無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)模式改革

胡芳東　弭侃劉　福玲　高克甫　姜曉蕾

摘要：解決大學(xué)課堂“沉悶”現(xiàn)象和學(xué)生“抬頭難”問題的首要任務(wù)是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)改革中，通過視覺化教學(xué)設(shè)計(jì)傳授基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域前沿研究成果推動(dòng)學(xué)生高階思維的建立，協(xié)同實(shí)現(xiàn)課程思政的有機(jī)融入。實(shí)踐表明，此種教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生積極思考，提升學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，使學(xué)生在夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，充分認(rèn)識(shí)科技強(qiáng)國的重要性，樹立遠(yuǎn)大的人生理想。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)知識(shí)：前沿研究：課程思政;協(xié)同作用

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022） 09x-0016-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.004

全國教育大會(huì)和《中國教育現(xiàn)代化2035》中提出，堅(jiān)持立德樹人，深化本科教育教學(xué)改革，讓“學(xué)生忙起來、教師強(qiáng)起來”，使“效果實(shí)起來”，旨在培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。近年來，大學(xué)課堂的“抬頭難”已成為社會(huì)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題，如何打破沉默式課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性是每個(gè)高校教師所面臨的難題與挑戰(zhàn)。

無機(jī)化學(xué)是科學(xué)研究物質(zhì)的核心基礎(chǔ)學(xué)科之一，是化學(xué)相關(guān)專業(yè)從高中到大學(xué)銜接的核心課程，是一門既“傳統(tǒng)”又“時(shí)尚”的化學(xué)專業(yè)核心課程。隨著新一輪中學(xué)化學(xué)教育的改革與推進(jìn)，在高中化學(xué)的選修課本中已經(jīng)出現(xiàn)“無機(jī)化學(xué)”的內(nèi)容，如Hess定律、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的移動(dòng)、解離平衡、沉淀溶解平衡、核外電子排布、雜化軌道理論、價(jià)層電子對(duì)互斥理論等基礎(chǔ)理論。[1-4]如果不用新理論、新知識(shí)、新成果更新教學(xué)內(nèi)容，很難抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，筆者認(rèn)為應(yīng)將無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問題融入課堂教學(xué)，提高教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性和高階性，從而激發(fā)學(xué)生的聽課熱情。然而，學(xué)時(shí)數(shù)是有限的，以臨沂大學(xué)化學(xué)專業(yè)的無機(jī)化學(xué)課程為例，課程共112學(xué)時(shí)，分兩學(xué)期完成。課程內(nèi)容多，包含基本化學(xué)原理、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和元素及其化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)三部分。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，既要完成基礎(chǔ)知識(shí)的講授，又要融入最近研究成果，做好教學(xué)內(nèi)容的合理編排是十分重要的，筆者嘗試從學(xué)習(xí)興趣與品德培養(yǎng)兩方面的協(xié)同作用對(duì)無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革（見圖1）。

此前我們也實(shí)施過讓學(xué)生課下自主閱讀文獻(xiàn)并分組討論，但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，大一新生對(duì)科技論文中的最新成果十分陌生，看不懂，甚至直接放棄，收效甚微。在后續(xù)的教學(xué)中，我們將相關(guān)理論的前沿成果以圖片或者視頻的方式插入教學(xué)課件中，通過故事創(chuàng)建教學(xué)情境，幫助學(xué)生理解。同時(shí)我們還將家國情懷、環(huán)保理念、科研精神等融入故事中，激發(fā)學(xué)生情感，潤物無聲實(shí)現(xiàn)課程思政。

一、視覺化傳授基礎(chǔ)知識(shí)

首先，為了滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)要求，獲得更多的信息量，我們根據(jù)無機(jī)化學(xué)教學(xué)大綱，將課本所有章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行合理編排，把在中學(xué)階段已經(jīng)接觸到的知識(shí)放在課下自主學(xué)習(xí)，重難點(diǎn)部分放在課堂講解和討論，并以科技前沿知識(shí)進(jìn)行內(nèi)容拓展，讓課程具有創(chuàng)新性和高階性。表1為部分章節(jié)內(nèi)容的編排。

在優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上采用恰當(dāng)?shù)囊曈X表征方法，將知識(shí)可視化呈現(xiàn)。[5]目前，大多數(shù)課本是以文字描述的形式講解知識(shí)，如果教師將這些文字原封不動(dòng)地粘到PPT上，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也容易造成照本宣科的現(xiàn)象。因此，需要將這些枯燥的文字以視覺化的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，如以“圖片+關(guān)鍵詞”或者“視頻+關(guān)鍵詞”的形式。例如：如圖2所示，在講授“碳的同素異形體”時(shí)，將碳的同素異形體種類、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用以圖片和視頻的形式呈現(xiàn)出來;再如講授離子晶體NaCl結(jié)構(gòu)的時(shí)候，引入專業(yè)軟件（如Diamond），將復(fù)雜的晶胞堆積圖畫出來，讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)立體化、直觀化，切實(shí)加深學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的感官認(rèn)識(shí)，加深對(duì)離子晶體中陰陽離子配位數(shù)、晶胞離子數(shù)目等概念的理解。

由于人的大腦對(duì)視覺圖像具有很高的敏感度，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，會(huì)主動(dòng)地把視覺、聯(lián)想、情感、理解等多種認(rèn)知心理調(diào)動(dòng)起來，增加對(duì)知識(shí)的理解深度，提高知識(shí)的理解和存儲(chǔ)效率，幫助學(xué)生形成高階思維能力和知識(shí)體系的高品質(zhì)構(gòu)建能力。[6]

