引入科研创新案例促进无机化学混合式教学.pdf

教学经验交流1012023年4 月第4 0 卷第2 期引入科研创新案例促进无机化学混合式教学*颜鲁婷，韩永生，戴春爱1，梁本亮1（1.北京交通大学物理科学与工程学院材料系，北京10 0 0 4 4；2.中国科学院大学化学工程学院，北京10 0 0 4 9)摘要将科研案例引入教学，有助于解决学生学习兴趣不高、自主学习能力不强的问题。文章以无机化学课程教学为例，介绍了该课程教学中融入科研创新案例，实施混合式教学的过程。教师明确教学目标，合理进行教学设计，丰富教学手段，设计科研创新案例驱动的线上学习任务，将基础知识和前沿热点有机结合起来。融合科研创新案例的混合式教学有利于提高学生的创新意识和专业兴趣，使学生系统地掌握知识，对于培养学生的创新能力和提升学生的科研素质有积极作用。【关键词科研创新；混合式教学；无机化学Promoting Inorganic Chemistry Blended Teaching withResearch Innovation CasesYan Luting,Han Yongsheng,Dai Chunai,Liang Benliang(1.Department of Materials Science and Engineering,School of Physical Science andEngineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.School of Chemical Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)Abstract:It is helpful to solve the problems of students low interest in learning and poor autonomouslearning ability by introducing scientific research cases into teaching.Taking the course of InorganicChemistry as an example,the implementation of blended teaching with scientific research innovationcases is introduced.The teaching team clarifies the teaching objectives,carries out teaching designreasonably,enriches teaching means,designs tasks driven by research innovation cases for online study,and organically combines basic knowledge with research focus.The blended teaching integrating scientificresearch innovation cases is conducive to improving students innovation awareness and professional作者简介颜鲁婷（19 7 5-），女，教授，博导。通信作者颜鲁婷，E-mail:。*基金项目：北京交通大学教育教学改革项目（3 5 6 3 0 9 5 3 5，13 4 0 0 118 7 5 2 2，13 0 0 3 8 5 2 2 13 8）。102颜鲁婷，等人科研创新案例促进无机混合式教学interest,as well as promoting and enhancing the systematization of knowledge.It plays a positive role incultivating students innovation ability and improving students quality of scientific research.Key words:Research innovation;Blended teaching;Inorganic chemistry在无机化学课程教学中，教师一般以化学反应的能量和方向限度、化学反应的速率、四大平衡原理以及物质结构等为脉络介绍相关理论知识及其应用，讨论常见元素及其化合物的性质、结构、存在、制法和用途，以期使学生能够运用所学基本原理理解和掌握元素及化合物的基本知识，培养学生对一般无机化学问题的理论分析和计算能力。