以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程改革*

黃 欽，周菊英，胡飛龍，米 艷

(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530006)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)類專業(yè)一門專業(yè)必修課程，課程的核心內(nèi)容是利用量子力學(xué)相關(guān)理論，從微觀角度研究原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系[1]，該課程的涉及理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被廣泛地應(yīng)用到化學(xué)各學(xué)科(如無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、高分子化學(xué)與物理等)及諸如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等自然類學(xué)科當(dāng)中。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)在化學(xué)類本科課程知識(shí)體系中占據(jù)重要地位，對(duì)夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、增強(qiáng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。

但是，由于結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及較多的數(shù)理知識(shí)和較強(qiáng)的邏輯推理能力，所以大多數(shù)化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生認(rèn)為結(jié)構(gòu)化學(xué)是所有化學(xué)課程中最難學(xué)、最難懂的課程，普遍有畏難情緒、缺乏學(xué)習(xí)積極性，對(duì)于地方普通高校的學(xué)生更是如此。

近年來(lái)，從國(guó)家層面提出的“大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新”戰(zhàn)略出發(fā)，高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革深入推進(jìn)，要將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入高校人才培養(yǎng)全過(guò)程[2]；另外，根據(jù)教育部以本為本，加強(qiáng)一流本科教育的要求，要致力于提升內(nèi)涵，著力建設(shè)高水平教學(xué)體系，推進(jìn)課程內(nèi)容更新等[3]。在新時(shí)代、新要求下，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程改革迫在眉睫。

作為結(jié)構(gòu)化學(xué)的教師，必須提高教學(xué)效率，在有限的時(shí)間里，把“化學(xué)類專業(yè)本科教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”[4]的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容傳授給學(xué)生，并且在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方針的指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，把創(chuàng)新意識(shí)貫穿在整個(gè)教學(xué)中，以此來(lái)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。但是，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程理論性較強(qiáng)，在教學(xué)過(guò)程中容易出現(xiàn)教師習(xí)慣于灌輸式教學(xué)，導(dǎo)致課堂氣氛不夠活躍，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。

在大量教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革進(jìn)行初步摸索與實(shí)踐，旨在調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)效果，也為化學(xué)類創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供一些借鑒和參考。

1 將探究式、互動(dòng)式教學(xué)理念貫穿始終，精心做好課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

在教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在教學(xué)過(guò)程上，而不是放在衡量成績(jī)結(jié)果上，應(yīng)注重學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)方法的掌握，而不是知識(shí)本身，知識(shí)只是為了創(chuàng)新而學(xué)習(xí)的，它不是目的。

探究式、互動(dòng)式教學(xué)理念從教師以往傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)向“師生共同探討”的民主教學(xué)轉(zhuǎn)化，其重要性是可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高課堂教學(xué)效果[5]。

基于此教學(xué)理念，筆者為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)進(jìn)行了精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)課堂教學(xué)過(guò)程與行為進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，將重要的知識(shí)點(diǎn)按其特征及學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行教學(xué)方法的精細(xì)劃分，一些以講授式教學(xué)為主，一些以探究式、互動(dòng)式教學(xué)為主。

如講授態(tài)疊加原理時(shí)，先在第一章的量子力學(xué)基本假設(shè)中講解，學(xué)完第二章后，結(jié)合電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)以及第一章的習(xí)題22和第二章的習(xí)題12，再回過(guò)頭來(lái)將態(tài)疊加原理作為一個(gè)專題進(jìn)行討論，經(jīng)過(guò)討論，同學(xué)們對(duì)這一原理以及概率波等概念有了進(jìn)一步的理解，也為接下來(lái)學(xué)習(xí)分子軌道、雜化軌道等概念打下基礎(chǔ)。

為了使得討論課有效果，在討論課之前提前一個(gè)星期做好布置，并提供一些討論主題的參考文獻(xiàn)[6-8]和思考題讓學(xué)生在課前查詢、閱讀和思考。

又如講授價(jià)電子對(duì)互斥理論時(shí)，組織學(xué)生就H2O、AL4E型、AL3E2型等分子的形狀進(jìn)行討論。

探究式、互動(dòng)式教學(xué)法及討論課已經(jīng)有很多學(xué)校進(jìn)行了非常好的實(shí)踐[9-13]，筆者從中借鑒許多，但在教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中注意把握因材施教，針對(duì)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和水平進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇討論的主題、參考材料和討論的深度。比如，北京大學(xué)采用了狄拉克所著《The Principles of Quantum Mechanics》作為討論態(tài)疊加原理的文獻(xiàn)[13]，這對(duì)筆者所在學(xué)校的學(xué)生來(lái)說(shuō)過(guò)于艱深，并且教學(xué)目的也不盡相同，因此在具體教學(xué)實(shí)踐中選擇了一些國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)。

