基于翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

魏榮敏，楊 敏，王麗梅，王敦青

(德州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 德州 253023)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是以量子力學(xué)理論為基礎(chǔ)，研究原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的一門學(xué)科[1-2]。新時(shí)代下，化學(xué)領(lǐng)域的許多學(xué)科已深入到了物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的研究，研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法也不斷更新發(fā)展，同時(shí)，物理學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、新能源科學(xué)等學(xué)科也需要從分子層面揭示材料的理化性質(zhì)，這些都迫切需要結(jié)構(gòu)化學(xué)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)來更好的認(rèn)識(shí)物質(zhì)各個(gè)層次的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用。

研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是指把與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)際問題作為載體，學(xué)生在教師的組織和指導(dǎo)下相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行探索研究的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[3-4]，不僅有助于完善和提升傳統(tǒng)的“知識(shí)+能力”培養(yǎng)，而且能重點(diǎn)加強(qiáng)理性思維方式、協(xié)同合作能力等品格方面的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的提升。為提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)效果，在有限學(xué)時(shí)內(nèi)更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力，我們?cè)谠袑?shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，將教師的科學(xué)研究課題和量子化學(xué)計(jì)算引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。旨在引導(dǎo)學(xué)生通過自主探究和小組協(xié)作相結(jié)合的方式進(jìn)行思考學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

近年來，針對(duì)新的人才培養(yǎng)目標(biāo)和結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中存在的問題，許多學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有意的探索和實(shí)踐，取得了一定的效果[5-7]，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)仍存在一些問題與不足，主要表現(xiàn)在：

(1)任務(wù)重，時(shí)間少?；瘜W(xué)學(xué)科的快速發(fā)展以及與其他學(xué)科的交叉融合，使結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容快速膨脹，但是其教學(xué)課時(shí)反而越來越少，產(chǎn)生“任務(wù)重，時(shí)間少”的難題。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采取教師講授為主的方式，教師在課上詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用、操作步驟及注意事項(xiàng)，課上留給學(xué)生的操作時(shí)間非常有限，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

(2)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏創(chuàng)新性。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，要求學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基本原理、基本知識(shí)和基本操作，規(guī)范操作得出正確的數(shù)據(jù)和結(jié)論。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容內(nèi)容比較陳舊、墨守成規(guī)，實(shí)驗(yàn)方法基本以灌輸、模擬和驗(yàn)證為主，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(3)無法兼顧學(xué)生的個(gè)體差異性，教學(xué)效果差。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)以教師講授為主，學(xué)生采取同樣的方法和步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，很難兼顧到每一位學(xué)生的個(gè)性差異，而且?guī)熒g缺乏交流，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)課思想懈怠，行動(dòng)不積極，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，教學(xué)效果差。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

“翻轉(zhuǎn)課堂”以學(xué)生為主體，將教師對(duì)學(xué)生的“知識(shí)傳遞”過程放在課堂外，學(xué)生借助于教師制作的視頻或開放網(wǎng)絡(luò)資源，依據(jù)自身特點(diǎn)自主完成知識(shí)的學(xué)習(xí)及建構(gòu)，而課堂則成為他們探討問題或得到個(gè)性化指導(dǎo)的地方[8]。“翻轉(zhuǎn)課堂”顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)流程，以教師“教”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生“學(xué)”為中心，學(xué)生成為整個(gè)教與學(xué)活動(dòng)的主體，大大提高了學(xué)習(xí)興趣，并且在很大程度上解決了課時(shí)量不足的問題。

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程安排了16個(gè)學(xué)時(shí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從課程基本內(nèi)容和主要任務(wù)入手，依據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)，共設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見表1)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋量子力學(xué)理論、點(diǎn)陣?yán)碚?、晶體學(xué)理論和磁性質(zhì)等眾多結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用紅外光譜、單晶衍射法等多種實(shí)驗(yàn)原理和方法解決問題。每個(gè)實(shí)驗(yàn)大致都分為課前、課中和課后三個(gè)階段，現(xiàn)以配合物的量子化學(xué)計(jì)算為例進(jìn)行說明。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于密度泛函理論對(duì)配合物分子進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算。要求學(xué)生使用GaussianView軟件導(dǎo)入配合物分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建分子計(jì)算模型，編寫輸入文件，然后提交至Gaussian09軟件進(jìn)行分子構(gòu)型優(yōu)化、單點(diǎn)能計(jì)算，并對(duì)其自旋電子密度進(jìn)行分析。

