結構化學課程教學改革的探討與實踐

莊志萍 陳玉鋒 左明輝

(牡丹江師范學院化學化工學院 黑龍江牡丹江 157012)

結構化學課程是高等學校化學專業的一門必修專業基礎課程，主要是反映20世紀初以來，科研工作者在研究物質微觀體系得出的諸多化學理論和規律[1]。在課程學習中，學生不僅需要嚴密的邏輯思維能力，還要有較好的空間想象能力，同時要有一定的高等數學及大學物理專業的基礎知識，方能從化學角度認識物質結構與性能之關系。地方院校結構化學教學的困難主要源自兩方面，在客觀上，結構化學內容難度較大，所研究體系更是難以觸摸的微觀體系；在主觀上，化學專業的學生往往習慣于從實驗現象來認識物質的性質，從分子的組成方式來探討反應機理，這種思維方式使學生較難接受物質結構的理論演繹方法，普遍存在難懂難學的狀況，很多學生甚至戲稱結構化學為“天書”。本文針對結構化學教學中的困難，介紹自己在結構化學教學改革探索中的經驗，并提出一些建議。

1 強調學習結構化學課程的重要性與必要性

提高學習結構化學效果關鍵要靠學生自身。作為教師，首先要向學生介紹學習結構化學的重要性和必要性。結構化學是化學專業的一門重要專業基礎理論課，是化學的理論基礎，它在高校化學專業的課程結構中占有重要地位。結構化學課程討論的重要問題是化學鍵，即從量子力學規律出發，通過邏輯思維和數學方法處理，弄清楚原子間相互結合的方式和作用力的本質。內容包括原子的結構，特別是核外電子的運動狀態以及原子間是如何相互作用而形成分子的；其次，討論分子結構和晶體結構，以及由此而決定的物質的性質。結構化學的發展促進了現代科技進步，特別是在材料、信息、能源等領域，各種具有特殊性能的新材料的發現，遵循結構決定性能、性能反映結構的相互關系。因此學習結構化學，無論對學生未來從事教學還是科研工作都具有重要的意義。在重點院校中，學生素質相對較高，數學、物理學習能力普遍較強，對結構化學的作用與地位認識也相對較好，可能較少存在結構化學“無用”的觀念；而在地方高校的化學專業學生中，有相當一部分學生存在認識誤區，特別是有一些不考結構化學的考研學生和畢業后將從事中學教學的學生具有“結構化學無用”的思想。作為教師，應該認識到這一問題的嚴重性。通過這幾年的實踐證明提高學生認識，堅定學習信心，對消除學生學習結構化學“無用”的觀念以及畏難的心理是很必要和有效的。因此，在開課之前必須詳細介紹該課程在整個化學中所處的地位和作用，闡明學習結構化學的重要意義。

2 注重對量子化學發展史和研究結構化學的科學方法的介紹

任何一門學科都有其發生和發展的過程，學習知識時若不從歷史中尋找借鑒，就易把知識當成是“終極真理”而死記硬背，不求甚解。因此，在傳授知識的同時，應該介紹量子化學發展史，學習科學家勇于探索的精神，由師生共同創造一種嶄新的價值理念。例如普朗克(M.Planck)的“離經叛道”的假設；德布羅意(de Broglie)波的提出是類比法的成功典范，戴維遜(C.Davisson)-革末(L.H.Germer)的因禍得福；狄拉克(Dirac)、薛定諤(E.Schr?dinger)的異曲同工——薛定諤用數學形式開辟出量子力學的新體系；另外，還有一個德國物理學家海森堡提出一個矩陣力學體系，薛定諤用的是微積分形式，海森堡用的是代數形式；湯姆遜(Thomson)父子的珠聯壁合——父親發現了電子，兒子又證實了電子是波，父子二人在物理學方面進行接力研究，在科學史上傳為美談。還有徐光憲的巧妙規則，唐敖慶的獨辟蹊徑等[2]。科學的先驅是勇敢的探索者，他們常常在黑暗中摸索前進，他們的精神值得我們敬佩。學生聽到和看到這些史實，無不浮想聯翩，對優化思維結構，激發科學壯志都有潛移默化的作用。

