結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量反思與提升初探

劉　川，宋常春，汪徐春

(安徽科技學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng)　233100)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是以量子力學(xué)理論為基礎(chǔ)，從微觀的角度認(rèn)識(shí)和研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以電子因素和空間因素兩條主線闡明化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的一個(gè)化學(xué)分支學(xué)科[1-2]。該課程主要是從元素的電子結(jié)構(gòu)入手，不僅幫助學(xué)生從微觀結(jié)構(gòu)上深刻理解四大基礎(chǔ)化學(xué)課程的基本知識(shí)和內(nèi)容，還可以使學(xué)生從原子、分子和晶體層面上掌握微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。隨著現(xiàn)代科學(xué)的迅猛發(fā)展，各學(xué)科之間不斷交叉、滲透，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程成為化學(xué)、化工、材料等相關(guān)專業(yè)的一門重要的必修基礎(chǔ)課。該門課程以微觀體系為研究對(duì)象，課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、概念抽象、公式推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)生不但要具備十分扎實(shí)的化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理專業(yè)相關(guān)知識(shí)，還要具備較強(qiáng)的邏輯推理和空間想象能力。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)在化學(xué)本科教育中處于一個(gè)相對(duì)尷尬的地位，歷屆學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的時(shí)候普遍存在畏懼和抵觸的心理，嚴(yán)重地影響了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。文章作者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)際，根據(jù)課程的學(xué)科特點(diǎn)，認(rèn)為應(yīng)該在教學(xué)方法和手段、教學(xué)模式、考核方式等方面加大改革和創(chuàng)新的力度。更新教學(xué)方法和手段、探索與教學(xué)目標(biāo)相適應(yīng)的教學(xué)模式、改革傳統(tǒng)的考核方式，從而有效提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

1　求新求變，更新教學(xué)方法和手段

1.1　堅(jiān)持科研教學(xué)相結(jié)合，以科研促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高

教學(xué)和科研是高等學(xué)校發(fā)展的永恒主題，推動(dòng)教學(xué)與科研的共同發(fā)展，促進(jìn)兩者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是提高辦學(xué)水平的有效途徑。對(duì)于任意一門課程，若實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的有機(jī)結(jié)合可以從兩方面著手。第一個(gè)方面是任課教師必須親身參加與所教課程相關(guān)的科研實(shí)踐。研究表明，無論教師職稱相同或者不同，較高的學(xué)術(shù)水平更有助于教師提升教學(xué)質(zhì)量[3]。如果教師本身不從事相關(guān)科學(xué)研究，對(duì)學(xué)科概念和知識(shí)缺乏深刻的認(rèn)識(shí)，就無法將知識(shí)完整的呈現(xiàn)給學(xué)生。從事結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)的教師要提升教學(xué)質(zhì)量，首先要提升教師的學(xué)術(shù)水平，也就是教師要親身參與與結(jié)構(gòu)化學(xué)課程相關(guān)的科研實(shí)踐之中。教師通過科研實(shí)踐不但對(duì)學(xué)科內(nèi)容理解進(jìn)一步加深，而且還可以將最新的研究動(dòng)態(tài)及科研成果引入課堂教學(xué)，使課堂更具豐富性、前瞻性、啟發(fā)性。第二個(gè)方面是通過舉辦學(xué)術(shù)講座、科研活動(dòng)吸收學(xué)生親身參與到與課程相關(guān)的科研課題之中，從而實(shí)現(xiàn)科研成果融入教材、進(jìn)入課堂。學(xué)生們對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程畏之如虎的原因之一就是課程內(nèi)容太過于抽象，無法與傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合起來。與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)其他課程不同，其他課程基本都有與之匹配的系列實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。而結(jié)構(gòu)化學(xué)課程國(guó)內(nèi)很少學(xué)校開展相關(guān)的系列實(shí)驗(yàn)，這樣造成了理論知識(shí)與實(shí)踐操作的脫節(jié)，大大降低課程教學(xué)質(zhì)量。在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程缺少配套實(shí)驗(yàn)的情況下，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，任課教師除了在授課期間充分利用相關(guān)軟件進(jìn)行操作演示之外，在課外更要充分利用大學(xué)生科技節(jié)、科研講座等活動(dòng)將學(xué)生吸收到科研中來。學(xué)生參與到科研之中，通過親手實(shí)踐是增強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)理解的有效途徑之一。此外，在學(xué)生互相交流過程中，還可以培養(yǎng)和挖掘優(yōu)秀人才。

