馬亞魯

(天津大學理學院化學系 天津 300072)

天津大學的無機化學課程是面向化學、化工、制藥、生物、環(huán)境、材料等專業(yè)大一新生開設的第一門化學專業(yè)基礎課，對這些專業(yè)學生打好專業(yè)課學習基礎和構(gòu)建完整的知識體系起著重要作用。天津大學作為首批進入國家“211工程”和“985計劃”建設的重點大學之一，在無機化學課程建設上進行了長期努力，目前該課程已成為國家級精品課程。

2001年，美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，簡稱MIT)首先在學校網(wǎng)站上傳了超過1000個視頻課程。此后，美國的哈佛大學、耶魯大學、斯坦福大學，英國的劍橋大學、牛津大學等世界名校紛紛加入到免費傳播公開課的行列。筆者作為一線教師，在天津大學有著近10年無機化學的教學經(jīng)歷，利用課余時間選修了MIT的化學原理(36學時)課程，該課程是面向MIT醫(yī)學、藥學、生物學專業(yè)大一新生的化學基礎導論課程，由Catherine L.Drennan 教授和Elizabeth Vogel Taylor講師共同講授。在學習了全部課程后，得到了一些較為深刻的啟示和感受。

1 比較

1.1 課程設置與教學內(nèi)容

MIT所開設的化學原理(課程代碼5.111)是面向大一新生的化學導論課，課程內(nèi)容涉及生物化學、無機化學和有機化學的基礎知識，重點講授原子和分子的微觀結(jié)構(gòu)、化學熱力學、酸堿性和氧化還原平衡、化學動力學、催化作用等方面的基本原理。作為主講教師之一的C.L.Drennan是MIT化學和生物學系教授，霍華德·休斯醫(yī)學研究所(HHMI)研究員。HHMI成立于1953年，是迄今全球規(guī)模最大的非盈利性私立醫(yī)學研究所和基金會，一直致力于生物醫(yī)學方面的研究資助?；瘜W原理課程的開設與Drennan所主持的HHMI項目有密切聯(lián)系，這是在MIT開展的幾乎人人皆知的 “打通生物學與化學間的界限，讓生物學家為化學歡呼”項目，開設化學原理課程是該項目的活動之一。Drennan的科研方向是包含DNA生物合成和環(huán)境修復的金屬酶制劑的研究，豐富的研究工作為課堂講授提供了第一手的例證。另一位主講教師Taylor是MIT化學系的講師，于2006年在MIT獲有機化學博士學位。

表1列出了化學原理課程的進度，授課內(nèi)容(學時)，以及圍繞課程講授所設計的課堂演示、示范和與生物學、醫(yī)學領域相關(guān)的最新研究成果。

表1 化學原理課程進度、授課內(nèi)容和課堂演示、示范及與生物學相關(guān)的教學實例

在內(nèi)容設置上，MIT的化學原理課程涵蓋了物質(zhì)結(jié)構(gòu)、反應熱力學和化學平衡、反應動力學、酸堿反應和氧化還原反應、過渡金屬及金屬配合物等內(nèi)容。其中物質(zhì)結(jié)構(gòu)(14學時)包括原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)的主要理論；反應熱力學和化學平衡(5學時)涉及化學反應的限度和化學平衡移動的基本知識；酸堿反應和氧化還原反應(6學時)包含酸堿平衡和滴定、氧化還原平衡和原電池的基本原理。作為導論課，內(nèi)容設置相對全面，在課程相關(guān)章節(jié)還穿插了生物熱力學、生物大分子、藥物設計、酶動力學和合成酶制劑的案例和實例分析，使教學內(nèi)容更加豐富、有趣。

作為對比，天津大學開設的無機化學課程分為80學時和96學時兩類。96學時課程是為理科應用化學專業(yè)和藥學院本科生開設的專業(yè)基礎課，分兩學期授課，每學期48學時。80學時的課程是面向化工、制藥、環(huán)境、材料等工科專業(yè)的本科生開設的，也是兩學期完成，每學期40學時。這兩類無機化學課程主要涵蓋化學熱力學、化學動力學、化學平衡、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬配合物、元素化學、定量化學分析等內(nèi)容。96學時的課程在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論部分和元素化學部分有所加強。此外，無機化學課程在講授無機化學基礎概念與理論的同時，注意突出工科背景和工程應用，為學生日后的專業(yè)銜接做好準備和鋪墊。

1.2 教學手段

MIT的化學原理教材采用Atkins等人編著的ChemicalPrinciple:TheQuestforInsight(第4版)，每節(jié)課的講義和需閱讀的材料在課上發(fā)放或通知。其教學環(huán)節(jié)由教學團隊來完成，教學團隊由Drennan、Taylor及多名助教組成。盡管前18講課程由Taylor主講，后18講課程由Drennan負責。但課堂上經(jīng)常是一位教師主講，另一位幫助演示或示范，多名助教協(xié)助發(fā)放實驗用品或器材。這樣的團隊協(xié)作，課程聽起來很順暢，同時能節(jié)省課堂活動時間。助教每周還負責2次課后習題討論，解答學生在學習上的問題，檢查并評價學生的作業(yè)完成情況。

