提高結構化學教學質量的探索與創(chuàng)新

任莉君

摘要：結構化學是化學學科重要的理論基礎，其原理和方法廣泛應用于能源、材料、醫(yī)藥等領域。為提高結構化學教學質量，本文從研究教學內容內在聯系入手，利用現代化教學手段進行教學方法探索創(chuàng)新，從而激發(fā)學生學習興趣并提高學習自主性，達到良好教學效果。

關鍵詞：結構化學;教學質量;教學內容;教學方法

中圖分類號：G642.0???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0109-03

結構化學是高等化學教育專業(yè)的一門基礎理論課，該課程以量子力學理論為基礎，從微觀水平闡明原子、分子和晶體的結構、性質及應用，從而揭示微觀物質結構與性質之間的關系[1，2]。隨著科學技術不斷發(fā)展，許多前沿的理論問題及實驗、測試技術等以結構化學的基本理論（如化學鍵理論、配位場理論和點陣理論等）、基本概念（如原子軌道、分子軌道和分子對稱性）及基本實驗原理為（如分子光譜和X射線衍射等）基礎。目前，結構化學的原理和方法在能源、材料、環(huán)境、醫(yī)藥及生命科學等領域應用廣泛[3，4]。因此，結構化學是化學及相關學科重要的理論基礎。然而，由于結構化學課程理論性強、內容抽象，在學習過程中需具備較強的數學和物理基礎及空間想象力，使結構化學教學存在很多困難[5，6]。本文針對結構化學課程特點及教學中遇到的問題，從教學內容、教學方法探索創(chuàng)新、培養(yǎng)和提高學生學習興趣等方面進行探討。一方面對提高結構化學的教學質量有很好的促進作用，另一方面對從事結構化學教學的青年教師具有一定的借鑒意義。

一、注重知識點內在聯系，歸納總結構建知識框架

講授結構化學應注重知識內在聯系性。以量子力學處理微觀體系運動特征為例，通過推導得到定態(tài)薛定諤方程的一般形式后，在分析一維勢箱模型特點的基礎上，得到在一維勢箱中運動的自由粒子的定態(tài)薛定諤方程，通過數學方法解定態(tài)薛定諤方程得出方程的解后，討論一維勢箱中運動的自由粒子的運動狀態(tài)波函數及對應的能量特征。總結出量子力學處理問題的一般方法：（1）寫出體系的哈密頓算符。（2）寫出體系的定態(tài)薛定諤方程。（3）解定態(tài)薛定諤方程（把波函數當作未知函數，能量作為參數看待。利用初始條件、邊界條件和合格波函數條件解方程）。（4）由所得波函數及能量關系式討論體系的幾率分布及其他物理性質。在后面章節(jié)講授氫原子及類氫體系的定態(tài)薛定諤方程及其解時，就可以引導學生運用這個一般方法來分析處理問題。在講授時可弱化數學推導過程，強化結果討論，讓學生重點了解量子數的由來以及單電子波函數的意義。在處理多電子原子結構定態(tài)薛定諤方程時，單電子近似、中心力場模型及屏蔽概念同樣可以用于分析分子體系運動狀態(tài)。講授晶體結構時，從金屬晶體的等徑圓球密堆積原理過渡到離子晶體的非等徑圓球密堆積，利用計算離子半徑比分析正負離子配位數及離子晶體結構等問題。在各章結束時，指導學生歸納總結本章知識點，構建知識框架，有助于學生理解和掌握主要原理、概念和方法，形成清晰的學習思路和知識體系。

