PBL教學(xué)法在結(jié)構(gòu)化學(xué)休克爾分子軌道理論教學(xué)中的應(yīng)用

薛鎮(zhèn)鎮(zhèn)，潘杰，王國明

青島大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266071

1 引言

結(jié)構(gòu)化學(xué)是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，描述微觀粒子運動狀態(tài)波函數(shù)、分子和晶體中原子空間排布規(guī)律的學(xué)科，是高?；瘜W(xué)相關(guān)專業(yè)中的一門重要理論課程[1–4]。結(jié)構(gòu)化學(xué)需要數(shù)學(xué)、物理及其他多門化學(xué)課程等為支撐，涉及的知識面較廣。同時其理論性強，內(nèi)容抽象，要求學(xué)生具有良好的空間思維能力。由于課程難度大，學(xué)生易產(chǎn)生畏難心理和排斥情緒。傳統(tǒng)授課模式(Lecture-Based Learning，LBL)往往會形成教師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面，無法充分調(diào)動學(xué)生的積極性，甚至?xí)共糠謱W(xué)生失去對化學(xué)專業(yè)的興趣。因此，針對結(jié)構(gòu)化學(xué)的課程特點，須進行教學(xué)模式改革，采用靈活多樣的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

PBL(Problem-Based Learning)教學(xué)法[5,6]，即問題式教學(xué)法，不同于LBL法，是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法。該方法以典型問題為導(dǎo)向，以提出、分析、解決問題為基本步驟，將學(xué)生的學(xué)習(xí)置于有意義的問題情境中，引導(dǎo)學(xué)生自主分析、合作交流、分組討論，讓學(xué)生掌握隱藏于問題背后的科學(xué)知識，提高解決實際問題的能力。PBL法在培養(yǎng)學(xué)生問題意識、團結(jié)協(xié)作意識以及提升課堂教學(xué)效率等方面有顯著的促進作用。結(jié)合其他多種教學(xué)模式，如啟發(fā)式教學(xué)法、直觀演示法等，會使教學(xué)更有節(jié)奏，學(xué)生更有激情，課堂更加生動，最終達到思想、知識與能力協(xié)同提升的教學(xué)效果。

結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中，休克爾分子軌道(Hückel Molecular Orbital，HMO)理論[7,8]是一種重要的量子化學(xué)研究方法，可計算共軛分子體系π電子的能量和波函數(shù)。該理論在定性及半定量地解釋和預(yù)測共軛分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等問題上具有高度概括性，一直被理論化學(xué)家們廣泛應(yīng)用。而且，由該理論引出的電荷密度、π鍵鍵級、自由價等若干分子參量，在化學(xué)理論的研究與應(yīng)用中同樣具有較大參考價值。因此，學(xué)生對該知識的理解與掌握，是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)過程中時刻要關(guān)注的重點。本文以HMO理論為例，探討PBL教學(xué)法在該部分內(nèi)容教學(xué)中的設(shè)計與實施。以問題導(dǎo)入，并將趣味性、拓展性問題貫穿整個教學(xué)過程，同時在分析問題中，輔以直觀演示法等其他教學(xué)方法和模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2 教學(xué)方法實施

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點，可依次設(shè)計提出以下問題，用于分析、解決和應(yīng)用：

(1)共軛分子以離域π鍵為特征，為何有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)？(2)為什么共軛分子的離域效應(yīng)使體系的π電子能量比定域情況下的能量更低(以1,3-丁二烯分子為例)？(3)回顧有機化學(xué)知識，1,3-丁二烯為何會發(fā)生1,4-加成反應(yīng)？(4)環(huán)狀共軛烯烴能否利用直鏈共軛烯烴的處理方法，求解出相應(yīng)的物理量？(5)如何利用對稱性的方法，簡化計算過程？(6)結(jié)合有機化學(xué)知識，為何滿足(4n+2)體系的分子具有芳香性，可以穩(wěn)定存在？(7)杯烯分子為何會有較大極性，它出現(xiàn)較大極性的原因是什么？

學(xué)生可以小組為單位對設(shè)計的導(dǎo)入式問題進行全方位的資料搜尋，如利用各種現(xiàn)代化的電子手段，通過文獻檢索、網(wǎng)絡(luò)查閱、使用學(xué)習(xí)軟件等方式來探究相關(guān)問題，并在此過程中實現(xiàn)知識的自我建構(gòu)。再通過小組討論等形式，加強學(xué)生間的分工合作。每位小組成員受共同目標(biāo)的指引，相互取長補短，通過活躍而融洽的討論，以達到分析并解決問題的目的。PBL教學(xué)法的實施，可為學(xué)生營造更加主動、輕松的學(xué)習(xí)氛圍，有助于學(xué)生完成角色轉(zhuǎn)換，從被動的學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的主人。

