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郑兰荪院士:我教大一化学课
发布时间:2019-09-16  查看次数:

郑兰荪,厦门大学化学化工学院教授,中国科学院院士,教育部高等学校化学类专业教学指导委员会主任委员


 

我讲授厦门大学化学系本科生的第一门专业课“无机化学(上)”(或称“普通化学”“化学概论”)已近二十年了。我在准备这门课程时,参加了教育部第二届化学专业教学指导委员会的第一次会议。当我向时任教指委主任委员的陈懿先生请教如何上好这门课时,他告诉我这门课并不好教,并指点我多参考傅鹰先生编写的《普通化学》教材。


 

在教学过程中,我体会到这门课之所以难教,首先因为这是学生进入大学后的第一门专业课,需要面临教与学的方式的根本转变。这门课所教授的知识点,学生在中学阶段大都已经接触到。但是,目前中学化学的教学水平差别很大:经历过“奥赛”训练的学生学过的知识已经超过这门课程的教学内容,而部分学生的知识水平又很薄弱,甚至几乎要从头学起。在这种情形下,如何满足全体学生的知识需求,调动所有学生听课的兴趣,显然是比较困难的。另外,这门课程的大多数知识点,在后续的“物理化学”“结构化学”等课程中又会在更深的层次上重复。如何选择教学内容,尽量避免不必要的重复,也是一个突出的难题。


 

针对这些问题,我在教学内容的选择中尽可能地做“减法”,突出知识的主干,少讲或不讲相关的枝蔓。重点讲授最基本的概念、容易混淆的概念和较难理解的概念(如熵、反应过渡态、波粒二重性等),特别发挥我多年从事科学研究的经验和优势,强调在今后从事化学研究中确实有用的知识。在讲授各种重要公式(如Gibbs方程式、化学反应等温方程式等)时,强调它们的物理意义,避免复杂的推导。我曾有机会聆听过卢嘉锡、唐敖庆、张乾二等老一辈化学家的学术报告与讲课,深深体会到好的教学方法应当是深入浅出、化繁为简。要培养和相信学生自主学习、独立思考的能力,大部分知识没必要讲解得过细过繁。


 

另一方面,我在教学中注意结合相关的科学研究工作,而且逐年地做“加法”。这样既能发挥我个人的优势,而且可以拓展学生的学术视野,明显提高学生听课的兴趣乃至专业兴趣,特别能满足部分基础较好的学生的知识需求。如果结合得好的话,也可以加深学生对相关知识内容的理解。但是在实际教学中,任何选择合适的研究工作内容,并能较为自然地与教学内容紧密结合起来,既需要较为深厚的科研积累,又需要一定的教学技巧与经验。我所选择的科研工作,除了国际科学前沿的一些重要进展以外,也注意介绍我国特别是本系化学研究的一些突出工作。从实际教学效果看,有些工作可以结合得比较贴切,如煤化工研究与热化学的结合,富勒烯等碳簇与杂化轨道、价键理论的结合等,有些工作还是结合得比较勉强,有些工作则只能在例题中体现。总体上,我个人及研究群体的研究工作结合得最好,因为自己最为熟悉。我以“物质结构与原子团簇”为题,将自己的主要研究方向与课程内容结合,从讲解三种化学键与四种晶体结构的基本关系开始,认识原子团簇的特殊结构层次及大都具有“悬挂键”的结构特性,由此延伸至固体表面特别是纳米材料的化学活性,在对比原子团簇与纳米材料之后,揭示纳米材料的特殊性能是由于尺寸改变而不是结构改变所导致的。我再枚举原子团簇的研究事例,深化对共价键理论方法的认识。如通过碳簇结构从链至环再至笼的变化,演绎碳原子杂化轨道的变化,进而通过杂化轨道方法,推测氮、磷等原子团簇的可能结构与应用;以简单的路易斯价键理论的“八隅律”,解析了含一个杂原子的链状碳簇负离子结构稳定性与成簇碳原子奇偶性的奇妙关联。我曾多次在教师培训班上将该主题作为示范课讲授,也给多所学校的本科生乃至高中生讲课,收到较好的效果和反响。因此,教师的科研基础和水平在教学工作中还是能够发挥作用的。我个人除了需要不断拓展研究方向和学术视野以外,也时时留意国内外科研的最新进展,在听取学术报告时注意收集适合教学的范例。


