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無機(jī)化學(xué)研究型教學(xué)探討*

2015-03-28 00:25:49顏魯婷唐愛偉劉博段武彪戴春愛劉蓮云
大學(xué)化學(xué) 2015年1期
關(guān)鍵詞:研究型實驗教師

顏魯婷 唐愛偉 劉博 段武彪 戴春愛 劉蓮云

(北京交通大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 北京100044)

無機(jī)化學(xué)是高校理工科化學(xué)、化工專業(yè)的首門專業(yè)基礎(chǔ)課程,是研究無機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)過程的科學(xué),授課時間一般安排在大一的第一或第二學(xué)期。無機(jī)化學(xué)課程起承前啟后的作用,對中學(xué)的化學(xué)知識有所銜接,但與中學(xué)化學(xué)相比,又補(bǔ)充了大量的新內(nèi)容、新理論,在深度、廣度和難度方面都增加了很多。大學(xué)的授課方式為授課內(nèi)容多,練習(xí)少,與中學(xué)授課內(nèi)容少,練習(xí)多,保證學(xué)生聽懂的授課方式有很大不同。此外,本門課的學(xué)習(xí)效果將直接影響到學(xué)生之后的其他化學(xué)課程包括分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)的學(xué)習(xí)。面對以上情況,探索合理的教學(xué)方法是教好這門課的關(guān)鍵。

研究型教學(xué)模式,指教師在給學(xué)生傳授知識的過程中,以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神為教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)模式。研究型學(xué)習(xí)的核心教育觀念就是改變以往學(xué)生單純接受教師傳授知識的學(xué)習(xí)方式,使學(xué)生在接受知識的同時,感受、理解知識產(chǎn)生和發(fā)展的過程,形成一種對知識的主動探求、發(fā)現(xiàn)和體驗[1-4]。無機(jī)化學(xué)知識點繁雜,探索新型研究式教學(xué)法,可以加強(qiáng)理論課與實驗課的結(jié)合與協(xié)調(diào),引導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究;強(qiáng)調(diào)師生互動、相互啟發(fā),重視“學(xué)的過程”,有利于提高無機(jī)化學(xué)的教學(xué)效果。

1 研究型教學(xué)設(shè)計的總體思路

無機(jī)化學(xué)課程的教學(xué)基本要求分為了解、理解、熟悉、掌握。了解為一般的認(rèn)知,知道其存在;理解為本質(zhì)上的認(rèn)知(知其然,知其所以然);熟悉要求不僅要理解,還要記住;掌握要求不僅要記住,還要學(xué)會應(yīng)用。研究型教學(xué)立足于改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式,強(qiáng)調(diào)主動探究式的學(xué)習(xí)。在課堂教學(xué)中,采用啟發(fā)、討論、研究式教學(xué)方法,變換對化學(xué)問題的思考角度,將學(xué)生置于實際化學(xué)問題研究的環(huán)境之中,為學(xué)生提供了思考解決問題的空間,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課堂教學(xué)以問題為中心,通過提出問題—解決問題—延伸思考,使問題成為知識的紐帶;通過設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生參與、思考,喚起學(xué)生解決問題的欲望,激發(fā)學(xué)生的探究興趣,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

2 研究型教學(xué)的主要內(nèi)容

在無機(jī)化學(xué)研究型教學(xué)的探索過程中,采取的主要形式為:專題報告、綜合實驗方案設(shè)計、課堂討論、課外自學(xué)等。

2.1 專題報告

以無機(jī)化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容為中心,開展相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的最新進(jìn)展報告。以小組的方式展開,人數(shù)以5~6人為宜,安排小組長在小組集體課上做報告。要求小組成員積極合作,以培養(yǎng)團(tuán)隊合作意識和協(xié)調(diào)組織能力。學(xué)生通過查找文獻(xiàn)并進(jìn)行閱讀,可以加強(qiáng)對教學(xué)內(nèi)容的理解,拓寬知識領(lǐng)域,并通過學(xué)術(shù)論文的撰寫,為以后在科研領(lǐng)域開展工作打下良好的基礎(chǔ)。專題報告選題既可以從教師提供的資料中選擇(如霧霾的成因及消除方法、我國合成氨工業(yè)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀、融雪劑使用現(xiàn)狀調(diào)查及對環(huán)境的影響、固體超強(qiáng)酸的種類及其作為催化劑的應(yīng)用、電池的發(fā)展方向等),也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合學(xué)生自己的興趣自由選題。