二、板書與多媒體課件有機結合，優(yōu)勢互補

結構化學課程內容抽象，理論性強且復雜，涉及的空間立體結構較多，傳統(tǒng)的板書教學模式很難滿足學生的需求。隨著各大院校教學硬件設施的不斷提高，多媒體教學以其獨特的魅力而成為教師教學過程中的得力助手?，F階段，多媒體教學已成為結構化學教學中不可或缺的一種教學手段。在結構化學中采用多媒體教學一方面可節(jié)省教學時間并提高教學效率，另一方面可將抽象內容形象化[7，8]。例如講授晶體場理論時，用多媒體展示d軌道能級在不同對稱場中的能級分裂情況不同的原因是由于d軌道在不同對稱場中所受作用力不同而致;講授分子對稱性時，用動態(tài)圖像演示分子的對稱操作過程，學生更容易理解幾類對稱元素和對稱操作;講授等徑圓球密堆積原理時，通過演示一層一層圓球堆積過程，解釋最密堆積的兩種形式（立方面心最密堆積和六方最密堆積）。課堂上通過播放美麗化學創(chuàng)始人梁博士錄制的常見晶體結晶過程，讓學生充分感受微觀晶體世界的美。在授課過程中恰當地運用多媒體有助于學生快速理解和吸收課堂教學內容，活躍課堂氣氛，達到事半功倍的效果。然而，由于多媒體教學節(jié)奏較快，在有些章節(jié)的課程教學中又有大量公式推導和應用，如果純粹依靠多媒體教學，不能達到很好的課堂效果。如在一維勢箱薛定諤方程的求解過程中，就需要充分利用板書一步步做推導，學生跟隨教師的講解思路，能夠充分理解知識點，加深對概念、知識點及公式的記憶和理解。因此，遵循教育教學規(guī)律，合理、恰當地運用多媒體技術，將板書與多媒體課件有機結合，優(yōu)勢互補，能夠最大程度激發(fā)學生學習熱情，從而提高教學質量，取得最佳教學效果。同時，可擴大規(guī)模性教學，推進結構化學教學的現代化。

三、引入學科前沿知識，拓寬學生視野

結構化學教材內容偏重理論，有關知識點應用方面介紹很少且有所滯后，因此將最新的科研成果引入課堂教學環(huán)節(jié)，能夠以科研促進教學，激發(fā)學生學習興趣，使學生在學習過程中充分感受到所學知識的實用性。在上第一節(jié)結構化學課時，首先講述所在課題組的研究方向。通過介紹超級電容器研究背景讓學生了解目前能源危機和環(huán)境污染問題的嚴重性，呼吁學生們在日常生活中利用所學專業(yè)知識保護環(huán)境。此外，讓學生了解幾種常見儲能器件及其優(yōu)缺點，最后通過講授影響超級電容器性能主要因素之一的電極材料，以二氧化錳電極材料為例引出不同晶相二氧化錳電極材料往往具有不同電容性質，從而讓學生充分理解結構決定性質這一重要理論。講授分子旋光性判據時，介紹手性分子與不對稱合成，酶是由蛋白質與核酸組成的巨大手性分子，是不對稱的催化劑，有強烈的選擇性。由于酶的催化作用產生出不對稱蛋白質和核酸，不對稱蛋白質和核酸又產生不對稱酶，所以生命體不斷地產生著手性分子。講授石墨晶體結構時，由于石墨為混合型晶體，層與層之間的距離（約3.40？魡）大于一般常見的化學鍵鍵長，因此層與層之間的作用力為范德華力，很容易受外力而遭到破壞，從而引出石墨烯的發(fā)現。2004年英國曼徹斯特大學兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫利用特殊膠帶，采用機械剝離法成功得到僅由一層碳原子構成的穩(wěn)定薄片——石墨烯，并于2010年獲得諾貝爾物理學獎[9]。介紹石墨烯的物理性質及石墨烯在電子器件、太陽能電池、超級電容器及電催化等領域的應用現狀及前景。將新的科研動態(tài)和知識引入結構化學課堂教學，豐富了課堂內容，擴充了學生視野，調動了學生的學習積極性，使課堂教學面貌生機盎然，使教學理念進一步與時代發(fā)展接軌。

