結構化學中缺電子多中心鍵的教學實踐與反思

張燕輝

(閩南師范大學 化學化工與環(huán)境學院,福建 漳州 363000)

《結構化學》課程是物理化學和化學物理的重要組成部分，是化學類專業(yè)的基礎課。結構化學主要涉及到三種理論(量子理論、化學鍵理論和點陣理論)和三種結構(原子結構、分子結構和晶體結構)，為化學專業(yè)學生打下堅實的理論基礎[1]。《結構化學》課程中的很多知識點在《物質(zhì)結構與性質(zhì)》、《無機化學》和《有機化學》課程中均有涉及到，《結構化學》課程在這些課程的基礎上進一步推進，從原理上解釋“結構決定性質(zhì)”的實驗事實[2]。

講授《結構化學》課程已有五年，發(fā)現(xiàn)對《結構化學》課程教學反思較少。教學反思是教學環(huán)節(jié)必不可少的部分，只有通過教學反思，才能對教學實踐再認識，并且進一步再思考、總結教學過程中的經(jīng)驗與不足，從而提高教學水平[3-5]。在此，以缺電子多中心鍵為例，闡述如何進行教學設計和課程實施，并且對教學進行反思，對老師和學生提要求，期待各方面往好的方向發(fā)展。希望各高校重視大學課堂教學，推進本科教育四個回歸。

1 缺電子多中心鍵教學的實踐

對于一堂課的講授，通常分為五個部分，首先課程內(nèi)容導入，接著課程內(nèi)容講解和引申，最后課程內(nèi)容總結和推廣。

1.1 課程內(nèi)容導入

以廈門大學編寫的第三版《結構化學》為教材，在講授第六章多原子分子結構(二)的第1節(jié)缺電子多中心鍵時，已講授完第五章多原子分子結構(一)的內(nèi)容。因此，在課程內(nèi)容導入時，可引用第五章的內(nèi)容：離域π鍵存在于價電子數(shù)多的原子形成的分子中，這樣的原子之間除了形成σ鍵，還有多余的電子可形成離域π鍵。價電子多則可能形成離域π鍵，然而，價電子缺乏也會形成離域π鍵嗎？或是形成其它的化學鍵？

采用問題式導入方式[6]，提出兩個問題：(1) 什么條件下會形成缺電子多中心鍵？(2) 缺電子多中心鍵與離域π鍵有哪些異同點？接著，從課程講解方面，再提出三個問題，引導學生從解決問題中獲得知識，并尋找答案。(1) 二硼烷B2H6結構，是乙烷式還是橋式，通過哪些實驗驗證哪些性質(zhì)可以說明B2H6的結構？(2) 硼烷化合物中主要存在哪些類型的化學鍵？(3) 分析五硼烷B5H9的成鍵情況？

筆者認為大學的課程最好是學生先預習，帶著問題進入課堂學習，不然知識點有淺有深，課堂上很容易跟不上導致聽不懂課。其中，教師最重要的功能是答疑和解惑。

1.2 課程內(nèi)容講解和引申

硼氫化合物統(tǒng)稱為硼烷，早在1910—1930年，就已經(jīng)合成出了B2H6、B4H10等硼烷。后來發(fā)現(xiàn)硼烷可作高能燃料，于是促進了人們對硼烷的研究。1950年之后，硼烷化學發(fā)展迅速，相繼合成出硼烷負離子、碳硼烷、夾心金屬硼烷等，新的硼烷衍生物不斷被發(fā)現(xiàn)。

其中，最簡單的硼烷是二硼烷，其分子式是B2H6，讓同學們想想B2H6的結構，想必很多同學會想到B2H6類似乙烷C2H6的結構。但認真思考，發(fā)現(xiàn)乙烷中的碳最外層有4個電子，而硼只有3個電子，所以肯定不能形成4個B-H鍵。另外，從實驗驗證中發(fā)現(xiàn)：(1) B2H6分子是逆磁性，表明分子中無單電子；(2) 由核磁共振氫譜表明，B2H6中有兩種氫原子，且比例為2∶1；(3) 由X射線晶體衍射表明，2個B與4個H共面。這些證據(jù)說明了B2H6與C2H6的結構是不同的，可能形成了新的鍵型。

