浅谈科研前沿在大学化学教学中的应用

唐群 邹志明 刘峥

摘要：在大学化学教学中，将科研前沿知识与教学内容有机地结合起来，调动学生的学习兴趣和积极性，激发求知欲，变被动学习为主动学习，不但可以有效地提高教学质量和教学效果，也是培养创新型人才的有效途径和课程改革的重要方向。

关键词：大学化学;科研前沿;教学;应用

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）35-0175-02

大学化学是各高等院校化学、生物学、材料科学、地球科学、环境、医学、药学等相关专业的一门基础必修课，其包含无机化学及物理化学等方面的内容，较抽象，且理论性强。大学化学课的教学对象是刚刚步入大学的新生，此时他们还停留于高中那种“灌输式”的学习模式，对化学的认识仅仅局限于抽象概念、化学方程式和相关计算的生硬记忆，而对化学在生产和生活中的作用往往认识不足，这就迫切地需要他们向大学的学习模式转变，由被动吸收性的学习转变为主动创造性的学习。

在教学过程中，如果仅按照教材或讲稿的内容采用照本宣科式的教学方式，使用传统的一讲到底、与科研前沿知识完全脱节的教学方法，就是一种落后呆板的教学方式。在课堂上，只是教师的讲解，却没有学生的参与，这种“灌输式”的教学方式只会导致学生对那些抽象的理论课内容失去学习的兴趣和动力，从而抑制学生的主观能动性[1]。因此，教师要在教学内容上下功夫，提高课程的生动性和趣味性，进行创新性的改进，引入科研前沿的知识去充实原有的课本知识。这样，学生可以了解一些前沿领域的最新发展动态，同时也能很好地掌握所学的基础知识和理论[2]。在大学化学教学中，适当引入学科前沿知识，调动学生的学习积极性，这样能够大大提高教学质量，改善教学效果。针对这些情况，本文结合大学化学教学实践在课程的教学内容和教学方式方面进行了有益的尝试和探索。

一、合理安排教学内容

应上好绪论课。作为大学化学课的第一次课，如果能取得好的教学效果，对后续教学工作的顺利开展以及学生能学好这门课程至关重要。绪论的内容应该让学生有耳目一新的感觉，满足他们的好奇心以及期盼心理。一般而言，学生关心的是大学化学与专业之间的关系及学好大学化学对将来的发展有怎么样的作用。因此，绪论课要解答学生的疑问，突出大学化学这门基础课的重要性。现代科技飞速发展，许多新材料随之而生，而新材料的应用又促进了科技的进步[3]。大学化学这门课程有着极为豐富、热门的科学前沿知识，如超导材料、记忆合金、不碎玻璃、纳米材料、不锈钢、导电塑料、石墨烯等，这些科学前沿知识能够极大地激发学生的学习兴趣。在绪论课中讲述一些新材料的意外发现，乃至研制成功，再到实际应用，这样一些有趣的内容，往往会引起师生的共鸣，达到期望的教学效果。实践表明，适当讲解关于科研前沿的内容，有助于培养学生学习大学化学的兴趣。

化学学科的内涵极为丰富，学科交叉和融合是现代各科学发展的一大特点。在新形势下，当前教学改革的发展趋势要求人才须按照社会发展的需求来培养。因此，在大学化学的教学过程中，应当结合学生的专业方向来选取适当的科学前沿内容。此外，科学前沿的新成果不断涌现，课程的教学内容也必将随之不断调整。基础理论教学是大学化学课程教学的必不可少的关键环节。许多基础理论，由于不能及时与实践相结合，学生在学习过程中很难体会其含义，达不到学以致用的效果。例如，讲解热力学第三定律“在绝对零度，任何完美晶体的熵为零”时，学生只能从文字上得到“绝对零度不可达到”这个结论。实际上，学生对“是否存在降低温度的极限”这一问题非常感兴趣。此时，若给学生引入最新的研究报道：2014年10月22日，意大利国家核物理研究院下属的格兰萨索粒子物理国家实验室宣布，他们将一立方体铜块冷却到6毫开（零下273.144摄氏度），这一温度几乎接近“绝对零度”（零下273.15摄氏度）。实践表明，这个最新报道的引入不仅可以激发学生的学习兴趣，还能让学生了解虽然绝对零度在实际生活中似乎无法达到，但科学家还是不遗余力地尝试着接近绝对零度。通过科学家对绝度零度的不断追求，让学生认识到科学永无止境，激励他们学习科学工作者那种锲而不舍的精神。

做到教学内容的合理安排，这就要求教师在充分理解教材的前提下，准确地把握相应的知识体系与所设的培养目标。另外，为了能够将相关科学前沿知识充分应用到大学化学的教学中，教师应深入学习该学科的新知识，追踪该学科的相关科技研究最新发展趋势和动态，精心选取相关科学前沿知识来充实课堂教学内容，让学生可以学以致用。例如，在讲解原子结构相关章节时，可以讲解碳的不同形态的材料，如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。