化學原理課程是在能容納近200人的階梯教室中講授，選修人數(shù)為100余人。課堂內(nèi)安裝有互動反饋系統(tǒng)，教師的課堂提問通常設計成選擇題的形式，學生作答后很快在大屏幕上顯示答對比例和學生答案的分布情況，教師可針對測試結(jié)果有選擇地進行講解。同時反饋系統(tǒng)可記錄學生的平時成績和出勤情況，這樣能起到督促學生按時出勤、認真聽講的作用。

天津大學無機化學課程使用的教材是天津大學無機化學教研室編的《無機化學》(第4版)，上課多使用與教材配套的學習指導和電子教案。教學團隊由十幾位中青年教師組成，承擔全校近40個班的教學任務。多年來，無機化學教研室重視教學質(zhì)量，每周進行課程討論，并不定期舉辦教學沙龍。無機化學課堂多以大班授課為主，課上以多媒體教學和板書相結(jié)合的方式進行。筆者針對講課對象為化工專業(yè)學生的特點，在化學熱力學和動力學的講解過程中，增加了工業(yè)合成氨等與化工工藝學、反應工程學相關(guān)的應用實例，以激發(fā)學生的學習興趣，同時讓學生了解基礎課和今后專業(yè)課的共通性。在調(diào)動大班學生上課積極性方面，經(jīng)常把學生分成若干小組，課上適時提出已設計好的思考題，以組為單位進行交流，這樣可以活躍課堂氣氛。

1.3 教學方法

1.3.1 師生互動的課堂

師生互動是MIT化學原理課程教學的一大亮點。教師在講授新的知識點之前，經(jīng)常是先給出設計好的問題和實驗，先讓學生思考，再啟發(fā)學生動手、動腦去發(fā)現(xiàn)和提出問題，最后由教師展開知識點。例如：Drennan在講化學反應動力學之前，發(fā)給每人一袋葡萄糖溶液，學生在品味葡萄糖溶液的同時，體會著熱力學角度能夠發(fā)生的反應，而反應快慢則受到化學動力學的控制。接下來展開討論酶催化作用下葡萄糖在體內(nèi)的氧化過程，從而給學生留下了深刻印象。

為了活躍課堂氣氛, 教師適時將與化學相關(guān)的社會熱點問題帶到課堂。例如：Taylor在利用雜化軌道理論講解甲烷和二氧化碳分子結(jié)構(gòu)時，在一旁幫助演示分子模型的Drennan號召學生參加第2天的能源辯論會，并希望學生就辯論激烈的能源問題提出自己的獨到見解。又如在L14開課之初，Taylor介紹了在當天揭曉的2008年諾貝爾化學獎得主及綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)與研究進展，從而把社會熱點問題在第一時間帶到課堂。

天津大學同國內(nèi)其他高校一樣[1]，無機化學與化學分析的課堂教學多以教師講授為主，學生有問題一般在課下答疑。近年來學校大力提倡教師改進教學方法，筆者利用學校的網(wǎng)絡資源，開通了網(wǎng)上答疑，把常見問題和共性問題公布在網(wǎng)上。在課堂教學中，嘗試在講授難點問題時，先啟發(fā)學生進行思考，以小組為單位討論，調(diào)動學生的主觀能動性去自己發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，這種互動的教學方法很受學生歡迎。

1.3.2 實驗演示的課堂

多樣的課堂演示和示范是MIT化學原理課程的又一特色。演示實驗教學是教師利用直觀的教學手段，使學生加深對化學基本概念的理解。課堂演示生動形象，費時不多，對提高課堂教學效果起著積極作用。化學原理的課堂演示經(jīng)常是由兩位教師共同來做，并有多名助教協(xié)助，實驗秩序井然。例如在L2中講原子結(jié)構(gòu)時，模擬盧瑟福背散射實驗，全場學生共投擲266個乒乓球，根據(jù)統(tǒng)計學原理求算模擬原子核的小球直徑為2.7cm，而其實際尺寸為2.5cm，演示效果非常好。又如在L21中講酸堿平衡時，利用蔬菜紫甘藍提取物為指示劑判定日常用品的pH。課堂上所涉及到的實驗用品均為生活或廚房用品，這樣可將化學原理潛移默化地應用于生活。

在天津大學的無機化學課程中進行課堂演示的歷史可追溯到20世紀70年代。1979年，由人民教育出版社出版了《無機化學課堂演示實驗》，其中總結(jié)了上百個演示和投影實驗。歷經(jīng)幾代人的實踐，現(xiàn)有近80個演示實驗進入課堂。學生對演示實驗很感興趣，在演示過程中加深了對無機化學基本概念和理論的理解，熟悉了化學元素及化合物的性質(zhì)。目前已制作完成了80多個演示實驗的影像資料，為課堂教學提供了豐富的素材。

