无机化学课程设置创新型作业的思考与实践*

任玲 曹敏花 张秀辉

(北京理工大学化学学院 北京100081)

无机化学是高等院校相关专业的一门专业基础课程，也是相关专业学生进入大学后最早学习的专业课程，对转变学生的学习方式、提升学生的学习兴趣、培养学生的创新意识有着不可替代的作用。近年来，在培养创新型人才的教学改革中，无机化学课程的改革卓有成效，学者们对无机化学课堂教学的元素(如教学内容、教学手段、教学方法)进行了深入的探讨，硕果累累。课外作业是课堂教学的补充，两者相辅相成，如何在无机化学课程中利用课外作业提高学生的创新意识、激发学生的创新思维，同样是一个值得深入研究的课题。有学者提出，可以通过让学生撰写微、小论文培养学生的能力［1-3］;通过读书报告会提高学生的学习兴趣［4］;通过书籍、网络阅读、交流与讨论、实验与研究提升学生独立获取知识的能力、表达能力和创新能力［5］。我们在教学实践中，设置了不同于传统课外作业的创新型作业——创新大作业，对提高学生的创新意识、激发学生的创新思维有明显的效果。下面讨论在无机化学课程中设置创新型作业的一些浅见。

1 无机化学课程设置创新型作业的思考

课堂知识授受和课外作业练习是学生获取知识的两个途径。两个途径既紧密相连，又有区别。在课堂知识授受过程中，教师是核心，学生以接受为主，处于被动地位。而在课外作业练习过程中，学生可以跳出教师的思路，跳出课件，跳出教材，更多地去思考和发挥，处于主动地位。我们认为，课堂教学和课外作业的功能不完全相同。课堂教学的主旨是知识传授，而课外作业练习更能发散学生的思维，提高学生的创新意识，培养学生的实际能力。然而，传统的课外作业过多地强调课堂教学的补充性，以巩固课堂知识为目的，重在提高学生对课堂知识的记忆和理解，忽视了让学生对所学内容进行拓展和发散。因此，课外作业需要改革，改革的方向是增加有利于提高学生创新意识、激发学生创新思维的创新型作业。

基于上述思考，我们在无机化学教学实践中，设置了创新型作业——创新大作业。

2 无机化学课程设置创新型作业的实践

2.1 无机化学创新型作业的内容设计

我们设计的创新大作业类型多样，包括文献综述、知识拓展、创新追踪、理论应用、总结类比、概括归纳、学科渗透等，给学生以多种选择，使其有广阔的想象空间。这符合满足个性、因材施教的创新教育规律。

2.1.1 文献综述

创新是在人类原有发展基础上的新拓展、新发现、新发明。了解学科前沿是科学研究的基础。但是，教材一般都强调知识的经典性、成熟性和稳固性，加上更新周期以及编写者水平的限制，鲜有涉及学科前沿者。为了弥补这一不足，我们设计了创新大作业——无机化学学科前沿文献查阅及综述。例如，综述21世纪化学进展、21世纪化学的多维定义、无机化学的研究特点及存在的问题、无机化学的发展方向等。学生通过完成这样的作业，可以俯瞰学科进展，既能开阔视野，也能学习到文献查阅和评述的方法。

2.1.2 知识拓展

教材中的很多知识点较浅，教师不可能一一地通过课堂教学去弥补，而应该把问题留给学生，让学生通过课外作业去深入、细化和完善。例如，惰性电子对效应，有教材解释为随原子序数的增加，外层ns轨道的一对电子愈不容易参加成键、显得不活泼所致［6］;也有教材解释为由于ns2电子随n增大逐渐稳定的结果［7］;还有教材解释为更大程度上是离子半径对成键能力影响的一种反映［8］。这些解释都没有追踪深层次的原因。我们在课堂讲授时也没有对此刻意扩展，而是设计了延伸深化的创新大作业——提出惰性电子对效应更深层的解释。有学生在“惰性电子对效应的深入探讨”作业中，引用近来提出的相对论性效应解释了惰性电子对效应，即惰性电子对效应是旋-轨耦合效应、相对论性收缩、相对论性膨胀3种效应都随原子序数的增大而迅速增强，导致第6周期及以后的大多数重元素的相对论性效应显著的结果。完成这样的作业，有助于加深学生对难点的理解，教会学生深层次思考，培养学生发现问题、分析问题及解决问题的能力。

