無機化學課程設置創新型作業的思考與實踐*

任玲 曹敏花 張秀輝

(北京理工大學化學學院 北京100081)

無機化學是高等院校相關專業的一門專業基礎課程，也是相關專業學生進入大學后最早學習的專業課程，對轉變學生的學習方式、提升學生的學習興趣、培養學生的創新意識有著不可替代的作用。近年來，在培養創新型人才的教學改革中，無機化學課程的改革卓有成效，學者們對無機化學課堂教學的元素(如教學內容、教學手段、教學方法)進行了深入的探討，碩果累累。課外作業是課堂教學的補充，兩者相輔相成，如何在無機化學課程中利用課外作業提高學生的創新意識、激發學生的創新思維，同樣是一個值得深入研究的課題。有學者提出，可以通過讓學生撰寫微、小論文培養學生的能力［1-3］;通過讀書報告會提高學生的學習興趣［4］;通過書籍、網絡閱讀、交流與討論、實驗與研究提升學生獨立獲取知識的能力、表達能力和創新能力［5］。我們在教學實踐中，設置了不同于傳統課外作業的創新型作業——創新大作業，對提高學生的創新意識、激發學生的創新思維有明顯的效果。下面討論在無機化學課程中設置創新型作業的一些淺見。

1 無機化學課程設置創新型作業的思考

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

基于上述思考，我們在無機化學教學實踐中，設置了創新型作業——創新大作業。

2 無機化學課程設置創新型作業的實踐

2.1 無機化學創新型作業的內容設計

我們設計的創新大作業類型多樣，包括文獻綜述、知識拓展、創新追蹤、理論應用、總結類比、概括歸納、學科滲透等，給學生以多種選擇，使其有廣闊的想象空間。這符合滿足個性、因材施教的創新教育規律。

2.1.1 文獻綜述

創新是在人類原有發展基礎上的新拓展、新發現、新發明。了解學科前沿是科學研究的基礎。但是，教材一般都強調知識的經典性、成熟性和穩固性，加上更新周期以及編寫者水平的限制，鮮有涉及學科前沿者。為了彌補這一不足，我們設計了創新大作業——無機化學學科前沿文獻查閱及綜述。例如，綜述21世紀化學進展、21世紀化學的多維定義、無機化學的研究特點及存在的問題、無機化學的發展方向等。學生通過完成這樣的作業，可以俯瞰學科進展，既能開闊視野，也能學習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去彌補，而應該把問題留給學生，讓學生通過課外作業去深入、細化和完善。例如，惰性電子對效應，有教材解釋為隨原子序數的增加，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增大逐漸穩定的結果［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，而是設計了延伸深化的創新大作業——提出惰性電子對效應更深層的解釋。有學生在“惰性電子對效應的深入探討”作業中，引用近來提出的相對論性效應解釋了惰性電子對效應，即惰性電子對效應是旋-軌耦合效應、相對論性收縮、相對論性膨脹3種效應都隨原子序數的增大而迅速增強，導致第6周期及以后的大多數重元素的相對論性效應顯著的結果。完成這樣的作業，有助于加深學生對難點的理解，教會學生深層次思考，培養學生發現問題、分析問題及解決問題的能力。

2.1.3 創新追蹤

創新都有一個過程，有靈感的閃現，有辛勞的付出，有失敗的痛苦，有成功的喜悅。無數的創新，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，而且還會使學生把這些創新看成是天經地義的，麻木了創新意識。據此，我們設計了創新追蹤類的大作業。例如，諾貝爾化學獎獲得者創新軌跡追蹤。有學生在作業中探討了美國科學家利普斯克(Lipscomb)的創新歷程。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構及其成鍵規律，因而獲得了1976年諾貝爾化學獎。利普斯克的這一重要發現的靈感是源于一個本科學生的觀點。在一次極普通的學術報告會上，就讀于牛津大學的克里斯托弗·朗古特-希金斯提出了三中心二電子鍵的設想，嘗試解釋硼族化合物的結構。此前，由于硼復雜的成鍵結構，一般的化學鍵理論無法解釋。利普斯克就是在受到克里斯托弗·朗古特-希金斯設想的啟發后，才開始這一創新歷程的［8］。通過這樣的創新追蹤，可以使學生透視科學家的思維脈絡，捕捉科學家的睿智，啟迪智慧，提高創新意識;也可使學生消除創新的神秘，提升創新的勇氣。