由于无机化学涉及的教学内容多、范围广，公式繁多，元素化学部分的知识点较分散，因此对于大学低年级学生来说，学习难度较大。另外，随着课程改革的不断深入，无机化学课程的学时被缩减，教师要在有限的学时内完成全部内容的教学，势必会加快教学节奏，这也无形中增加了学生的学习难度。当前，无机化学教学中存在的问题主要有：由于内容多而学时少，教师不得不加快讲课节奏，倾向于采用“满堂灌”的方式，与学生之间的互动不足；学生还未完成由中学学习模式向大学学习模式的转变，自主学习意识和能力不强，在较快节奏的教学中往往会感到课程内容枯燥，因而对学习的兴趣不浓；学生的学习兴趣缺乏又反过来影响教师的教学动力，从而影响教学效果。如何提高学生对无机化学知识的理解和掌握程度？其关键在于教学模式的优化。教师要通过优化教学模式，逐渐培养学生的学习兴趣，让学生发现课程的魅力所在。因此，课堂教学仅采用传统的教学模式远远不够1-2 针对上述问题，教师可以借助网络信息化平台，开展小规模限制性在线课程（SPOC），将优质的线上资源与线下课堂教学紧密结合。其中，线上教学是基石，线下课堂教学则是教学的进一步深人与拓展。依托SPOC的教学，学生能打破学习时间和空间上的限制，针对自己的薄弱环节进行强化训练，通过反复观看教学视频完全掌握课程知识点。SPOC与线下课堂教学相结合，能够加深学生对知识点的理解和掌握，兼顾不同学生的学习能力，提高学生整体的学习效率和质量。但与此同时，在网络环境下，学生的自主学习也面临诱惑，有效学习时间减少甚至学习效率低下的情况偶尔出现。面对多门课程的压力，以及限于长期浅层学习的习惯，学生的线上学习遇到较大困难。因此，只有提高学生的学习兴趣，让学生带着问题进行线上自主学习，才能真正发挥线上线下混合式教学的优势。而科研案例教学能使学生在学以致用的过程中感受科研的乐趣与魅力，提高自主学习的兴趣与动力3 科研是高校发展的动力源，以科研促进教师的专业发展，进一步培养学生的专业能力，是提高教学质量的重要途径。高校教师将科研与教学有机结合，既能增加教学内容的深度与广度，培养学生的创新思维，又能更新并丰富教师的知识结构体系，进而提高教学效果。对于学生而言，了解最新的科研成果，有助于自己开阔眼界，提高学习兴趣和参与意识，提升思考力与理解力，进而提高学习效率，并形成创新意识。目前，在西北工业大学的材料类专业课、南京航空航天大学的航空发动机类专业课、辽宁科技大学无机非金属材料专业课和浙江大学的电路原理专业课等的教学中，教师正尝试引人科研成果5-10 ，但有关科研创新案例在混合式教学中的应用鲜有报道。因此，本文以无机化学课程为例，介绍科研创新案例教学在混合式教学中的实践，以期为其他课程引人科研案例教学提供参考。一、科研案例融入教学设计教师在科研项目实施过程中，将理论转化为实践，可以提高对学科的理解程度和思维深度；而将自己的科研项目与教学内容紧密结合，会对学科知识的起源、基本形态及历史发展脉络，特别是发展前沿和应用产生更多的体会，从而深刻领悟知识产生与更新的本质。无机化学课程组教师对103颜鲁婷，等.引入科研创新案例促进无机化学混合式教学近几年的科研项目和科研成果进行了详细梳理，在此基础上探索了知识点与科研成果的有机结合，并有针对性地设计了几个科研创新案例，如表1所示。表1科研创新案例及对应知识点序号科研案例名称内容关联知识反应-传质调控的采用反应速率和传质速率调控界面浓度场，发现反应-传质对1动力学材料结构形貌材料结构的普适性调控作用，调控银颗粒的结构及形貌高选择性枝晶银催2枝晶银的可控规模化制备及对乙烯环氧化反应的催化调控催化选择性化剂抑制锂枝晶生长的外场强化传质，消除界面浓度梯度，抑制锂枝晶生长，促进锂3电化学新方案电池安全快速充电技术的进步特殊浸润性材料的采用碱辅助表面氧化方法，通过控制浸泡和后期修饰的方式，自由能4制备及应用实现浸润性的梯度变化ZnO晶须负载Ag-具有特殊形貌的四针状ZnO晶须为载体，负载Ag/AgCl，获5元素化学AgCl光催化剂得高效复合光催化剂石墨烯材料的发展6石墨烯材料的发展、制备及应用，石墨烯凝胶，石墨烯量子点碳族元素与应用科研创新案例1关联的知识点为化学动力学。