2.1.3 创新追踪

创新都有一个过程，有灵感的闪现，有辛劳的付出，有失败的痛苦，有成功的喜悦。无数的创新，凝成一个个公式、原理和概念，固化在教材中。如果教师一直平铺直叙地讲授这些公式、原理和概念，不仅枯燥无味，而且还会使学生把这些创新看成是天经地义的，麻木了创新意识。据此，我们设计了创新追踪类的大作业。例如，诺贝尔化学奖获得者创新轨迹追踪。有学生在作业中探讨了美国科学家利普斯克(Lipscomb)的创新历程。利普斯克用X射线单晶衍射仪测定并解释了多种硼氢化合物的结构及其成键规律，因而获得了1976年诺贝尔化学奖。利普斯克的这一重要发现的灵感是源于一个本科学生的观点。在一次极普通的学术报告会上，就读于牛津大学的克里斯托弗·朗古特-希金斯提出了三中心二电子键的设想，尝试解释硼族化合物的结构。此前，由于硼复杂的成键结构，一般的化学键理论无法解释。利普斯克就是在受到克里斯托弗·朗古特-希金斯设想的启发后，才开始这一创新历程的［8］。通过这样的创新追踪，可以使学生透视科学家的思维脉络，捕捉科学家的睿智，启迪智慧，提高创新意识;也可使学生消除创新的神秘，提升创新的勇气。

2.1.4 理论应用

无机化学是一门经典学科，内容多是经典理论，这很容易使学生产生错觉，以为所学的内容都是古董，陈旧而无用。而事实上，无机化学是一门极富活力的科学，无机化学的创新在整个自然科学创新中举足轻重。所有的创新都得益于基础理论的指导，基础理论又因创新而丰富完善。所以，我们注意通过课外作业让学生用所学理论去解释学术新成果。例如，在讲授配合物结构一章时，我们介绍了配合物的价健理论，明确本章教学目的是解决配合物空间结构、稳定性及磁性问题，随后引入了发表在J.AM.CHEM.SOC.上的学科前沿论文“Large-Scale Synthesis of Uniform Nanotubes of a Nickel Complex by a Solution Chemical Route”［9］。针对论文中制备的配合物，我们设计了创新大作业——试用本章所学配合物价健理论分析该论文中配合物［Ni(NH3)6］Cl2的空间构型、杂化方式、稳定性及磁性等，并评价其应用价值。通过得出的“空间构型为正八面体、杂化方式为sp3d2、属于外轨型配合物、有2个成单电子”的结论，使学生认识到，即使是最新制备的配合物，仍然是符合经典理论的，是经典理论指导下的产物。这增强了学生对基础理论重要性的认识，基础理论并非虚幻无用，而是创新的灵魂和动力;进而也激发了学生学习基础理论的热情。

2.1.5 总结类比

学科知识大多有着内在的联系。但是，教材分章节著述，课堂独立讲解，致使学生难以融会贯通，难以把握整体。例如，学习价键理论、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论以及分子轨道理论，学生大多是机械地接受，局限于浅层次的理论要点，而难以看出各个理论之间的内在联系、异同点和优越性。对此，我们不是通过简单答疑的方式来解决问题，而是设计了创新大作业——列表总结分子轨道理论、价键理论、杂化轨道理论及价层电子对互斥理论的基本要点、共同性、适用范围及优越性。通过完成这样的作业，学生可以牢固掌握上述4个理论，用这4个理论分别确定不同类型分子的空间结构，并能用杂化轨道理论及价层电子对互斥理论共同解决化合物的空间构型问题。