接著，有人提出了B2H6的結構應該是橋式結構，其分子結構模型如圖1所示?，F(xiàn)對B2H6成鍵情況普遍接受的觀點是：B2H6中的B以sp3雜化參與成鍵，每個B原子與兩個H原子形成普通的B-H鍵，剩余的兩個雜化軌道各以一個電子與另一個同樣的B原子、兩個H原子形成兩個三中心鍵，即缺電子原子的特殊共價鍵——三中心雙電子鍵[7]。因此，B2H6的結構應該是橋式結構，存在兩種類型的化學鍵：正常的共價單鍵B-H和三中心雙電子橋鍵(氫橋鍵)。

(a)

(b)

除二硼烷B2H6外，還有許多種類型的硼烷，如B4H10、B5H9等。四硼烷B4H10的結構是網(wǎng)狀，有6個B-H鍵和4個三中心雙電子氫橋鍵。五硼烷B5H9的結構是巢型，其模型圖如圖2所示，5個B原子形成四方錐骨架，每個B原子形成1個B-H鍵，四方錐底的4個B兩兩與氫形成三中心雙電子氫橋鍵，錐底每個B原子還有1個價電子，錐頂B原子還有2個價電子，形成一個五中心的六電子鍵——四方錐骨架，成鍵情況如表1所示[8]。

表1 B5H9的成鍵情況

1.3 課程內(nèi)容總結和推廣

硼烷中含有的三種類型的化學鍵：(1) 正常的共價單鍵，如B-H、B-B；(2) 三中心雙電子橋鍵，如氫橋鍵；(3) 3個及以上的B原子可以形成的多中心鍵，如五中心六電子硼鍵。

另外，也存在其他缺電子中心鍵：(1)硼族，B、Al、Ga、In、Tl均可和甲基形成三甲基化合物M(CH3)3，氣態(tài)時以單體存在，固相中Al(CH3)3以二聚體Al2(CH3)6形式存在，In(CH3)3、Tl(CH3)3以多聚體形式存在；(2) 堿金屬、堿土金屬，如(LiCH3)4、MgAl2(CH3)8，其隱氫模型圖如圖2所示。

(a)

(b)

(c)

還有硼烷的拓撲結構，BnHn+m分子中，Lipscomb提出用4個數(shù)值來表示硼烷分子中除n個B-H鍵以外的其它類型的化學鍵。其中，s表示3c-2e B-H-B鍵的數(shù)目，t表示3c-2e B-B-B鍵的數(shù)目，y表示2c-2e B-B鍵的數(shù)目，x表示2c-2e BH2(切向)鍵的數(shù)目。因此，不同的BnHn+m分子，styx四個數(shù)值是不同的，從而來表示硼烷分子的異構現(xiàn)象。

2 缺電子多中心鍵教學的反思

從現(xiàn)在大學生學習的氛圍來看，大學生的學習欲望較高中時期已經(jīng)大大減弱。此外，針對概念多、涉及課程多且電子難懂、空間難學的結構化學課程，要讓學生上課期間都集中精力聽課，確實是一個很難的問題。因此，教師在上課過程中的表現(xiàn)顯得格外重要，教師在上課過程中應做到重點突出、詳略得當，讓大學的課堂不再過于沉悶、無趣。針對缺電子多中心鍵這節(jié)課的內(nèi)容教學，筆者談談教學反思。