本文以石墨烯以及单层石墨烯的诞生历程为例来讲解。单层石墨烯是由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃肖洛夫于2004年发现的。他们制备单层石墨烯的方法非常简单，先从石墨中剥离出比较厚的石墨片，之后将这个比较厚的石墨片的两面都粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把较厚的石墨片一分为二。不断地重复这样的操作，得到的石墨片也越来越薄，最后，他们可以得到仅由一层碳原子构成的薄片，这是单层石墨烯的诞生历程。

从此以后，石墨烯的制备方法层出不穷，经过近几年的发展，科学家发现，离单层石墨烯的工业化生产越来越近。安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃肖洛夫因其在单层石墨烯的特别贡献获得2010年诺贝尔物理学奖。此外，引入石墨烯的最新研究进展：石墨烯微片规模化生产技术已经成熟，其下游运用研发成果层出不穷。

石墨烯未来五年在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药等领域将呈现爆发式的增长。这不但会让学生很轻松地完成本课教学内容的学习目标，掌握抽象理论中原子结构化学键与物质形态的关系，又能了解当前无机化学的前沿领域，大大增加学生对抽象结构化学的学习兴趣。

二、注重理论结合实践

在教学内容上，要注重理论与实践相结合，鼓励学生探索创新。在固体结构章节，学生对晶体中原子的周期排列、晶胞在三维方向的重复堆积，以及晶体的结构特征等知识点很难理解，认识和想象力跟不上教师的讲解。此时，可以将学生带出课堂，到实验室中让他们通过亲身体验去认识晶体结构。在实验室，学生可以接触大型的科研仪器——X射线单晶体衍射仪。X射线单晶体衍射仪的分析对象是一粒独立的晶体，就像我们所看到的一粒盐或一粒砂糖。单晶中，原子或原子团呈周期性排列，如果将X射线（如Cu的Kα辐射）照射到单晶上，就会发生衍射，接着对所得衍射线的数据分析可以解析出晶体中各个原子的排列情况，解析出晶体的结构。晶体的结构可通过测试的方法来确定，这对物质性能的解释、学科的发展以及新产品的生产和研发等，具有很大的作用。例如，2014年，中科院院士、著名结构生物学家、清华大学施一公教授研究小组首次在世界上揭示人源γ分泌酶复合物的精细三维结构，发现人源γ分泌酶复合物与阿尔茨海默症（俗称老年痴呆症）的发病直接相关，这为理解γ分泌酶复合物的工作机制以及老年痴呆症的发病机理提供重要依据。这一例子的讲解，可以极大地加深学生对晶体结构的认识，激发对晶体结构学习的兴趣。

三、利用多样的教学方式

教学方式是达成教学目标的重要环节。由于教学内容的侧重点不同，需要采取灵活的教学方式。基础理论知识具有明显的理论特点，课堂教学以讲授为主，在多媒体课件及相关视频的辅助下生动地呈现教学内容，可以有效地提高课程教学的效率。在大学化学课的教学过程中，特别是在引入相关科学前沿知识来讲解时，充分利用多媒体来教学，将一些科技现象和流程通过动画形象逼真地演示出来，更能为学生提供眼、耳等感官刺激，使他们的思维变得更加活跃，对于相关的知识点也就更容易理解和接受。此外，启发学生思考，使他们主动学习。教师在课堂上要经常提出一些问题，引导学生进行讨论，之后根据情况对某些问题的解答进行补充和扩展。教师还应注重鼓励学生积极参加各类大学生创新活动或专业科技竞赛，还可以让参与教师的科研活动，通过这些活动激励学生积极主动学习，提高他们的动手能力和创新能力。

四、结束语

在大学化学的教学过程中，适当地引入相关的一些科研前沿知识，既能让学生在学会课本知识的基础上了解一些科学前沿的相关研究进展，还能激发学生的求知欲，由被动接受式学习变成主动求知型学习，提高学习兴趣，真正體会到学习的乐趣。教师结合科研前沿知识，在教学内容和教学方式方面进行改革，可以提高教学质量，达到更好的教学效果，这更符合培养创新人才理念的要求。

参考文献：

[1]李燕.浅谈如何激发学生学习有机化学的兴趣[J].中国冶金教育，2014，（3）：1-2.

[2]陈苗根，余森江，焦志伟.科学前沿在物理专业课程教学中的渗透与实践[J].教育教学论坛，2014，（32）：7-8.

[3]唐剑锋，程南璞，满玉红，郭胜锋.《材料科学前沿》教学模式的探索[J].西南师范大学学报（自然科学版）2014，6（39）：141-143.