2.1.6 概括归纳

归纳是创新的重要方法，也是学生灵活、牢固掌握所学知识的钥匙。所以，我们特别重视让学生学会归纳，提纲挈领地学好知识，逐步掌握创新的方法。例如，无机化学的元素部分内容枯燥。我们在教学中，对零散、孤立的元素内容进行组合，形成主线。精讲s、p、d区的通性即大通性，如p区元素讲授其通性——各族元素变化的规律性、多样性、多氧化态、半导体性质和多氢化物类型等;精讲各个族的通性即中通性，如硼族元素讲授其共同特征尤其是缺电子性等。而对于元素的个性，则重点指导学生学会收集材料、整理素材，以创新大作业的形式进行概括归纳，形成系统知识。这样能够培养学生科学获取知识的习惯，也把许多枯燥乏味、需要死记硬背的内容变成了生动的、有规律性的知识，增加了学习的兴趣。

2.1.7 学科渗透

学科与学科之间不是对立的，都存在着有机的联系，学科相互交叉渗透是创新的重要途径。化学是一门中心科学［10］，有很强的渗透力，很多改变人类生活的创新都是化学与相关学科相互渗透的成果。据此，我们设计了无机化学与相关学科相互交叉渗透的创新大作业，例如探讨“化学元素与人体健康”、“化学与大气污染防治”、“水体污染与化学处理”、“食品安全与化学”、“PM2.5成因及应对”等。引导学生把所学知识与相关学科相结合，运用所学知识解决实际问题。同时，通过可见的实例，也彰显了化学与社会发展、与人类生活不可分割的关系，提高了学生学习的积极性。

2.2 无机化学创新型作业的布置和完成

完成创新大作业，要求学生独立思考，有创意，有动手能力，而且要求学生有充分的思想准备、知识积累和材料储备，还要求学生能集中精力，集中时间。查阅文献、搜集资料是完成此类作业的基础。为了达到作业设计的效果，我们采用课初提出、随堂布置、跟踪提示、自由选题、书面完成、口头宣讲、重点答辩的方式。课初提出即:在课程讲授之初也就是绪论讲授时就提出创新大作业的概念，告知学生在学期结束前要完成这样的作业以及完成这种作业的途径和方法;明确提出创新大作业设计和完成的目的是要学生对所学知识进行自主拓展深化，提高创新意识，激发创新思维。随堂布置即:根据课堂讲授的内容随时布置相关的创新大作业。跟踪提示即:对已布置的创新大作业随着内容的进展不断地予以提示。自由选题即:学生在教师设计的创新大作业中自主选择一题或数题，以兴趣为主。书面完成即:学生必须用书面形式完成创新大作业。口头宣讲即:学生完成创新大作业初稿后，做成PPT，在班上逐一宣讲。重点答辩即:每班遴选出几篇优秀创新大作业，完成者在大课堂上讲演并答辩。

3 无机化学课程设置创新型作业的效果

学生对完成创新大作业充满了兴趣，对于选择题目、查找资料、连缀成文、制作PPT、讲演答辩中的每一环节都很认真，收到了预期的效果。

(1)开阔了学生的视野。完成创新大作业需要查找资料和文献，这使学生有机会跳出教科书，跳出课堂，跳出教师的耳提面命，游弋在广阔的知识海洋里，甚至触摸到学科的最前沿。例如，有学生的创新大作业内容涉猎了《科学》等权威杂志上发表的最新科研成果。在完成创新大作业后所附的感言中，很多学生表达了这种感受。一位学生说:创新大作业需要检索大量的论文，从中筛选出易于理解、新型实用的化学新突破。为了能够全面理解论文，我们必须了解论文中所涉及的很多新概念、新方法，极大地拓展了我的知识面。另一位学生感言:创新大作业是让我自主接近化学前沿的一次难忘经历——主题的确定，资料的搜索、整理、编辑，幻灯片的制作，无一不让我激动万分，毕竟这是我第一次完成这样有创意的作业。

