結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)*

李曉東

(南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210046)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)5大基礎(chǔ)課之一，它以電子構(gòu)型和幾何構(gòu)型為兩條主線，系統(tǒng)講授3種理論和3類(lèi)結(jié)構(gòu)：量子理論和原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣?yán)碚摵途w結(jié)構(gòu)。它可為本科生打下3方面基礎(chǔ)：量子化學(xué)基礎(chǔ)、對(duì)稱(chēng)性原理基礎(chǔ)、結(jié)晶化學(xué)基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)對(duì)于建立微觀結(jié)構(gòu)概念、掌握現(xiàn)代測(cè)試方法具有不可替代的作用。以前大家一談到化學(xué)，都會(huì)不約而同地說(shuō)到化學(xué)是一門(mén)純實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，1998年科恩和波普分別以密度泛函理論和量子化學(xué)計(jì)算方法獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，使得理論化學(xué)的發(fā)展邁向新的高峰，使化學(xué)真正成為了理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)科。而將化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)真正結(jié)合在一起的正是結(jié)構(gòu)化學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性日益突顯。然而，由于結(jié)構(gòu)化學(xué)的內(nèi)容涉及較多的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課時(shí)普遍有一種畏難情緒，常常是被動(dòng)地學(xué)，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)在他們看來(lái)是一件非常痛苦的事情。那么作為教師如何在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生的學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)，變痛苦為快樂(lè)，這就需要不斷地加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。俗話說(shuō)“興趣是最好的老師”，學(xué)生只有有了學(xué)習(xí)興趣，作為教師才能夠切實(shí)提高課程的教學(xué)效果。下面以具體的教學(xué)案例為例，從3方面介紹如何在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

(1) 科學(xué)趣事的介紹可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容大多較為抽象[1-3]，若在教學(xué)中適當(dāng)?shù)亟榻B一些科學(xué)趣事可以使枯燥的內(nèi)容變得有趣，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

教學(xué)案例1：黑體輻射。 開(kāi)爾文在1900年4月27日英國(guó)皇家學(xué)會(huì)講演時(shí)充滿自信地說(shuō)：“物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來(lái)的物理學(xué)家只需要做些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就行了”[4]。另一方面他又指出：“動(dòng)力學(xué)理論斷言熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，可是現(xiàn)在，這種理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了”[5-6]。然而正是這“兩朵烏云”才真正地為我們打開(kāi)了認(rèn)識(shí)微觀世界的大門(mén)?！盀踉啤敝痪褪墙裉煲v的“黑體輻射”，為此普朗克提出了能量量子化的概念，標(biāo)志著量子論的誕生。這樣，通過(guò)對(duì)量子論提出背景的介紹，既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，又很好地切入了教學(xué)主題。

教學(xué)案例2：光子學(xué)說(shuō)。教師提問(wèn)：“愛(ài)因斯坦一生最大的成就是什么呢？”學(xué)生答：“相對(duì)論”。教師介紹：“但是愛(ài)因斯坦卻是以‘光子學(xué)說(shuō)’獲得了1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)有些著名的物理學(xué)家拒不接受相對(duì)論，甚至有人說(shuō)，如果為相對(duì)論頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)，他們將退回已獲的諾貝爾獎(jiǎng)。更為有趣的是，盡管愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)是在受普朗克能量量子化的影響下提出的，但是普朗克卻對(duì)光量子理論持否定態(tài)度，反而對(duì)相對(duì)論給予了很高評(píng)價(jià)，這不能不說(shuō)是科學(xué)史上的一大趣事。那么讓愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾獎(jiǎng)的光子學(xué)說(shuō)具體內(nèi)容有哪些呢？它又是如何成功地解釋光電效應(yīng)的呢？”由此可以很好地切入到光子學(xué)說(shuō)這部分內(nèi)容。

教學(xué)案例3：休克爾分子軌道理論。在講解這部分內(nèi)容時(shí)，可以先介紹休克爾的背景以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情：“埃里?！ば菘藸栐臼菍W(xué)物理的，受其兄——有機(jī)化學(xué)家瓦爾特·休克爾的影響，后來(lái)轉(zhuǎn)攻化學(xué)。由其提出的休克爾分子軌道理論在有機(jī)化學(xué)中得以廣泛應(yīng)用，用以解決共軛分子的結(jié)構(gòu)，探討分子的性質(zhì)和反應(yīng)性能，最終他的成就和名聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其兄。這種跨學(xué)科的學(xué)者作出重大發(fā)現(xiàn)的故事可以帶給我們哪些啟發(fā)呢？”

(2) 寓教于樂(lè)，讓學(xué)生在快樂(lè)中學(xué)習(xí)。

教師在教學(xué)中應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)自己的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在快樂(lè)中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中體會(huì)快樂(lè)。

