新工科背景下的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)改革探索

(商丘師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 ， 河南 商丘 476000)

隨著全球一體化進(jìn)程的加快，以“新技術(shù)、新產(chǎn)品”為特點(diǎn)的新興產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，單一的技術(shù)人才已經(jīng)無法滿足目前社會(huì)的需求，要求工程技術(shù)人才必須具備更高的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，這樣才能在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中具有更好的主動(dòng)性。2017年2月，教育部頒布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，旨在培育一批綜合素養(yǎng)高和創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合型人才，為我國(guó)后續(xù)的科技發(fā)展提供充足的人才儲(chǔ)備。全國(guó)各地的高校也積極響應(yīng)，其中對(duì)于傳統(tǒng)的工科專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造也屬于新工科建設(shè)的一部分[1-3]。結(jié)構(gòu)化學(xué)作為一門化學(xué)專業(yè)本科生的必修課程，主要研究的是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與性能之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)完該門課程，學(xué)生可以從量子力學(xué)的角度理解電子、原子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)可以使學(xué)生用微觀結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)和有關(guān)方法去分析和解決實(shí)際化學(xué)問題，從而更有效地發(fā)揮化學(xué)學(xué)科的作用，符合新工科背景下高素質(zhì)復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面存在著一些問題，亟需改進(jìn)。本文主要以商丘師范學(xué)院化學(xué)專業(yè)的本科生為研究對(duì)象進(jìn)行改革探索，針對(duì)現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行深入探究，并提出相應(yīng)的意見和改進(jìn)辦法，擬探索出適用于新工科背景下結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)改革新模式。

1 結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中存在的主要問題

結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門以量子力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)的理論知識(shí)研究化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)學(xué)科。該課程的授課對(duì)象一般為大三或大四的本科生，可以說是對(duì)整個(gè)化學(xué)專業(yè)本科生的一門拔高課程，這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)基礎(chǔ)，還要具有較強(qiáng)的空間想象和邏輯推理能力。此外，該課程內(nèi)容較少采用實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行授課，學(xué)生無法直觀地感受到學(xué)習(xí)的內(nèi)容，而且教學(xué)中涉及到大量的高等數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這就使得該課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容枯燥無味，學(xué)生厭學(xué)情緒高，抵觸情緒比較大，甚至結(jié)構(gòu)化學(xué)被有的學(xué)生戲稱為“天書”。

對(duì)于教師來講，該課程教學(xué)難度大，需要花費(fèi)大量的精力備課，但教學(xué)效果并不明顯。同時(shí)，該課程的授課教師一般均為年齡偏大的資深教師，青年候補(bǔ)教師嚴(yán)重不足，甚至部分學(xué)校存在教師不愿意教授結(jié)構(gòu)化學(xué)這門課的現(xiàn)象。另外，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程通常不作為考研科目，而且教學(xué)難度較大，因此許多學(xué)校對(duì)該課程的教學(xué)缺少足夠的重視，大量采用“填鴨式”教學(xué)模式進(jìn)行授課，而在考試時(shí)只考一些簡(jiǎn)單記憶性的知識(shí)，使學(xué)生缺乏對(duì)該課程內(nèi)容真正的理解。這樣看似雖然也能完成教學(xué)任務(wù)，但在學(xué)生的接受程度上和對(duì)該課程的培養(yǎng)目標(biāo)上還存在著大量問題。更有甚者，部分學(xué)校把這門難度較大的課程直接從學(xué)生的培養(yǎng)方案中刪除，這種做法是極其不負(fù)責(zé)任的。

基于目前結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀，已不能滿足新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的需求，因此有必要對(duì)其進(jìn)行改革探索，從而建立新的教學(xué)觀念和教學(xué)模式。

2 新工科背景下結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革措施

新工科背景下的工程技術(shù)人才培養(yǎng)方案要進(jìn)一步得到提升，不能再單單地培養(yǎng)知識(shí)儲(chǔ)備型人才，這類人才已不再適合當(dāng)前社會(huì)的需求，而應(yīng)該是注重培養(yǎng)具有創(chuàng)新和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。因此，在課程教學(xué)改革方面要盡快改變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，探索和研發(fā)出新型的教學(xué)觀念和教學(xué)模式。

