教学和科研是高校的两大基本职能，教学和科研一体化是现代大学的基本特征。2019年10月，教育部^[1]印发了《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，明确指出要推动科研反哺教学。科研对于教学的促进作用体现在两方面：一方面基于科研平台的建设，学生能够提前进入科研实验室，学生的创新实践能力得到提高；另一方面将最新科研成果转化为教学内容，既能使学生具有扎实的理论基础，又能够拓宽学生视野。

无机化学作为化学类本科生学习的第一门专业基础课，课程内容广泛，是分析化学、物理化学等多门专业课程的基础，因此无机化学课程的重要性不言而喻^[2]。我校化学专业于2020年入选教育部“双万计划”国家级一流本科专业建设点，结合国家一流专业的建设要求，积极探索新的教学理念和教学方法，成为本课程教学改革的核心内容，也是建设无机化学一流课程、支撑化学国家一流本科专业建设的重要引擎。在教学过程中，紧密契合我校培养“新时代知农爱农新型人才”的特色和目标，以立德树人为中心任务，实施科研反哺教学。这能够让学生认识到自己所学的知识有用武之地，并增强学生对专业的认同感，进一步激发学生的学习兴趣、科研兴趣；不仅为学生后续专业课的学习打好基础，还为其考研深造起到重要引领，由此可见在教学过程中探索科研反哺教学的重要性。

诸多高校针对化学专业实施科研反哺教学进行了探索^{[3, 4]}，但在实际的教学实践中仍存在以下问题：(1) 科研反哺教学的资源有限：化学是实验性强的学科，因此学生动手做实验是实现科研反哺教学的最佳方式，但目前很多地方高校由于科研实力弱、科研设备设施不足等资源限制导致科研反哺教学效果差^[5]。(2) 学生不能将科研内容及课堂知识相联系：目前学生在大学二年级甚至一年级就可能进入实验室，但是与科研相关的专业课程大多设置在大学二年级及以后，因此很多学生尤其是低年级的学生进入实验室后，不能真正地将自己在课堂上所学的知识应用到实验过程中，这对于学生后续科研道路的发展是不利的。因此，并不是学生进了实验室，就是我们做好了科研反哺教学。

针对科研反哺教学中存在的问题，武汉大学蔡苹等^[6]通过分析无机化学基本知识与相关的科研文献，提出了基础知识与前沿的协同作用；北京航空航天大学张东凤等^[7]以纳米材料的合成中涉及到的无机化学基础知识为例，阐述了基础知识与科学前沿课题之间的密切联系。上述研究虽然从表面上解决了“科研反哺教学资源有限”问题，但所引入的内容学习难度较大，学生参与度低。因此，为了增加科研反哺教学过程中学生的参与度，更好地将学科前沿内容融入课堂，提高科研反哺教学的教学效果，本文结合我校无机化学课程教学实践，探索建立了立足教材、追踪前沿的“三步法”科研反哺教学方法。

“立足教材、追踪前沿”的“三步法”科研反哺教学方法的架构如图 1所示。在该方案中，不仅要求教师深入研究教材内容，并且将教材中的知识点进行引申、关联到在科研过程中容易遇到的关键核心问题，再结合文献中报道的最新科研成果，将科学前沿的内容及做科研的逻辑思维方法融入到课堂中。同时，要求学生在学习了教材知识后，就与教材知识相关的科研问题查阅文献资料，并以小组的形式将自主学习成果在学习通平台分享，学生的这些工作会让其更好地将课堂知识与科研项目联系起来。另外，教师在课堂引入的前沿科学文献内容能够为学生的课外活动项目提供更多的选题灵感，拓宽学生的视野，为学生在参与课外项目以及后续读研或工作中能够更好地发展奠定基础。

结合以上思路，通过反复查阅相关文献及深入研讨教材内容，目前已经在无机化学课程的几个重点章节中引入了科研反哺教学的案例(表 1)。

下面以“沉淀的生成”这一节的课程内容设计为例，阐述立足教材、追踪前沿的“三步法”科研反哺教学方案的具体实施方法及其注意事项。

第九章沉淀溶解平衡中“沉淀的生成”这一节的内容，主要讲解“当$Q>K_{\mathrm{sp}}^{\ominus} $时，难溶电解质会形成沉淀”这一理论基础和涉及到的计算问题，重点探讨影响沉淀生成的条件，如改变沉淀剂的量和调节溶液的pH等(图 2)。

