“高等無(wú)機(jī)化學(xué)”課程改革與教學(xué)實(shí)踐

舒謀海，劉 燕，李新昊

（上海交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240）

人類(lèi)早期活動(dòng)如制陶、冶金、煉丹和煉金等基本上屬于無(wú)機(jī)化學(xué)范疇，可以說(shuō)化學(xué)學(xué)科的建立始于無(wú)機(jī)化學(xué)，20世紀(jì)開(kāi)始發(fā)展和建立的化學(xué)理論也都是從研究無(wú)機(jī)物質(zhì)和價(jià)鍵開(kāi)始的?，F(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)的發(fā)展，特別是配位化學(xué)和固體無(wú)機(jī)化學(xué)的興起給無(wú)機(jī)化學(xué)這門(mén)古老的分支學(xué)科注入了新的活力，其已與其他相關(guān)學(xué)科交叉滲透，展現(xiàn)出了全新的面貌[1]。無(wú)機(jī)化學(xué)的教學(xué)也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容使之與學(xué)科的發(fā)展相匹配。

課程是學(xué)生受益最直接、最核心、最顯效的途徑，是人才培養(yǎng)的核心要素。雖然研究生教育與本科教育側(cè)重點(diǎn)有所不同，但是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)還是需要高質(zhì)量的核心課程。高等無(wú)機(jī)化學(xué)是化學(xué)及化學(xué)近緣專(zhuān)業(yè)研究生培養(yǎng)計(jì)劃中極為重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，全國(guó)很多高等院校都開(kāi)設(shè)了該課程，一些高校還將其設(shè)為本科高年級(jí)選修課。研究生化學(xué)課程教學(xué)普遍存在著教學(xué)內(nèi)容陳舊枯燥、教學(xué)方法單一、課堂氣氛沉悶以及教學(xué)過(guò)程缺乏交流互動(dòng)等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)研究發(fā)展快速，并與相關(guān)學(xué)科多有交叉，如何上好這門(mén)課，既要讓學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)掌握現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，并了解無(wú)機(jī)化學(xué)的研究前沿領(lǐng)域，又要培養(yǎng)和提升學(xué)生的綜合科學(xué)素質(zhì)，是教學(xué)過(guò)程必須重視的問(wèn)題。

1 教學(xué)目的和教學(xué)大綱

本科課程“無(wú)機(jī)化學(xué)”要求學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)以下幾個(gè)板塊的內(nèi)容：化學(xué)熱力學(xué)及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)；酸堿平衡、沉淀-溶解平衡、氧化-還原及配位-離解平衡等四大平衡；元素化學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)。研究生課程“高等無(wú)機(jī)化學(xué)”不僅需要提升無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且必須緊密跟蹤、結(jié)合學(xué)科發(fā)展，介紹最新的研究方法、研究前沿和科研成果，特別是現(xiàn)代配位化學(xué)和無(wú)機(jī)材料化學(xué)的研究成果，從而提高研究生的基本科學(xué)研究素質(zhì)，因此，需要進(jìn)一步加大課程建設(shè)力度，不斷與時(shí)俱進(jìn)地調(diào)整和完善課程內(nèi)容。為適應(yīng)無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的要求，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外著名高?！案叩葻o(wú)機(jī)化學(xué)”課程的調(diào)研，明確課程目標(biāo)、內(nèi)容的選擇和組織，確定課程組織形式、教學(xué)方法與手段，形成既與國(guó)外課程接軌又有自己特色、體系較為完整且可操作的課程實(shí)施方案，制定出可提高基礎(chǔ)理論水平、強(qiáng)調(diào)結(jié)合最新研究成果的教學(xué)大綱。掌握無(wú)機(jī)材料的合成、表征及性質(zhì)，現(xiàn)代配位化學(xué)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)理論及配合物性質(zhì)，群論及在無(wú)機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用等知識(shí)，作為考核內(nèi)容之一，要求學(xué)生閱讀相關(guān)研究領(lǐng)域最新文獻(xiàn)，撰寫(xiě)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告并擇優(yōu)進(jìn)行課堂交流討論。新的教學(xué)大綱更加強(qiáng)調(diào)最新科研成果與基礎(chǔ)理論知識(shí)的結(jié)合，突出學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程互動(dòng)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及主要參考書(shū)