化学动力学主要研究化学反应的速率以及温度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反应速率的影响。加入催化剂、降低活化能是加快反应速率最有效的方法。催化剂的形貌控制催化剂密堆积，从而影响原料反应所需的载体表面。科研实践中可采用增大特殊晶面、调变元素组成、构建核-壳或中空纳米结构等方式或集成上述几种方式来降低催化剂用量并提高其催化性能。因此，特殊形貌催化剂的可控制备很重要。银催化剂是乙烯环氧化反应的关键技术，课题组通过反应-传质调控的材料结构定向合成制备的银催化剂能提高反应的选择性及产品收率，助力“中科炼化2 5/4 0 万吨/年EO/EG装置银催化剂国产化攻关项目”人选中石化“十条龙”科技攻关项目。那怎样才能实现材料结构的定向合成呢？材料结构形貌受热力学和动力学共同控制，动力学主要调控能量势垒，从而影响形貌演变。在结晶过程中，对应形貌演变的每条路径的能量势垒不同，晶体生长形态的变化源自各晶面相对生长速率比值的不同。以银颗粒结晶过程为例，采用电化学还原法制备银颗粒，通过电势调控反应速率，改变溶剂黏度调控传质速率，可以在不同反应-传质条件下制备出不同形貌的银颗粒，并揭示反应-传质对银颗粒形貌的调控规律：当反应受限时易生成多面体大颗粒，当传质受限时易生成小纳米晶，当反应和传质共同控制材料结构演化时易生成枝晶等复杂结构。科研创新案例1的构建思路如图1所示。基于反应-传质调控的材料结构定向合成新方法，课题组还实现了多形貌金、铜、碳酸钙及氯化钠的可控制备。在该案例教学的基础上，教师可以进一步引导学生探讨调控反应速率及传质速率的方法，加深学生对动力学知识的理解，使学生熟悉各种因素（如分子结构、温度、压力、浓度、介质、催化剂等）对反应速率的影响，从而能够选择相应反应条件，使化学反应按预期速率进行。科研创新案例2 是在案例1的基础上规模化制备枝晶银并对乙烯环氧化反应进行催化调控，104颜鲁婷，等.引人科研创新案例促进无机化学混合式教学纳米材料生长动力学调控载体形影催化剂降低活化能、提高反应速率Mo0.3V0.2VOV-0.8V-1V助催化剂反应(B）图1科研创新案例1的构建思路（动力学调控的材料结构形貌）该案例关联的知识点为催化剂作用下的化学反应方向。化学反应方向受浓度、压强及温度的影响，还会受到催化剂的影响。催化剂在参与反应的整个过程中，能够降低反应所需要的能量势垒（即活化能），同时加快正逆向反应速率，从而缩短反应达到平衡所需的时间。当化学反应在热力学上有不同的反应方向、对应多种产物时，特定催化剂只对特定反应起加速作用，生成特定的产物，这称为催化剂的选择性，简称催化选择性。催化选择性决定了不同反应体系采用的催化剂不同，而相同反应体系在不同反应条件及不同催化剂作用下获得的产物也不相同。催化剂可以改变化学反应的途径，获得很多的中间体。例如，乙烯与氧气完全反应生成二氧化碳和水，但通过金属银催化剂，乙烯可以氧化为环氧乙烷，这是一种非常重要的化工原料。在乙烯环氧化工艺中，银催化剂制备是关键技术。2 0 2 1年我国银催化剂装填总量超过8600吨，其中国产银催化剂占比不到3 0%。目前，国产银催化剂选择性偏低，而高选择性催化剂制备技术主要被壳牌和陶氏化学等外国公司掌握1-12 。提高选择性一直是银催化剂开发的核心目标。银催化剂的形貌和晶面都会影响亲电氧原子的吸附，进而影响反应选择性13 。亲电氧原子易攻击乙烯分子的碳碳双键，形成环氧乙烷。图2 为科研创新案例2 的构建思路（银枝晶催化剂对乙烯环氧化的催化选择性）。近期有研究发现，乙烯环氧化反应过程中银催化剂晶面会发生重整，而且这种晶面动态变化对选择性和稳定性有重要影响。那晶面是怎样影响催化效果的呢？教师让学生带着这个问题去查阅相关文献，并组织学生分组讨论，从晶面对活性物种的吸附状态、反应路径的选择等多维视角深刻认识催化剂的作用。对晶面的分析探讨，可以激发学生学习物质结构的兴趣，有利于学生掌握晶体结构的知识点。