結構化學教學中的“新”認識和“新”實踐

朱月香 錢民協 段連運

(北京大學化學與分子工程學院 北京 100871)

結構化學基礎課是化學專業本科生的一門主干基礎課，對于使學生建立初步的微觀結構原理，培養科學精神和創新思維，具有不可替代的作用。我們教學小組主要在以下兩個方面進行了探索和實踐。

1 注重原始創新 啟迪學生思維

一般說來，寫在教科書中的內容都是當時最成功的原始創新。教師在授課中引導學生置身其中，積極思考，非常有利于培養他們的創新思維及認識問題和解決問題的能力。我們在講授某種理論或方法的時候，倡導學生自問：如果是我，會怎么處理，為什么？啟發學生用“心”去體會所學理論和方法背后蘊含的分析問題、解決問題的基本思路和方法。這樣做，使他們終身受益。例如：

量子力學基礎部分，教師感到難講，學生感到難學。其實這一部分內容很有意思。量子力學的建立和發展可以說充滿了激動人心的原始創新，帶給人們很多啟發。我們在教學實踐中體會到：“危機”就是轉機，“矛盾”爆發之時亦即新成果涌現之際。為了得到與實驗結果相符合的黑體輻射公式，普朗克勇敢地打破能量連續變化的經典理論，提出全新的量子論假說。愛因斯坦敏銳地意識到能量量子化概念的重要性，并將其應用于光電效應的解釋，提出了光的波粒二象性，建立了質能聯系定律。年輕的法國科學家德布羅意仔細考察了光學理論的發展過程，聯想到問題的另一個方面——實物微粒的運動特征。他認為，在光學上，比起波動的研究方法，是過于忽略了粒子的研究方法；而在實物微粒上，是否發生了相反的錯誤？是不是過多地考慮了粒子的圖像，而過于忽略了波的圖像？他大膽提出實物粒子波粒二象性的假設，開啟了人們認識微觀世界的序幕[1-2]。

德布羅意的這種打破原有界限的極限聯想思維往往會帶來人們意想不到的結果。在科學研究中，往往也需要突破常規，探索可能的極限情況。傳統的合成氨鐵基催化劑中，Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物質的量比為0.5時活性最高，在近80年的時間內，研究工作都是在Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物質的量比在0.4～0.7范圍內圍繞這個活性最高點來做文章，通過加入各種助劑來提高催化劑的活性。我國科學家劉化章教授打破了原有的研究框架，將這個比例增大到10，結果得到了一個新的催化體系——維氏體Fe1-xO(0.04≤x≤ 0.10),活性提高了20%。他對催化劑活性與組成的關系提出了一個全新的概念，并預測了隨著催化劑組成不同，可能存在的另外幾個活性極大點[3]。

在認識了微觀粒子的波粒二象性后，許多科學家經過大量工作，建立了描述微觀粒子運動規律的量子力學。我們在講授量子力學基本假設時，先讓學生思考：如果讓我們來建立量子力學，首先應該解決什么問題？經過思考，他們梳理出如下思路：由于面臨的矛盾是，微觀粒子具有波粒二象性，不能用經典力學來描述它們的運動狀態，因而，應當首先解決狀態描述的問題。那么如何描述呢？肖像漫畫或許能給學生以啟迪：夸張的高鼻子、大嘴巴，決不是真人的樣子，但人們一看就能知道是誰。為什么？因為抓住了人物的特點！微觀粒子最大的特點就是具有波性，因此，可以用波函數來描述微觀粒子的運動狀態。對于單粒子的一維運動，以經典物理學中平面單色光的波動方程為基礎，將其中的參數用波粒二象性的兩個關系式代替就可得到量子力學描述單粒子一維運動的波函數。

結構化學中另一個抓住特點解決問題的例子是簡單休克爾分子軌道法(SHMO法)。為了解釋具有離域π鍵的共軛分子的性質，休克爾緊緊抓住對分子性質有決定性影響的π電子的運動狀態，忽略σ電子的影響，建立了簡單有效的MO法，能較好地解釋和預測共軛體系的穩定性、酸堿性、電磁性以及化學反應等性能。

我們在教學中不斷引入科學史上的原始創新內容，向學生灌輸在科學研究中“抓住關鍵因素，選準突破口，解決問題，實現原始創新” 的思想，收到較好的效果。

2 及時納新 豐富教學內容

在教學過程中注意積累素材，不斷追蹤國內外科技發展的最新動態，堅持教學與科研相結合，及時在適當章節介紹與結構化學教學內容密切相關的科技發展的新成果、新理論和新方法，使學生開闊視野，獲得新知識和新概念，激發學生的學習熱情和對科研工作的興趣。

