淺談科研前沿在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

唐群 鄒志明 劉崢

摘要：在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中，將科研前沿知識(shí)與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，激發(fā)求知欲，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，不但可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑和課程改革的重要方向。

關(guān)鍵詞：大學(xué)化學(xué);科研前沿;教學(xué);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）35-0175-02

大學(xué)化學(xué)是各高等院?；瘜W(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)必修課，其包含無(wú)機(jī)化學(xué)及物理化學(xué)等方面的內(nèi)容，較抽象，且理論性強(qiáng)。大學(xué)化學(xué)課的教學(xué)對(duì)象是剛剛步入大學(xué)的新生，此時(shí)他們還停留于高中那種“灌輸式”的學(xué)習(xí)模式，對(duì)化學(xué)的認(rèn)識(shí)僅僅局限于抽象概念、化學(xué)方程式和相關(guān)計(jì)算的生硬記憶，而對(duì)化學(xué)在生產(chǎn)和生活中的作用往往認(rèn)識(shí)不足，這就迫切地需要他們向大學(xué)的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變，由被動(dòng)吸收性的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。

在教學(xué)過(guò)程中，如果僅按照教材或講稿的內(nèi)容采用照本宣科式的教學(xué)方式，使用傳統(tǒng)的一講到底、與科研前沿知識(shí)完全脫節(jié)的教學(xué)方法，就是一種落后呆板的教學(xué)方式。在課堂上，只是教師的講解，卻沒(méi)有學(xué)生的參與，這種“灌輸式”的教學(xué)方式只會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)那些抽象的理論課內(nèi)容失去學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，從而抑制學(xué)生的主觀能動(dòng)性[1]。因此，教師要在教學(xué)內(nèi)容上下功夫，提高課程的生動(dòng)性和趣味性，進(jìn)行創(chuàng)新性的改進(jìn)，引入科研前沿的知識(shí)去充實(shí)原有的課本知識(shí)。這樣，學(xué)生可以了解一些前沿領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)也能很好地掌握所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論[2]。在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中，適當(dāng)引入學(xué)科前沿知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，這樣能夠大大提高教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果。針對(duì)這些情況，本文結(jié)合大學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐在課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方面進(jìn)行了有益的嘗試和探索。

一、合理安排教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)上好緒論課。作為大學(xué)化學(xué)課的第一次課，如果能取得好的教學(xué)效果，對(duì)后續(xù)教學(xué)工作的順利開(kāi)展以及學(xué)生能學(xué)好這門(mén)課程至關(guān)重要。緒論的內(nèi)容應(yīng)該讓學(xué)生有耳目一新的感覺(jué)，滿足他們的好奇心以及期盼心理。一般而言，學(xué)生關(guān)心的是大學(xué)化學(xué)與專業(yè)之間的關(guān)系及學(xué)好大學(xué)化學(xué)對(duì)將來(lái)的發(fā)展有怎么樣的作用。因此，緒論課要解答學(xué)生的疑問(wèn)，突出大學(xué)化學(xué)這門(mén)基礎(chǔ)課的重要性。現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，許多新材料隨之而生，而新材料的應(yīng)用又促進(jìn)了科技的進(jìn)步[3]。大學(xué)化學(xué)這門(mén)課程有著極為豐富、熱門(mén)的科學(xué)前沿知識(shí)，如超導(dǎo)材料、記憶合金、不碎玻璃、納米材料、不銹鋼、導(dǎo)電塑料、石墨烯等，這些科學(xué)前沿知識(shí)能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在緒論課中講述一些新材料的意外發(fā)現(xiàn)，乃至研制成功，再到實(shí)際應(yīng)用，這樣一些有趣的內(nèi)容，往往會(huì)引起師生的共鳴，達(dá)到期望的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，適當(dāng)講解關(guān)于科研前沿的內(nèi)容，有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)的興趣。