86ioil银枝晶的选择性最佳85CO,+H,O%/科848PdCl,-CuCl,/HClC,H,+O,CH,CHO101i1Ag8221181一含5 wt%银枝一含5 wt%银花C,H,O一含5 Wt%银球一一标准催化剂1110180051015101il晶面对活性物种的吸附状态反应路径的选择图2科研创新案例2 的构建思路（银枝晶催化剂对乙烯环氧化的催化选择性）科研创新案例3 是在案例1和2 的基础上，将科研创新和电化学知识紧密结合。枝晶在催化领域具有优势，但也是锂电池发展的“痛点”。锂枝晶生长有可能刺穿隔膜，导致锂电池内部短路甚至发生火灾。案例1探讨如何促进枝晶形成，案例3 探讨如何阻止或减缓枝晶的形成，二者结合起来就是材料的可控生长，其在电化学领域的应用能够加深学生对电化学知识的理解。科研创新案例4 为特殊浸润性材料的制备及应用14 ，关联热力学中自由能的知识。学生通过105颜鲁婷，等.引人科研创新案例促进无机化学混合式教学学习该案例，可以了解微纳多级表面结构的构筑，进而加深对表面现象的认识。通过真空过滤及后退火的方法获得的新型碳纳米管复合膜具有超疏水/超亲油的特性。退火过程去除了复合薄膜表面的亲水基团，实现了表面超疏水。复合薄膜对不同种类的稳定油包水乳液均可实现一次分离，分离速度快，分离效率可达9 9.3%。图3 为科研创新案例4 的构建思路（碳纳米管复合薄膜的制备及乳液分离应用)15 特殊浸润性材料表面自由能微纳米分级粗糙结构Superhydrophobic&SuperoleophiliceMWCNTsPowdersSubstrateHybridCNTs MembraneStableWater-in-oiVacuumFiltrationEmulsion SeparationSWCNTSMWCNTSCombustion Regeneration图3科研创新案例4 的构建思路（碳纳米管复合薄膜的制备及乳液分离应用）科研创新案例5 和案例6 将新的科技成果和研究方向融人元素化学的教学，能够解决化学原理和元素化学教学脱节的问题，保证教学内容的先进性，提升学生对元素化学的学习热情。二、案例教学实施为了将科研创新案例与混合式教学相结合，我们实施了相应的教学过程。教师在课前发布导学任务，包括科研创新案例相关文献阅读及SPOC学习；注重与学生互动，及时解答学生在学习过程中遇到的各类问题；组织学生进行小组讨论，引导每个小组凝练一个主题论点，并准备充分的论据。在线下课堂教学中，教师根据线上学习情况进行反馈，讲解重点、易错点；与学生互动，鼓励学生合作研讨和交流科研创新案例中的开放性探究问题；教师进行课堂总结，布置课后作业。在课后，教师针对课堂讨论情况发布拓展学习任务，并在课程群组织讨论，答疑解惑；检测学生的作业完成质量，使学生巩固所学知识，完成知识学习任务。以科研创新案例1为例设计的教学过程如图4所示。其中，课后的延伸拓展不仅能自动衔接科研创新案例2，而且能激发学生对物质结构的学习兴趣。晶体结构（引发对物质结构的学习兴趣）不纳米粒子制备银枝晶（学生自行查阅文献）（对乙烯环氧化反应的影响）科研案例2反应-传质SPOC学习调控材料（化学反应速率）课堂讨论巩固对反应动力学结构定向知识的掌握合成（加深对反应速率的理解，对催化剂的认知）课题组相关文献（和学生自查文献对照）图4科研创新案例1的教学过程设计三、教学效果评价科研项目成果融人教学，即将科研创新案例作为课堂教学的导人。部分案例是基本理论的推广和应用，可与理论教学融会贯通，以强化学生对基本原理的理解和掌握；部分案例是对专业理论和方法的拓展延伸，可作为拓展性知识引人，以扩大学生的知识面。融合科研创新案例的教学包含“科研创新案例引人增强学生的兴趣、理解力和参与意识明确学习任务线上自主学习线下分组讨论答疑解惑”的整个过程，能够让不同基础的学生在原有基础上通过自主性、选择性学习得到锻炼和提升的机会，从而提高班级整体的学106颜鲁婷，等.1人科研创新案例促进无机化学混合式教学习效率。本课程采用平时成绩与期末考试相结合的综合评价方式评定学生成绩。平时成绩包括课堂参与度、平时作业和主题作业（研究型论文或报告）、期中考试及线上测评等；期末考试题型包含填空题、选择题、计算题、分析推断题以及问答题，考查学生对基本概念的理解能力和运用概念分析、解决问题的能力。图5 列出了近两学年学生在不同阶段各项成绩的对比情况。