3.1 課前階段

3.1.1 教師精心備課

教師是整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)者、組織者和實(shí)施者，更是學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的引領(lǐng)者，是決定教學(xué)環(huán)節(jié)是否成功的決定因素。因此，在教學(xué)活動(dòng)實(shí)施之前，教師要精心創(chuàng)建教學(xué)資源、制作教學(xué)PPT、錄制視頻、編輯課上交流的思考題等。

(1)制作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目PPT：主要介紹量子化學(xué)計(jì)算的基本原理、Gaussian軟件、密度泛函理論等概念；介紹如何根據(jù)計(jì)算任務(wù)編寫輸入文件及輸入文件的注意事項(xiàng)。

(2)編寫實(shí)驗(yàn)講義：將上述PPT內(nèi)容編寫成比較系統(tǒng)的講義供學(xué)生學(xué)習(xí)參考。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的不收斂情況，列出其不收斂原因及其對(duì)應(yīng)的解決方案，供學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)參考。

(3)視頻的錄制：教師錄制使用GaussianView構(gòu)筑計(jì)算模型的演示視頻和Gaussian軟件的使用視頻。在構(gòu)筑計(jì)算模型時(shí)，由于操作步驟繁多，如果只依靠教師課堂上的演示與講解，學(xué)生操作起來難度較大且浪費(fèi)時(shí)間。因此，學(xué)生可以在課前進(jìn)行預(yù)習(xí)和試操作，節(jié)約課中操作時(shí)間。

3.1.2 學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)

學(xué)生根據(jù)教師提供的講義和PPT等資料采用適合自己的方法學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況嘗試自主構(gòu)筑計(jì)算模型并編寫輸入文件，并詳細(xì)記錄學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，留待課上討論或通過電話、微信等方式及時(shí)和教師交流溝通。

自主學(xué)習(xí)方式可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、積極探討，從而使結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程更具針對(duì)性、趣味性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。學(xué)生可以選擇最適合自己學(xué)習(xí)的時(shí)間觀看教學(xué)視頻，或通過手機(jī)利用空閑時(shí)間學(xué)習(xí)；還可以根據(jù)理解程度選擇性的重復(fù)播放學(xué)習(xí)視頻。在學(xué)習(xí)中，對(duì)有疑問的知識(shí)點(diǎn)可以等待教師課上解答或者通過微信等進(jìn)行溝通，也可以在課前與同學(xué)進(jìn)行討論，形成協(xié)作式互助學(xué)習(xí)[9]。

3.2 課中階段

3.2.1 教師講解重難點(diǎn)、答疑

由于學(xué)生在課前已經(jīng)有了比較深入的學(xué)習(xí)，因此教師在這個(gè)階段只需對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的重難點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的共性問題進(jìn)行講解、答疑。此階段教師的任務(wù)主要有以下幾項(xiàng)：

(1)教師講授。講解實(shí)驗(yàn)中的重難點(diǎn)和存在的共性問題，有針對(duì)性進(jìn)行教學(xué)。

(2)檢查教學(xué)。教師以習(xí)題的方式提出問題，組織學(xué)生以小組方式展開討論，督促學(xué)生完成課下學(xué)習(xí)任務(wù)的同時(shí)培養(yǎng)其解決問題的能力。

(3)個(gè)性教學(xué)。實(shí)驗(yàn)過程中，總會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的突發(fā)情況，當(dāng)出現(xiàn)學(xué)生自己無法解決的新問題時(shí)，教師需要針對(duì)個(gè)別學(xué)生的個(gè)別問題進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)。另外，教師需對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題解決問題，并督促學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)操作。

3.2.2 學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)