1.3.3 與科學前沿接軌的課堂

緊跟科學前沿，注重理論聯(lián)系實際是MIT化學原理課程教學的根本和出發(fā)點。幾乎每節(jié)課都強調(diào)化學與生物學的聯(lián)系，化學理論知識在實際中的應用價值。在L1的開場白中，Drennan提問學生為什么要學習化學？學了化學用來做什么？MIT的化學家都在研究什么？以MIT的 J.Stubbe小組研究吉西他濱抗癌藥物為例，說明酶的基本原理，酶催化以及酶是如何工作的，使學生對所開課程內(nèi)容有初步理解。在L36中，Drennan從蛋氨酸合成酶的案例分析著手，從反應動力學、熱力學和化學平衡、酸堿反應、氧化還原反應、過渡金屬配合物等角度，說明蛋氨酸合成酶的作用及反應機理，這可以與第一講的開場白所呼應。通過蛋氨酸合成酶的案例討論，學生能深刻感受到所學知識的積累，體會到化學思想深入到生物學的研究領域，為更好地開展今后專業(yè)課程的學習打下堅實基礎。

在課堂上，Drennan介紹了MIT的T.Jamisan小組在分子合成方面，T.Swager小組在分子檢測方面，A.Davidson小組利用生物谷進行心臟病診斷方面的研究工作，為學生的學習打開眼界。通過對量子點、藥物合成和酶制劑方面的科研前沿進展的介紹，告誡大一新生應有選擇地學習一些科目，保持開放的思維、探索未知的領域。

在天津大學的《無機化學》(第4版)教材中，每章都附有與實際問題相關(guān)的閱讀材料來拓寬學生的視野，介紹諸如自然界中氮、碳元素的循環(huán)，礦產(chǎn)資源及海洋資源的利用，配位化學的發(fā)展前景，微觀物質(zhì)的深層次剖析，非水溶液中的無機反應，化學與化工等學生感興趣又與現(xiàn)實生活密切相關(guān)的內(nèi)容。筆者針對所教對象為化工專業(yè)學生，在化學反應章節(jié)介紹化學工業(yè)，在熱化學章節(jié)介紹脂肪和碳水化合物與能量儲存,在化學動力學章節(jié)介紹燃燒和爆炸, 在化學平衡原理章節(jié)介紹化學平衡與氮循環(huán)，在酸堿平衡章節(jié)介紹酸雨，在晶體結(jié)構(gòu)章節(jié)介紹液晶，力圖做到化學原理聯(lián)系實際應用。

2 小結(jié)

目前，國內(nèi)各高校都在教學改革中探索著適合各自學科發(fā)展的途徑。通過網(wǎng)上觀摩、學習MIT的化學原理課程，筆者認為有以下5點值得借鑒和學習：(1) 教師應是教學活動的主導者和設計者。教師要精心準備講義，反復篩選講課內(nèi)容。只有這樣才能做到在不減少化學原理講授內(nèi)容的基礎上，遞進式地突出生物學與化學的緊密聯(lián)系，使教學效果真正做到“讓生物學家為化學而歡呼”。例如在L16～L18中講到反應熱力學時，Taylor適時引入了葡萄糖的氧化、三磷酸腺苷(ATP)的水解以及ATP的偶合反應等一系列問題，很好地解釋了生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和傳遞。(2) 教師應是所講課程領域的專家，熟悉和精通這一領域的科技前沿和發(fā)展動向。如Drennan在金屬酶制劑方向的研究為課堂講授提供了豐富的生物學科研實例。(3) 教學活動應靈活多樣，不拘泥于形式。除常規(guī)的課堂教學外，還通過每周2次的習題討論、不定期的辯論賽和學術(shù)講座、課堂測驗、章節(jié)測驗等，在整個學習過程中反復強化所學知識，具有良好的學術(shù)氛圍。(4)學生成績應從多層面進行綜合評定。例如：化學原理課程滿分750分，其中課堂互動反饋系統(tǒng)記錄學生平時出勤和課堂回答問題50分；平時的作業(yè)評價和專題討論100分；課程進行中的3次1小時的章節(jié)測驗共計300分，最后還有一次3小時的期末考試300分。這種多方位的考核評價，對督促學生學習、解決學生在各章節(jié)中存在的問題都能起到積極作用。(5) 教學團隊中應包括相對穩(wěn)定的助教隊伍。助教大多是利用課余時間兼職做助教工作的在讀研究生。化學原理的助教在上崗前要進行為期5天的培訓，平日要隨堂聽課，并進行專題討論和習題課答疑，批改試卷和作業(yè)成績評定等相關(guān)教學工作，從而可在教學環(huán)節(jié)中發(fā)揮很大的作用。

參 考 文 獻

[1] 謝逢春.大學化學,2010,25(2):75