在講授電子自旋量子數時，從一系列實驗事實如光譜精細結構、斯特恩-蓋拉赫實驗等出發，說明由解薛定諤方程得到的波函數并不能完整地描述電子的運動狀態，必須引入自旋運動的概念。1928年，狄拉克的相對論量子力學方程成功地給出了電子具有自旋運動的推論，但是又導致負能態矛盾的出現，讓當時的物理學家深感困惑。為了解決這一難題，狄拉克提出新的真空理論和反物質的概念，使人類對物質世界的認識有了一個大的飛躍。幾年后反(正)電子的存在便被科學家所證實，后來又發現了由正電子和電子組成的正電子素。2007年，Nature上報道了由兩個正電子素組成的反分子——正電子素分子，其結構類似氫分子，中心為正電子，周圍為電子[4]。介紹這些新的科研成果可以使學生體會到，科學的發展是沒有止境的，有很多新的領域等待我們去探索。

原子軌道及分子軌道的輪廓圖是根據波函數作圖得到的。2004年Nature上的一篇報道使我們可以直接看到分子軌道，這是用飛秒光譜技術得到的N2分子HOMO——2σg軌道的三維圖像[5]，與理論推導的結果完全一致。試想，如果可以直接觀測所有分子的前線軌道，就意味著可以在線觀看化學反應的進行，那將是何等激動人心的事！

化學鍵對物質的結構和性質有決定性的影響。以前我們了解的鍵級最高的共價鍵是Re2Cl82-中Re和Re之間的四重鍵。2005年Science上報道了第一個具有五重鍵的Cr(Ⅰ)配合物：Ar′CrCrAr′[6]。在介紹了Re—Re四重鍵后，讓學生自己分析Cr—Cr之間五重鍵的形成。硼是一個非常獨特的元素，含硼化合物中的化學鍵也常常與眾不同。B12H122-中12個B形成的正三角二十面體是大家非常熟悉的結構，2009年Nature上報道了第一個由單一元素組成的具有離子化合物特征的物質：B2-B12[7],其中B2帶部分正電荷，B12多面體帶部分負電荷。及時吸納這些新的研究進展可以向學生展現化學鍵的魅力，激發他們對化學的興趣。

納米材料是目前最熱門的研究領域之一。2006年JACS上報道了納米合金在溶液中奇特的可逆物相轉變行為[8]。比如，將具有NiAs型結構的納米PtSn放入SnCl2的四甘醇溶液中，在280℃反應40min就可以轉變為具有CaF2型結構的PtSn2；如果在K2PtCl6溶液中于260℃反應20min則轉變為Pt3Sn。這些反應都是可逆的，通過調整反應溶液的組成即可很容易地調變產物的組成，而一般的固相反應需要很高的反應溫度。這些奇特的反應性能與納米材料的高比表面有關。我們將這些知識介紹給學生，豐富了晶體結構的教學內容。

在講授譜學及衍射原理和方法時，將教師的相關科研成果作為實例讓學生分析，使他們更切實地感受這些方法的重要性，正確掌握這些理論和方法的基本原理和使用范圍。這樣，學生學習到的知識就不僅僅是停留在書本上，而是能運用這些理論和方法去解決實際問題，為以后的科研工作打下堅實的基礎。

納新和吐故是相輔相成的。我們在教學中注意恰當地處理二者的關系。原則是，納入的新內容既能作為基本概念和原理的良好載體，又能激發學生對科學的興趣，調動他們學習化學的積極性。如此便可實現“堅持基礎，常教常新”。

參 考 文 獻

[1] 周公度,段連運,結構化學基礎.第4版.北京:北京大學出版社,2008

[2] 程九標,張憲魁,陳為友,物理發現的藝術.青島:中國海洋大學出版社,2003

[3] 劉化章,李小年.中國科學(B)輯,1995,25(1):1

[4] Cassidy D B,Mills A P Jr.Nature,2007,449:195

[5] Itatani1 J,Levesque1 J,Zeidler D,etal.Nature,2004,432:867

[6] Nguyen T,Sutton A D,Brynda M,etal.Science,2005,310:844

[7] Oganov A R,Chen J H,Gatti C.Nature,2009,457:863

[8] Cable R E,Schaak R E.JAmChemSoc,2006,128:9588