王文己　蒲亮　張忠

摘 ? ?要：理論講授可以引導(dǎo)學(xué)生高效地掌握知識，幫助學(xué)生梳理知識脈絡(luò);上機(jī)實踐有助于將抽象的知識形象化，加深學(xué)生對知識的理解;開放研討則增加了學(xué)生的課堂參與度，促使學(xué)生深入思考并積極討論，拓展了學(xué)生的知識面?！袄碚撝v授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體的教學(xué)模式必將有效地提高“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué);教學(xué)模式;化學(xué)

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2019）11-0019-03

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”是大學(xué)化學(xué)類專業(yè)的必修課程。該課程的教學(xué)內(nèi)容包含量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子結(jié)構(gòu)理論、分子結(jié)構(gòu)理論、配位場理論和晶體點陣?yán)碚摰取？偟膩砜矗敖Y(jié)構(gòu)化學(xué)”是利用量子力學(xué)原理和現(xiàn)代物理化學(xué)實驗方法，從微觀的角度來研究原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的科學(xué)?！敖Y(jié)構(gòu)化學(xué)”是基礎(chǔ)化學(xué)向高等化學(xué)攀登的階梯，絕大部分研究生階段的高等化學(xué)課程都以“結(jié)構(gòu)化學(xué)”為基礎(chǔ)。因此，“結(jié)構(gòu)化學(xué)”對培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)的高層次人才具有重要作用。

由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的研究對象是難以理解的微觀體系，不僅要有一定的數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)基礎(chǔ)，還要有嚴(yán)密的邏輯思維能力和良好的空間想象能力。因此，不僅教師會覺得這門課程難教，學(xué)生們也普遍有畏學(xué)情緒。此外，由于在本科階段“結(jié)構(gòu)化學(xué)”知識的使用率不高，所以學(xué)生們認(rèn)為“結(jié)構(gòu)化學(xué)”用處不大，因而不重視“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的學(xué)習(xí)。

為了改進(jìn)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的教學(xué)模式，從而使學(xué)生更容易更有興趣地學(xué)習(xí)[1-2]，很多高校做了大量工作[3]。蘭州大學(xué)通過“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程的網(wǎng)絡(luò)視頻增加學(xué)生對課程的理解;南開大學(xué)則在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程中增加了模型實習(xí)環(huán)節(jié)[4]，借助網(wǎng)絡(luò)和軟件提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果;南昌大學(xué)嘗試了在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)中增設(shè)量子化學(xué)計算實驗課[5]，從而化抽象為具體;中國礦業(yè)大學(xué)探索了小專題式教學(xué)法[6]，通過為各個章節(jié)設(shè)置小專題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果。但是，無論是網(wǎng)絡(luò)課程、模型實習(xí)，還是計算實驗、專題討論，任何單一的教學(xué)模式都很難達(dá)到很好的教學(xué)效果。

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程知識點的理論性和專業(yè)性很強(qiáng)，并且有大量的公式和抽象的概念，學(xué)生自我理解的難度很大，所以在該課程的教學(xué)過程中教師的講授仍應(yīng)處于主導(dǎo)地位。教師在講授過程中不僅要努力做到化繁為簡，更要注重對知識脈絡(luò)的梳理，給學(xué)生連貫的知識面而不是不連貫的片段。

純粹的理論講授枯燥而乏味，學(xué)生的參與度很低，

不僅容易讓學(xué)生心生厭倦，而且極易讓學(xué)生失去求知欲。這種情況下，在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程中引入上機(jī)實踐就顯得非常必要。將“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的抽象和難點內(nèi)容通過計算軟件來實驗化，讓學(xué)生親自動手用計算機(jī)做實驗，分析結(jié)果，可視化地驗證所學(xué)的理論知識，從而將理論講授與上機(jī)實踐結(jié)合起來。這不僅能夠使抽象的概念具體化，加深學(xué)生對知識的理解，而且通過讓學(xué)生主導(dǎo)實驗過程，從而提高學(xué)習(xí)積極性。

實際上，僅僅理論講授和上機(jī)實踐還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這主要是因為理論講授和上機(jī)實踐還是局限于對知識點的掌握，缺乏對知識的拓展，無法調(diào)動學(xué)生的深入思考。理論講授和上機(jī)實踐也往往以學(xué)生的個人學(xué)習(xí)為主，同學(xué)間缺乏討論，不利于將所學(xué)知識深化，也難以提升學(xué)生的思辨能力。通過設(shè)立開放研討課可以有效地克服這種弊端。依據(jù)課程內(nèi)容，選擇一些前沿的討論主題，讓學(xué)生去查閱資料，在課堂上發(fā)表自己的看法，相互討論，相互促進(jìn)。并且，學(xué)生的討論也會讓教師更好地了解學(xué)生的思維，從而指導(dǎo)和啟發(fā)教師的教學(xué)工作。

