輔助式教學(xué)手段在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中的探索

葉 云，于 湛

(沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽 110034)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是研究單質(zhì)、化合物、試劑和材料等各種化學(xué)物質(zhì)在原子和分子水平上的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律、性能和應(yīng)用的科學(xué)，是化學(xué)科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)[1]。作為現(xiàn)代高等院校化學(xué)專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)理論課程，結(jié)構(gòu)化學(xué)不僅可以幫助學(xué)生從原子和分子層面上掌握微觀物質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律，還可以培養(yǎng)他們探索宏觀與微觀世界之間聯(lián)系的思維能力。然而，結(jié)構(gòu)化學(xué)概念抽象、理論性強(qiáng)，又缺乏合適的配套實(shí)驗(yàn)課程對所學(xué)知識進(jìn)行鞏固和加深；課程對學(xué)生的邏輯推理能力、數(shù)學(xué)物理知識、空間想象能力及用結(jié)構(gòu)化思維解決具體問題的能力等要求較高。因此，學(xué)生普遍認(rèn)為結(jié)構(gòu)化學(xué)是本科最難學(xué)、不實(shí)用且枯燥無味的課程之一，這種狀況下，再采用傳統(tǒng)的課堂灌輸式教學(xué)，會直接導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，厭學(xué)情緒明顯。

如何能夠充分利用各種輔助資源，提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)有知識聯(lián)想到前沿知識的思維能力、激發(fā)創(chuàng)新意識，是結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)的一個難題。為此，本文根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的知識特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐及國家對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求，探索了幾種輔助式教學(xué)手段在結(jié)構(gòu)化學(xué)課堂教學(xué)中的作用。

1 多媒體課件與板書相結(jié)合

結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的是原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動規(guī)律及結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，其中涉及到的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和大量的抽象概念是學(xué)生遇到的主要難題。多媒體課件內(nèi)容多樣，可以插入公式、圖像、動畫效果、小視頻等元素，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的趣味性和可視性，教學(xué)效果和知識傳授效率是傳統(tǒng)板書所無法比擬的。比如，教學(xué)過程中用PPT編輯公式，簡化薛定諤方程的推導(dǎo)求解過程，將教學(xué)重點(diǎn)放在對結(jié)果的分析和討論上；運(yùn)用2D圖像和3D動畫效果幫助理解電子云、原子核外電子運(yùn)動、分子軌道理論、分子的對稱性、晶胞結(jié)構(gòu)等。另一方面，多媒體課件信息量較大，在課件播放講解時，加上必要的板書，可以幫助學(xué)生分清知識點(diǎn)的主次，給學(xué)生逐步接受教學(xué)內(nèi)容的時間[2]。這就需要教師在課下對教學(xué)過程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，課堂授課時實(shí)現(xiàn)多媒體課件與板書的有效結(jié)合，以達(dá)到在課堂上最大化傳遞信息量的同時，幫助學(xué)生有效的接收所學(xué)知識內(nèi)容。

2 網(wǎng)絡(luò)輔助軟件及手機(jī)app的使用

絕大多數(shù)的分子、晶體結(jié)構(gòu)都可以利用網(wǎng)絡(luò)輔助軟件(如FLASH、3DMAX、Chemoffice及Gaussianview等)做成可實(shí)時操作的3D模型，在講到分子的點(diǎn)群、對稱操作時，可利用軟件將分子結(jié)構(gòu)做成3D模型對其進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等，來展現(xiàn)分子的對稱性及空間構(gòu)型，給學(xué)生呈現(xiàn)出非常直觀清晰的形象，使他們能精準(zhǔn)找出分子的對稱元素，確定其所屬點(diǎn)群，這樣不僅降低了課程難度，也增加了課堂的趣味性。另一方面，手機(jī)集現(xiàn)代科技尖端于一身，功能強(qiáng)大，在娛樂之余，手機(jī)還是學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)的一種強(qiáng)大助力。例如：3D Sym Op是由新加坡國立大學(xué)開發(fā)的一款關(guān)于分子點(diǎn)群的教學(xué)應(yīng)用App，可通過立體可視的方式直觀地展示各種點(diǎn)群所包含的對稱元素；CrystalViewer是由伯明翰大學(xué)開發(fā)的一款可視化晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)應(yīng)用App，使用者可以通過選擇晶胞形式、晶胞參數(shù)以及結(jié)構(gòu)基元合成不同的立體晶體結(jié)構(gòu)圖；此外，學(xué)生還可利用Mo-cubed應(yīng)用直接繪制立體分子模型，然后進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算得出優(yōu)勢構(gòu)象、紅外吸收光譜圖像以及分子軌道能級圖等數(shù)據(jù)[3]。