針對以上問題，我們對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容作簡要說明。

2.1 問題(1)

非共軛分子中，每個雙鍵會各自、獨立地展現(xiàn)出它們的物理化學(xué)性質(zhì)，因此可根據(jù)雙鍵的性質(zhì)推斷出此類分子的性能。而共軛分子，一般由雙鍵-單鍵相互交替排列形成的一個新體系，表現(xiàn)出特有的性能，而不能把共軛雙鍵看作是兩個獨立雙鍵的簡單加和。該問題的提出，可引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成從分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析問題的習(xí)慣，進一步掌握結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律。

以1,3-丁二烯為例，引導(dǎo)學(xué)生回顧該分子的成鍵方式，包括碳原子的雜化類型、與氫原子的成鍵類型、與相鄰碳原子的成鍵類型等，指出丁二烯為平面型分子。未參與雜化的p軌道(各含一個電子)，垂直于分子平面且互相平行重疊，構(gòu)建離域π鍵(圖1)。π電子不被限定在某兩個碳原子之間，而是在整個骨架中運動，因此表現(xiàn)出不同于非共軛分子的特性，如穩(wěn)定性更高、吸收光譜改變、鍵長均一化等。

圖1 1,3-丁二烯分子軌道重疊示意圖

2.2 問題(2)

問題(1)指出，共軛分子由于離域π鍵的存在，表現(xiàn)出不同于非共軛分子的特性，如體系能量降低。問題(2)則是對問題(1)的理論解釋，旨在引導(dǎo)同學(xué)們加深對一維勢箱中粒子運動狀態(tài)波函數(shù)及能量的理解和掌握。對于1,3-丁二烯分子，可假定有兩種情況：(a)4個π電子兩兩形成兩個定域π鍵；(b)4個π電子形成一個π44離域π鍵。設(shè)相鄰碳原子間距離為l，按一維勢箱中粒子模型，分別計算出(a)和(b)情況下的π電子能量E(m為電子質(zhì)量；h為普朗克常數(shù))。

由計算結(jié)果可看出，共軛分子離域效應(yīng)擴大了π電子的活動范圍，即一維勢箱長度增加，使得分子能量降低，穩(wěn)定性增加。

共軛分子穩(wěn)定性的問題已經(jīng)讓同學(xué)們利用一維勢箱模型計算證明，是否可用其他方法證明？隨即引出HMO理論的概念。HMO法是一種處理共軛分子簡單有效的方法，可預(yù)測同系物的性質(zhì)、分子的穩(wěn)定性和化學(xué)反應(yīng)性能等。

2.3 問題(3)

在化學(xué)反應(yīng)中，共軛雙烯往往表現(xiàn)出一些與隔離雙烯不同的特性。如當(dāng)共軛雙烯與親電試劑發(fā)生加成反應(yīng)時，可選擇兩種方式[9]。一種是親電試劑只同一個單獨的雙鍵反應(yīng)，試劑的兩部分加在相鄰的兩個碳上，稱為1,2-加成；另一種則是試劑加在兩端的碳上，同時中間的兩個碳之間形成一個新的雙鍵，為1,4-加成，或稱為共軛加成。多數(shù)情況下，共軛分子如1,3-丁二烯，可發(fā)生兩種不同的加成反應(yīng)，并且1,4-加成產(chǎn)物通常是主要的。

此問題的提出，可引導(dǎo)學(xué)生對HMO理論分子圖進行深入學(xué)習(xí)，并利用所學(xué)知識提高自身分析問題、解決問題的能力。教學(xué)過程中，使學(xué)生熟練掌握分子圖中涉及的分子參量，如電荷密度、鍵級、自由價等的計算方法和物理意義，并總結(jié)相關(guān)知識以助于解決此問題：親電(核)反應(yīng)易發(fā)生在電荷密度最大(小)的碳原子上；自由基易發(fā)生在自由價最大的碳原子上；若電荷密度都相等，則無論親電親核反應(yīng)，都易發(fā)生在自由價最大的碳原子上?；谏鲜?，也就很好地解釋了1,3-丁二烯易發(fā)生1,4-共軛加成的原因。

2.4 問題(4)和(5)