仅仅通过教材内容的学习，学生只会关注到什么时候会生成沉淀，并不会去深入思考学习了此知识点后会有哪些重要应用。当前乃至今后纳米材料的合成都是科学研究的一个热点领域，学生在日后的科研工作中极有可能会遇到纳米材料合成相关的科研课题，而沉淀法正是纳米材料合成方法中非常重要的方法之一。由于学生进实验室比较早，所以有必要在无机化学这样的基础课程中，将课堂知识与科研联系起来，拓宽学生的视野，为学生的科研之路做好铺垫。

对于这部分内容的教学，采用教师凝练并给出与教材内容相关的科研核心问题，学生课下查阅资料并以小组形式在学习通平台分享的办法进行。

沉淀的生成是一个比较复杂的过程，包括过饱和、成核、生长三个步骤(图 3)。把沉淀剂加入溶液中时，当达到沉淀的生成条件即$Q>K_{\mathrm{sp}}^{\ominus} $时，也就是达到过饱和状态时，离子间相互碰撞聚集成微小的晶核(成核过程)，溶液中参与沉淀的离子向晶核表面扩散，并沉积在微小的晶核上，晶核逐渐长大成为沉淀微粒(生长过程)。成核与生长的相对快慢会影响沉淀的类型：如果晶核生成的速率大大超过晶核长大的速率，则离子很快聚集为大量的晶核，溶液中就没有更多的离子扩散到晶核表面，这些晶核就会发生聚集而得到非晶沉淀；反之，如果晶核长大的速率远大于其生成的速率，溶液中最初形成的晶核不多，更多的离子就会以晶核为中心，通过有序地排列长大而生成晶形沉淀。因此，最终生成什么类型的沉淀，不仅取决于沉淀物质本身的性质，沉淀生成过程中的条件也是非常关键的，所以我们必须了解沉淀的形成过程和沉淀条件对沉淀颗粒特征的影响，以便控制适宜的条件，获得符合要求的沉淀类型。

纳米二氧化钛在涂料、化妆品、光催化等很多领域都具有广泛的应用，某小组学生课后自主学习了戴亚堂博士的博士学位论文^[15]，做出如下分享(图 4)。该论文采用化学沉淀的方法制备了介孔纳米二氧化钛粉体材料，通过正交实验讨论了表面活性剂种类及用量、陈化时间、焙烧温度等因素对于所得二氧化钛纳米粒子的比表面积、晶粒尺寸等特征的影响。研究结果表明，以聚乙二醇(PEG)作为模板剂加入到氢氧化钠溶液中，在快速地搅拌下缓慢加入硫酸氧钛溶液，经过陈化、干燥、焙烧后可得到锐钛矿型介孔纳米二氧化钛粉体。如果改变模板剂种类及用量或焙烧温度等制备条件，则可得到不同比表面积的介孔纳米二氧化钛粉体。其他小组的同学通过查阅资料，自主学习了二氧化硅、金属有机骨架材料、分子筛等自己感兴趣的纳米材料的沉淀法合成过程及其影响因素。这一学习过程锻炼了学生的自主学习能力以及小组成员之间的团队协作能力，将“要我学”转变成“我要学”，提高了学生的学习兴趣。另外，通过学习通平台的分享，学生不仅专注于自己关注的纳米材料，还能通过学习其他同学的成果分享更进一步地加深对这一科研核心问题的认识。

金属有机骨架(MOF)材料是由金属离子与有机配体经配位键结合而成的一种晶体材料^[16]，被广泛地应用于催化、吸附分离、储能等多个领域。虽然多种MOF的合成已经被多次设计成本科生综合实验^[17–19]，但是这些工作只介绍了如何合成MOF及其表征方法，并没有讲为什么要采用这种方法合成以及合成过程中涉及到的原理。

最简单的MOF合成方法就是将有机配体和金属盐按照一定比例在易挥发的有机溶剂或水溶液中溶解，然后通过蒸发或冷却的方式，让MOF材料结晶析出。合成MOF的这种溶液结晶的方法虽然形式上与我们前面介绍的沉淀法不同，但是本质上都包括“过饱和–成核–生长”三个阶段。

授课过程中引导学生思考MOF具体的成核细节是一个什么样的过程，这属于科学前沿的问题。可通过将相关的最新文献引入教学中：最新的科学研究表明^[14]，采用液相合成的条件，利用原位透射电子显微镜可成功地观察到MOF (ZIF-8)纳米晶在溶液中的成核过程。该过程(图 5)包括三步：第一步是相分离，在反应初始阶段，溶液中出现液-液相分离并形成溶质丰富区域；第二步是浓缩，已经形成的溶质丰富区域经过进一步浓缩，形成无定型的聚集体；第三步是晶化，无定型聚集体进一步晶化成ZIF-8立方体纳米晶。这项研究既可以给学生揭示具有多孔结构纳米材料的成核方式，也可为学生奠定纳米材料合成的理论基础。

