“高等无机化学”课程改革与教学实践

舒谋海，刘 燕，李新昊

（上海交通大学 化学化工学院，上海 200240）

人类早期活动如制陶、冶金、炼丹和炼金等基本上属于无机化学范畴，可以说化学学科的建立始于无机化学，20世纪开始发展和建立的化学理论也都是从研究无机物质和价键开始的。现代无机化学的发展，特别是配位化学和固体无机化学的兴起给无机化学这门古老的分支学科注入了新的活力，其已与其他相关学科交叉渗透，展现出了全新的面貌[1]。无机化学的教学也应该与时俱进，不断更新教学内容使之与学科的发展相匹配。

课程是学生受益最直接、最核心、最显效的途径，是人才培养的核心要素。虽然研究生教育与本科教育侧重点有所不同，但是专业基础知识的学习还是需要高质量的核心课程。高等无机化学是化学及化学近缘专业研究生培养计划中极为重要的专业基础课，全国很多高等院校都开设了该课程，一些高校还将其设为本科高年级选修课。研究生化学课程教学普遍存在着教学内容陈旧枯燥、教学方法单一、课堂气氛沉闷以及教学过程缺乏交流互动等诸多问题，严重影响了教学效果和教学质量。现代无机化学研究发展快速，并与相关学科多有交叉，如何上好这门课，既要让学生在有限时间内掌握现代无机化学的基本理论和基础知识，并了解无机化学的研究前沿领域，又要培养和提升学生的综合科学素质，是教学过程必须重视的问题。

1 教学目的和教学大纲

本科课程“无机化学”要求学生系统地学习以下几个板块的内容：化学热力学及化学反应动力学；原子结构、分子结构及晶体结构；酸碱平衡、沉淀-溶解平衡、氧化-还原及配位-离解平衡等四大平衡；元素化学等基础理论知识。研究生课程“高等无机化学”不仅需要提升无机化学相关基础理论知识，而且必须紧密跟踪、结合学科发展，介绍最新的研究方法、研究前沿和科研成果，特别是现代配位化学和无机材料化学的研究成果，从而提高研究生的基本科学研究素质，因此，需要进一步加大课程建设力度，不断与时俱进地调整和完善课程内容。为适应无机化学学科发展的要求，通过对国内外著名高校“高等无机化学”课程的调研，明确课程目标、内容的选择和组织，确定课程组织形式、教学方法与手段，形成既与国外课程接轨又有自己特色、体系较为完整且可操作的课程实施方案，制定出可提高基础理论水平、强调结合最新研究成果的教学大纲。掌握无机材料的合成、表征及性质，现代配位化学基础、结构理论及配合物性质，群论及在无机化学中的应用等知识，作为考核内容之一，要求学生阅读相关研究领域最新文献，撰写文献阅读报告并择优进行课堂交流讨论。新的教学大纲更加强调最新科研成果与基础理论知识的结合，突出学生主动学习和教学过程互动，更有利于培养学生的综合素质。

2 教学内容设计及主要参考书

在组织新的教学内容时，不仅要让学生掌握课程的基础理论知识，而且要了解和把握相关学科研究前沿，因此，课程教学内容的设计应将基础知识和最新的科研实例相结合，不断更新课程内容，在完成大纲基本要求的前提下，适当结合国内外最新科研成果，分析其产生过程，提高学生分析问题、解决问题的能力，让学生认识到所学内容既新颖又实用。参照国内外教材，本课程总体上包括4部分：第1部分介绍分子的对称性和群论及其在化学中的基本应用；第2部分主要介绍无机固体材料的合成及应用；第3部分主要介绍经典配合物、金属有机化合物、金属原子簇化合物的结构理论、合成、结构及性质，生物大分子与金属离子的相互作用（特别是金属酶和金属蛋白的结构和功能），与金属相关的超分子体系组装、结构和功能；第4部分主要包括现代无机化学研究热点讲座、学生文献报告及交流。国内外高校在该课程的基础专业知识教学方面大同小异，但在研究生教学过程中，过多地灌输基础专业知识，学生学习积极性不高，因此，部分高水平高校增加了现代无机化学研究热点讲座、读书报告及交流（第4部分内容）。目前，课程采用的主要参考书有《Advanced Inorganic Chemistry》[2]《高等无机化学》[3]《配位化学》[4]《无机合成与制备化学》[5]《Essentials of Inorganic Materials Synthesis》[6]。根据新的教学大纲和教学内容需要，应编写适用于新教学框架的、特色鲜明的课程教学PPT讲稿。