因此，將課堂講授與上機(jī)實踐有效地結(jié)合起來，并通過開放研討深化理解和拓展知識面，建立起一個“理論講授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體教學(xué)模式，這必將有效地提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

一、“理論講授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體教學(xué)模式的構(gòu)建

對于課程的每一章節(jié)，首先以教師為主講授理論知識;然后選取該章節(jié)的難點知識設(shè)計上機(jī)實驗，并指導(dǎo)學(xué)生完成實驗;最后根據(jù)該章節(jié)的知識點選擇研討主題，并引導(dǎo)學(xué)生完成研討課。在這個教學(xué)模式中，見圖1，理論講授能為上機(jī)實踐提供理論指導(dǎo)，而上機(jī)實踐又將理論知識具體化、形象化;理論講授為開放研討提供了理論依據(jù)，而開放研討又深化了對理論知識的理解;上機(jī)實踐為開放研討提供了事實依據(jù)，而開放研討強(qiáng)化了對上機(jī)實踐結(jié)果的認(rèn)識。

圖1 ?“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程三位一體教學(xué)模式示意圖

二、“理論講授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

依據(jù)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程知識點，按照“理論講授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體的教學(xué)模式，設(shè)計了如下教學(xué)內(nèi)容，見表1。

（一）理論講授內(nèi)容

理論講授主要依據(jù)周公度等主編的《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》教材進(jìn)行[7]。講授內(nèi)容主要包括量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子的結(jié)構(gòu)和分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、分子對稱性、配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、晶體及金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)這六部分。對每一部分內(nèi)容，授課要詳略得當(dāng)，突出重點和難點，并且要選取一些較易的知識點讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)。講授方式采用多媒體+板書的形式。多媒體的使用能使抽象的概念具體化，比如展示電子云、不同類型的原子軌道和化學(xué)鍵的形成過程。板書則主要用于引導(dǎo)一些基本公式的推導(dǎo)，比如由動量算符推導(dǎo)動能算符。

（二）上機(jī)實踐內(nèi)容

依據(jù)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教材的知識點，依照理論講授與上機(jī)實踐齊頭并進(jìn)、相互促進(jìn)的原則，擬定了相應(yīng)的上機(jī)實踐內(nèi)容。

1.量子力學(xué)基礎(chǔ)這一部分知識，薛定諤方程是最核心的內(nèi)容之一，而解薛定諤方程則是計算化學(xué)家們面臨的最大難題。實際上，除了個別特例，其他的薛定諤方程都需要計算機(jī)來求解。我們設(shè)計了一個利用計算機(jī)解一維薛定諤方程的實驗，通過這個實驗，可以讓學(xué)生們初步了解計算機(jī)解薛定諤方程的一般步驟，并學(xué)會分析計算結(jié)果。

2.原子和分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)這兩部分的上機(jī)實踐，主要利用Gaussian 09和GaussView 5這兩個軟件，讓學(xué)生使用計算機(jī)計算獲得原子軌道和分子軌道的能量、圖像和類型，并掌握自旋多重度，最高占據(jù)軌道和最低空軌道等概念。

3.分子對稱性這一部分內(nèi)容，通過二茂鐵這個分

子，讓學(xué)生學(xué)會如何利用GaussView 5構(gòu)建具有特定對稱性的復(fù)雜分子，了解不同對稱類型對能量的影響，并掌握通過計算獲得各個原子上的電荷分布。

4.配合物這一部分知識，我們設(shè)計了乙二胺四乙酸與鈣離子的配位反應(yīng)這個實驗，重在讓學(xué)生去了解配合物的空間結(jié)構(gòu)，掌握配位鍵的方式和類型，并進(jìn)一步分析分子的振動模式，學(xué)會紅外光譜和拉曼光譜的計算方法。

5.晶體和金屬這一部分的上機(jī)實踐，主要讓學(xué)生利用Materials Studio軟件構(gòu)建金屬的低指數(shù)晶面，并掌握計算小分子在晶面上吸附的基本步驟。

（三）開放研討內(nèi)容

開放研討是對理論講授和上機(jī)實踐的進(jìn)一步深化，也是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)理論做實踐的關(guān)鍵。每一次研討課都安排了兩個討論主題，一個相對簡單輕松，另一個則涉及到對所學(xué)知識的延伸。輕松的主題能夠增加學(xué)生的參與度，形成熱烈討論的氛圍，難度較大的主題則能讓學(xué)生深入思考，加深對所學(xué)知識的理解，也能夠讓他們將所學(xué)知識與當(dāng)前最前沿的科研進(jìn)展聯(lián)系起來。