1.2　巧用計(jì)算機(jī)視圖軟件，助力學(xué)生空間思維的發(fā)展

如何將抽象的概念直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程授課教師面臨的一項(xiàng)嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，亦是教師提高授課質(zhì)量和教學(xué)效果的關(guān)鍵所在。眾所周知，人的大腦對(duì)圖形的敏感程度要遠(yuǎn)大于對(duì)文字的敏感程度，也就是說，將文字知識(shí)轉(zhuǎn)化為圖形更加有助于人們對(duì)事物的理解。傳統(tǒng)的板書教學(xué)只能使學(xué)生對(duì)概念有一個(gè)文字上的認(rèn)知，很難實(shí)現(xiàn)學(xué)生由文字到圖像的升華。要實(shí)現(xiàn)學(xué)生在空間思維模式下對(duì)概念的理解，教師必須借助一些輔助的教學(xué)工具。我們知道，在學(xué)生學(xué)習(xí)立體化學(xué)過程中，球棍模型是一種不可或缺的教具。然而這種傳統(tǒng)的教學(xué)模型的教學(xué)效果是有限的、單一的，它很難表示更加抽象、復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。因此，這就要求教師必須采用全新的教學(xué)輔助工具來幫助學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的理解。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中。計(jì)算化學(xué)就是上世紀(jì)八十年代量子化學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，伴隨著計(jì)算化學(xué)產(chǎn)生的一系列專業(yè)化學(xué)軟件，為解決上述難題提供了方便。計(jì)算化學(xué)軟件與多媒體技術(shù)相結(jié)合，有機(jī)利用文字、圖像、聲音、動(dòng)畫等處理技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了教材知識(shí)由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、由平面到立體的轉(zhuǎn)變，為學(xué)生提供了一個(gè)直觀、形象的教學(xué)環(huán)境[4-5]。例如，在講解分子對(duì)稱性和對(duì)稱操作時(shí)，可以利用Gaussianview、Chem3D、Materials Studio等軟件，通過課堂現(xiàn)場(chǎng)演示操作或者例題提問，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)對(duì)稱元素、對(duì)稱操作及點(diǎn)群的理解；還可以借助flash、3DMAX等計(jì)算機(jī)視圖軟件將分子或晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三維立體模型，通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)展示其對(duì)稱性及空間構(gòu)型。在講解原子軌道、分子極性過程中，可以利用Gaussianview或Materials Studio等軟件，先搭建簡(jiǎn)單分子結(jié)構(gòu)模型，然后用軟件進(jìn)行分模塊任務(wù)計(jì)算，在輸出文件中進(jìn)行相應(yīng)的原子軌道、極性分析。在其他章節(jié)教學(xué)過程中我們也可以利用計(jì)算化學(xué)軟件和多媒體軟件相結(jié)合的方式對(duì)教材知識(shí)進(jìn)行講解，這樣不僅可以降低課程難度，同時(shí)也增加了課程的趣味性。在實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，接觸過計(jì)算化學(xué)軟件或者視圖軟件的同學(xué)明顯比其他同學(xué)表現(xiàn)出更好的理解能力。不僅如此，在本科教學(xué)中引入計(jì)算化學(xué)知識(shí)，可以對(duì)學(xué)生未來攻讀研究生及從事計(jì)算化學(xué)相關(guān)工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

