結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)改革的探討與實踐

莊志萍 陳玉鋒 左明輝

(牡丹江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 黑龍江牡丹江 157012)

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是高等學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要是反映20世紀(jì)初以來，科研工作者在研究物質(zhì)微觀體系得出的諸多化學(xué)理論和規(guī)律[1]。在課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅需要嚴(yán)密的邏輯思維能力，還要有較好的空間想象能力，同時要有一定的高等數(shù)學(xué)及大學(xué)物理專業(yè)的基礎(chǔ)知識，方能從化學(xué)角度認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能之關(guān)系。地方院校結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的困難主要源自兩方面，在客觀上，結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容難度較大，所研究體系更是難以觸摸的微觀體系；在主觀上，化學(xué)專業(yè)的學(xué)生往往習(xí)慣于從實驗現(xiàn)象來認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，從分子的組成方式來探討反應(yīng)機理，這種思維方式使學(xué)生較難接受物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論演繹方法，普遍存在難懂難學(xué)的狀況，很多學(xué)生甚至戲稱結(jié)構(gòu)化學(xué)為“天書”。本文針對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的困難，介紹自己在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革探索中的經(jīng)驗，并提出一些建議。

1 強調(diào)學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的重要性與必要性

提高學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)效果關(guān)鍵要靠學(xué)生自身。作為教師，首先要向?qū)W生介紹學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性和必要性。結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)理論課，是化學(xué)的理論基礎(chǔ)，它在高?；瘜W(xué)專業(yè)的課程結(jié)構(gòu)中占有重要地位。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程討論的重要問題是化學(xué)鍵，即從量子力學(xué)規(guī)律出發(fā)，通過邏輯思維和數(shù)學(xué)方法處理，弄清楚原子間相互結(jié)合的方式和作用力的本質(zhì)。內(nèi)容包括原子的結(jié)構(gòu)，特別是核外電子的運動狀態(tài)以及原子間是如何相互作用而形成分子的；其次，討論分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，以及由此而決定的物質(zhì)的性質(zhì)。結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代科技進(jìn)步，特別是在材料、信息、能源等領(lǐng)域，各種具有特殊性能的新材料的發(fā)現(xiàn)，遵循結(jié)構(gòu)決定性能、性能反映結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。因此學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)，無論對學(xué)生未來從事教學(xué)還是科研工作都具有重要的意義。在重點院校中，學(xué)生素質(zhì)相對較高，數(shù)學(xué)、物理學(xué)習(xí)能力普遍較強，對結(jié)構(gòu)化學(xué)的作用與地位認(rèn)識也相對較好，可能較少存在結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念；而在地方高校的化學(xué)專業(yè)學(xué)生中，有相當(dāng)一部分學(xué)生存在認(rèn)識誤區(qū)，特別是有一些不考結(jié)構(gòu)化學(xué)的考研學(xué)生和畢業(yè)后將從事中學(xué)教學(xué)的學(xué)生具有“結(jié)構(gòu)化學(xué)無用”的思想。作為教師，應(yīng)該認(rèn)識到這一問題的嚴(yán)重性。通過這幾年的實踐證明提高學(xué)生認(rèn)識，堅定學(xué)習(xí)信心，對消除學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)“無用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開課之前必須詳細(xì)介紹該課程在整個化學(xué)中所處的地位和作用，闡明學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要意義。

2 注重對量子化學(xué)發(fā)展史和研究結(jié)構(gòu)化學(xué)的科學(xué)方法的介紹

任何一門學(xué)科都有其發(fā)生和發(fā)展的過程，學(xué)習(xí)知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當(dāng)成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應(yīng)該介紹量子化學(xué)發(fā)展史，學(xué)習(xí)科學(xué)家勇于探索的精神，由師生共同創(chuàng)造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M.Planck)的“離經(jīng)叛道”的假設(shè)；德布羅意(de Broglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C.Davisson)-革末(L.H.Germer)的因禍得福；狄拉克(Dirac)、薛定諤(E.Schr?dinger)的異曲同工——薛定諤用數(shù)學(xué)形式開辟出量子力學(xué)的新體系；另外，還有一個德國物理學(xué)家海森堡提出一個矩陣力學(xué)體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數(shù)形式；湯姆遜(Thomson)父子的珠聯(lián)壁合——父親發(fā)現(xiàn)了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學(xué)方面進(jìn)行接力研究，在科學(xué)史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規(guī)則，唐敖慶的獨辟蹊徑等[2]?？茖W(xué)的先驅(qū)是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進(jìn)，他們的精神值得我們敬佩。學(xué)生聽到和看到這些史實，無不浮想聯(lián)翩，對優(yōu)化思維結(jié)構(gòu)，激發(fā)科學(xué)壯志都有潛移默化的作用。