化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵極為豐富，學(xué)科交叉和融合是現(xiàn)代各科學(xué)發(fā)展的一大特點(diǎn)。在新形勢(shì)下，當(dāng)前教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)要求人才須按照社會(huì)發(fā)展的需求來(lái)培養(yǎng)。因此，在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合學(xué)生的專業(yè)方向來(lái)選取適當(dāng)?shù)目茖W(xué)前沿內(nèi)容。此外，科學(xué)前沿的新成果不斷涌現(xiàn)，課程的教學(xué)內(nèi)容也必將隨之不斷調(diào)整?；A(chǔ)理論教學(xué)是大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)的必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。許多基礎(chǔ)理論，由于不能及時(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難體會(huì)其含義，達(dá)不到學(xué)以致用的效果。例如，講解熱力學(xué)第三定律“在絕對(duì)零度，任何完美晶體的熵為零”時(shí)，學(xué)生只能從文字上得到“絕對(duì)零度不可達(dá)到”這個(gè)結(jié)論。實(shí)際上，學(xué)生對(duì)“是否存在降低溫度的極限”這一問(wèn)題非常感興趣。此時(shí)，若給學(xué)生引入最新的研究報(bào)道：2014年10月22日，意大利國(guó)家核物理研究院下屬的格蘭薩索粒子物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布，他們將一立方體銅塊冷卻到6毫開(kāi)（零下273.144攝氏度），這一溫度幾乎接近“絕對(duì)零度”（零下273.15攝氏度）。實(shí)踐表明，這個(gè)最新報(bào)道的引入不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能讓學(xué)生了解雖然絕對(duì)零度在實(shí)際生活中似乎無(wú)法達(dá)到，但科學(xué)家還是不遺余力地嘗試著接近絕對(duì)零度。通過(guò)科學(xué)家對(duì)絕度零度的不斷追求，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)永無(wú)止境，激勵(lì)他們學(xué)習(xí)科學(xué)工作者那種鍥而不舍的精神。

做到教學(xué)內(nèi)容的合理安排，這就要求教師在充分理解教材的前提下，準(zhǔn)確地把握相應(yīng)的知識(shí)體系與所設(shè)的培養(yǎng)目標(biāo)。另外，為了能夠?qū)⑾嚓P(guān)科學(xué)前沿知識(shí)充分應(yīng)用到大學(xué)化學(xué)的教學(xué)中，教師應(yīng)深入學(xué)習(xí)該學(xué)科的新知識(shí)，追蹤該學(xué)科的相關(guān)科技研究最新發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)，精心選取相關(guān)科學(xué)前沿知識(shí)來(lái)充實(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生可以學(xué)以致用。例如，在講解原子結(jié)構(gòu)相關(guān)章節(jié)時(shí)，可以講解碳的不同形態(tài)的材料，如金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯等。

本文以石墨烯以及單層石墨烯的誕生歷程為例來(lái)講解。單層石墨烯是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃肖洛夫于2004年發(fā)現(xiàn)的。他們制備單層石墨烯的方法非常簡(jiǎn)單，先從石墨中剝離出比較厚的石墨片，之后將這個(gè)比較厚的石墨片的兩面都粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把較厚的石墨片一分為二。不斷地重復(fù)這樣的操作，得到的石墨片也越來(lái)越薄，最后，他們可以得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這是單層石墨烯的誕生歷程。

從此以后，石墨烯的制備方法層出不窮，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，離單層石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)越來(lái)越近。安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃肖洛夫因其在單層石墨烯的特別貢獻(xiàn)獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，引入石墨烯的最新研究進(jìn)展：石墨烯微片規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟，其下游運(yùn)用研發(fā)成果層出不窮。

石墨烯未來(lái)五年在光電顯示、半導(dǎo)體、觸摸屏、電子器件、儲(chǔ)能電池、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。這不但會(huì)讓學(xué)生很輕松地完成本課教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握抽象理論中原子結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵與物質(zhì)形態(tài)的關(guān)系，又能了解當(dāng)前無(wú)機(jī)化學(xué)的前沿領(lǐng)域，大大增加學(xué)生對(duì)抽象結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