教師應(yīng)充分地調(diào)研研討題目所涉及的材料，做好記錄，并且要設(shè)計好各個研討題目的課件，以引導(dǎo)和提示學(xué)生。在研討課的前一周，教師應(yīng)將研討題目和要討論的主要方面通知學(xué)生，以使得學(xué)生能夠查閱相關(guān)資料，形成自己的觀點。

1.薛定諤的貓：介紹薛定諤的貓的概念;討論對薛定諤的貓的各種解釋。

2.量子通訊：介紹量子通訊的概念、原理;討論量子通訊的歷史和研究進(jìn)展;分析量子通訊目前面臨的主要困難。

3.原子的焰色反應(yīng)：列舉常見金屬的焰色;分析不同金屬具有不同焰色的原因;討論能否通過計算預(yù)測金屬的焰色。

4.電子自旋共振與核磁共振的原理及應(yīng)用：介紹電子自旋和原子核自旋的概念;類比電子和原子核的自旋量子數(shù)、自旋磁量子數(shù)、自旋角動量、自旋磁矩、自旋角動量在磁場分量、自旋磁矩在磁場分量、磁場中的能級分裂;討論電子自旋共振和核磁共振的原理和應(yīng)用。

5.分子結(jié)構(gòu)相似性質(zhì)相近：列舉實例（例如：HCl和HBr都是強(qiáng)酸;As2O3和As2S3都有劇毒;N2和CO互為等電子體，物理性質(zhì)相近。），并分析原因。

6.分子熒光的產(chǎn)生和應(yīng)用：介紹熒光產(chǎn)生的原理、激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、熒光強(qiáng)度、熒光量子產(chǎn)率、斯托克位移、熒光壽命;討論熒光在照明、生化和醫(yī)療等方面的應(yīng)用;探討如何計算熒光激發(fā)和發(fā)射光譜。

7.對稱性是普遍存在于宇宙間的規(guī)律：討論直觀的對稱性，如動植物和分子的對稱性;研討抽象的對稱性，如時間對稱性（能量守恒定律）、空間對稱性（牛頓第一定律、動量守恒定律）、科學(xué)規(guī)律的對稱性（負(fù)電子與正電子、物質(zhì)與反物質(zhì)）等。

8.手性藥物：介紹什么是手性;分析如何識別手性分子;討論“反應(yīng)?！笔录?列舉具有手性的藥物分子，如氯霉素、Thalidomide、Ketamine、Penicillamine、Ethambutol等;探討如何獲得手性分子。

9.血紅蛋白輸氧原理：指出其中的配合物及配合物的中心離子;討論配位鍵的特征;分析二價鐵在輸氧和載氧過程中的作用;探討如何給人體補(bǔ)鐵。

10.金屬—有機(jī)框架化合物：介紹什么是金屬—有機(jī)框架化合物;列舉已經(jīng)合成的金屬—有機(jī)框架化合物，并指出其中的配位鍵;探討如何通過計算來分析配位鍵的穩(wěn)定性。

11.剛玉寶石：分析剛玉的成分（Al2O3）、晶體結(jié)構(gòu)、顏色與雜質(zhì)離子的關(guān)系;探討人造剛玉的合成和識別。

12.工業(yè)合成氨：討論反應(yīng)物濃度、壓強(qiáng)、溫度和催化劑對合成氨反應(yīng)速率和反應(yīng)平衡的影響;調(diào)研常用的合成氨催化劑;分析催化劑對反應(yīng)活化能和反應(yīng)路徑的影響;探討如何計算反應(yīng)的活化能。

三、結(jié)語

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程理論性強(qiáng)，公式推導(dǎo)多，概念抽象，不僅難教，而且難學(xué)。針對“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)過程中存在的問題，我們提出了理論講授、上機(jī)實踐和開放研討三者相結(jié)合的三位一體教學(xué)模式。在這種教學(xué)模式中，理論講授處于主導(dǎo)地位，通過理論講授能讓學(xué)生系統(tǒng)高效地掌握繁雜的知識。上機(jī)實踐是對理論講授的強(qiáng)力補(bǔ)充，它能將抽象的概念具體化，從而加深對知識的理解。開放研討則促使學(xué)生深入思考，既拓展了他們的知識面，又在一定程度上實現(xiàn)了學(xué)以致用?？傊?，“理論講授—上機(jī)實踐—開放研討”三位一體教學(xué)模式有望解決“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)過程中的諸多問題。

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