2.1 備課要充分，注重教材的前后聯(lián)系

教材的編寫是有依據(jù)的，教學過程中不能把一堂課孤立起來。在第五章多原子分子結構(一)中，已經(jīng)學習過了常見分子化學鍵，教師一定要引導學生，對常見分子化學鍵和缺電子多中心鍵的區(qū)別和聯(lián)系進行分析。比如，在講解缺電子多中心鍵課程前，可以讓同學們畫出C2H6分子結構，再讓同學們畫出B2H6分子結構，由于類比和思維定式，很多同學都會將B2H6結構畫成和C2H6結構一樣；接著，可以讓同學們分別算出碳和硼的電子數(shù)，同學們就會意識到錯誤所在，此時再引入缺電子中心鍵的知識點。通過新課導入中的對比，促使同學們明白為什么學習了常見分子化學鍵又要學習缺電子多中心鍵。另外，不僅課程導入要精心設計，課堂的整個教學過程也要把握好時間和教學方法。

上課過程中要注意同學們的狀態(tài)，根據(jù)同學們上課時的狀態(tài)調(diào)整教學方法和課程進度。如果同學們上課時都聽得不是很懂，有很多疑問和困惑，可以讓同學們在課堂上將問題提出來，任課老師耐心答疑解惑，不要一味地趕課程進度。講完課之后，如果同學們還有不懂的知識點，要安排課后答疑，解答同學們的疑問。再者，現(xiàn)在大學生自控能力還是很弱，注意力不集中并且容易受外界干擾，所以課堂或課后布置習題練習是必不可少的，這也是對教學負責任的行為。此外，教師自身一定要對教材融會貫通，課前多遍閱讀教材，以自己的語言再現(xiàn)教材內(nèi)容，千萬不能照本宣科，不然課堂會死氣沉沉。教師的知識水平和教學能力，影響著教學質(zhì)量，以及學生的發(fā)展。

2.2 注重豐富學生學識，激發(fā)學生學習能動性

素質(zhì)教育是一直以來推廣的教學模式，進入大學后，在一定程度上已經(jīng)擺脫了應試教育，所以大學的課程是最容易實現(xiàn)素質(zhì)教育的。大學的學習就是為了豐富學識，真正地學到知識。在大學的課堂上，教師除了用語言表達教材上的知識點外，應該多舉例，多聯(lián)系實際，重點讓學生理解如何去解決問題，進而激發(fā)學生的求知欲；而不是盲目追求趕緊將課本內(nèi)容講給學生聽，那樣只會讓學生被動地去學習[9]。比如，在講解缺電子中心鍵時，要讓同學們知道，B2H6分子結構不是憑空想象出來的，而是通過磁性、核磁共振、電子衍射實驗證實所得，所以不能死記硬背分子結構，而是要全面地理解和掌握知識點。

另外，在教學過程中，教學方式要靈活多樣，教學內(nèi)容要豐富有趣，否則學生易走神。再者，大學的課堂氣氛要輕松些，教師講解的內(nèi)容不要只局限于課本，有講到科學家時，可以講講科學家們的生平事跡，融入愛國主義、責任與擔當?shù)人颊?，這樣不僅能增長學生見識，還能引起同學們的注意。此外，老師上課時要比較有激情，這樣同學們的積極主動性才比較容易被調(diào)動，課堂上適當?shù)奶釂?，也會讓同學們注意力更集中。

2.3 引導學生改變傳統(tǒng)學習方式，培養(yǎng)學生自學能力

隨著社會的發(fā)展，并不是只需要將課本上的知識點學好就可以，更應該懂得如何解決實際問題。傳統(tǒng)的學習方式，影響著學生的自學能力，還有學生個體之間也有差異，有些學生課堂上很難聽懂，而有些學生很快就能掌握相應知識點。因此，目前大班教學要做到對學生因材施教有一定難度，同時大學生已經(jīng)完全可以自主獨立地學習，要引導學生改變以前的學習方式。在課堂上有留下疑問的同學，多引導他們在課后獨立思考鉆研，掌握課程知識。師范生對結構化學的學習要求不高，但一個班級有些同學要考相關學科的研究生，那么部分內(nèi)容就要進行自學，老師要幫助同學們建立自學的學習方式。在交流合作學習這一層面上，還可以把班上學生分成幾個學習小組，分組討論進行交流。把個體學習與大組討論交流結合起來，促進了學習方法的改革，不同程度地提高了學生的自學能力。