例如,2012級一位學(xué)生對無機(jī)發(fā)光材料特別感興趣,于是將專題報告的題目定位在CdSe發(fā)光量子點的制備與改進(jìn)方面。專題報告不但對CdSe量子點的常見制備方法如高溫溶劑熱法、巰基水相法等的一般制備步驟進(jìn)行了梳理和介紹,而且比較了每種制備方法的突出優(yōu)勢、適用范圍以及存在的主要問題和局限性,并對文獻(xiàn)中的實例做了進(jìn)一步的輔助說明。在高溫溶劑熱法中重點介紹了綠色環(huán)保的反向注入法,利用無膦前驅(qū)體,通過優(yōu)化實驗條件,可使熒光量子產(chǎn)率提高到60%~70%,并且熒光穩(wěn)定性增強(qiáng)[5]。在巰基水相法中重點討論了NaHB4作為還原劑其用量對產(chǎn)物穩(wěn)定性和熒光性能的影響[6]。這位學(xué)生花費了大量時間研讀文獻(xiàn),并消化整理成自己的語言,使材料更精練、更明確、更有層次和邏輯,培養(yǎng)鍛煉了其發(fā)現(xiàn)問題、歸納問題和解決問題的能力。教師在專題報告的準(zhǔn)備過程中起引導(dǎo)的作用,引導(dǎo)學(xué)生怎樣利用數(shù)據(jù)庫查找文獻(xiàn),并從海量的文獻(xiàn)中挑出所需的信息。此外,大一的學(xué)生閱讀外文文獻(xiàn)有一定的困難,翻譯工具有時也不能準(zhǔn)確地表達(dá)原文的意義,教師要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇鹨山饣?。最后,該學(xué)生想在此領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究,于是加入了一位教師的課題組,進(jìn)行量子點發(fā)光材料的制備探索。

再比如,最近幾年,由于環(huán)保意識提高,大家對霧霾的關(guān)注度很高,這也體現(xiàn)在研究型教學(xué)中“霧霾”這一選題被學(xué)生選中的概率很高。為了既把霧霾的來龍去脈這一問題研究清楚,又讓自己的研究報告出彩,有些學(xué)生費心去想、去做了,取得了很好的效果。同樣是2012級的一位學(xué)生,改編了一段動漫,重新編輯了字幕,將動漫中的競技場面演變成了怎樣在霧霾中生存,詼諧幽默,讓人在哈哈一笑中也深刻記住了需要了解的知識。

2.2 綜合實驗方案設(shè)計

綜合實驗方案設(shè)計的對象主要為無機(jī)納米材料,以文獻(xiàn)調(diào)研為主,培養(yǎng)學(xué)生查閱專業(yè)知識的能力。給出具體的合成路線,實驗所用的藥品、儀器、反應(yīng)的條件;組織學(xué)生對所設(shè)計方案的可行性進(jìn)行論證。最后,如果具備實驗條件,學(xué)生可通過動手做實驗進(jìn)行驗證。綜合實驗方案設(shè)計的目的為激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí),主動動手實踐,綜合應(yīng)用實驗基礎(chǔ)知識、基本操作,結(jié)合化學(xué)基本理論、元素化合物的知識以及化學(xué)計算等相關(guān)知識解決相關(guān)問題。此外,綜合實驗方案設(shè)計還可以與教師的實際課題相結(jié)合,這樣實驗?zāi)康募搬槍π詴鞔_,有利于實驗方案的完成;另外,實驗方案還可以得以延續(xù),有利于學(xué)生參加大二開始的大學(xué)生創(chuàng)新實驗。

例如,SnO2是一種重要的寬能級n型半導(dǎo)體金屬氧化物;由于其具有化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性,獨特的光學(xué)、電學(xué)及催化性能,在透明導(dǎo)電薄膜、電池電極、光催化劑等方面發(fā)揮著重要作用。學(xué)生通過查閱資料,制定了具體的合成路線,以四氯化錫和氫氧化鈉為原料,采用水熱法制備產(chǎn)品。樣品基本呈圓球狀,雖然顆粒大小比較均勻,但顆粒尺寸較大,為微米級的SnO2球形顆粒。學(xué)生再通過進(jìn)一步查閱文獻(xiàn),對實驗方案進(jìn)行了調(diào)整:原料四氯化錫與氫氧化鈉混合后經(jīng)充分反應(yīng)進(jìn)行離心分離,取沉淀進(jìn)行水熱反應(yīng),最后所獲粒子粒徑在納米級的尺寸。通過綜合實驗方案設(shè)計訓(xùn)練,加強(qiáng)了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解,并鍛煉了動手能力及解決問題的能力,培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣。

2.3 課堂討論

課程中的有些內(nèi)容以教師講課為輔,以學(xué)生參與教學(xué)環(huán)節(jié)為主。比如展開案例討論、知識點總結(jié)、自學(xué)內(nèi)容講解、案例學(xué)習(xí)體會交流等。鼓勵學(xué)生自學(xué),課堂積極參與。通過對一些知識難點及易產(chǎn)生分歧的知識點的討論,加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象。

