以一流資源支撐結(jié)構(gòu)化學(xué)一流課程建設(shè)

孫宏偉，陳蘭

南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

結(jié)構(gòu)化學(xué)在原子、分子水平上討論物質(zhì)的性質(zhì)與幾何、電子結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，從微觀理論和方法入手，在理解“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)上，構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)(本質(zhì))與宏觀性質(zhì)(現(xiàn)象)依賴關(guān)系，從而使學(xué)生能在更深層次上理解各種化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的本質(zhì)和內(nèi)涵。結(jié)構(gòu)化學(xué)是基礎(chǔ)(經(jīng)驗性)化學(xué)到高等(理論性)化學(xué)的階梯，可以引導(dǎo)學(xué)生逐步突破表象，從本質(zhì)上認(rèn)識化學(xué)問題。因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)在化學(xué)學(xué)科的課程體系中具有重要的地位，是化學(xué)學(xué)科思維的最重要組成部分。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的電子結(jié)構(gòu)部分涉及量子力學(xué)等諸多深奧的知識，空間結(jié)構(gòu)部分又涉及大量分子和晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，素來以“教師難講，學(xué)生難學(xué)”而著稱，是大學(xué)階段化學(xué)專業(yè)課程中最難學(xué)的課程之一[1]。

南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程組針對教學(xué)難點，充分利用現(xiàn)代計算化學(xué)和晶體學(xué)發(fā)展的成果，成功地將計算化學(xué)、晶體學(xué)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)和交互技術(shù)等引入結(jié)構(gòu)化學(xué)理論教學(xué)，通過多媒體素材、實踐教學(xué)、視頻和教學(xué)網(wǎng)站等系列完善的資源建設(shè)，將現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)的理論課課堂講授經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)模型實踐教學(xué)等充分融合，形成了理論教學(xué)與實踐相結(jié)合，課堂教學(xué)與虛擬網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新教學(xué)模式，極大地改變了結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂教學(xué)形態(tài)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教師的創(chuàng)造性，取得了理想的教學(xué)效果。

1 突破課堂講授難題

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程包括兩個核心內(nèi)容：一是描述微觀粒子運動規(guī)律的波函數(shù)，即原子軌道和分子軌道，并通過軌道相互作用了解化學(xué)鍵的本質(zhì)；二是描述分子和晶體中原子的空間排布，確立分子和晶體的立體結(jié)構(gòu)[2]。這兩個核心內(nèi)容恰恰是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的兩大難點，如何更好地在課堂上展現(xiàn)抽象的函數(shù)和分子、晶體的三維空間結(jié)構(gòu)是授課教師面臨的難題。

新技術(shù)的引入為解決這個授課難點提供了強有力支撐：其中，針對電子結(jié)構(gòu)部分抽象概念多、學(xué)生難以理解的特點，我們通過制作函數(shù)圖(圖1)、動畫(圖2)和交互式虛擬現(xiàn)實動畫(圖3)，形象表現(xiàn)原子、分子軌道性質(zhì)和分子軌道形成的動態(tài)過程，使學(xué)生將形象化的內(nèi)容與抽象的概念相互印證；針對空間結(jié)構(gòu)中分子和晶體的空間結(jié)構(gòu)多、學(xué)生難以掌握的問題，我們通過計算化學(xué)、晶體學(xué)專業(yè)軟件表現(xiàn)分子和晶體結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作分子、晶體的3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、圖片、動畫和虛擬現(xiàn)實(VRML)動畫，在課堂上實時展現(xiàn)分子和晶體結(jié)構(gòu)(圖4)，方便學(xué)生快速掌握分子和晶體空間結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。

圖1 函數(shù)圖

圖2 π成鍵分子軌道形成過程(動畫)

圖3 VRML函數(shù)圖

圖4 晶體結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)