3 科研輔助教學(xué)

21世紀(jì)的化學(xué)是理論與實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合、相互滲透的科學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苁钩橄蟾拍钭兊弥庇^，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深對理論的理解。當(dāng)今世界科學(xué)研究的發(fā)展日新月異，國家迫切需要高校培養(yǎng)出更多具有開拓性和創(chuàng)新能力的人才，讓大學(xué)本科生積極參與到教師的科研活動中，是培養(yǎng)學(xué)生研究創(chuàng)新技能的有效方式。我校結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)對象是大學(xué)三年級的學(xué)生，他們通過無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)以及部分物理化學(xué)的學(xué)習(xí)，具有相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)專業(yè)知識。在此基礎(chǔ)上，利用我們學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室里先進(jìn)的儀器分析設(shè)備(如X射線衍射儀、光電子能譜儀、紫外-可見吸收光譜儀、紅外和拉曼光譜儀等)，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，讓基礎(chǔ)較好的學(xué)生承擔(dān)部分力所能及的科研工作，同時，鼓勵學(xué)生閱讀專業(yè)性強(qiáng)的中英文學(xué)術(shù)著作、論文和文獻(xiàn)等，鼓勵他們積極參加學(xué)術(shù)講座，培養(yǎng)他們關(guān)注學(xué)科領(lǐng)域前沿動態(tài)的習(xí)慣，拓寬專業(yè)視野。這樣的“融教學(xué)與科研為一體”，能夠引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)、思維和科研方法，不斷更新和豐富知識庫里的學(xué)科前沿信息，理論聯(lián)系實(shí)際，自覺形成探索未知和自主創(chuàng)新的意識和能力，不僅可以幫助學(xué)生提前適應(yīng)社會工作的需求，還能夠順利銜接想繼續(xù)深造學(xué)生接下來的研究生階段[4]。

4 開展翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂是一種新興的教學(xué)方法，教學(xué)理念是學(xué)生課下自主觀看教學(xué)視頻，課堂時間則由教師和學(xué)生通過快速測評、交流答疑、總結(jié)和反饋等組成。翻轉(zhuǎn)課堂上，教師由授課轉(zhuǎn)為進(jìn)行引導(dǎo)，要求學(xué)生的高度參與，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)他們對知識點(diǎn)舉一反三的能力。因此，筆者也嘗試逐步將翻轉(zhuǎn)課堂引入到結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中來。考慮到結(jié)構(gòu)化學(xué)理論性強(qiáng)與自學(xué)難度大的特點(diǎn)，我們選擇相關(guān)理論在具體體系的應(yīng)用作為翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容[5]。例如，運(yùn)用量子力學(xué)的基本假設(shè)來處理一維勢箱中粒子，根據(jù)教材和南開大學(xué)孫宏偉教授的網(wǎng)上授課視頻，提煉出波函數(shù)、算符、本征值、箱中粒子等知識點(diǎn)，幫助學(xué)生課下學(xué)習(xí)并理解量子力學(xué)中用來描述微觀體系運(yùn)動規(guī)律的五個基本假設(shè)，同時在教學(xué)平臺發(fā)布勢箱模型在化學(xué)中的幾個經(jīng)典應(yīng)用案例：解釋共軛多烯π電子的離域效應(yīng)、解釋直鏈共軛多烯電子吸收光譜的波長與鏈長的關(guān)系、解釋共軛體系離域與C—C鍵鍵長平均化的關(guān)系等。課堂教學(xué)部分圍繞“一維勢箱的應(yīng)用”展開，由學(xué)生選取化學(xué)中常見的幾種直鏈共軛多烯或燃料分子，分組討論并運(yùn)用一維勢箱模型講解其中的離域效應(yīng)、吸收光譜與紅移現(xiàn)象，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)點(diǎn)評，并進(jìn)行隨堂小測試考察學(xué)生對知識的掌握程度。通過觀察學(xué)生的課堂表現(xiàn)及課后的問卷調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂模式下的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)確實(shí)提高了部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，同時筆者也充分認(rèn)識到，課下如何督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)和課上如何在短時間內(nèi)有效組織學(xué)生進(jìn)行深層學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂的難點(diǎn)，這要求教師課下需付出更多時間和心血去細(xì)致安排組織翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容。

5 結(jié)語

在教學(xué)過程中，我們結(jié)合結(jié)構(gòu)化學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題有針對性地設(shè)計(jì)使用不同的輔助式教學(xué)手段，且不斷嘗試并更新具有創(chuàng)新性和啟發(fā)式的教學(xué)活動，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，更重要的是，培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。今后我們?nèi)詫L試更多的適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革模式，以期不斷提高教學(xué)效果，利于21世紀(jì)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。