1.3　忽略數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重結(jié)論與應(yīng)用

讓學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)產(chǎn)生畏懼和抗拒的原因有三點(diǎn)：第一點(diǎn)是較深的理論基礎(chǔ)；第二點(diǎn)是十分抽象的概念；第三點(diǎn)是復(fù)雜的公式推導(dǎo)。結(jié)構(gòu)化學(xué)中的很多量子力學(xué)公式在推導(dǎo)求解過程中都涉及到較為復(fù)雜的微積分、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)，由于本科生普遍數(shù)學(xué)能力較為薄弱，因此在面對(duì)復(fù)雜的公式時(shí)候顯得無從下手，從而逐漸產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。量子力學(xué)公式的推導(dǎo)及求解過程固然會(huì)加深學(xué)生對(duì)公式的理解，但對(duì)于本科生而言畢竟難度太大，如果教師將教學(xué)重點(diǎn)側(cè)重于此的話，不但占用大量的教學(xué)時(shí)間還有可能使學(xué)生思路混亂，無法理清課程的重難點(diǎn)。因此，教師在教學(xué)過程中，一定要進(jìn)行宏觀把握與控制，對(duì)于公式的推導(dǎo)點(diǎn)到為止，只需簡(jiǎn)單地告訴學(xué)生公式求解中涉及的數(shù)理以及思路。一定要讓學(xué)生明白數(shù)理推導(dǎo)只是解決問題的基礎(chǔ)，重點(diǎn)是領(lǐng)會(huì)知識(shí)的架構(gòu)、每一個(gè)符號(hào)所代表的的物理意義以及最終結(jié)論的實(shí)際應(yīng)用。這樣的教學(xué)方法，不僅教學(xué)重點(diǎn)鮮明、節(jié)約教學(xué)時(shí)間，更有助于培養(yǎng)學(xué)生從宏觀上分析及解決問題的能力。目前，國(guó)內(nèi)部分高校在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)過程中仍存在重視量子力學(xué)公式的求解而輕視結(jié)論應(yīng)用的現(xiàn)象，有鑒于此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)方向和知識(shí)能力水平適當(dāng)作取舍[6]。

2　與時(shí)俱進(jìn)，創(chuàng)新教學(xué)模式

2.1　啟發(fā)式教學(xué)，提升學(xué)生獲得感

啟發(fā)式教學(xué)就是教師在教學(xué)過程中依據(jù)客觀規(guī)律以及學(xué)生的認(rèn)知情況，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)的獲取知識(shí)的一種教學(xué)方法，其基本精神是充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在動(dòng)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)過程，使他們獨(dú)立思考，掌握知識(shí)，提高分析、理解和解決問題的能力?；诮Y(jié)構(gòu)化學(xué)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)非常重要。在教學(xué)活動(dòng)中，教師可以以基礎(chǔ)的量子化學(xué)知識(shí)為引導(dǎo)，運(yùn)用點(diǎn)撥疏通式、示范啟發(fā)式、對(duì)比啟發(fā)式方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問題和解決問題。以講解判定原子軌道能否有效組成分子軌道依據(jù)的最大重疊原則為例，先不要直接講復(fù)雜軌道間的雜化，而是先從最簡(jiǎn)單的s-p軌道間雜化開始講。講之前先給學(xué)生講授位相的概念以及對(duì)稱性操作的概念，然后做簡(jiǎn)單的s-p軌道雜化的最大重疊原則，讓學(xué)生以此為基礎(chǔ)去研究更加復(fù)雜軌道雜化的情況，這樣學(xué)生就能自主的學(xué)習(xí)及掌握不同軌道間雜化時(shí)的最大重疊原則。再比如，講解分子光譜性質(zhì)的時(shí)候，教師可以提問學(xué)生分子產(chǎn)生光譜的內(nèi)在原因是什么，引發(fā)學(xué)生思考。通過對(duì)比不同分子產(chǎn)生的光譜，可以得出分析分子的對(duì)稱性便能知道哪些譜線是可測(cè)的，哪些是不可測(cè)的規(guī)律。我們無需對(duì)分子進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，僅通過分子對(duì)稱性的分析就可以得到很多重要的結(jié)果。