課程組參加了高等化學(xué)教學(xué)資源庫結(jié)構(gòu)化學(xué)子庫(圖5)一期和二期建設(shè)，采用幾十種計算化學(xué)、晶體學(xué)、數(shù)據(jù)繪圖、圖像渲染、動畫制作等方面的軟件，設(shè)計并制作了動畫、圖片、矢量cdr圖和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等素材近900個，資源庫建設(shè)為結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂多媒體教學(xué)提供了充足的素材保障。

圖5 高等化學(xué)教學(xué)資源庫結(jié)構(gòu)化學(xué)子庫

在資源庫建設(shè)的同時，課程組完成了課程全部高水平交互式結(jié)構(gòu)化學(xué)多媒體課件的制作，其中包含各種類型的多媒體素材1500多個；后期又不斷采用新技術(shù)手段制作新型、表現(xiàn)力出色且藝術(shù)水平高的資源素材，如交互式VRML格式的分子軌道、晶體宏觀對稱性動畫和VRML動畫等[3,4]，目前課程組設(shè)計制作的各類結(jié)構(gòu)化學(xué)資源素材近3000個，做到了課程知識點的全覆蓋，完全滿足教師課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。

現(xiàn)代計算化學(xué)、晶體學(xué)成果與計算機多媒體、交互技術(shù)等引入課堂教學(xué)，充分利用交互技術(shù)的優(yōu)勢表現(xiàn)抽象概念和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，極大地改變了結(jié)構(gòu)化學(xué)的課堂教學(xué)形態(tài)。在課堂上，教師可以方便地以最恰當(dāng)?shù)慕嵌日宫F(xiàn)電子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，學(xué)生則從豐富、準(zhǔn)確、精確的各類圖片、動畫和交互式模型中理解各種抽象概念。在講授“分子軌道成鍵三原則”時，通過沿鍵軸方向的原子軌道對稱性(圖1b)圖片，學(xué)生可以直觀地理解對稱性匹配的原則；在講授“六方最密堆積”時，通過VRML動畫(圖4c)，學(xué)生可以直觀地從不同角度觀察正八面體空隙的分布。這些工作的完成激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和教師的創(chuàng)造性，解決了多年來一直困擾結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)的難點。學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和對結(jié)構(gòu)化學(xué)知識的掌握水平明顯提高，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程也從學(xué)生畏難抵觸變成最喜歡的課程之一。本課程資源素材和課件在全國推廣使用，為提高國內(nèi)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的水平發(fā)揮了良好作用。

2 解決學(xué)生課外學(xué)習(xí)難題

結(jié)構(gòu)化學(xué)是一門難度高的理論課程。一方面，課程的特殊性使學(xué)生無法通過自學(xué)完成學(xué)習(xí)，課堂講授是不可或缺的；另一方面，學(xué)生僅靠課堂學(xué)習(xí)無法達(dá)到課程要求的效果，反復(fù)學(xué)習(xí)，逐步加深對理論知識的理解，強化空間結(jié)構(gòu)概念是學(xué)好本課程的必由之路。教學(xué)視頻的缺乏無疑成為學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)最大的難題。針對這個難題，課程組進行了以下幾項工作。

基于國家精品課建設(shè)的要求，筆者于2010年錄制了結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂實錄視頻，視頻在超星學(xué)術(shù)視頻網(wǎng)、南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程網(wǎng)站和愛課程網(wǎng)發(fā)布，國內(nèi)眾多視頻網(wǎng)站都有轉(zhuǎn)載。為方便學(xué)生課外學(xué)習(xí)，2016年筆者編著的《結(jié)構(gòu)化學(xué)》教材[5]在高等教育出版社出版時，配套錄制了結(jié)構(gòu)化學(xué)重點難點講解(微課)視頻77講，讀者可以直接掃描教材上的二維碼觀看相關(guān)知識點的講解。同期還錄制了教材配套習(xí)題講解視頻97講。2018年筆者為克服課堂講授錄像中多媒體展現(xiàn)不好、微課視頻片段化的不足，重新錄制了結(jié)構(gòu)化學(xué)課程全程講授視頻107講。