2.1 改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容

2.1.1適當(dāng)簡(jiǎn)化教材內(nèi)容和弱化公式推導(dǎo)

近年來，隨著我校培養(yǎng)方案的調(diào)整，化學(xué)專業(yè)的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程僅有36課時(shí)，而教材內(nèi)容較多。因此，為了讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)更好地掌握該課程的核心知識(shí)點(diǎn)，有必要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行一定的篩選，盡量簡(jiǎn)化一些與其他課程重復(fù)的知識(shí)點(diǎn)。以周公度版的《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》(第五版)教材為例，教師著重講解第一章至第八章內(nèi)容。但第二章的原子軌道輪廓圖、基態(tài)電子的排布、元素周期表與元素周期性質(zhì)以及第三章的化學(xué)鍵概述這部分內(nèi)容已經(jīng)在之前的無機(jī)化學(xué)課程中進(jìn)行了學(xué)習(xí)，因此該內(nèi)容在課堂上可以盡量弱化，只需要從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度進(jìn)行解釋即可。除此之外，第六章配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也在之前的無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)課程中有所了解，因此，為了避免重復(fù)講解，該部分內(nèi)容也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化學(xué)習(xí)。

另一方面，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的核心內(nèi)容為量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并且用量子力學(xué)來處理電子、原子和分子等微觀體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及晶體等微觀結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)微觀物質(zhì)的認(rèn)識(shí)能力。在整個(gè)教學(xué)過程中需要用到較多的數(shù)學(xué)公式，但該數(shù)學(xué)公式只是作為一種工具幫助學(xué)生更好地理解，其本身的公式推導(dǎo)不應(yīng)該作為整個(gè)教學(xué)的重點(diǎn)，但是如果全部省略公式的推導(dǎo)過程會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能完全準(zhǔn)確地理解整個(gè)概念。因此，要適當(dāng)弱化公式推導(dǎo)過程，理解公式思路即可。比如在講解單電子原子的薛定諤方程及其解這部分內(nèi)容時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)該讓學(xué)生掌握變數(shù)分離法的思想，而不是花費(fèi)大量時(shí)間和精力在公式推導(dǎo)上面，這樣可以避免學(xué)生對(duì)復(fù)雜數(shù)學(xué)公式學(xué)習(xí)的抵觸情緒，同時(shí)可以做到重難點(diǎn)突出，讓學(xué)生更好地掌握整節(jié)課的核心知識(shí)點(diǎn)。

2.1.2結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)研究激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程一般是在本科生的最后階段才學(xué)習(xí)的，是學(xué)生在學(xué)習(xí)高等化學(xué)之前的一個(gè)過渡階段，可以說結(jié)構(gòu)化學(xué)是連接本科生的四大化學(xué)與研究生階段要學(xué)習(xí)的高等化學(xué)之間的一個(gè)橋梁紐帶，該課程涉及到很多化學(xué)學(xué)科的基本內(nèi)容和基本理論，是一門具有交叉性質(zhì)的學(xué)科。因此，在教學(xué)過程中完全有必要引入與本學(xué)科有關(guān)的前沿內(nèi)容和研究成果，從而更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促使學(xué)生真正地認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)化學(xué)在實(shí)際研究過程中所發(fā)揮的作用。比如，在講緒論的時(shí)候，教師可以結(jié)合近年來諾貝爾獎(jiǎng)的得獎(jiǎng)情況，介紹一下量子力學(xué)的發(fā)展史。在講第一章量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)里面的薛定諤方程時(shí)，學(xué)生一般都會(huì)感到十分枯燥，此時(shí)教師可以引入一個(gè)小故事吸引學(xué)生的注意，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，教師還可介紹一下目前研究者利用量子力學(xué)理論發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)與研發(fā)技術(shù)，從而造福人類。在講到晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)部分時(shí)，可以引入當(dāng)前研究比較熱門的金屬有機(jī)框架材料(MOFs)。通過這種方法，不僅可以有效地集中學(xué)生的注意力，拓展學(xué)生視野，而且豐富了課本內(nèi)容，活躍課堂氣氛，讓結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)不再枯燥乏味，而是更加地貼近實(shí)際研究，從而使學(xué)生更好地了解學(xué)習(xí)這門課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 轉(zhuǎn)變教學(xué)方法