在培養(yǎng)自學能力時，要求學生做好學習計劃表，對于一門課程的學習，可以以一學期為計劃，課程開課前要做好預習，勤做筆記，將不理解的知識點標注出來，和同齡人交流學習上的問題，學會互相探討問題；老師上課過程中，帶著問題聽課，并且課上講到的內(nèi)容如何進行適當拓展；老師講完課之后要及時復習，鞏固知識點。如果是一門沒有老師現(xiàn)場講課的課程，需要網(wǎng)上、圖書館找資料，和同齡人探討等，解答在預習過程中遺留下來的問題。

2.4 教學與科研互動，培養(yǎng)全面發(fā)展的人才

人才是現(xiàn)代社會競爭與發(fā)展的重要生產(chǎn)力，是推動國家與社會發(fā)展的中堅力量，然而人才的培養(yǎng)并不是一朝一夕就能成功的，它是一項巨大的工程，需要耗費一定的經(jīng)濟來支持人才的培養(yǎng)。高校是專門培養(yǎng)專業(yè)人才的地方，關于人才培養(yǎng)方式的選取更是要慎之又慎。其中，教學與科研相結合是培養(yǎng)全面發(fā)展型人才的重要基礎。若只注重加強學生專業(yè)知識能力的培養(yǎng)，學生就會與現(xiàn)實社會脫節(jié)，不能很好的融入社會為國家發(fā)展貢獻自己的力量。

一方面，隨著社會技術的發(fā)展，科研的占比也越來越大，采取教學與科研結合的方式，可以彌補教學上不能動手實踐操作的部分，對課堂內(nèi)容有一定的拓展與補充作用，還可以培養(yǎng)學生主動思考與動手操作的能力。另一方面，在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)展的背景下，教學內(nèi)容對科研儲備奠定理論基礎的作用?？茖W技術作為第一生產(chǎn)力，知識基礎在科學研究的過程中是必不可少的，否則科學研究就無法進行下去[10]。因此，通過教學與科研結合才可能培養(yǎng)出既具有專業(yè)知識基礎又具有創(chuàng)新能力的全方面人才。

比如，講授缺電子多中心鍵時，要結合科研前沿，讓同學們知道通過哪些儀器可以表征出材料的結構，這些材料有哪些性質(zhì)，理解“結構決定性質(zhì)”的事實。同時，也要結合實驗演示和實驗操作，讓同學們知道分子的結構是怎么樣的，原子是如何成鍵形成分子。對于分子、原子，不能總是空對空在那邊講課，而是讓同學們接近微觀結構，懂得微觀狀態(tài)。

3 結語

隨著科技的發(fā)展，信息技術越來越發(fā)達，課堂上老師講授的內(nèi)容，在網(wǎng)絡上基本都找得到，科技變革下的教師角色需要轉(zhuǎn)型，上課不能只念課本，而是要有意識地引導學生，促使學生轉(zhuǎn)變學習的態(tài)度，從“要你學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，并培養(yǎng)學生自學能力。再者，教師這個職業(yè)不會消失，線上課程也不能完全代替線下課程，因為線下課程站著的老師是有溫度的，有喜怒哀樂，學生更能從老師的表情中感受到溫暖。教師職業(yè)是神圣的，但現(xiàn)在也暴露出存在一些問題，對教師要加強師德考核。

同時，每門課程始終貫徹思政目標，將專業(yè)課和思想道德培養(yǎng)有效結合，在學生學習知識的時候，培養(yǎng)學生的家國情懷，明白辯證思維，知道責任與擔當，從而培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的大學生。