采用探究式、互動(dòng)式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，通過(guò)對(duì)近幾屆學(xué)生結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)情況來(lái)看，提高了學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，教學(xué)效率及教學(xué)效果得到了提高，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維。

2 化學(xué)軟件輔助結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究對(duì)象涉及到數(shù)理抽象性，也涉及到抽象、復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，這讓許多學(xué)生望而生畏，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程所具有的抽象特點(diǎn)對(duì)教師的教學(xué)方式提出了高要求，將抽象的概念直觀地向?qū)W生展示，是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵，化學(xué)軟件為將分子結(jié)構(gòu)從抽象到直觀提供了方便[14]。

化學(xué)軟件可以顯示分子的三維結(jié)構(gòu)，這有助于學(xué)生學(xué)習(xí)對(duì)稱性。分子的對(duì)稱性的內(nèi)容對(duì)學(xué)生的空間想象能力有較高的要求，一直以來(lái)都是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)[15]，對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高，僅靠課件和板書，學(xué)生只能死記硬背，很難理解其中含義。VMD軟件是一個(gè)免費(fèi)開源的分子顯示程序[16]，利用該軟件可以形象地將分子的立體結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出來(lái)，并且利用嵌入對(duì)象，還能夠?qū)Ψ肿拥牧Ⅲw結(jié)構(gòu)進(jìn)行交互式的操作，如平移、旋轉(zhuǎn)等。比如，甲烷分子屬于Td點(diǎn)群，其中有4個(gè)C3軸，3個(gè)I4軸和6個(gè)σd，在教學(xué)時(shí)，采用VMD軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷分子的旋轉(zhuǎn)操作，直觀地向?qū)W生展示甲烷分子的對(duì)稱元素，同時(shí)也將用軟件查看分子作為學(xué)生的課后練習(xí)。

化學(xué)軟件也可以進(jìn)行分子模擬或量子化學(xué)計(jì)算，讓學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。筆者將Gaussian和GaussView軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，讓學(xué)生用Gaussian軟件對(duì)氫分子離子(H2+)、環(huán)戊二烯和環(huán)戊二烯負(fù)離子等分子和離子計(jì)算并觀察分子軌道，這讓學(xué)生對(duì)抽象的軌道有直觀的認(rèn)識(shí)[17]。通過(guò)使用化學(xué)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算和圖形查看，一是使學(xué)生感覺(jué)到結(jié)構(gòu)化學(xué)不僅僅是概念和公式，也有圖形和應(yīng)用；二是加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)理論的理解，拓展了學(xué)生的想象思維，強(qiáng)化了學(xué)生的創(chuàng)新思維；三是讓學(xué)生體會(huì)到結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)不僅是紙上談兵，認(rèn)識(shí)到“化學(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)學(xué)科了”。

3 化學(xué)史融入結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂

我國(guó)著名化學(xué)家、教育家傅鷹教授曾提出：“化學(xué)教育給學(xué)生以知識(shí)，化學(xué)史教育給學(xué)生以智慧?！痹趯I(yè)課程中引入化學(xué)史能起到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、理解抽象概念、培養(yǎng)和形成科學(xué)的研究方法和創(chuàng)新思維等作用[18]。

首先，在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中引入化學(xué)史，能幫助學(xué)生理解一些概念、原理或者定律的起源。比如，在講授分子軌道對(duì)稱守恒定理時(shí)，對(duì)學(xué)生講授了這一原理是如何發(fā)現(xiàn)的[19]，以及發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的一些紛爭(zhēng)[20]等。學(xué)生了解科學(xué)家發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的過(guò)程，有助于提高他們分析和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科學(xué)的思維方式和創(chuàng)新精神。