這幾項工作的完成為學(xué)生課外學(xué)習(xí)提供了多角度、不同層次的視頻資源。學(xué)生無論是按課堂講授順序系統(tǒng)學(xué)習(xí)，按知識點片段化學(xué)習(xí)，還是解決課后習(xí)題問題都可以選擇性觀看相應(yīng)的教學(xué)視頻，對學(xué)生的課外學(xué)習(xí)提供了強有力的支持。本課程教學(xué)視頻受到眾多國內(nèi)同行和校外學(xué)生的關(guān)注，許多學(xué)生通過這些教學(xué)視頻資源學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程。今年疫情期間，正是基于這些教學(xué)視頻資源，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的線上教學(xué)得以靈活開展，教學(xué)效果良好，受到學(xué)生的普遍好評。

3 提升模型實習(xí)實踐教學(xué)效果

為解決空間結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的難題，國內(nèi)許多綜合性大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程都配套有模型實習(xí)實踐教學(xué)，通過實物模型實習(xí)來加強空間結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課開設(shè)5次模型實習(xí)(每次2課時，30人小班，6組，單獨安排時間)，分別為分子對稱性、點陣?yán)碚?、晶體的宏觀對稱性、密置層和金屬密堆積以及離子晶體。但在長期的教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)幾個影響實習(xí)效果的問題：一是學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)難；二是實習(xí)講解不充分，實習(xí)效率低。我們通過資源建設(shè)和新教學(xué)方法的引入很好地解決了這幾個問題，提升了空間教學(xué)的效果。

受模型實習(xí)時間、場地和模型數(shù)量的限制，學(xué)生在模型實習(xí)實踐教學(xué)上無法進行系統(tǒng)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，難以達(dá)到模型實習(xí)的最佳效果。針對這個問題，課程組通過計算化學(xué)程序優(yōu)化提供了30種模型分子的3D結(jié)構(gòu)圖片(帶對稱元素)、MOL、MSV、SMA分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和VRML模型，用晶體學(xué)軟件構(gòu)建了典型金屬、離子晶體和堆積的MSV結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和VRML模型，用WinXMorph程序構(gòu)建了400多塊宏觀晶體的VRML模型，并建立了虛擬模型實習(xí)網(wǎng)站(圖6)，學(xué)生可以在實習(xí)前用虛擬模型預(yù)習(xí)，實習(xí)課上用實物模型學(xué)習(xí)印證，課后再用虛擬模型復(fù)習(xí)，實物模型教學(xué)和虛擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)合大大提升了學(xué)生空間結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的效果，同時虛擬模型實習(xí)網(wǎng)站也為缺乏實物模型的其他院校提供了學(xué)習(xí)條件。

圖6 虛擬模型實習(xí)

模型實習(xí)課采用分組的形式，學(xué)生的問題可與教師討論解決。但在具體實踐中我們發(fā)現(xiàn)這種方式存在這樣幾個問題：學(xué)生提問的知識點重復(fù)；教師解答僅限于提問的小組；受課時限制，教師難以在模型實習(xí)課上向全體學(xué)生講解全部遇到的問題。針對這個問題，筆者錄制了35段模型實習(xí)問題講解視頻，這些視頻既包含一些常見的基礎(chǔ)性問題：如26孔球的鍵角問題、等同點概念和點陣點位置等；也總結(jié)了一些可以提升學(xué)生空間結(jié)構(gòu)理解的問題：如二面體群結(jié)構(gòu)特點；hcp與ccp的關(guān)系等。學(xué)生觀看視頻相當(dāng)于了解并學(xué)習(xí)了大多數(shù)同學(xué)遇到的問題，開闊了視野，加深了對空間結(jié)構(gòu)的理解。兩項資源建設(shè)顯著提升了學(xué)生空間結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的效果，并且?guī)椭鷮W(xué)生在模型實習(xí)中通過小組討論掌握分子和晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律。今年由于疫情，結(jié)構(gòu)化學(xué)課程采用線上教學(xué)，虛擬模型實習(xí)和模型實習(xí)講解視頻助力學(xué)生很好地完成了空間結(jié)構(gòu)部分的學(xué)習(xí)，取得了很好的效果。