从中可以发现，相比2 0 2 0 年，2 0 2 1年学生在研究型教学环节的得分保持不变；期中和期末考试环节的成绩均有所提升；造成线上成绩有所下降的原因是有些同学错过线上测评提交期限，其总评成绩也因此受到影响。1202020=2021100969698888384.283.7798077.786040200研究型教学期中线上期末总评图5近两学年学生各项成绩对比根据期中和期末考试情况，我们计算了近两学年该课程的目标达成度，并进行了比较，结果如表2 所示。表2近两学年课程目标达成度20202021学年20212022学年序号课程目标课程目标达成度课程目标达成度使学生初步掌握化学热力学、化学动力学、元素周期182%84%律以及近代物质结构理论的基本原理使学生能够根据所学基本原理理解和掌握无机化学2中有关元素和化合物的基本知识，并具有对一般无78%80%机化学问题进行理论分析和计算的能力3初步训练和培养学生的科学思维能力75%80%培养和锻炼学生的研究能力、表达能力和团队合作475%81%精神期中和期末试卷中的选择题、填空题及简单计算题主要考查学生对基本原理、基本知识的掌握情况，可反映课程目标1的达成度；期中和期末试卷中的复杂计算题、分析推断题及论述题主要考查学生对无机化学问题的综合理解及解决能力，可反映课程目标2 的达成度。科研创新案例融人混合式教学的实践表明，与2 0 2 0 年相比，2021学年课程目标1和2 的达成度均有所提高。大部分学生对融合科研创新案例的混合式教学模式表示肯定，认为该模式的实施有助于加深对知识点的理解、拓宽知识面、培养创新精神。在此基础上，教师结合所承担的科研课题，指导学生积极参与大学生创新训练项目、课外科技活动和相关竞赛，促使学生完成理论知识的扩展和深化。近年来，我校参与大学生创新实验及北京市大学生化学实验竞赛的学生人数不断攀升，课程组的“石墨烯复合水凝胶用于重金属离子的检测”项目在2019年度被评为北京交通大学国家级大学生创新训练项目，“数据驱动下石墨烯凝胶多孔结构的可控构建”项目在2 0 2 1年度中期被评为北京交通大学北京市级大学生创新训练项目。另外，课程组将科研论文写作融入教学，介绍学术研究与学术论文的关系、学术论文的基本格式、论文中各部分书写时常见的问题及原因，提升学生的写作能力、演讲能力、分析与总结归纳能力。课程目标3和4 的达成度是通过对上述科研活动的综合评107颜鲁婷，等.引入科研创新案例促进无机化学混合式教学价分析而得到的。与2 0 2 0 年相比，2 0 2 1学年学生的整体科研水平有所提升，特别是科研能力及团队合作能力有较大的提升。四、结语科研是高校发展的动力和源泉，将科研案例融人教学，有助于提高教学质量。无机化学课程教学团队通过对科研项目及成果进行梳理，凝练出具有代表性的科研创新案例，并将其融人混合式教学中，不仅提高了学生的学习兴趣、理解力和参与意识，而且提高了学生整体的学习效率和质量。教师也完善了自身的知识体系，更新了知识结构。今后，我们将投人更多的时间和精力，选择更多、更优秀的科研成果作为知识点应用案例融人教学，继续加强科研与教学的融合；同时积极开拓教学思路，进一步探索线上线下混合式教学模式，努力打造一流课程。（责任编辑：李丽妍）参考文献：1傅政，丁海，张倩，等.无机化学课程教学创新探讨J.化工管理，2 0 2 2（12）：3 1-3 3.2 薛东，高玲香，胡满成，等.突出创新思维和科学研究是加强无机化学教材建设的前提一一编写无机化学探究式教学丛书J.大学化学，2 0 2 2，3 7：217-222.3 李振，于丽波.“工程化学”SPOC的建设与教学效果J.化学教育（中英文），2 0 2 1，4 2（8）：2 3-2 7.4 钟国清杨定明.科研促进“无机及分析化学”教学的探索与实践J.中国电力教育，2 0 13，11：6 8-69,75.5 邹国栋，刘丽，史晚露.以科研促进教学，提高无机化学课程教学质量J.山东化工，2 0 19，4 8（4）：155-158.6 宦双燕，王玉枝.构建“葡萄糖”立体化教学案例启迪科研创新思维J.大学化学，2 0 18，3 3（4）：11-16.7谭亮，陈超，魏琳，等分析化学（一）教学与科研互促的实践探索J.大学化学，2 0 2 1，3 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