在傳授理論知識的同時，指導學生學會抽象思維和用數學工具處理問題，并運用類比、模擬的科學方法[3]，寓科學方法于教學內容中。類比方法是提出和建立科學假說的重要方法。例如德布羅意假設是在光的波粒二象性思想啟發下，提出電子等實物微粒也具有波動性，他當時推導固然復雜些，從科學方法論的角度講, 由光的波粒二象性到實物微粒的波粒二象性是一種類比推理。類比是利用兩個或兩類對象之間在某些方面的相似或相同，推出它們在其他方面也可能相似或相同的思維方法，是一種由特殊到特殊、由此及彼的過程。類比可以提供重要線索，啟迪思想，是發展科學知識的一種有效的試探方法。還有薛定諤受物質波假說的啟發，引出了電子運動的波函數方程，他走的也是依賴類比的“近路”。許多化學問題的解決有賴于類比方法的使用，而類比方法的使用有可能形成簡捷的思維路徑。使學生在學習科學知識的同時，得到方法論的啟迪。

在教學中應引導學生追蹤量子化學發展的足跡，不失時機地揭示其中的科學方法，更清楚地了解各種知識理論的相對合理性及有待完善的地方。這樣使學生在學習過程中不僅可以獲得化學知識，而且能學習科學家嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神和大膽創新的進取精神。

3 通過改進課程教學方法培養學生創新能力

3.1 使用多種教學方法

培養學生的理論思維能力與創新能力，是結構化學課教學的重要目的。課堂教學是學生學習結構化學的主要和基本的學習形式。課堂教學質量的高低與課堂教學方法的運用有很大關系。以前我們采用的是“一言堂”的教學方式，這種教學方法壓抑了學生學習結構化學的積極性和主動性，因此，根據教學內容靈活地采用不同的教學方法是提高結構化學課教學質量的重要手段。結構化學雖是理論性較強的學科，但與其他學科一樣，來源于對實驗現象的分析、思考，且要通過實踐來檢驗其結論正確與否，內容博大精深，集科學性、思想性于一體，并具有前沿性。結構化學教師必須重視對結構化學教學方法的研究，針對不同教學內容采取不同的教學方法，更好地提高教學質量。我們采用的教學方法主要有：啟發式教學、互動式教學、討論式教學、對話式教學、模型教學和專題式教學，并布置小論文，開展學生的科技活動。如在課程討論時將學生分成幾個學習小組，針對不同主題進行討論，并在課堂上交流。把個體作業學習與大組討論交流結合起來，以培養學生的創新思維。如布置“超分子結構 ”為主題的小論文，許多學生通過期刊和網絡收集了大量與超分子結構化學有關的信息，從不同角度撰寫了心得體會和小論文，有的學生還發表了自己的設想和見解。課程教學討論不僅豐富了學生的知識 ,而且也培養了學生的創新能力。

3.2 利用多媒體輔助教學

在有限的教學時間內運用現代化教學手段，可以加大信息量。我們使用幻燈片和CAI課件，通過圖、文、聲、像等手段，把抽象的理論變成具體的形象，讓學生在直觀、生動的學習中加深對理論的理解。目前，我們研制的結構化學CAI課件已連續使用幾屆，受到學生的好評。例如講授等徑球密堆積時，無論用黑板繪圖或圓球模型展示表現得都不夠清楚，現在用多媒體課件，動態演示等徑球一層層的排列方式，效果很明顯。