“三步法”科研反哺教学为学生打开了“科研的大门”，学生积极响应“导师制”的号召，根据自己的兴趣和教师的研究方向很快确定自己的“导师”，进行科研活动。学生既能把在无机化学课程中学习的理论知识应用于科研实验中，提高对知识的理解和应用能力，还能在团队的科研氛围中，提升文献查阅能力及团队成员一起解决实验中遇到的问题的能力。例如，李同学将本案例中的“过饱和–成核–生长”理论应用于多孔聚合物的合成中，在导师的指导下，通过控制咔唑与二甲氧基苯的反应条件，合成了多孔有机聚合物，并将其用作固相萃取吸附剂，实现了蔬菜中的三嗪类除草剂的高效富集与检测，相关结果发表在Food Chemistry杂志^[20]。赵同学所在的新能源团队，基于沉淀生成的原理，利用共沉淀法合成Ni₃S₂@MoS₂纳米材料，将其用作电催化剂，测定其在碱性条件下催化析氢反应的性能，初步实验结果比较理想，相关实验还在进一步的考察验证。

无机化学课程自实施“三步法”进行科研反哺教学以来，不仅本课程的教学效果得到明显改善，学生的科研兴趣、科研能力得到提升，学生的创新能力等综合素质也得到进一步提高，可有效助推化学国家一流课程的建设。

本课程实施“三步法”科研反哺教学，学生在轻松的学习气氛中对课本知识有了更深入透彻的理解，平时的阶段测试可以看出学生对于课本知识点的掌握程度得到了巩固。对比期末考试成绩可知(图 6)，“三步法”科研反哺教学实施后学生的学习成绩明显提高：平均分由72.33提高到75.17，优秀率从34.92%提高到41.94%，及格率甚至达到了95.16% (实施前是87.3%)，说明该方法的实施可有效“反哺”教学。

“三步法”科研反哺教学方案还提高了学生的逻辑思维能力，为后续课程的学习奠定了基础。后续课程的任课教师反馈85%以上的学生在后续学习中能够紧密连接无机化学的知识点，而且还会在所学的基础上进行拓展应用，在学习中遇到问题时，学生能够尝试自行查找相关的知识和文献进行解决，具有较强的解决问题的能力。

“三步法”科研反哺教学实施过程中，学生通过参与文献调研及分享学习成果，对科研方向有了一定的了解，能够初步理解教师所从事的科研课题，在选择“导师”时能够结合自己的兴趣及教师的科研内容选择更有兴趣的科研方向，并通过科研活动提升科研能力。调查显示实施“三步法”科研反哺教学后，90%的学生进入实验室后，能够将所学知识应用到所做的实验中，能更迅速地关注到实验中存在的关键科学问题，这使得学生的科研工作能够更顺利地开展，从而使得学生的科研能力大幅提高。部分学生的科研成果发表在国内外学术期刊上，发表论文的数量和质量均得到提高(图 7)，近几年每年都能发表1–2篇SCI收录的高水平论文。

“三步法”科研反哺教学的实施，在学生具备基本科研能力的基础上，通过学习教师在课堂上引入的科学前沿文献，为学生参与各类创新创业项目提供了创新的源泉。本课程组的教师积极响应国家及学校创新创业教育政策的号召，积极参与“双创”建设，获批“凯米斯垂”“绿色搬运工”“以杆探源”等多个创新工作室，学生依托创新工作室，参加创新创业项目。由图 7可知，学生借助科研课题主持的大学生创新项目数量逐渐提高，由原来的几项逐渐到现在的近20项；图 8是学生在科研课题方面所取得的部分成果示例，学生所主持的大创项目的级别也由校级逐渐提升到省级、国家级。其中“构建绿色吸附剂用于灵敏检测环境水中的硝基咪唑类抗生素”项目在第一届河北省大学生化学实验创新设计竞赛中取得特等奖；“核净界-一种新型生物钟吸附剂”荣获省级“互联网+”比赛金奖、省级大学生挑战杯比赛一等奖，组建的凯米斯垂学生团队荣获2020年校级创新创业优秀团队，被遴选为河北农业大学学生创新创业联盟成员。

无机化学课程通过实施立足教材、追踪前沿的“三步法”科研反哺教学方案，解决了科研反哺教学中存在的两大难题，教学效果好，学生学习积极性高，学生的科研实践及创新能力也得到显著提高，有效地支撑了化学国家一流本科专业建设。本课程探索的“三步法”科研反哺教学方案具有易实施、成效好的特点，能够为其他课程实施科研反哺教学提供借鉴，具有较强的推广应用价值。