在組織新的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，不僅要讓學(xué)生掌握課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且要了解和把握相關(guān)學(xué)科研究前沿，因此，課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)將基礎(chǔ)知識(shí)和最新的科研實(shí)例相結(jié)合，不斷更新課程內(nèi)容，在完成大綱基本要求的前提下，適當(dāng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新科研成果，分析其產(chǎn)生過(guò)程，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到所學(xué)內(nèi)容既新穎又實(shí)用。參照國(guó)內(nèi)外教材，本課程總體上包括4部分：第1部分介紹分子的對(duì)稱(chēng)性和群論及其在化學(xué)中的基本應(yīng)用；第2部分主要介紹無(wú)機(jī)固體材料的合成及應(yīng)用；第3部分主要介紹經(jīng)典配合物、金屬有機(jī)化合物、金屬原子簇化合物的結(jié)構(gòu)理論、合成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，生物大分子與金屬離子的相互作用（特別是金屬酶和金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能），與金屬相關(guān)的超分子體系組裝、結(jié)構(gòu)和功能；第4部分主要包括現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)研究熱點(diǎn)講座、學(xué)生文獻(xiàn)報(bào)告及交流。國(guó)內(nèi)外高校在該課程的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)教學(xué)方面大同小異，但在研究生教學(xué)過(guò)程中，過(guò)多地灌輸基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，因此，部分高水平高校增加了現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)研究熱點(diǎn)講座、讀書(shū)報(bào)告及交流（第4部分內(nèi)容）。目前，課程采用的主要參考書(shū)有《Advanced Inorganic Chemistry》[2]《高等無(wú)機(jī)化學(xué)》[3]《配位化學(xué)》[4]《無(wú)機(jī)合成與制備化學(xué)》[5]《Essentials of Inorganic Materials Synthesis》[6]。根據(jù)新的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容需要，應(yīng)編寫(xiě)適用于新教學(xué)框架的、特色鮮明的課程教學(xué)PPT講稿。

3 教學(xué)方法與課堂教學(xué)組織形式

3.1 多種教學(xué)形式的運(yùn)用

課程基礎(chǔ)理論知識(shí)部分以講授為主，教學(xué)過(guò)程采用板書(shū)與多媒體相結(jié)合的方式，重要過(guò)程的推演采用傳統(tǒng)板書(shū)形式，可以加深學(xué)生印象并有利于學(xué)生消化吸收；多媒體教學(xué)信息量大，其圖文并茂、聲像俱佳的表達(dá)形式更便于將抽象問(wèn)題具體化，更好地吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，生動(dòng)鮮明的動(dòng)畫(huà)圖像演示，有利于學(xué)生深刻理解知識(shí)點(diǎn)并加深記憶，將多媒體和傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，可以有效提高教學(xué)效果。教學(xué)中，還安排了優(yōu)秀青年教師作一些熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域的專(zhuān)題講座，交流科學(xué)研究的親身體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，深受學(xué)生歡迎。近年來(lái)，有大量?jī)?yōu)質(zhì)MOOC資源可供選擇，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中使用了由劉偉生教授主持的《配位化學(xué)》MOOC[7]作為重要教學(xué)資源，鼓勵(lì)同學(xué)們課外選擇使用。此外，安排學(xué)生查閱近三年無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的最新相關(guān)文獻(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自己的研究課題，撰寫(xiě)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告，并擇優(yōu)進(jìn)行課堂交流，以期培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)查閱、理解、表達(dá)、撰寫(xiě)等多方面的能力。如圖1所示，多種教學(xué)形式互相補(bǔ)充，可以取得更好的教學(xué)效果。

圖1 多種教學(xué)形式的結(jié)合運(yùn)用示意圖

盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)科研實(shí)力有了巨大的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)科技期刊的影響力也有顯著提高，但優(yōu)秀科研成果的報(bào)道仍然以英文為主，在教學(xué)過(guò)程中，PPT講稿盡可能采用英文表述，讓學(xué)生獲得專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，提高他們閱讀和理解專(zhuān)業(yè)英文文獻(xiàn)的能力，縮短與前沿研究之間的距離,促進(jìn)學(xué)生各方面能力的全面發(fā)展。需要注意的是，多媒體教學(xué)的使用也要注意教學(xué)效果，切忌采用放電影模式。

3.2 引導(dǎo)與啟發(fā)