 

我所讲授的是化学专业本科生的第一门专业基础课,自然也是最浅显的一门课程。但是我在讲课时反复向学生强调并以实例说明,这门课的每一个知识点,不仅是化学学科知识的基石,而且只要今后从事化学及相关工作,都能发挥重要的作用。如在化学反应以及化工产业中最为重要的催化反应,大多与配位化学有关,而配位化学反应本质上就是酸碱理论中的路易斯酸碱反应。我在讲授相关知识时提到,清华大学李亚栋院士在合成贵金属与贱金属的纳米合金时,发现它们的组成与两种金属电负性差的关系,并加以应用和推广;复旦大学赵东元院士在设计合成介孔材料时,发现和应用了“酸碱对原理”。这些研究成果都来自于这门课程的知识。


 

不少教师认为教学占用了科研的时间和精力,因此把教学工作作为负担,不乐意承担基础课的教学任务,不愿意在教学中投入较多的精力。而我在教学过程中切身感受到教学对科研的促进作用:如果认真地想将课上好,就一定会加深对课程相关的基本概念的认识,进一步学习相关的知识,从而有效地提高自己的科研水平。我的主要研究方向是原子团簇科学,但是国内外科学界对原子团簇的定义一直缺乏共识。我在讲授“化学键与物质结构”一章的内容时,逐步形成了自己的观点,提出了关于原子团簇的明确定义,澄清了科学界的一些混乱的概念,引导了该领域研究的发展。我在讲授了课程中关于化学热力学和动力学的知识后,才意识到当前十分热门的“光催化”反应,并非化学动力学范畴内的催化反应,因此也不能照搬催化化学的理论。我讲授这门课程已近二十年,但是在每年上课的过程中,都会发现自己对课程中某些概念或反应的认识仍然不够准确,还需要进一步学习和思考,并向其他教师请教或讨论。我深深感受到,教学不仅是教师传授知识的过程,也是教师不断自我提高学术水平包括研究能力的过程。


 

我每年给新生上课时,都首先强调批判性思维方式的培养。明确告诉学生教材中的内容、观点可能会有错误,我讲授的内容、观点也肯定会有错误,不要迷信教材、迷信教师、迷信权威;课程指定的教材仅是学习的参考书,我不会照本宣科,学生也完全可以参考其他教材。我在课堂教学中会亮出个人非共识的学术观点,如认为“分子晶体”以外的“原子晶体”“离子晶体”“金属晶体”都不是由分子组成,绝大多数无机化合物都是“非分子物质”,并且强调这只是我个人的观点。我在教学中也对教材中的某些观点提出个人不同的意见。如许多教材中将离子极化的影响归结为相关化合物溶解度降低、颜色加深的规律性变化,我对此并不赞同,在讲授这些内容时发表了自己的观点并与同学讨论。与其他教师一样,我也会遇到回答不出学生问题的情形。我不会勉强应付,而是根据实际情况,或者实事求是地承认自己还不掌握相关的知识,需要与其他教师讨论或学习后才能解答;或者说明相关的科学问题尚未解决,鼓励学生深入探究的精神。


 

我的教学方式一直以板书为主,虽然这是一种落后的教学方式,也比较辛苦,但是能够使学生记好笔记,感受演绎知识的过程。我在课堂教学中,尽可能先提出问题,吸引学生抢先回答,实现师生互动。与大多数教师相比,我在教学中投入的精力还是偏少,每个学期结束后,留下的更多是经验和遗憾。当年自己还是学生时,老一辈教师教学的敬业精神和激情,一直是我学习的榜样,也希望能够传承下去。


 

教学是我职业生涯中最有成就感的工作。能够与年轻的学生面对面地分享自己掌握的知识,感受他们知识水平的点滴提高,是人生莫大的愉悦,也是作为教师的莫大幸福。