在傳授理論知識的同時，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會抽象思維和用數(shù)學(xué)工具處理問題，并運用類比、模擬的科學(xué)方法[3]，寓科學(xué)方法于教學(xué)內(nèi)容中。類比方法是提出和建立科學(xué)假說的重要方法。例如德布羅意假設(shè)是在光的波粒二象性思想啟發(fā)下，提出電子等實物微粒也具有波動性，他當(dāng)時推導(dǎo)固然復(fù)雜些，從科學(xué)方法論的角度講, 由光的波粒二象性到實物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，推出它們在其他方面也可能相似或相同的思維方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發(fā)展科學(xué)知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質(zhì)波假說的啟發(fā)，引出了電子運動的波函數(shù)方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學(xué)問題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡捷的思維路徑。使學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的同時，得到方法論的啟迪。

在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生追蹤量子化學(xué)發(fā)展的足跡，不失時機地揭示其中的科學(xué)方法，更清楚地了解各種知識理論的相對合理性及有待完善的地方。這樣使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅可以獲得化學(xué)知識，而且能學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神。

3 通過改進(jìn)課程教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

3.1 使用多種教學(xué)方法

培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力與創(chuàng)新能力，是結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)的重要目的。課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的主要和基本的學(xué)習(xí)形式。課堂教學(xué)質(zhì)量的高低與課堂教學(xué)方法的運用有很大關(guān)系。以前我們采用的是“一言堂”的教學(xué)方式，這種教學(xué)方法壓抑了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的積極性和主動性，因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活地采用不同的教學(xué)方法是提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課教學(xué)質(zhì)量的重要手段。結(jié)構(gòu)化學(xué)雖是理論性較強的學(xué)科，但與其他學(xué)科一樣，來源于對實驗現(xiàn)象的分析、思考，且要通過實踐來檢驗其結(jié)論正確與否，內(nèi)容博大精深，集科學(xué)性、思想性于一體，并具有前沿性。結(jié)構(gòu)化學(xué)教師必須重視對結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)方法的研究，針對不同教學(xué)內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法，更好地提高教學(xué)質(zhì)量。我們采用的教學(xué)方法主要有：啟發(fā)式教學(xué)、互動式教學(xué)、討論式教學(xué)、對話式教學(xué)、模型教學(xué)和專題式教學(xué)，并布置小論文，開展學(xué)生的科技活動。如在課程討論時將學(xué)生分成幾個學(xué)習(xí)小組，針對不同主題進(jìn)行討論，并在課堂上交流。把個體作業(yè)學(xué)習(xí)與大組討論交流結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。如布置“超分子結(jié)構(gòu) ”為主題的小論文，許多學(xué)生通過期刊和網(wǎng)絡(luò)收集了大量與超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)有關(guān)的信息，從不同角度撰寫了心得體會和小論文，有的學(xué)生還發(fā)表了自己的設(shè)想和見解。課程教學(xué)討論不僅豐富了學(xué)生的知識 ,而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.2 利用多媒體輔助教學(xué)

在有限的教學(xué)時間內(nèi)運用現(xiàn)代化教學(xué)手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學(xué)生在直觀、生動的學(xué)習(xí)中加深對理論的理解。目前，我們研制的結(jié)構(gòu)化學(xué)CAI課件已連續(xù)使用幾屆，受到學(xué)生的好評。例如講授等徑球密堆積時，無論用黑板繪圖或圓球模型展示表現(xiàn)得都不夠清楚，現(xiàn)在用多媒體課件，動態(tài)演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。

3.3 必修課與選修課相結(jié)合

在上好必修課的同時，開設(shè)量子化學(xué)、波譜學(xué)、化學(xué)中的數(shù)學(xué)方法等選修課，理論與實踐相結(jié)合，以科學(xué)方法啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思想。

3.4 以科研促教學(xué)