教學(xué)過(guò)程中除了講授教學(xué)內(nèi)容，還要注重引導(dǎo)大家在科學(xué)研究中善于觀察、注重細(xì)節(jié)，并要有堅(jiān)韌不拔、執(zhí)著追求的探索精神。科學(xué)史上的傳奇故事給予我們很多啟示，例如，在金屬有機(jī)化學(xué)這一部分介紹了二茂鐵發(fā)現(xiàn)的故事，1951年Kealy和Pauson嘗試用cyclo-C5H5MgBr與FeCl3反應(yīng)，由溴代環(huán)戊二烯制備富瓦烯，但并未得到該產(chǎn)物，而是得到了一種桔黃色的固體，并發(fā)現(xiàn)該固體非常穩(wěn)定，能在空氣中升華而不分解，后來(lái)研究證明該固體就是我們大家今天所孰知的二茂鐵，并由此開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代金屬有機(jī)化學(xué)[8]。在講述冠醚配合物的特殊穩(wěn)定性這一部分時(shí)，介紹了C.J.Pederson在合成一種非環(huán)聚醚過(guò)程中意外發(fā)現(xiàn)了大環(huán)聚醚——冠醚的故事，正是其強(qiáng)烈的好奇心、敏銳的洞察力和追根求源的求知欲才沒(méi)有讓這種產(chǎn)率只有0.4%的產(chǎn)物失之交臂[9]，并深入系統(tǒng)地研究了冠醚化學(xué)，開(kāi)創(chuàng)了超分子化學(xué)，因此，與D.J.Cram和J.M.Lehn一起分享了1987年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

3.3 與時(shí)俱進(jìn)地把握學(xué)科前沿

現(xiàn)代無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)展快，新成果不斷涌出，在教學(xué)過(guò)程中有計(jì)劃地介紹具有代表性的國(guó)內(nèi)外研究成果。例如，（1）與生物無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)的過(guò)渡金屬與生物大分子的作用、金屬藥物[10]和生物礦化[11]；（2）與固體無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)的光電轉(zhuǎn)換材料、電極材料、固體催化劑和其他功能材料[12-13]；（3）配位化學(xué)領(lǐng)域的MOFs材料及配位超分子結(jié)構(gòu)的合成與應(yīng)用[14-18]；（4）與金屬有機(jī)化學(xué)相關(guān)的過(guò)渡金屬參與的手性催化[19]；（5）分子識(shí)別、超分子自組裝及分子機(jī)器[20-21]。緊跟科學(xué)研究前沿動(dòng)向，介紹最新成果，讓大家感受到基礎(chǔ)理論知識(shí)與科學(xué)研究的密切聯(lián)系，意識(shí)到現(xiàn)在的努力學(xué)習(xí)也是為了將來(lái)更好地開(kāi)展科學(xué)研究。

教學(xué)中還邀請(qǐng)?jiān)诳蒲幸痪€的杰出教授開(kāi)展代表性前沿研究進(jìn)展講座，并與學(xué)生深入交流，推動(dòng)教學(xué)與科研緊密結(jié)合。鼓勵(lì)學(xué)生參加各種相關(guān)學(xué)術(shù)報(bào)告，積極思考，勇于提問(wèn)并討論問(wèn)題。

3.4 積極參與教學(xué)活動(dòng)

課堂教學(xué)仍以講授為主，注重學(xué)生的信息反饋和互動(dòng)，提高教學(xué)效果。此外，還安排了一個(gè)訓(xùn)練環(huán)節(jié)，給學(xué)生提供包含一些最新研究成果的課外閱讀材料，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自己的科研課題查閱和課程相關(guān)的最新文獻(xiàn)，要求在閱讀和理解文獻(xiàn)基礎(chǔ)上撰寫(xiě)讀書(shū)報(bào)告，并擇優(yōu)進(jìn)行課堂交流，鼓勵(lì)大家提問(wèn)和討論，同時(shí)，該環(huán)節(jié)作為課程考核的一部分。令人欣慰的是，在這一過(guò)程中，很多同學(xué)表現(xiàn)出較強(qiáng)的閱讀理解、概括表達(dá)、交流和綜合能力，交流報(bào)告非常精彩，這一環(huán)節(jié)極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了主動(dòng)學(xué)習(xí)和交流的能力。當(dāng)然，教師必須做好大量的準(zhǔn)備和指導(dǎo)工作，改變了過(guò)去較為單一的知識(shí)灌輸式的教學(xué)方式，注重學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，效果顯著。