比如學(xué)習(xí)完酸堿理論知識后,可以組織學(xué)生對緩沖溶液的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行討論,從而加深對緩沖溶液配制及使用時的注意事項的理解。另外,結(jié)合實驗室pH計的標(biāo)定方法,了解常用的緩沖溶液體系。更進(jìn)一步,討論路易斯酸堿與質(zhì)子酸堿的關(guān)系,了解固體超強(qiáng)酸作為催化劑的優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域。

再比如,合成氨是化學(xué)工業(yè)極為重要的反應(yīng),對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要的意義。合成氨是一個放熱反應(yīng),低溫、加壓有利于平衡正向移動。但在實際生產(chǎn)中,選擇反應(yīng)溫度在460~550℃,反應(yīng)壓力約32MPa,且使用鐵系催化劑。學(xué)生以合成氨為例,討論了化學(xué)平衡與反應(yīng)速率原理的綜合運(yùn)用。通過考慮生產(chǎn)中動力、設(shè)備、材料生產(chǎn)效率等因素,體驗了實際生產(chǎn)條件的選擇與理論分析的差異。并進(jìn)而以合成氨中的鐵觸媒為例,討論了催化劑的形態(tài)、使用條件對化學(xué)反應(yīng)的影響,以及合成氨領(lǐng)域催化劑的最新發(fā)展趨勢。

2.4 課外自學(xué)

結(jié)合部分章節(jié)知識結(jié)構(gòu)特點,安排部分自學(xué)內(nèi)容,并要求學(xué)生進(jìn)行課上講解。培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、交流表達(dá)能力。

比如原子結(jié)構(gòu)這一章,元素的性質(zhì)受到核外電子排布的影響,核外電子的排布具有周期性,導(dǎo)致元素性質(zhì)也有一定的遞變規(guī)律。本章前半部分內(nèi)容圍繞“原子微觀結(jié)構(gòu)”展開,較為抽象且理論性很強(qiáng)。教師通過課堂講授促進(jìn)學(xué)生的理解。而“元素性質(zhì)的周期性”是前部分理論的很好的應(yīng)用。因此,安排這一部分內(nèi)容的自主學(xué)習(xí),能加深對知識點的理解;通過性質(zhì)的遞變規(guī)律,可更好地理解微觀結(jié)構(gòu)理論。

再比如,元素化合物知識是描述性的化學(xué)知識,內(nèi)容龐雜、材料瑣碎、涉及的化學(xué)現(xiàn)象和各種化學(xué)反應(yīng)較多,不容易記憶。若單純采取教師課堂講、學(xué)生坐著聽,而之前又沒有預(yù)習(xí)的話,授課效果不會理想。完成“P區(qū)元素(一)”的授課之后,遵循“單質(zhì)—氫化物—氧化物—含氧酸—鹽”這條路線,讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)“P區(qū)元素(二)”的內(nèi)容,加深對知識點的理解。學(xué)生自主學(xué)習(xí)了“P區(qū)元素(二)”的內(nèi)容之后,進(jìn)行知識點的總結(jié)與展示。在此過程中發(fā)現(xiàn)有幾個特點:學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中變得認(rèn)真了,角色由被動變?yōu)橹鲃樱蓡渭兊穆犝n變?yōu)橐皞湔n”,責(zé)任心增強(qiáng)了;學(xué)生的課件做得很漂亮,細(xì)致、有條理,體現(xiàn)了對課本知識的系統(tǒng)掌握,并融入了PPT制備的新的技巧,表達(dá)清晰,畫面簡潔美觀;不局限于課本知識,對所學(xué)知識進(jìn)行了拓展,引入了元素化合物應(yīng)用領(lǐng)域的介紹,比如古氏試砷法的介紹、過氧化氫用于油畫的漂白等。通過自主學(xué)習(xí),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率并拓寬了思考問題的思路。

除專題報告、綜合實驗方案設(shè)計、課堂討論、課外自學(xué)幾種形式之外,我們還鼓勵學(xué)生采取多種形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。如12級的學(xué)生曾參加過學(xué)校舉辦的視頻制作大賽,對視頻的制作有著一定的經(jīng)驗。于是,教師就鼓勵他們嘗試將自己做的無機(jī)化學(xué)實驗做成視頻,既可作為研究型教學(xué)多樣化的一種體現(xiàn)形式,又可以儲備為實驗教學(xué)視頻資料。作為初步嘗試,學(xué)生選擇了粗食鹽的提純,這一實驗他們比較熟悉,而且包括稱量、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶及干燥等一些最基本的操作。從資料準(zhǔn)備到操作、錄像、配音、剪輯,幾位學(xué)生做了合理的分工與協(xié)作,經(jīng)過不斷嘗試,最終做出了畫面清晰、操作規(guī)范、配樂優(yōu)美、解說簡潔明了的實驗錄像,被評為學(xué)校2012-2013學(xué)年第二學(xué)期優(yōu)秀研究型教學(xué)學(xué)生作品。