(2)提高了学生学习专业知识、学习科学的兴趣。学习的动力是兴趣，找到提高学生学习兴趣的方法，就是找到了根除厌学顽症、提高教育质量的金钥匙。从学生的反映看，创新作业的布置、提示、完成、展示，在很大程度上提高了他们学习专业知识、探索科学的兴趣。一位学生在创新大作业后所附的感言中说:“创新大作业让我得以近距离接触科学世界。我发现科学并不像想象中那样枯燥无味，它妙趣横生，充满新鲜，遨游在科学中我永不疲倦，创新大作业点燃了我对科学的创新热情!”

(3)迸发了学生创新的火花。在学生完成的创新大作业中，有很多闪烁着创新的火花。有学生以“屏蔽常数的深入讨论”为题，讨论了原子结构中有关屏蔽常数的估算规则，提出ns、np电子的屏蔽常数应该是有区别的，这是一个不拘泥于课堂教学的作业。有学生以“无机碳化学”为题，讨论了金刚石的人工合成、碳纤维的开发利用，提出21世纪是超碳时代的命题;讨论了碳的同素异构体，提出了结构决定性质的命题。有学生对所学知识进行扩展，例如讨论了乙硼烷均裂和异裂的定义、机理，展望了乙硼烷的应用前景。有学生以“氢键与氢桥键之我见”为题，比较了两个容易混淆的概念，归纳了二者的异同点。

(4)激发了学生创新的热情。创新大作业是创新的初步，很多学生小试牛刀后便兴趣盎然，欲罢不能，在大学学习期间即涉足科研活动，而且对无机化学方向情有独钟。例如，几位非化学专业学生积极参加国家大学生创新性实验计划，选择了低维纳米结构材料制备。他们以葡萄糖为原料制成无定形碳纳米球，再以碳纳米球为载体合成纳米金属单质，并对其进行各种表征，为进一步催化烯烃加氢反应奠定了基础。还有几名学生选择新型锂离子二次电池正极材料磷酸铁锂为研究对象，采用溶剂热法和溶胶-凝胶法制备了橄榄石结构磷酸铁锂纳米材料，通过包覆对材料进行改性，以提高其导电率和锂离子迁移率，目的是得到较高理论容量和电压以及良好的热稳定性。

4 结语

高等教育的主要任务是培养创新型人才。正如《教育部、财政部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见》中所指出的:“高等学校的根本任务是培养人才”，而提高质量是“实现建设人力资源强国和创新型国家战略目标的关键”。培养创新型人才不仅要求学生牢固地掌握专业知识，而且要求学生有创新意识和创新思维。传统作业在帮助学生掌握专业知识方面不可取代，但创新型作业在培养学生的创新思维、提高学生的创新意识上有着独特的作用。设计出能提高学生创新意识、激发学生创新思维的课外作业，是课外作业改革的方向。

［1］顾大明，张立珠，强亮生，等.大学化学，2011，26(5):20

［2］赖雪飞，谢川.大学化学，2014，29(2):26

［3］李良超，钱海生，林秋月，等.大学化学，2011，26(4):15

［4］陈三平，谢钢，杨奇，等.大学化学，2012，27(3):14

［5］张欢，杨定明，戴亚堂.无机化学，2012，22(6):34

［6］大连理工大学无机化学教研室.无机化学.第5版.北京:高等教育出版社，2006

［7］宋天佑，徐家宁，程功臻.无机化学(下册).北京:高等教育出版社，2004

［8］史启祯.无机化学与化学分析.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］布里斯罗R.化学的今天和明天——化学是一门中心的、实用的和创造性的科学.华彤文，宋心琦，张德和，等译.北京:科学出版社，2001