3.5 教學(xué)相長(zhǎng) 學(xué)以致用

在教學(xué)過(guò)程中，及時(shí)聽(tīng)取同學(xué)們的意見(jiàn)和建議，了解學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的要求，不斷改進(jìn)教學(xué)方式方法，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，汲取文獻(xiàn)交流過(guò)程中的一些精華內(nèi)容，并擴(kuò)充到教學(xué)教案中，為下一屆課程教學(xué)作準(zhǔn)備，既可以將最新科研成果引入教學(xué)，也充分體現(xiàn)了教與學(xué)相輔相成，共同提高。教學(xué)過(guò)程要緊密聯(lián)系科研實(shí)際，學(xué)以致用。例如，MoS2是一種典型的層狀結(jié)構(gòu)材料，在最近的文獻(xiàn)報(bào)道中出鏡率極高，其物相和結(jié)構(gòu)表征的一種重要手段就是其振動(dòng)光譜[22]，在學(xué)習(xí)過(guò)群論相關(guān)內(nèi)容后，很容易理解其譜帶的來(lái)源和相應(yīng)的解釋。又如，利用金屬配合物作為模板合成多孔氧化硅，一般金屬配合物對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿穩(wěn)定性不佳，會(huì)導(dǎo)致制備或后處理過(guò)程中的配合物解體，參閱文獻(xiàn)可知，Ru(II)的2,2’-聯(lián)吡啶或林菲啰啉配合物酸堿穩(wěn)定性極高[23]，基于此，可以設(shè)計(jì)含Ru(II)的2,2’-聯(lián)吡啶或林菲啰啉配合物的模板劑。

3.6 優(yōu)化教學(xué)梯隊(duì)，保證教書(shū)育人質(zhì)量

一個(gè)合理優(yōu)化的教學(xué)梯隊(duì)是開(kāi)展高質(zhì)量教學(xué)的基本保證。應(yīng)圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行梯隊(duì)搭建，教師的年齡結(jié)構(gòu)要合理，在組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)要人員分配合理、分工明確、責(zé)任清晰。目前，本課程已形成穩(wěn)定成熟的教師隊(duì)伍，其中既有從事教學(xué)多年的老教師，也有科研能力突出且已能出色完成教學(xué)工作的青年教師，師資團(tuán)隊(duì)的年齡、專(zhuān)業(yè)和職稱(chēng)結(jié)構(gòu)如表1所示。年輕教師在經(jīng)驗(yàn)豐富教師的“幫”和“帶”下，不斷提高教學(xué)技能。隨著學(xué)科不斷發(fā)展，教師需要不斷更新知識(shí)，并結(jié)合科研工作，講授自己熟悉的專(zhuān)業(yè)知識(shí)；讓青年教師更多地承擔(dān)本課程的教學(xué)任務(wù)，既提高了他們的教學(xué)能力，也確保了課程建設(shè)的連續(xù)性。

表1 教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

為了保證教學(xué)改革的成效，科學(xué)的教學(xué)反饋是必要的。完善課程考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方式，保證教學(xué)質(zhì)量，定期召開(kāi)教學(xué)討論會(huì)和師生座談會(huì)，積極聽(tīng)取各方面的反饋意見(jiàn)，確保教學(xué)過(guò)程、內(nèi)容滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果，從而更好地培養(yǎng)出優(yōu)秀人才。課堂教學(xué)是嚴(yán)肅的，但不是沉悶的，采取各種形式來(lái)活躍課堂氣氛，緩解沉悶的課堂氣氛，有利于提升課堂教學(xué)效果。在教學(xué)過(guò)程中，大力弘揚(yáng)老一輩科學(xué)家為國(guó)家建設(shè)和崛起無(wú)私奉獻(xiàn)、艱苦奮斗、奮發(fā)圖強(qiáng)的精神，堅(jiān)持教書(shū)與育人的有機(jī)結(jié)合，完成立德樹(shù)人的根本任務(wù)，使我們的學(xué)生不僅具有現(xiàn)代化的知識(shí)和頭腦，更讓他們成為具有健全人格、奮發(fā)向上、服務(wù)國(guó)家的優(yōu)秀人才。