從專業(yè)基礎(chǔ)知識的結(jié)構(gòu)上看，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是基礎(chǔ)課和專業(yè)課的樞紐課程，是介于本科生學(xué)習(xí)和畢業(yè)論文之間承上啟下的課程。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性強 ,但實踐性也很重要，有些知識一直影響到學(xué)生的碩士、博士學(xué)位論文[4]。因此，科研進(jìn)教學(xué)、教學(xué)促科研的雙向互動就顯得很重要。結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容基本是20世紀(jì)的科研成果。我們發(fā)揮科研背景優(yōu)勢，在教學(xué)中不斷將當(dāng)前的科研成果融入教學(xué)，以使課堂內(nèi)容具有豐富性、代表性、創(chuàng)造性和啟發(fā)性，能跟上時代前進(jìn)的步伐。在開展第二課堂活動中，通過設(shè)計專題科研實驗，使學(xué)生能有更多機會加入到自身科研之中，有時間和空間從事自己有興趣的課題研究；通過使用 Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結(jié)構(gòu)及其軌道圖;利用Gaussian98 以及GaussView等專業(yè)軟件開展分子設(shè)計與量子化學(xué)計算模擬實驗，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)與理解自洽場運算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學(xué)性質(zhì)、簡諧振動、對稱性等相關(guān)知識。在科研過程中，學(xué)生有了正確的科研方向和學(xué)習(xí)目的，能有針對性地查閱最新資料，及時了解學(xué)科前沿，從而改變了被動學(xué)習(xí)的局面。

4 考核方式

傳統(tǒng)的理論課程的綜合成績以期末閉卷考試成績?yōu)橹鳎己朔绞絾我?，容易?dǎo)致學(xué)生過分依賴平時的課堂教學(xué)內(nèi)容、課堂筆記、作業(yè)及復(fù)習(xí)提綱，養(yǎng)成死記硬背、懶于思考的習(xí)慣。為了避免學(xué)生單純應(yīng)付考試，我們設(shè)計了綜合評定學(xué)生成績的方法——采用結(jié)構(gòu)分制進(jìn)行考核，對理論課采用平時成績和閉卷考試相結(jié)合的辦法考查學(xué)生的成績，平時成績占40%，終考成績占60%；平時成績包括課堂提問，出勤情況，上課認(rèn)真聽講程度，討論發(fā)言情況，課后作業(yè)及布置的小論文完成情況等。不提倡只學(xué)不練，平時不做作業(yè)，期末套考試重點等現(xiàn)象。

平時成績占40分。包括：① 課堂提問考核、討論發(fā)言情況占10分，主要考察學(xué)生理解能力、分析能力、邏輯思維能力和表達(dá)能力，有利于探究型課堂氣氛的建設(shè)，促使學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。② 考察撰寫課程小論文的能力占10分，要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識，參考有關(guān)文獻(xiàn)或資料，解釋化學(xué)中的一些具體的問題。這有利于學(xué)生主動學(xué)習(xí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析問題和解決問題的能力。③ 按質(zhì)按量完成作業(yè)占10分。④ 出勤情況及上課認(rèn)真聽講程度占10分。這主要是為了引導(dǎo)學(xué)生注重學(xué)習(xí)過程，遵守紀(jì)律，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，并養(yǎng)成持之以恒的精神。

閉卷考試占60分。包括：① 力求題型多種多樣，注重考察學(xué)生運用知識的能力。考核重點是基本理論、基礎(chǔ)知識和基本技能以及學(xué)術(shù)發(fā)展的新內(nèi)容，著重考核學(xué)生對所學(xué)知識的理解程度和分析問題、解決問題的能力。② 根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)大綱的具體要求，已經(jīng)建立了科學(xué)性、實用性較強的試題庫。③ 試題要規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，難易適當(dāng)，題型要合理，力求比較準(zhǔn)確地考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。④ 評分標(biāo)準(zhǔn)要科學(xué)、嚴(yán)格、公正、杜絕人情分；采用流水閱卷方式，每學(xué)期期末考試要進(jìn)行試卷分析和總結(jié)。

以上是我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)改革實踐的經(jīng)驗和建議，該課程在2006年被評為黑龍江省精品課程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，課程的知識結(jié)構(gòu)應(yīng)該有新的變化，科學(xué)方法論也在不斷完善，因而教學(xué)改革也是無止境的。只有不斷探索教學(xué)規(guī)律，堅持進(jìn)行教學(xué)改革，才能更好地培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 庚弘朗.廣東化工,2009,36(191):160

[2] 唐鶴立.撫州師專學(xué)報,1994(1):102

[3] 潘道凱,趙成大,鄭載興.物質(zhì)結(jié)構(gòu).第2版.北京:高等教育出版社,1994

[4] 陳建中,林樹坤,黃長滄,等.大學(xué)化學(xué),2006,21(1):17