4 課程網(wǎng)站為一流課程建設(shè)提供平臺保障

課程網(wǎng)站為一流課程建設(shè)提供了平臺保障，多媒體課件的更新、新資源素材和教學(xué)視頻的發(fā)布均離不開課程網(wǎng)站，是資源建設(shè)的重要一環(huán)。

2003年，課程組建立了FTP服務(wù)器，提供課件和資源下載。2007年正式建成南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程網(wǎng)站(http：//struchem.nankai.edu.cn)并一直服務(wù)至今，網(wǎng)站資源隨著課程資源建設(shè)的進程不斷增加。目前網(wǎng)站資源共36 GB，內(nèi)容包括：i) 課程大綱和課程基本內(nèi)容；ii) 全部配套多媒體課件及相關(guān)多媒體、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)素材；iii) 3000多個自制多媒體素材的資源庫；iv) 虛擬模型實習(xí)5個；v) 教學(xué)視頻資源，包括課堂講授視頻89講，微課77講，課程全程視頻109講，習(xí)題講解97講，模型實習(xí)講解35講；vi) 由筆者承擔(dān)的，與結(jié)構(gòu)化學(xué)相關(guān)的量子化學(xué)、量子化學(xué)與分子力學(xué)(分子模擬)、計算機在化學(xué)中的應(yīng)用幾門課程的電子講義、資料和講解視頻等。南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程網(wǎng)站由筆者自己搭建和管理，可隨時更新；靜態(tài)網(wǎng)頁架構(gòu)簡單，安全性高。網(wǎng)站秉承資源共享原則，不設(shè)任何限制，國內(nèi)外所有訪問者均可自由下載使用。

課程網(wǎng)站為學(xué)生提供了獲得全部課程資源的平臺，方便學(xué)生學(xué)習(xí)并提升學(xué)習(xí)效果：學(xué)生可以在課程平臺上通過課程視頻自主學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)；下載交互式多媒體課件自己操作、制作翻轉(zhuǎn)課堂的課件；通過資源庫中的素材學(xué)習(xí)電子和空間結(jié)構(gòu)；通過虛擬模型實習(xí)完成空間結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)；通過其他課程資源全面提升理論和計算化學(xué)水平。課程網(wǎng)站是是助力新教學(xué)方法，提升課程教授水平的重要支撐平臺。

5 資源建設(shè)助力新教學(xué)方法

完備的課程資源建設(shè)直接助力結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)改革。為引入新的教學(xué)理念和教學(xué)方法奠定了厚實的基礎(chǔ)。課程組為提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升課程教學(xué)效果，引入了大班授課、小班討論的教學(xué)模式。以多角度、多層次的教學(xué)視頻以及交互式課件和多媒體資源為基礎(chǔ)，教師在教學(xué)時間和教學(xué)手段上可以靈活地掌控和運用。學(xué)生可以自主解決學(xué)習(xí)問題和習(xí)題難點，自學(xué)一些相對簡單的內(nèi)容，在不降低課程講授效果的前提下，教師的習(xí)題和課堂講授時長得以壓縮。

考慮到結(jié)構(gòu)化學(xué)課程特點，電子結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容難以理解，學(xué)生自學(xué)不可能完成，將主要以大班授課為主，小班討論課安排科學(xué)史學(xué)習(xí)、基本概念深入理解和波函數(shù)作圖等既可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又可以深入理解課程內(nèi)容的專題進行研討。內(nèi)容包括：量子力學(xué)發(fā)展史(背景、內(nèi)容、對量子力學(xué)發(fā)展所起作用，啟迪)；繪制勢箱和各種原子軌道函數(shù)圖；量子化學(xué)基本概念；化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)等。其中在波函數(shù)作圖的研討中，學(xué)生可以仿照課程資源庫的模式，采用不同的技術(shù)手段表現(xiàn)波函數(shù)的性質(zhì)，既可以在課程網(wǎng)站上通過視頻資源學(xué)習(xí)各類函數(shù)的作圖方法，也可以采用自己學(xué)習(xí)的其他方法，如python、MathLab或其他軟件完成各種2D、3D函數(shù)圖。在作圖中學(xué)生通過調(diào)整函數(shù)參數(shù)可以挖掘函數(shù)的規(guī)律，從抽象概念形象化的過程中加深對電子結(jié)構(gòu)概念和規(guī)律的理解。