四、利用網絡平臺等資源，提高學生學習自主性

網絡信息化學習已經席卷全世界，作為當代大學生必須掌握通過網絡獲得學習資源的能力，在課堂上將一些與結構化學相關的網絡平臺信息分享給學生們，鼓勵學生利用課余時間經常瀏覽網絡平臺豐富知識結構。愛課程網是教育部、財政部“十二五”期間啟動實施的“高等學校本科教學質量與教學改革工程”支持建設的高等教育課程資源共享平臺，在中國大學資源共享課板塊有關于廈門大學、南開大學和福州大學三所國內著名高校的結構化學精品開放課程。此外，國家精品課程資源網是由國家教育部主導推動的國家級精品課程集中展示平臺，是全國高校依照“資源共建、成果共用、信息共通、效益共享”的原則合作建設，服務于全國廣大高校教師和學生的課程資源交流、共享平臺。精品課網站也有很多國內大學的結構化學精品課，有教學課件、教學錄像、電子教案、例題習題等。蔚秀報告廳主講人均為國內外名師和行業(yè)領袖，講座話題新穎、實用、與時俱進并緊扣學術前沿。由南京大學王欣然老師主講的石墨烯研究十三年：從基礎走向應用;由揚州大學龐歡老師主講的配合物衍生高性能電化學活性材料的研究;由中國科學院田禾老師主講的解讀2016年諾貝爾化學獎;由華中科技大學施亮老師主講的文獻檢索——科學研究之助力，這些講座中的內容對學生了解結構化學知識點應用及拓寬專業(yè)知識面都有很大幫助。教師平時也會引導學生充分利用學校的電子圖書館進行學習。學生通過網絡自主自學，可有選擇性地對自身知識薄弱環(huán)節(jié)進行提高，也可發(fā)現自己感興趣的科研方向，為攻讀碩士研究生明確目標。

五、運用科學家典故和勵志名言，激發(fā)學生學習熱情

結構化學是以實驗為基礎發(fā)展起來的學科，講授結構化學時，在注重知識內在聯系性的同時，選擇性地穿插一些科學家們發(fā)現真理的故事能夠激發(fā)學生學習興趣和培養(yǎng)學生積極探索科學奧秘的優(yōu)良品質。1895年，德國物理學家倫琴在研究陰極射線過程中偶然發(fā)現了X射線，在科學發(fā)現中偶然當中有必然;1905年愛因斯坦提出光量子假說時，僅26歲，是學生們勵志的好榜樣;亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格為父子關系，用X-射線衍射研究晶體結構，1915年獲諾貝爾物理學獎，所謂上陣父子兵;德國歷史上首位女總理默克爾獲得萊比錫大學物理化學博士學位，她的丈夫是一位量子化學家，政界也有化學家的身影。用居里夫人發(fā)現鐳的故事激勵學生特別是女學生在科研的道路上堅持探索，細心發(fā)現，樹立信心;以徐光憲先生的求學經歷為榜樣，引導學生們樹立堅定信念;分享北京大學校訓：“愛國、進步、民主、科學”和哈佛大學校訓：“真理”，并在課堂上討論復旦大學校訓“自由而無用的靈魂”，激勵學生形成正確的人生觀和價值觀。

六、結論

本文基于結構化學課程特點，以學生學習過程中存在的主要問題為出發(fā)點，研究教學內容內在聯系，授課時將板書與多媒體有機結合，引入學科前沿，充分利用網絡學習平臺及運用科學家典故和勵志名言，激發(fā)學生的學習興趣和提高學習自主性，這些措施將對提高結構化學教學質量有很好的促進作用。然而，如何用各種合理的教學方法提高教學質量，仍需在長期教學過程中進行思考和探索。

參考文獻：

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Exploration and Innovation on Improving Teaching Quality of Structural Chemistry

REN Li-jun

（College of Chemistry and Chemical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，

Baoji，Shaanxi 721013，China）

Abstract：Structural chemistry is an important theoretical basis for chemistry，the principles and methods of structural chemistry are widely used in energy，materials，medicine and other fields.In order to improve the teaching quality of structural chemistry，this paper started with the research of internal relation of the teaching content，using modern teaching tools to explore and innovate the teaching methods，thus stimulating the learning interest and improving the learning autonomy of the students，ultimately achieving good teaching results.

Key words：structural chemistry; teaching quality; teaching content; teaching method