3 教学方法与课堂教学组织形式

3.1 多种教学形式的运用

课程基础理论知识部分以讲授为主，教学过程采用板书与多媒体相结合的方式，重要过程的推演采用传统板书形式，可以加深学生印象并有利于学生消化吸收；多媒体教学信息量大，其图文并茂、声像俱佳的表达形式更便于将抽象问题具体化，更好地吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，生动鲜明的动画图像演示，有利于学生深刻理解知识点并加深记忆，将多媒体和传统教学手段相结合，可以有效提高教学效果。教学中，还安排了优秀青年教师作一些热点前沿领域的专题讲座，交流科学研究的亲身体会和经验，深受学生欢迎。近年来，有大量优质MOOC资源可供选择，我们在教学过程中使用了由刘伟生教授主持的《配位化学》MOOC[7]作为重要教学资源，鼓励同学们课外选择使用。此外，安排学生查阅近三年无机化学领域的最新相关文献，鼓励学生结合自己的研究课题，撰写文献阅读报告，并择优进行课堂交流，以期培养学生文献查阅、理解、表达、撰写等多方面的能力。如图1所示，多种教学形式互相补充，可以取得更好的教学效果。

图1 多种教学形式的结合运用示意图

尽管近年来国内科研实力有了巨大的进步，国内科技期刊的影响力也有显著提高，但优秀科研成果的报道仍然以英文为主，在教学过程中，PPT讲稿尽可能采用英文表述，让学生获得专业知识的同时，提高他们阅读和理解专业英文文献的能力，缩短与前沿研究之间的距离,促进学生各方面能力的全面发展。需要注意的是，多媒体教学的使用也要注意教学效果，切忌采用放电影模式。

3.2 引导与启发

教学过程中除了讲授教学内容，还要注重引导大家在科学研究中善于观察、注重细节，并要有坚韧不拔、执着追求的探索精神。科学史上的传奇故事给予我们很多启示，例如，在金属有机化学这一部分介绍了二茂铁发现的故事，1951年Kealy和Pauson尝试用cyclo-C5H5MgBr与FeCl3反应，由溴代环戊二烯制备富瓦烯，但并未得到该产物，而是得到了一种桔黄色的固体，并发现该固体非常稳定，能在空气中升华而不分解，后来研究证明该固体就是我们大家今天所孰知的二茂铁，并由此开创了现代金属有机化学[8]。在讲述冠醚配合物的特殊稳定性这一部分时，介绍了C.J.Pederson在合成一种非环聚醚过程中意外发现了大环聚醚——冠醚的故事，正是其强烈的好奇心、敏锐的洞察力和追根求源的求知欲才没有让这种产率只有0.4%的产物失之交臂[9]，并深入系统地研究了冠醚化学，开创了超分子化学，因此，与D.J.Cram和J.M.Lehn一起分享了1987年的诺贝尔化学奖。

3.3 与时俱进地把握学科前沿

现代无机化学发展快，新成果不断涌出，在教学过程中有计划地介绍具有代表性的国内外研究成果。例如，（1）与生物无机化学相关的过渡金属与生物大分子的作用、金属药物[10]和生物矿化[11]；（2）与固体无机化学相关的光电转换材料、电极材料、固体催化剂和其他功能材料[12-13]；（3）配位化学领域的MOFs材料及配位超分子结构的合成与应用[14-18]；（4）与金属有机化学相关的过渡金属参与的手性催化[19]；（5）分子识别、超分子自组装及分子机器[20-21]。紧跟科学研究前沿动向，介绍最新成果，让大家感受到基础理论知识与科学研究的密切联系，意识到现在的努力学习也是为了将来更好地开展科学研究。

