溫常壓下進(jìn)行人工固氮所做的努力和取得的成果進(jìn)行展示和講解，讓學(xué)生對(duì)分子氮配合物的了解不僅僅停留在書本，而是能通過課堂開闊視野，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。(4)布置課下學(xué)習(xí)任務(wù)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室嘗試自己動(dòng)手操作文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和創(chuàng)新，讓學(xué)生在實(shí)踐中鞏固理論知識(shí)，在探索中了解配合物的實(shí)際應(yīng)用。

4.4 教改結(jié)果

通過此教學(xué)改革的嘗試，我們明顯觀察到學(xué)生學(xué)習(xí)配位化學(xué)的積極性提高，很多曾經(jīng)課堂參與感不強(qiáng)的同學(xué)也都逐漸主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，與傳統(tǒng)的單純知識(shí)講授的教學(xué)模式相比，“科教融合”使學(xué)生不再只為了通過考試應(yīng)付課程，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)地獲取知識(shí)，可見這種教學(xué)模式的改革可以達(dá)到我們預(yù)想的效果。

5 結(jié) 語

深化教育改革創(chuàng)新是我國當(dāng)前高等教育改革發(fā)展的必由之路，將“科教融合”理念融入高校課堂教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)來解決實(shí)際問題、不斷改善育人環(huán)境、提高科研水平、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。未來，如何做好“科教融合”評(píng)估是一個(gè)全新的課題，各高校還需進(jìn)一步加強(qiáng)聯(lián)系，建立合理的融合效果評(píng)估體系，推動(dòng)實(shí)施符合我國國情的“科教融合”新模式。