2.2　數(shù)字化教學(xué)，拓展學(xué)生視野

數(shù)字化教學(xué)的加入有助于改變現(xiàn)行課堂教學(xué)的缺憾，豐富學(xué)校資源，創(chuàng)設(shè)寬松、融洽的學(xué)習(xí)氛圍，活躍課堂氣氛，啟發(fā)學(xué)生思維，使學(xué)生在積極參與、充分交流中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)和成功的愉悅。隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外高校都十分關(guān)注數(shù)字化教學(xué)。數(shù)字化教學(xué)不但可以使課堂變?yōu)閿?shù)字化的，我們可以把結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)課件、主講教師的授課錄像和練習(xí)題及解答等各種資源上傳到校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生的課余時(shí)間也變?yōu)橐苿?dòng)課堂。首先，在課堂教學(xué)過程中使用數(shù)字化教學(xué)模式可以使枯燥的課本文字知識(shí)、簡(jiǎn)單抽象的二維圖轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗缶唧w的三維立體圖像、甚至動(dòng)畫演示。比如在講解分子對(duì)稱性及對(duì)稱操作時(shí)，教材中的例子只給簡(jiǎn)單分子的平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，這種平面結(jié)構(gòu)很難使學(xué)生掌握對(duì)稱性知識(shí)；對(duì)于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子，學(xué)生更難找到全部的對(duì)稱元素。所以我們可以利用計(jì)算化學(xué)軟件以及視圖軟件將二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw的、動(dòng)畫的、可操作的三維結(jié)構(gòu)，給學(xué)生演示時(shí)可以依次在找到對(duì)稱元素后進(jìn)行標(biāo)記。這樣，同學(xué)們就像是在玩電子游戲一樣完成整個(gè)學(xué)習(xí)過程。這樣的方式，不僅活躍了課題氣氛，還能使課本知識(shí)變得更加生動(dòng)。其次，通過數(shù)字化技術(shù)將主講教師的教學(xué)內(nèi)容以及優(yōu)秀教學(xué)資源分享到校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，不但可以對(duì)教學(xué)課時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，學(xué)生還能就課上沒能理解的內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)和提高，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解掌握。不但如此，教師還可以講一些學(xué)科發(fā)展前沿內(nèi)容及動(dòng)態(tài)分享到校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，組織學(xué)生進(jìn)行探討，這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和從事化學(xué)科研工作的熱情。

2.3　開放式教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性

學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)構(gòu)建的內(nèi)部心理表征過程，教師的角色是思想的“催化劑”與“助產(chǎn)士”，教師不應(yīng)把主要精力局限于所教的內(nèi)容上，而應(yīng)注意學(xué)習(xí)者的心態(tài)變化。學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是一個(gè)思考、接受、深化、再思考、提高的過程。因此，教師教學(xué)時(shí)不應(yīng)僅僅注重講解教材內(nèi)容，更應(yīng)當(dāng)注意將教材內(nèi)容與實(shí)際生活、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、科學(xué)前沿相結(jié)合起來。這樣的授課方式不僅避免了將學(xué)生的思維禁錮在教材內(nèi)容之中，更有助于幫助學(xué)生進(jìn)行思維的發(fā)散，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行再思考。從狹義上講開放式教學(xué)就是課堂內(nèi)容不僅可以來源于教材，也可以來源于生活實(shí)踐；師生間的關(guān)系不再是教師的教與學(xué)生的學(xué)，而是根據(jù)教材內(nèi)容的個(gè)性化處理。要實(shí)現(xiàn)開放式教學(xué)，需要做到以下兩點(diǎn)：一是提高授課時(shí)間、地域、內(nèi)容的開放性；二是改變授課方式的開放性。所謂提高授課時(shí)間、地域、內(nèi)容的開放性，就是可以將課外的知識(shí)引入的課堂之中，也可以將課堂內(nèi)容在課外進(jìn)行訓(xùn)練。比如，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新物質(zhì)被合成出來、新概念被提出來。教師授課時(shí)可以將這些知識(shí)引入到課堂上，通過這種開放式教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓他們主動(dòng)去發(fā)現(xiàn)、去探索，提高他們收集和處理信息能力的同時(shí)，還培養(yǎng)了他們的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。此外，教師還可以就前沿科研成果鼓勵(lì)學(xué)生利用課后時(shí)間以小組的形式進(jìn)行討論。教師在這過程中給予適當(dāng)指導(dǎo)，學(xué)生通過查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)找出其中所依據(jù)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)，最終以論文形式上交研究成果。在我國(guó)現(xiàn)行教育體制下，教育者主宰教育過程，受教育者無學(xué)習(xí)的主動(dòng)性可言。受教育者缺乏積極性、主