教学中还邀请在科研一线的杰出教授开展代表性前沿研究进展讲座，并与学生深入交流，推动教学与科研紧密结合。鼓励学生参加各种相关学术报告，积极思考，勇于提问并讨论问题。

3.4 积极参与教学活动

课堂教学仍以讲授为主，注重学生的信息反馈和互动，提高教学效果。此外，还安排了一个训练环节，给学生提供包含一些最新研究成果的课外阅读材料，鼓励学生结合自己的科研课题查阅和课程相关的最新文献，要求在阅读和理解文献基础上撰写读书报告，并择优进行课堂交流，鼓励大家提问和讨论，同时，该环节作为课程考核的一部分。令人欣慰的是，在这一过程中，很多同学表现出较强的阅读理解、概括表达、交流和综合能力，交流报告非常精彩，这一环节极大地调动了学生自主学习的积极性，培养了主动学习和交流的能力。当然，教师必须做好大量的准备和指导工作，改变了过去较为单一的知识灌输式的教学方式，注重学习能力和综合素质的培养，效果显著。

3.5 教学相长 学以致用

在教学过程中，及时听取同学们的意见和建议，了解学生对课程学习的要求，不断改进教学方式方法，及时调整教学内容，汲取文献交流过程中的一些精华内容，并扩充到教学教案中，为下一届课程教学作准备，既可以将最新科研成果引入教学，也充分体现了教与学相辅相成，共同提高。教学过程要紧密联系科研实际，学以致用。例如，MoS2是一种典型的层状结构材料，在最近的文献报道中出镜率极高，其物相和结构表征的一种重要手段就是其振动光谱[22]，在学习过群论相关内容后，很容易理解其谱带的来源和相应的解释。又如，利用金属配合物作为模板合成多孔氧化硅，一般金属配合物对强酸、强碱稳定性不佳，会导致制备或后处理过程中的配合物解体，参阅文献可知，Ru(II)的2,2’-联吡啶或林菲啰啉配合物酸碱稳定性极高[23]，基于此，可以设计含Ru(II)的2,2’-联吡啶或林菲啰啉配合物的模板剂。

3.6 优化教学梯队，保证教书育人质量

一个合理优化的教学梯队是开展高质量教学的基本保证。应围绕教学目标进行梯队搭建，教师的年龄结构要合理，在组织教学活动时要人员分配合理、分工明确、责任清晰。目前，本课程已形成稳定成熟的教师队伍，其中既有从事教学多年的老教师，也有科研能力突出且已能出色完成教学工作的青年教师，师资团队的年龄、专业和职称结构如表1所示。年轻教师在经验丰富教师的“帮”和“带”下，不断提高教学技能。随着学科不断发展，教师需要不断更新知识，并结合科研工作，讲授自己熟悉的专业知识；让青年教师更多地承担本课程的教学任务，既提高了他们的教学能力，也确保了课程建设的连续性。

表1 教学团队结构

4 结束语

为了保证教学改革的成效，科学的教学反馈是必要的。完善课程考核及成绩评定方式，保证教学质量，定期召开教学讨论会和师生座谈会，积极听取各方面的反馈意见，确保教学过程、内容满足学生的学习需要，实现良好的教学效果，从而更好地培养出优秀人才。课堂教学是严肃的，但不是沉闷的，采取各种形式来活跃课堂气氛，缓解沉闷的课堂气氛，有利于提升课堂教学效果。在教学过程中，大力弘扬老一辈科学家为国家建设和崛起无私奉献、艰苦奋斗、奋发图强的精神，坚持教书与育人的有机结合，完成立德树人的根本任务，使我们的学生不仅具有现代化的知识和头脑，更让他们成为具有健全人格、奋发向上、服务国家的优秀人才。