任何教學(xué)方法和手段都不是萬能的，都應(yīng)該針對(duì)具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對(duì)象進(jìn)行不斷地更新和調(diào)整，從而才能更好地提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容抽象難懂，理論性較強(qiáng)，且里面涉及到電子、原子、分子的微觀運(yùn)動(dòng)以及晶體的空間立體結(jié)構(gòu)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)理解起來比較困難，需要強(qiáng)大的空間想象力，相對(duì)傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)難以滿足該課程對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。因此，在教學(xué)過程中更應(yīng)注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的親自動(dòng)手能力，增加學(xué)生對(duì)抽象物質(zhì)的理解。比如在講分子對(duì)稱性和晶體結(jié)構(gòu)這兩部分時(shí)，教師可以幫助學(xué)生開展模型實(shí)習(xí)，采用球棍模型或者Flash動(dòng)畫等輔助軟件來模擬分子和晶體的空間結(jié)構(gòu)，讓抽象物質(zhì)變得具體化，讓學(xué)生更加直觀地感受到微觀粒子世界。

除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)以外，結(jié)構(gòu)化學(xué)還可以采用啟發(fā)式教學(xué)和討論式教學(xué)手段相結(jié)合的方式。因課程內(nèi)容難度較大，傳統(tǒng)的教師講授方式很難集中學(xué)生的注意力，因此要改變以往教師直接講述課程的教學(xué)方式，從問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生通過小組討論等形式來解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。讓學(xué)生變成課堂的主體，發(fā)揮主人翁意識(shí)，這樣才能有效地提高學(xué)習(xí)效果。比如在講雙原子分子的結(jié)構(gòu)內(nèi)容之前，可以向?qū)W生提問“為什么都是同核雙原子分子的O2和N2，二者的電子組態(tài)排布順序卻是不一樣的呢？”這樣可以使學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，并通過相互討論的方式來尋求答案，加深其對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，提高其分析和解決問題的能力。

2.3 多樣化考核方式

傳統(tǒng)的理論課考試重點(diǎn)在于對(duì)最后卷面成績(jī)的評(píng)價(jià)，而忽略教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)。為了避免學(xué)生應(yīng)付考試，以及結(jié)合新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的要求，我們應(yīng)采取多樣化的考核方式，最終成績(jī)不應(yīng)該只是期末考試的卷面成績(jī)，應(yīng)該把學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)也納入考核范圍內(nèi)，并相應(yīng)加大此部分所占的比例。而平時(shí)表現(xiàn)不僅包括平時(shí)作業(yè)，還要包括學(xué)生課堂出勤率、課堂討論以及解決教師提出的問題等多種形式。此外，筆試試卷所考的內(nèi)容不能只是一些簡(jiǎn)單的記憶性問題，而要有一些要求學(xué)生綜合運(yùn)用該課程較多的知識(shí)點(diǎn)才能解決的問題，要有一定的難度和深度，這樣才能夠有效地防止學(xué)生利用短暫的時(shí)間突擊考試的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也給后面的學(xué)生起到一個(gè)警示作用。這種考核方式的改變，可以使學(xué)生不僅重視課本知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)更加重視平時(shí)課堂上的表現(xiàn)，以及課下預(yù)習(xí)解決問題的能力，從而更好地提高自身的綜合素養(yǎng)。

3 結(jié)論

結(jié)構(gòu)化學(xué)是本科生階段的一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，要求學(xué)生具有良好的化學(xué)基礎(chǔ)。本文通過分析目前化學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程中存在的問題，并結(jié)合新工科背景下對(duì)人才培養(yǎng)的要求，擬分別從適當(dāng)簡(jiǎn)化教材內(nèi)容和弱化公式推導(dǎo)、結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)研究激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、轉(zhuǎn)變教學(xué)方法、采取多樣化考核方式等多方面進(jìn)行改革探索，從而提升課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、協(xié)作和分析解決問題等綜合素質(zhì)能力，為其后續(xù)工作或進(jìn)一步深造打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。