動(dòng)性、能動(dòng)性，也就缺乏創(chuàng)造，缺少大師級(jí)人才，這也是教育體制的必然。改變授課方式的開放性，就是將學(xué)生以往的被動(dòng)式學(xué)習(xí)改為主動(dòng)式學(xué)習(xí)。教師在授課過程中可以更多的采用討論、啟發(fā)、演示、課堂翻轉(zhuǎn)的授課方法，不要為問題而問題，要從創(chuàng)造性教學(xué)培養(yǎng)問題意識(shí)、科學(xué)精神和構(gòu)建創(chuàng)新素質(zhì)的宗旨出發(fā)，注意問題的層次性；不能只限于“呈現(xiàn)型”問題，要注重“發(fā)現(xiàn)型”問題與“創(chuàng)造性”問題。

3　改革考核機(jī)制，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生

在大力倡導(dǎo)素質(zhì)教育的今天，不僅照本宣科的授課方式不能滿足時(shí)代的需要，傳統(tǒng)的以期末考試成績(jī)作為學(xué)生最終成績(jī)的方式也不能激發(fā)和提高學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性。因此，要提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量必須將結(jié)構(gòu)化學(xué)的考核方式改革為更為科學(xué)、合理的多元化考核方式。改革后的考核方式可以采用平時(shí)成績(jī)和期末考試相結(jié)合的考核方式，平時(shí)成績(jī)占50%，期末考試成績(jī)占50%。平時(shí)成績(jī)包括考勤(占10%)、習(xí)題作業(yè)(占10%)、課題表現(xiàn)(占15%)、論文(占15%)。學(xué)生良好的課堂出勤率是學(xué)好一門課的基礎(chǔ)和保障，是教師正常開展課堂教學(xué)的前提。通過習(xí)題作業(yè)既可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的消化與吸收，又可以幫助教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生的薄弱之處。課堂提問既可以幫助教師認(rèn)識(shí)到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，又可以活躍課堂氣氛、激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)與積極思考。論文則更多引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)式學(xué)習(xí)，通過查閱文獻(xiàn)與討論提高他們獲取知識(shí)，分析問題和解決問題的能力。期末考試降低偏重記憶型題目的比重，增加一些具有啟發(fā)性、討論性的應(yīng)用型題目。進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用，用所學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

4　結(jié)語(yǔ)

在大力倡導(dǎo)素質(zhì)教育的今天，傳統(tǒng)的教育體制已成為我國(guó)轉(zhuǎn)變成教育強(qiáng)國(guó)的“絆腳石”，創(chuàng)新教育理念與方式是高等教育適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然要求。結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)專業(yè)必修的一門理論性較強(qiáng)的課程，本文作者倡導(dǎo)的一系列結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)改革，目的不僅讓學(xué)生更容易的掌握課程內(nèi)容，更重要的是培養(yǎng)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

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