2.1.4 理論應用

無機化學是一門經典學科，內容多是經典理論，這很容易使學生產生錯覺，以為所學的內容都是古董，陳舊而無用。而事實上，無機化學是一門極富活力的科學，無機化學的創新在整個自然科學創新中舉足輕重。所有的創新都得益于基礎理論的指導，基礎理論又因創新而豐富完善。所以，我們注意通過課外作業讓學生用所學理論去解釋學術新成果。例如，在講授配合物結構一章時，我們介紹了配合物的價健理論，明確本章教學目的是解決配合物空間結構、穩定性及磁性問題，隨后引入了發表在J.AM.CHEM.SOC.上的學科前沿論文“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，我們設計了創新大作業——試用本章所學配合物價健理論分析該論文中配合物［Ni(NH3)6］Cl2的空間構型、雜化方式、穩定性及磁性等，并評價其應用價值。通過得出的“空間構型為正八面體、雜化方式為sp3d2、屬于外軌型配合物、有2個成單電子”的結論，使學生認識到，即使是最新制備的配合物，仍然是符合經典理論的，是經典理論指導下的產物。這增強了學生對基礎理論重要性的認識，基礎理論并非虛幻無用，而是創新的靈魂和動力;進而也激發了學生學習基礎理論的熱情。

2.1.5 總結類比

學科知識大多有著內在的聯系。但是，教材分章節著述，課堂獨立講解，致使學生難以融會貫通，難以把握整體。例如，學習價鍵理論、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在聯系、異同點和優越性。對此，我們不是通過簡單答疑的方式來解決問題，而是設計了創新大作業——列表總結分子軌道理論、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、適用范圍及優越性。通過完成這樣的作業，學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構，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型問題。

2.1.6 概括歸納

歸納是創新的重要方法，也是學生靈活、牢固掌握所學知識的鑰匙。所以，我們特別重視讓學生學會歸納，提綱挈領地學好知識，逐步掌握創新的方法。例如，無機化學的元素部分內容枯燥。我們在教學中，對零散、孤立的元素內容進行組合，形成主線。精講s、p、d區的通性即大通性，如p區元素講授其通性——各族元素變化的規律性、多樣性、多氧化態、半導體性質和多氫化物類型等;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，則重點指導學生學會收集材料、整理素材，以創新大作業的形式進行概括歸納，形成系統知識。這樣能夠培養學生科學獲取知識的習慣，也把許多枯燥乏味、需要死記硬背的內容變成了生動的、有規律性的知識，增加了學習的興趣。

2.1.7 學科滲透

學科與學科之間不是對立的，都存在著有機的聯系，學科相互交叉滲透是創新的重要途徑。化學是一門中心科學［10］，有很強的滲透力，很多改變人類生活的創新都是化學與相關學科相互滲透的成果。據此，我們設計了無機化學與相關學科相互交叉滲透的創新大作業，例如探討“化學元素與人體健康”、“化學與大氣污染防治”、“水體污染與化學處理”、“食品安全與化學”、“PM2.5成因及應對”等。引導學生把所學知識與相關學科相結合，運用所學知識解決實際問題。同時，通過可見的實例，也彰顯了化學與社會發展、與人類生活不可分割的關系，提高了學生學習的積極性。