空間結(jié)構(gòu)部分容易理解，但難以掌握，原有的教學(xué)模式是課堂講授+模型實踐教學(xué)。經(jīng)過探索，我們找到了一條新的有效的教學(xué)模式。

以翻轉(zhuǎn)課堂替代教師課堂講授，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程視頻資源后，自己組織翻轉(zhuǎn)課堂的課件，在資源庫中選取或自己制作素材資源，學(xué)習(xí)過程從被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?，學(xué)生在講授中能發(fā)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)更深層的規(guī)律，這種方式在分子對稱性一章的學(xué)習(xí)中實踐效果非常好。

實踐教學(xué)部分進階為實習(xí)討論課，固定分組，每組5–6人，每次課6組(與原有規(guī)模相同)。學(xué)生在課前用虛擬模型實習(xí)預(yù)習(xí)，學(xué)習(xí)模型實習(xí)視頻，教師在實習(xí)討論課上提出問題，加深學(xué)生學(xué)習(xí)的深度。如在分子對稱性討論實習(xí)中，提出的問題包括：對稱元素的數(shù)目和位置；如何找最快；點群如何快速判斷；找出點群與分子構(gòu)象的關(guān)系；搭建新的有挑戰(zhàn)性的分子結(jié)構(gòu)等等。課后學(xué)生利用虛擬模型實習(xí)復(fù)習(xí)后，再準(zhǔn)備課堂展講，進一步挖掘?qū)W生潛力，取得了非常好的效果。

經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐[6]，我們找到了空間結(jié)構(gòu)教學(xué)的新模式——“線上學(xué)習(xí)”+“翻轉(zhuǎn)課堂”+“虛擬模型”+“模型實習(xí)討論課”+“展講”，系列多角度的反復(fù)學(xué)習(xí)有效提升了空間結(jié)構(gòu)教學(xué)的效果和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團隊合作和表達(dá)的能力。

基于資源建設(shè)的基礎(chǔ)，南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程建設(shè)取得了顯著成果，南開大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程先后被評為國家精品課程(2009年)和國家精品資源共享課(2017年)；“基于現(xiàn)代技術(shù)的《結(jié)構(gòu)化學(xué)》精品課程的建設(shè)與實踐”2015年獲天津市教學(xué)成果一等獎；2020年課程入選天津市線下一流本科建設(shè)課程。

在今年疫情期間的教學(xué)中，線下授課改為線上授課，教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)均面臨了諸多挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)化學(xué)課程由于教學(xué)視頻豐富、全面，課程網(wǎng)站運行穩(wěn)定，各種教學(xué)資源豐富，教師可以采用靈活、高效的線上教學(xué)，諸如線上答疑和討論，智慧教學(xué)工具進行小測，虛擬模型實習(xí)實踐教學(xué)等等，保證了課程的教學(xué)效果，在對學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況調(diào)查中，課程資源的完備得到學(xué)生普遍稱贊。

6 結(jié)語

在一流課程建設(shè)中，資源建設(shè)無疑是關(guān)鍵。一方面，在資源建設(shè)中教師可以加深對知識點的理解，拓寬并領(lǐng)悟知識點間的關(guān)聯(lián)；另一方面，資源建設(shè)可以使教師有更充裕的課堂時間，方便靈活地引入新教學(xué)理念和思想，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，全面提升課程建設(shè)和教學(xué)水平。