晒晒我在中科大少年班的化学课程设计与实践

这博文的修改稿已发表在《教育与现代化》（2010年12月），可从中科大网站下载PDF文件（http://staff.ustc.edu.cn/~luo971/USTC-Chem-One.pdf）。

罗渝然 (Yu-Ran Luo), luo971@ustc.edu.cn

2008年秋,科大恢复了少年班大一的化学课程。这是国内化学教学众多改革中的新尝试之一。我从美国回来，接受了讲授少年班化学课的任务。我面临不熟悉的新环境，碰到了许多没有预料的困难。本短文将汇报，如何把在海外体验和国内情况结合，确定教学内容和教学大纲，设计课外作业与思考题，考核与考试，受到学生欢迎等实际过程。本文呼吁，国内应当出版多方位的、有不同特色的、反映化学催生新学科、新前沿、新热点的新教材。

30年来,中国科技大学的少年班不断地坚持创造性的进行教学改革的探索。最初,科大少年班是五年制,“普通化学”是必修课之一。自从我国大学改为四年制后，科大也砍掉了化学课。2008秋，才开始恢复。
 
1．确定教学内容
现代科学的许多大热门，如能源、材料、信息和健康，这些问题都离不开化学知识。科大恢复少年班大一新生的化学课程，一个学期，（实际）74-76学时，是明智之举。
如何确定教学内容和选择教材，是一个大难题。少年班学生的大一化学课，应当区别于化学和生物专业的化学课。应在有限的课时内，不仅传授化学的最基本原理，而且应当介绍这些原理在现代科学中的应用，特别是在现代新兴学科中的应用。

检索国内已有的“普通化学”、“化学原理”、“大学化学”等大一教材，都不具备我们期望的特色。检索国外出版的相应教材，一部分书籍具备我们期望的特色，例如J.A. Suchocki编写的Conceptual Chemistry ? Understanding Our World of Atoms and Molecules. 它已被我国的“国外高校优秀教材审定委员会”推荐，购买了在大陆境内发行影印本的权利，由机械工业出版社影印发行（2002年印刷），中文书名定为“化学原理”。我从美国邮购了该书的第3版（768页）。2007年出版了第3版(2007)比第2版(2002)增加了121页。Suchocki的该教材分两大部分，前12章介绍化学基本原理，后8章是介绍化学与生活中的化学物质、药物化学、食品与粮食生产、水资源、空气资源、新材料、能源、和生物聚合物。这些广博的内容和新知识将吸引青年学生，有利于他们日后进入社会时更好地发挥综合才能。

Suchocki的教材很少介绍量子力学和热力学的内容。而这两项科学内容，国内的大一教材，却花了很多笔墨和学时。我们认为，国内教材这样的安排，未必适合于大一的非化学专业的学生（包括少年班），因为他们将在后续的物理学课程中系统深入地学习量子力学和热力学。

阅读美国的相应教材，我们都会发现，他们教材的起点要比国内大一教材的低得多。原因是美国的高中教育水平，不值得称赞。美国中学生的数理化教学平均水平低，在口头表达方面比国内学生要强，但笔头和应试方面比我们的差。Suchocki的教材的低起点适合于美国的国情，不适合于国内。我们相信，尽管Suchocki教材和海外类似书籍中的许多优点，值得我们的借鉴，但不适合作为科大少年班学生的化学教材。

由于三个月还找不到适当的中文版教材,开课前七天，我匆忙地挑选了北京大学华彤文老师主编的“普通化学原理”（第3版，2005），作为教学参考，因它被评为“优秀教材”，声誉很好。但在日后的教学实践中，我和学生们才发现，这本化学系学生用书，虽17年内，三次修订改编，仍有多处缺陷，如部分内容陈旧，十余处科学论述欠妥。

2．确定教学大纲
我经与科大张祖德等优秀教师及有关部门协商讨论之后，确定教学大纲包括两大篇(一,化学基本原理; 二, 化学催生新学科、新前沿、新热点)，二十三章。具体的各章节、小节与课时安排，可从我的主页（http://staff.ustc.edu.cn/~luo971）看到。
在课堂上，结合具体讲授，我插入了现代科学技术的许多新内容，例如：软物质、元素起源、原子簇（团簇）、超分子、可燃冰、石墨烯、纳米技术和纳米材料，量子化学，细胞膜中的水和离子通道，化学“第零”定律，振荡反应、化学反应的三层次、表面上的原子簇、表面过程的基本类型、光化学与视觉化学、绿色化学、大气层演化、生物聚合物等等。