2.2 無機化學創新型作業的布置和完成

完成創新大作業，要求學生獨立思考，有創意，有動手能力，而且要求學生有充分的思想準備、知識積累和材料儲備，還要求學生能集中精力，集中時間。查閱文獻、搜集資料是完成此類作業的基礎。為了達到作業設計的效果，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新大作業的概念，告知學生在學期結束前要完成這樣的作業以及完成這種作業的途徑和方法;明確提出創新大作業設計和完成的目的是要學生對所學知識進行自主拓展深化，提高創新意識，激發創新思維。隨堂布置即:根據課堂講授的內容隨時布置相關的創新大作業。跟蹤提示即:對已布置的創新大作業隨著內容的進展不斷地予以提示。自由選題即:學生在教師設計的創新大作業中自主選擇一題或數題，以興趣為主。書面完成即:學生必須用書面形式完成創新大作業?？陬^宣講即:學生完成創新大作業初稿后，做成PPT，在班上逐一宣講。重點答辯即:每班遴選出幾篇優秀創新大作業，完成者在大課堂上講演并答辯。

3 無機化學課程設置創新型作業的效果

學生對完成創新大作業充滿了興趣，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節都很認真，收到了預期的效果。

(1)開闊了學生的視野。完成創新大作業需要查找資料和文獻，這使學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，甚至觸摸到學科的最前沿。例如，有學生的創新大作業內容涉獵了《科學》等權威雜志上發表的最新科研成果。在完成創新大作業后所附的感言中，很多學生表達了這種感受。一位學生說:創新大作業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。另一位學生感言:創新大作業是讓我自主接近化學前沿的一次難忘經歷——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意的作業。

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

(3)迸發了學生創新的火花。在學生完成的創新大作業中，有很多閃爍著創新的火花。有學生以“屏蔽常數的深入討論”為題，討論了原子結構中有關屏蔽常數的估算規則，提出ns、np電子的屏蔽常數應該是有區別的，這是一個不拘泥于課堂教學的作業。有學生以“無機碳化學”為題，討論了金剛石的人工合成、碳纖維的開發利用，提出21世紀是超碳時代的命題;討論了碳的同素異構體，提出了結構決定性質的命題。有學生對所學知識進行擴展，例如討論了乙硼烷均裂和異裂的定義、機理，展望了乙硼烷的應用前景。有學生以“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)激發了學生創新的熱情。創新大作業是創新的初步，很多學生小試牛刀后便興趣盎然，欲罷不能，在大學學習期間即涉足科研活動，而且對無機化學方向情有獨鐘。例如，幾位非化學專業學生積極參加國家大學生創新性實驗計劃，選擇了低維納米結構材料制備。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，并對其進行各種表征，為進一步催化烯烴加氫反應奠定了基礎。還有幾名學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構磷酸鐵鋰納米材料，通過包覆對材料進行改性，以提高其導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定性。

4 結語

高等教育的主要任務是培養創新型人才。正如《教育部、財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見》中所指出的:“高等學校的根本任務是培養人才”，而提高質量是“實現建設人力資源強國和創新型國家戰略目標的關鍵”。培養創新型人才不僅要求學生牢固地掌握專業知識，而且要求學生有創新意識和創新思維。傳統作業在幫助學生掌握專業知識方面不可取代，但創新型作業在培養學生的創新思維、提高學生的創新意識上有著獨特的作用。設計出能提高學生創新意識、激發學生創新思維的課外作業，是課外作業改革的方向。

［1］顧大明，張立珠，強亮生，等.大學化學，2011，26(5):20

［2］賴雪飛，謝川.大學化學，2014，29(2):26

［3］李良超，錢海生，林秋月，等.大學化學，2011，26(4):15

［4］陳三平，謝鋼，楊奇，等.大學化學，2012，27(3):14

［5］張歡，楊定明，戴亞堂.無機化學，2012，22(6):34

［6］大連理工大學無機化學教研室.無機化學.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(下冊).北京:高等教育出版社，2004

［8］史啟禎.無機化學與化學分析.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.化學的今天和明天——化學是一門中心的、實用的和創造性的科學.華彤文，宋心琦，張德和，等譯.北京:科學出版社，2001