3 研究型教學(xué)的實施

與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比,在研究型教學(xué)中,教師是教學(xué)的設(shè)計者、組織者、引導(dǎo)者、啟發(fā)者[7-8]。教師首先要能夠向?qū)W生提出該領(lǐng)域的前沿問題或者帶有學(xué)科視角的問題,然后學(xué)生才能有效地以教師給出的問題為線索開展科學(xué)求證工作,進(jìn)而推動學(xué)生閱讀、思考、調(diào)查和實驗。作為課程的設(shè)計和組織者,教師首先要考慮“教什么”和“為什么這樣教”,以及“學(xué)什么”,“怎樣才有利于學(xué)生的學(xué)”。教師要不斷學(xué)習(xí),培養(yǎng)、提升自己開發(fā)和利用課程資源的能力,要花費更多的時間為學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備工作。我們每學(xué)期都為研究型教學(xué)增加新的研究點,平時也很注意對這一方面教學(xué)經(jīng)驗的積累,不斷地探索、反思、調(diào)整研究型教學(xué)方案。在新學(xué)期之初,通過和學(xué)生之間的溝通交流與協(xié)商,確定研究型教學(xué)的具體實施模式。另外,作為引導(dǎo)者和啟發(fā)者,在整個研究型教學(xué)進(jìn)程中,教師和學(xué)生要緊密聯(lián)系,關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出來的情感和態(tài)度,幫助他們認(rèn)識自我、樹立信心,進(jìn)而提供必要的指導(dǎo),答疑解惑并督促學(xué)生完成研究型學(xué)習(xí)的進(jìn)度。

學(xué)生作為研究型學(xué)習(xí)的主體,應(yīng)該擺脫對傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生的依賴性。學(xué)生應(yīng)具有較強(qiáng)的懷疑精神,對學(xué)習(xí)中遇到的一些重要“結(jié)論”要敢于通過科學(xué)的方法去求證。研究性學(xué)習(xí)的內(nèi)容是通過研究課題來實現(xiàn)的,課題的內(nèi)容可以來源于學(xué)科課程,也可以來自于實際生活,確定研究課題的前提是善于發(fā)現(xiàn)新穎的值得研究的問題,所以學(xué)生對問題的意識是十分重要的。此外,研究型學(xué)習(xí)需要一定的科研能力,比如良好的觀察能力、調(diào)查研究能力、信息處理能力以及實驗操作能力。在研究型學(xué)習(xí)中,通過學(xué)生主動參與,培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的獨立性,自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的基本能力及與其他同學(xué)的合作性[9]。

4 研究型教學(xué)的考評

研究型教學(xué)法要求教師特別重視學(xué)生的平時學(xué)習(xí)和在具體研究中的表現(xiàn),通過對學(xué)生平時參與討論的頻率和討論質(zhì)量,以及研究的規(guī)范程度、所遞交報告的研究質(zhì)量,來評定學(xué)生課程成績。

在專題報告及綜合實驗方案設(shè)計類型的研究型教學(xué)中,不僅對文獻(xiàn)的充足性、研究內(nèi)容的豐富性有一定的要求,要求多方面、多角度地展示有關(guān)主題的科研成果,而且對整體的思路有條理清晰、邏輯縝密的要求,還包括對個人思考的要求,鼓勵學(xué)生對所做課題發(fā)表自己的觀點,對課題的前景進(jìn)行展望。

在課外自學(xué)環(huán)節(jié)中,要求學(xué)生對知識內(nèi)容融會貫通,加入自己的理解,并對知識點進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展,鼓勵適當(dāng)?shù)匾胝n外相關(guān)知識或該領(lǐng)域前沿科研進(jìn)展。

為體現(xiàn)公平性,評分由教師和學(xué)生共同給出。學(xué)生互評分?jǐn)?shù)和教師評價分?jǐn)?shù)各占50%。研究型教學(xué)的成績最終體現(xiàn)在學(xué)生的平時成績中??紤]實際情況,占平時成績的25%~50%,占總評成績的10%~20%。

5 結(jié)語

教學(xué)實踐表明,在無機(jī)化學(xué)教學(xué)中采用研究型教學(xué),通過教師的引導(dǎo)、啟發(fā)和支持,能克服傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的一些不足,很好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情和興趣,幫助學(xué)生掌握自主學(xué)習(xí)的方法和思考問題的思路。3年的研究型教學(xué)實踐使我們獲得了寶貴的經(jīng)驗,但是教學(xué)質(zhì)量的提高和人才培養(yǎng)任重道遠(yuǎn),我們將堅持不懈地努力,繼續(xù)探索下去,不斷地修正和調(diào)整,尋找更為合適的研究型教學(xué)的模式。

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