圖2 順/反丁二烯分子中的對稱面和C2軸

2.5 問題(6)和(7)

問題(6)和7的導(dǎo)入是引導(dǎo)學(xué)生分析問題，并培養(yǎng)其利用所學(xué)知識解決問題的綜合能力。學(xué)生們通過先修課程有機化學(xué)的學(xué)習(xí)，已掌握判斷一個化合物是否具有芳香性的Hückel規(guī)則：含有4n+2(n=0,1,2…)個電子的單環(huán)封閉平面共軛烯烴化合物具有芳香性。為什么？問題(6)的提出有助于引導(dǎo)同學(xué)們從本質(zhì)上理解分子的特性，進一步加深對結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一規(guī)律的認(rèn)識。

三元環(huán)到八元環(huán)的單環(huán)平面共軛多烯烴，軌道能級可由HMO法分別計算得到。以苯分子為例，苯有6個π電子，滿足4n+2規(guī)則，按照計算出的軌道能級順序，電子可填充到3個成鍵軌道中，反鍵軌道上無電子，因此苯分子穩(wěn)定性高。而對于不滿足4n+2規(guī)則的單環(huán)分子，如碳原子數(shù)為4時，兩個電子填入成鍵軌道，而另兩個電子則填入非鍵軌道，其結(jié)構(gòu)為雙自由基，非常不穩(wěn)定。同理，學(xué)生也很容易理解為何環(huán)丙烯易失去一個電子，而環(huán)戊二烯易得到一個電子，進而滿足4n+2規(guī)則后，對應(yīng)的離子會更穩(wěn)定存在。此外，問題(7)的提出，可啟發(fā)學(xué)生利用4n+2規(guī)則解決實際問題，如解釋杯烯分子有較大偶極矩的原因(圖3)。

圖3 杯烯的分子結(jié)構(gòu)

3 教學(xué)效果及反饋

PBL教學(xué)法以“問題是學(xué)習(xí)的起點也是選擇知識的依據(jù)”為基本思想，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)者”的精髓。結(jié)構(gòu)化學(xué)是學(xué)生普遍認(rèn)為較難的一門課程，對于數(shù)理基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，更是難上加難。通過針對休克爾分子軌道理論知識點的PBL教學(xué)探索，我們發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)法可充分調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、信心和潛能，學(xué)生與教師能較好地互動、交流。一堂枯燥的理論課變成生動的討論課，明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。與其他知識點相比，學(xué)生對該理論的學(xué)習(xí)熱情明顯提高，對知識信息的獲取、加工和運用能力顯著改進，團隊協(xié)作精神面貌大幅提升。

課堂教學(xué)效果的信息反饋是及時檢測和評估學(xué)生對課堂知識掌握程度的一種有效而重要的手段。一方面，通過課堂測驗發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)同學(xué)已熟練掌握該理論知識的重難點，理解較透徹、印象較深刻。針對往屆的LBL教學(xué)模式下存在的問題，如學(xué)生聯(lián)系實際方面的能力欠缺或不全面，PBL教學(xué)法實現(xiàn)了學(xué)生知識體系的架構(gòu)，提高了學(xué)生解決實際問題的能力。另一方面，通過問卷調(diào)查看出，學(xué)生對PBL教學(xué)模式更有傾向性，認(rèn)為該方法可激發(fā)自身的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高自主學(xué)習(xí)和文獻檢索能力，開闊學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)綜合素質(zhì)。而LBL模式下，學(xué)生可能把更多精力放在理解和記憶上，忽視創(chuàng)新性思維的學(xué)習(xí)和實踐，逐漸失去對結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。因此，在后續(xù)的教學(xué)活動中，我們積極探索將PBL方法引入到其他理論知識點的教學(xué)實踐中，使學(xué)生學(xué)習(xí)隱含于問題背后的知識，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)并解決實際問題的技能。

4 結(jié)語

PBL教學(xué)法強調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，是一種啟發(fā)式教學(xué)原則指導(dǎo)下的教學(xué)模式，已被國內(nèi)外教研人員廣泛認(rèn)可。本文探討了PBL教學(xué)法在結(jié)構(gòu)化學(xué)HMO理論教學(xué)中的應(yīng)用與實施。以精心設(shè)計的問題為切入點，在分析問題中激發(fā)學(xué)生的求知欲，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用。同時，我們也積極探索PBL教學(xué)法與其他教學(xué)方法手段的有機融合，賦予課堂“生命力”，以提高課堂教學(xué)效果，實現(xiàn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)與提升。