二、注重理論結(jié)合實(shí)踐

在教學(xué)內(nèi)容上，要注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生探索創(chuàng)新。在固體結(jié)構(gòu)章節(jié)，學(xué)生對(duì)晶體中原子的周期排列、晶胞在三維方向的重復(fù)堆積，以及晶體的結(jié)構(gòu)特征等知識(shí)點(diǎn)很難理解，認(rèn)識(shí)和想象力跟不上教師的講解。此時(shí)，可以將學(xué)生帶出課堂，到實(shí)驗(yàn)室中讓他們通過(guò)親身體驗(yàn)去認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以接觸大型的科研儀器——X射線單晶體衍射儀。X射線單晶體衍射儀的分析對(duì)象是一粒獨(dú)立的晶體，就像我們所看到的一粒鹽或一粒砂糖。單晶中，原子或原子團(tuán)呈周期性排列，如果將X射線（如Cu的Kα輻射）照射到單晶上，就會(huì)發(fā)生衍射，接著對(duì)所得衍射線的數(shù)據(jù)分析可以解析出晶體中各個(gè)原子的排列情況，解析出晶體的結(jié)構(gòu)。晶體的結(jié)構(gòu)可通過(guò)測(cè)試的方法來(lái)確定，這對(duì)物質(zhì)性能的解釋、學(xué)科的發(fā)展以及新產(chǎn)品的生產(chǎn)和研發(fā)等，具有很大的作用。例如，2014年，中科院院士、著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、清華大學(xué)施一公教授研究小組首次在世界上揭示人源γ分泌酶復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)人源γ分泌酶復(fù)合物與阿爾茨海默癥（俗稱老年癡呆癥）的發(fā)病直接相關(guān)，這為理解γ分泌酶復(fù)合物的工作機(jī)制以及老年癡呆癥的發(fā)病機(jī)理提供重要依據(jù)。這一例子的講解，可以極大地加深學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，激發(fā)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣。

三、利用多樣的教學(xué)方式

教學(xué)方式是達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。由于教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，需要采取靈活的教學(xué)方式?；A(chǔ)理論知識(shí)具有明顯的理論特點(diǎn)，課堂教學(xué)以講授為主，在多媒體課件及相關(guān)視頻的輔助下生動(dòng)地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，可以有效地提高課程教學(xué)的效率。在大學(xué)化學(xué)課的教學(xué)過(guò)程中，特別是在引入相關(guān)科學(xué)前沿知識(shí)來(lái)講解時(shí)，充分利用多媒體來(lái)教學(xué)，將一些科技現(xiàn)象和流程通過(guò)動(dòng)畫(huà)形象逼真地演示出來(lái)，更能為學(xué)生提供眼、耳等感官刺激，使他們的思維變得更加活躍，對(duì)于相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)也就更容易理解和接受。此外，啟發(fā)學(xué)生思考，使他們主動(dòng)學(xué)習(xí)。教師在課堂上要經(jīng)常提出一些問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，之后根據(jù)情況對(duì)某些問(wèn)題的解答進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展。教師還應(yīng)注重鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)或?qū)I(yè)科技競(jìng)賽，還可以讓參與教師的科研活動(dòng)，通過(guò)這些活動(dòng)激勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

在大學(xué)化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)匾胂嚓P(guān)的一些科研前沿知識(shí)，既能讓學(xué)生在學(xué)會(huì)課本知識(shí)的基礎(chǔ)上了解一些科學(xué)前沿的相關(guān)研究進(jìn)展，還能激發(fā)學(xué)生的求知欲，由被動(dòng)接受式學(xué)習(xí)變成主動(dòng)求知型學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，真正體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。教師結(jié)合科研前沿知識(shí)，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方面進(jìn)行改革，可以提高教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到更好的教學(xué)效果，這更符合培養(yǎng)創(chuàng)新人才理念的要求。

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