其次，在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂中引入化學(xué)史，讓學(xué)生了解科學(xué)研究過(guò)程，可以讓學(xué)生形成科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。比如，德布羅意波的提出就體現(xiàn)了類比、假說(shuō)——演繹為主要科學(xué)研究方法的基本思想[21]。在愛(ài)因斯坦為解決光電效應(yīng)提出光子說(shuō)后，法國(guó)的物理學(xué)博士生德布羅意受到啟發(fā)，認(rèn)為：“整個(gè)世紀(jì)來(lái)，在光學(xué)上，比起波動(dòng)研究方法，是過(guò)于忽略了粒子的研究方法；在實(shí)物理論上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖像想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖像？”德布羅意從而提出了實(shí)物粒子波粒二象性，直接導(dǎo)致了波動(dòng)力學(xué)的誕生。在講述這段歷史的過(guò)程中，注意引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比思維，從德布羅意的物質(zhì)波與愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)的類比，到微觀粒子與宏觀物體的類比，以及量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的類比。通過(guò)類比，引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)概念的理解，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的類比思維。

在結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)引入化學(xué)史，一是能讓枯燥的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)變得更加生動(dòng)有趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；二是為學(xué)生理清了一些基本理論和基本概念的發(fā)展脈絡(luò)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解；三是通過(guò)化學(xué)史教學(xué)對(duì)開拓學(xué)生知識(shí)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)等具有促進(jìn)作用。在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中引入化學(xué)史，也注意與引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、互動(dòng)式教學(xué)等相結(jié)合，有效地促進(jìn)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、思考和解決問(wèn)題的能力。

4 設(shè)置結(jié)構(gòu)化學(xué)課程論文

考試在學(xué)校和教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況以及教學(xué)效果如何上仍起到不可替代的作用，但只通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)性、規(guī)范性的試卷來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生，則有偏重知識(shí)灌輸，忽視學(xué)生能力培養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。根據(jù)新時(shí)代對(duì)本科教育的要求，筆者除了在課程設(shè)計(jì)、課堂講授上下功夫以外，也積極探索和實(shí)踐多元化課程考核評(píng)價(jià)方式，包括隨堂問(wèn)答、討論發(fā)言、階段性測(cè)試、課程論文。

在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)本課程的特點(diǎn)，設(shè)置了與教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求相適應(yīng)的課程論文題目，目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)他們的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。具體為要求學(xué)生完成兩篇課程論文的寫作：其中一篇要求是復(fù)習(xí)性題目，要求學(xué)生對(duì)其中一章內(nèi)容作小結(jié)，并就其中的某一問(wèn)題作討論，比如有學(xué)生總結(jié)第一章內(nèi)容后，就Pauli原理的形成進(jìn)行敘述；或者就一些有關(guān)聯(lián)的內(nèi)容進(jìn)行闡述，比如有學(xué)生就一維箱中粒子模型應(yīng)用于共軛分子體系與休克爾分子軌道法作比較；這類題目的寫作，可以促使學(xué)生對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，將所學(xué)知識(shí)，盡可能理解掌握。另一篇論文要求學(xué)生用結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論來(lái)具體解釋無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等課程中的現(xiàn)象，這類題目的寫作，可以幫助學(xué)生建立起清晰、正確的基本概念，并培養(yǎng)學(xué)生推理、論證和邏輯思維的能力。

讓學(xué)生撰寫課程論文仍處在探索階段，借鑒了一些老師的成功經(jīng)驗(yàn)[22-24]。課程論文是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的改革，從收回的論文可以看到，課程論文令一部分學(xué)生促進(jìn)了課程的學(xué)習(xí)，熟習(xí)了文獻(xiàn)檢索方法，同時(shí)有助于他們的創(chuàng)新意識(shí)與能力培養(yǎng)，課程論文書寫較好的學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握也更好，成績(jī)也更高。但也存在一些問(wèn)題需要解決，如學(xué)生存在著查找資料不完全，思路不夠開闊，另外，由于學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)不牢靠，對(duì)專業(yè)術(shù)語(yǔ)表達(dá)不夠準(zhǔn)確，英文摘要無(wú)從下手及論文形式不規(guī)范等，當(dāng)然，存在學(xué)生直接抄文獻(xiàn)甚至抄襲同學(xué)的情況，因此，如何設(shè)置課程論文題目或范圍仍需不斷改進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)類專業(yè)的核心課程，學(xué)好結(jié)構(gòu)化學(xué)對(duì)學(xué)生的發(fā)展很有幫助，在新時(shí)代賦予高校培養(yǎng)社會(huì)主義合格建設(shè)者和可靠接班人的使命下，筆者在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)的實(shí)際情況，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為導(dǎo)向，在教學(xué)中采取多元化的教學(xué)方法，著力培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)，并取得了較好的效果。