通過課前的自主學(xué)習(xí)及課上教師的講解及問題式知識(shí)鞏固，學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)操作步驟有了深入的了解，因此學(xué)生需要在課堂上獨(dú)立自主的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)配合物的晶體結(jié)構(gòu)利用GaussianView構(gòu)筑計(jì)算模型并編寫輸入文件，提交至Gaussian09軟件進(jìn)行分子構(gòu)型優(yōu)化和單點(diǎn)能計(jì)算等。計(jì)算結(jié)束后整理計(jì)算結(jié)果，分析配合物分子的單點(diǎn)能和自旋電子分布，繪制自旋密度分布圖。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)二得到的晶體結(jié)構(gòu)[10]為基礎(chǔ)，選用{Co(4-CH3py)4[W(CN)8]2}片段為計(jì)算模型，分別采用BP86、TPSSH、B3LYP和M06 密度泛函和def2-TZVP基組，對(duì)配合物進(jìn)行了理論研究。其單點(diǎn)能如表2所示，圖1為配合物的自旋密度分布圖。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，通過對(duì)比不同自旋態(tài)下配合物單點(diǎn)能的大小，確定配合物中CoII離子為順磁性高自旋態(tài)，自旋量子數(shù)S=3/2，并探討結(jié)構(gòu)和磁性關(guān)系。

表2 配合物高低自旋態(tài)的單點(diǎn)能E0及高低自旋能級(jí)差(ΔE0=EHS-ELS)Table 2 Single-point energy (E0) and relativeenergy ( ΔE0=EHS-ELS) of the complex in all spinstates calculated by different functional

圖1 配合物選用B3LYP方法時(shí)的自旋密度分布圖

3.3 課后階段

3.3.1 教師進(jìn)行教學(xué)反思

教師根據(jù)課前及課中教學(xué)情況，從是否達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)中成功及需要改進(jìn)的地方、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)際教學(xué)行為的差距、課堂上發(fā)生的偶然事件及影響等幾方面，進(jìn)行教學(xué)后反思，指導(dǎo)并完善結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。另外，指導(dǎo)學(xué)生完成拓展實(shí)驗(yàn)，教師只提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如雙原子分子價(jià)層分子軌道的繪制、配合物分子振動(dòng)光譜計(jì)算等，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師與學(xué)生一起討論交流，評(píng)估其可能性，指導(dǎo)學(xué)生完成拓展實(shí)驗(yàn)。

3.3.2 撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告、完成拓展實(shí)驗(yàn)

學(xué)生除按常規(guī)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，還需就計(jì)算結(jié)果及其討論和實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、學(xué)習(xí)心得體會(huì)等，撰寫小論文。另外，學(xué)生還可以根據(jù)教師提供的拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，帶著問題查閱文獻(xiàn)，以2～3人小組為單位進(jìn)行探求、歸納和總結(jié)；確定量子化學(xué)計(jì)算所用的泛函和基組；撰寫詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)教師評(píng)估后在教師指導(dǎo)下進(jìn)一步理清實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)估結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中需要注意的問題等，完成拓展實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核，直接影響學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中占據(jù)重要地位。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，將學(xué)生的學(xué)習(xí)過程放在課下，課上是檢驗(yàn)和加深學(xué)生學(xué)習(xí)成果的階段，因此過程性考核尤為重要，除常規(guī)的知識(shí)點(diǎn)測(cè)試和期末考試外，也把學(xué)生回答問題、參與問題討論等情況納入到課程成績?cè)u(píng)定中。此外，我們還采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告和小論文相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、結(jié)論等基本組成部分，必須堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，將實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、歸納和整理分析，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的不足之處，積極思考，可在教師和問題討論小組的幫助下提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施。而小論文主要側(cè)重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題及解決方案和學(xué)習(xí)心得體會(huì)等，既有利于學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行反思和總結(jié)，也為教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供方向和參考。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，注重目標(biāo)導(dǎo)向性，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，將X-射線單晶衍射、量子化學(xué)計(jì)算等新方法、新原理引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，同時(shí)寓研于教，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新穎性和實(shí)用性，反應(yīng)了學(xué)科前沿性和時(shí)代性。采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂效率低、學(xué)生和教師交流不足、學(xué)生動(dòng)手能力差的不足，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自主性探究式學(xué)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)施，加深了學(xué)生對(duì)自洽場(chǎng)法和線性變分法解薛定諤方程原理的理解，同時(shí)加深了學(xué)生對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、分子軌道概念和薛定諤方程的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合解決復(fù)雜問題的能力及創(chuàng)新能力。此外，實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施必然會(huì)要求教師不斷創(chuàng)新和鉆研實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化改革，對(duì)實(shí)現(xiàn)新時(shí)代創(chuàng)新性應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)起到十分重要的作用。