3.3 必修課與選修課相結合

在上好必修課的同時，開設量子化學、波譜學、化學中的數學方法等選修課，理論與實踐相結合，以科學方法啟迪學生的創新思想。

3.4 以科研促教學

從專業基礎知識的結構上看，結構化學課程是基礎課和專業課的樞紐課程，是介于本科生學習和畢業論文之間承上啟下的課程。結構化學課程理論性強 ,但實踐性也很重要，有些知識一直影響到學生的碩士、博士學位論文[4]。因此，科研進教學、教學促科研的雙向互動就顯得很重要。結構化學教學內容基本是20世紀的科研成果。我們發揮科研背景優勢，在教學中不斷將當前的科研成果融入教學，以使課堂內容具有豐富性、代表性、創造性和啟發性，能跟上時代前進的步伐。在開展第二課堂活動中，通過設計專題科研實驗，使學生能有更多機會加入到自身科研之中，有時間和空間從事自己有興趣的課題研究；通過使用 Origin，Chemistry3D等軟件制作分子結構及其軌道圖;利用Gaussian98 以及GaussView等專業軟件開展分子設計與量子化學計算模擬實驗，幫助學生學習與理解自洽場運算原理、原子軌道、分子軌道及其能量電荷分布、熱化學性質、簡諧振動、對稱性等相關知識。在科研過程中，學生有了正確的科研方向和學習目的，能有針對性地查閱最新資料，及時了解學科前沿，從而改變了被動學習的局面。

4 考核方式

傳統的理論課程的綜合成績以期末閉卷考試成績為主，考核方式單一，容易導致學生過分依賴平時的課堂教學內容、課堂筆記、作業及復習提綱，養成死記硬背、懶于思考的習慣。為了避免學生單純應付考試，我們設計了綜合評定學生成績的方法——采用結構分制進行考核，對理論課采用平時成績和閉卷考試相結合的辦法考查學生的成績，平時成績占40%，終考成績占60%；平時成績包括課堂提問，出勤情況，上課認真聽講程度，討論發言情況，課后作業及布置的小論文完成情況等。不提倡只學不練，平時不做作業，期末套考試重點等現象。

平時成績占40分。包括：① 課堂提問考核、討論發言情況占10分，主要考察學生理解能力、分析能力、邏輯思維能力和表達能力，有利于探究型課堂氣氛的建設，促使學生課前預習和課后復習。② 考察撰寫課程小論文的能力占10分，要求學生應用所學的結構化學知識，參考有關文獻或資料，解釋化學中的一些具體的問題。這有利于學生主動學習，有利于培養學生查閱文獻、分析問題和解決問題的能力。③ 按質按量完成作業占10分。④ 出勤情況及上課認真聽講程度占10分。這主要是為了引導學生注重學習過程，遵守紀律，端正學習態度，并養成持之以恒的精神。

閉卷考試占60分。包括：① 力求題型多種多樣，注重考察學生運用知識的能力。考核重點是基本理論、基礎知識和基本技能以及學術發展的新內容，著重考核學生對所學知識的理解程度和分析問題、解決問題的能力。② 根據結構化學教學大綱的具體要求，已經建立了科學性、實用性較強的試題庫。③ 試題要規范、標準，難易適當，題型要合理，力求比較準確地考查學生的學習情況。④ 評分標準要科學、嚴格、公正、杜絕人情分；采用流水閱卷方式，每學期期末考試要進行試卷分析和總結。

以上是我們進行結構化學課程教學改革實踐的經驗和建議，該課程在2006年被評為黑龍江省精品課程。隨著科學技術的發展，課程的知識結構應該有新的變化，科學方法論也在不斷完善，因而教學改革也是無止境的。只有不斷探索教學規律，堅持進行教學改革，才能更好地培養創新人才。

參 考 文 獻

[1] 庚弘朗.廣東化工,2009,36(191):160

[2] 唐鶴立.撫州師專學報,1994(1):102

[3] 潘道凱,趙成大,鄭載興.物質結構.第2版.北京:高等教育出版社,1994

[4] 陳建中,林樹坤,黃長滄,等.大學化學,2006,21(1):17