3．设计课外作业与思考题
为了培养学生的综合素质，我设计了目前“题库”中没有的课外作业。例如：
（1）利用Internet，查阅什么是暗物质? 写出50-500个字的简短回答。
（2）2028年，科大70周年校庆时，“中国科大1号”载人飞船进入外太空。宇航员张小虎博士测量得到，飞船周围每升平均一个粒子。请你预测外太空的压力是多大？
（3）关于235UF6和238UF6的扩散速率之比, 北大教材的第19页给出值是1.004, 但课堂上罗老师给出值是1.00429816. 请回答, 哪个答案符合误差理论? 你能找出第19页例2.9计算时的问题吗?假如你是该工程的设计师或负责人，你愿取哪个值? 为什么?
（4）邀请你担任一次稿件和书籍的评审员（reviewer）。对比北大教材p.55和p.33两张表格中的数据，说说你对作者(投搞人)有什么建议。
（5）人们已测定宇宙中的元素丰度。你能利用这些信息，推测出宇宙中头三种丰度最高的分子吗?
（6）请对比北大教材285页的表12.5和94页的表5.2. 你还相信平均键能概念是可靠的吗? 为什么? 
（7）从2004年起，石墨烯(graphene)成了物理学和化学中最热门的议题之一。你知道为什么吗? 请给出200-500字的回答。
（8）在常温和常压下，热化学的数据表明，从金刚石到石墨的过程是自发的。请利用手册的资料，计算这过程的?G. 请猜想，为什么你没在常温和常压下观测到该过程? 

此外，我结合当前的科研新动向，给出课外思考题。例如：“请写出水的分子式”。我告诉学生，科学是无止境的，目前这问题至少有四种答案。你的回答，折射出了你的学术水平高低，你是高中生（~220年前）水平？大学生（~80年前）水平？水溶液科学的研究生水平或专家水平？相当多的学生对这类“怪”问题有很浓厚的兴趣。
我用多媒体, 放动画和幻灯片, 介绍有趣的网站和优秀的工具书。我提供一些与教学有关的科普材料和科学史，放在网上，安排学生课外阅读和讨论。
参照美国教学方法，我邀请部份学生（~1/3）分期分批地到我家做客，交朋友。我们畅聊人文、历史、哲学、社会和海外见闻等，这使我加快熟悉了学生们的个性、爱好、现况、要求和期望。

4．考核与考试
我看重学生平时努力和学习主动性，安排近十次课外作业，占总成绩40%，见下表：

考核方式                         成绩%
课外作业                         40%
期中笔试(1 hrs,开卷)      20%
期末笔试(2 hrs,开卷)      40%
期末Seminar (自选)        20% （加分）
总成绩                           100% 和加分

期中和期末，各安排笔试一次，开卷考试，允许学生携带任何材料、这包括笔记、课件、任何习题解答与参考书、计算机等。但不许交头接耳与外界通讯作弊。有趣的是，期末笔试虽然完全开卷，但160位学生的成绩范围是58-99分，无人满分！

针对国内学生不如美国学生那样爱张扬，口述科学能力比较低的现象，我设计了期末Seminar 的自选项目。凡演讲与化学有关的题目，都允许。160人中，88%的学生报名参加演讲会。每人演讲八分钟，限三人提问，提问者获加分鼓励。许多学生对口述科学的训练方式，兴趣很高。特别是，几组学生在化学实验课老师的帮助下，设计他们有兴趣的化学实验并录像，挑战YouTube和Google网站介绍的结果，讲述自己观点。我被作者们允许，他们的素材可用来充实今后的化学教学。

5．小结 
 (1)科大恢复少年班的大一化学课程，确实调动了学生学习现代科学知识的积极性，开拓了大一新生的知识面, 为他们提供了比较全面和广博的科学训练。
 (2)编写适合少年班学生的化学教材，是一项教学创新工作，应当列入教材改革的课题。

这博文的修改稿已发表在《教育与现代化》（2010年12月），可从中科大网站下载PDF文件（http://staff.ustc.edu.cn/~luo971/USTC-Chem-One.pdf）。