二、前沿成果推動(dòng)高階思維

在教學(xué)過程中，除了教會(huì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)外，還要將知識(shí)落腳在應(yīng)用上。雖然教材中也有所涉及，但其更新速度較慢，甚至部分應(yīng)用已被取代，所以教師有必要結(jié)合最新文獻(xiàn)報(bào)道，把基礎(chǔ)理論知識(shí)對(duì)應(yīng)的前沿科技成果帶入課堂。

例如：圖3所示，碳的同素異形體應(yīng)用廣泛，尤其是石墨烯，在能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用，被稱為未來革命性材料。在碳族元素章節(jié)學(xué)習(xí)中，可以引入一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料——石墨炔，它是由中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士團(tuán)隊(duì)首次合成并開辟的碳材料新領(lǐng)域。在氮族元素中，磷的同素異形體，除了我們熟知的白磷和紅磷，還有聚集了傳統(tǒng)二維材料優(yōu)異性能的全能材料一黑磷，其高載流子遷移率（單層具有1000 CfI12*V-1'm-1）和可控帶隙（從0.3 eV到2.0 eV），讓黑磷在傳感器、儲(chǔ)能、光電等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。在配合物章節(jié)中，可以介紹當(dāng)前研究熱點(diǎn)一金屬有機(jī)框架配合物，筆者團(tuán)隊(duì)將單分散FePt與MOF或COF通過配位反應(yīng)進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)藥物靶向運(yùn)輸和藥物緩釋的雙重作用，從而抑制腫瘤細(xì)胞的生長。通過引入無機(jī)化學(xué)前沿領(lǐng)域研究來強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)的例子還有很多，需要授課教師深入挖掘;這種基礎(chǔ)理論與前沿研究相結(jié)合的方式有助于激發(fā)學(xué)生的好奇心，提升教學(xué)質(zhì)量，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，激發(fā)科技報(bào)國之心意義重大。

三、協(xié)同助力課程思政

2018年，習(xí)近平總書記在北京大學(xué)師生座談會(huì)上說“要把立德樹人內(nèi)化到大學(xué)建設(shè)和管理各領(lǐng)域、各方面、各環(huán)節(jié)，做到以樹人為核心，以立德為根本”。在教學(xué)過程中，結(jié)合無機(jī)化學(xué)發(fā)展史、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的故事、我國科學(xué)家對(duì)無機(jī)化學(xué)做出的貢獻(xiàn)故事等創(chuàng)建教學(xué)情境，將“價(jià)值引領(lǐng)”與“興趣導(dǎo)向”相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生情感。引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀，是實(shí)現(xiàn)課程思政的一個(gè)有力抓手。[7]

例如，講解完CO2分子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)與用途后，介紹我國科學(xué)家為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的重大戰(zhàn)略決策做出的重大科技創(chuàng)新與研究成果（見圖4）。把CO2還原成C2+化學(xué)品，既有望解決溫室效應(yīng)，又能帶來更清潔的燃料。然而，CO2還原產(chǎn)物的選擇性是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，主要是由于其種類的多樣性和還原產(chǎn)物的還原電位相近。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種雙金屬位點(diǎn)型超薄納米片改變了關(guān)鍵反應(yīng)中間體的構(gòu)型，調(diào)節(jié)了反應(yīng)勢(shì)壘，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控還原產(chǎn)物由CO變?yōu)镃H4。在這項(xiàng)研究中，涉及了反應(yīng)勢(shì)壘的調(diào)控和反應(yīng)歷程改變，應(yīng)用了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中過渡態(tài)理論的知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)理論知識(shí)的前呼后應(yīng)，互相關(guān)聯(lián)，更好地建立知識(shí)體系。將與生活密切相關(guān)的前沿科技成果介紹給學(xué)生，開拓學(xué)生視野，能夠使學(xué)生深入認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)與當(dāng)今人類生活的緊密關(guān)系，增強(qiáng)專業(yè)認(rèn)同感和社會(huì)責(zé)任心，教育學(xué)生只有學(xué)好基礎(chǔ)理論，才能實(shí)現(xiàn)科技報(bào)國的抱負(fù)。

四、教學(xué)反饋與效果

我們每學(xué)年都通過調(diào)查問卷的方式反饋教學(xué)效果，在對(duì)所教授的2019級(jí)82名學(xué)生和2020級(jí)68名學(xué)生就學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)獲取、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造四個(gè)方面進(jìn)行的調(diào)查中，98%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)興趣與品德培養(yǎng)協(xié)同的無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)模式對(duì)他們的學(xué)習(xí)興趣與品德的培養(yǎng)起到了良好的促進(jìn)作用。將所學(xué)知識(shí)形象化、具體化并落地應(yīng)用，能更有效地理解和記憶抽象概念;科技前沿成果的引入，提高了課堂注意力，激發(fā)了他們的科研興趣、民族自豪感和科技報(bào)國的信念。從兩級(jí)學(xué)生的期末考試成績來看，學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況較好，高階性題目也能完整作答，80分以上的占比高達(dá)74.4%，不及格的占比僅為3.1%，改革效果顯著。

在興趣的引導(dǎo)下，學(xué)生積極申報(bào)并成功獲批多項(xiàng)國家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，每年都有學(xué)生在大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。此外，在疫情防控期間，學(xué)生身體力行，利用假期投身社區(qū)疫情防控工作，說明思想政治教育已經(jīng)潛移默化深人人心。

五、結(jié)語

本教學(xué)模式以學(xué)生為中心，通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容的精心設(shè)計(jì)，視覺化傳授基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的前沿科技成果建立學(xué)生高階思維，協(xié)同實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)興趣與品德培養(yǎng)的結(jié)合。多種教學(xué)方法的實(shí)施，提高了課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、知識(shí)掌握能力顯著提高;同時(shí)，在授課過程中融入課程思政內(nèi)容，潛移默化地實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生品德的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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