教學(xué)案例4：分子對(duì)稱(chēng)性。這一部分內(nèi)容最重要的教學(xué)目標(biāo)就是能夠讓學(xué)生快速、準(zhǔn)確地判斷分子所屬點(diǎn)群。在介紹這部分內(nèi)容之前，教師先提問(wèn)：“武功的最高境界是什么呢”，學(xué)生答：“無(wú)招勝有招”；教師：“學(xué)習(xí)分子對(duì)稱(chēng)性的基本過(guò)程實(shí)際上與武功的修煉是一樣的，基本過(guò)程如下：心中無(wú)招，手中無(wú)招(完全不懂)→ 心中有招，手中無(wú)招(學(xué)習(xí)了分子對(duì)稱(chēng)性的基本概念，了解了各類(lèi)點(diǎn)群的特點(diǎn)，但還不知道如何去應(yīng)用)→ 心中有招，手中有招(學(xué)習(xí)了分子點(diǎn)群的系統(tǒng)判斷法，能對(duì)簡(jiǎn)單分子點(diǎn)群進(jìn)行判斷)→ 心中無(wú)招，手中有招(擺脫系統(tǒng)判斷法的束縛，能夠很好地使用各種已找到的對(duì)稱(chēng)元素進(jìn)行分子點(diǎn)群的判斷，特別是對(duì)難度較大的Dnd和Dn群[7])→ 心中無(wú)招，手中無(wú)招(最高境界，能夠快速、準(zhǔn)確地判斷分子所屬點(diǎn)群)。”教師：“接下來(lái)我們就先從基本功來(lái)學(xué)起，介紹分子對(duì)稱(chēng)性的基本概念：什么是對(duì)稱(chēng)元素和對(duì)稱(chēng)操作”。通過(guò)這樣的介紹，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以得到很好的培養(yǎng)。

教學(xué)案例5：對(duì)稱(chēng)中心和反演操作。講解這部分內(nèi)容可先從一個(gè)小游戲開(kāi)始[8]：“每人輪流在一個(gè)大的國(guó)際象棋棋盤(pán)上放一枚硬幣。硬幣可放在盤(pán)上任何地方，只是不要與已放的硬幣重疊。如果愿意的話，一枚硬幣可以蓋上多于一個(gè)的方格。一旦放上，就不能再動(dòng)。當(dāng)一方發(fā)現(xiàn)在棋盤(pán)上沒(méi)有再放一枚硬幣的地方時(shí)，他就輸了。用最好的下法，是放第一枚硬幣者還是其對(duì)手取勝呢？給出取勝的策略?！苯處熃o出答案：“很顯然是放第一枚硬幣者可以穩(wěn)操勝券。策略：第一枚硬幣放在棋盤(pán)的中心位置，對(duì)方不管在哪里放硬幣，你只需要在其所放位置與棋盤(pán)中心相連反向延長(zhǎng)等距離的位置放置硬幣即可，只要對(duì)方有地方可放，你就必然可以找到相應(yīng)的位置(圖1)”。接著講解：“上述策略所依據(jù)的原理就是今天要講的對(duì)稱(chēng)中心和對(duì)稱(chēng)操作”。

圖1 硬幣游戲取勝策略

(3) 教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的熱情。

教學(xué)中應(yīng)不斷更新教學(xué)內(nèi)容，常教常新，使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，盡可能反映學(xué)科的最新進(jìn)展，真正做到理論和實(shí)際相結(jié)合，這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的熱情。例如：在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中加入隧道效應(yīng)、準(zhǔn)晶體、石墨烯和石墨炔的介紹。

教學(xué)案例6：隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明是20世紀(jì)最重大的科技成就之一，使人類(lèi)第一次真實(shí)地“看見(jiàn)”了單個(gè)原子。如圖2所示，掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像[9]，其原理就是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。

圖2 掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像

教學(xué)案例7：準(zhǔn)晶體。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料科學(xué)的應(yīng)用已不局限在晶體材料方面，特別是2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的以色列科學(xué)家謝赫特曼，必然加大對(duì)準(zhǔn)晶體及材料的進(jìn)一步研究，因此在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)加入對(duì)準(zhǔn)晶體的介紹。

教學(xué)案例8：石墨烯和石墨炔。在晶體結(jié)構(gòu)部分講解石墨晶體時(shí)，可以順便介紹一下石墨烯(單層的石墨)和石墨炔結(jié)構(gòu)[10](2010年中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科學(xué)家成功地在銅片表面上通過(guò)化學(xué)方法合成了大面積碳的一個(gè)新的同素異形體——石墨炔)，如圖3所示。此后，還可以讓學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)了解這方面的最新研究動(dòng)態(tài)。

圖3 石墨烯(a)和石墨炔(b)

結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)內(nèi)容在現(xiàn)代化學(xué)學(xué)科中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，而結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)對(duì)于教師特別是青年教師來(lái)說(shuō)還有許多困難，如何將抽象的知識(shí)形象化，如何設(shè)計(jì)自己的教學(xué)過(guò)程，很好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)效果是教師需要長(zhǎng)期思考的問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李炳瑞.結(jié)構(gòu)化學(xué).北京:高等教育出版社,2004

[2] 趙成大,鄭載興,潘道皚.物質(zhì)結(jié)構(gòu).第2版.北京:高等教育出版社,1989

[3] 周公度,段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ).第4版.北京:北京大學(xué)出版社,2008

[4] 趙崢.大學(xué)物理,2009,28(2):57

[5] 李醒民.物理,1984,13(11):699

[6] Kelvin L.Boltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light.London,1904

[7] 李曉東,李春燕,趙波.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,30(教學(xué)研究專(zhuān)輯):13

[8] 賴(lài)文.量子化學(xué).北京：人民教育出版社,1980

[9] Weiss C,Wagner C,Kleimann C,etal.PhysRevLett,2010,105(8):086103

[10] Li G X,Li Y L,Liu H B,etal.ChemCommun,2010,46(19):3256