结构化学课程绪论部分的教学设计*

2015-03-30基金资助山东省教育科学十二五规划2013年度规划课题No2013GG172山东省优秀中青年科学家科研奖励基金NoBS2013YY061

大学化学 2015年3期

关键词：石墨分子化学

基金资助：山东省教育科学“十二五”规划2013年度规划课题(No.2013GG172);山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(No.BS2013YY061)

王腾1*通讯联系人，E-mail: wangt@tsmc.edu.cn　刘晶静2　孙宏伟3　陈兰3　孙立平1　董建1

(1 泰山医学院化工学院　山东泰安 271016；2 泰山学院化学化工学院　山东泰安 271021；3 南开大学化学学院　天津 300071)

结构化学课程绪论部分的教学设计*

*基金资助：山东省教育科学“十二五”规划2013年度规划课题(No.2013GG172);山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(No.BS2013YY061)

王腾1*通讯联系人，E-mail: wangt@tsmc.edu.cn刘晶静2孙宏伟3陈兰3孙立平1董建1

(1泰山医学院化工学院山东泰安 271016；2泰山学院化学化工学院山东泰安 271021；3南开大学化学学院天津 300071)

摘要对结构化学绪论课的教学内容进行组织和设计，旨在使学生了解结构化学的课程内容，认识结构化学的重要性，激发其学习动力，并讲授结构化学的学习方法以及学习中的注意事项，为后续的课程教学打下良好的基础。

关键词结构化学计算化学绪论课

The Instructional Design of the Introduction

for Structural Chemistry*

Wang Teng1**Liu Jingjing2Sun Hongwei3Chen Lan3Sun Liping1Dong Jian1

(1CollegeofChemicalEngineering,TaishanMedicalUniversity,Taian271016,Shandong,China;

2College of Chemistry and Chemical Engineering, Taishan University, Taian 271021, Shandong, China;

3College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China)

AbstractInthisarticle,wedesignandorganizetheintroductionofstructuralchemistrytohighlightthecontentandimportanceofthecourse,tomotivatethestudents,andtoshowthestudentsthewaytolearnaswellasmattersneedingattention.Thisinstructionaldesignfortheintroductionofstructuralchemistryprovidesthestudentswithasolidfoundationforthesubsequentteachingandlearning.

KeyWordsStructuralchemistry;Computationalchemistry;Introductionlecture

结构化学是高等学校化学化工等相关专业的一门专业必修课，在大学化学课程知识体系中占有重要的地位。但是，这门课程理论性强、抽象难懂、信息量大，对于本科生来说掌握起来有一定的困难。因此，在课程之初对学生进行引导和启发，将对学生的学习大有裨益[1-4]。本文对结构化学绪论课的教学内容进行组织和设计，旨在明确课程内容，强调课程重要性，提高学生学习兴趣，传授学习方法，使学生能够更好地学习本课程，从而达到提高课程教学质量的效果。

1结构化学的课程内容

首先讲述结构化学的定义。结构化学是探讨物质的微观结构及其与宏观性质之间相互关系的基础学科[5]。具体来说，结构化学的研究对象为原子、分子和晶体的微观结构，运动规律以及结构和性质之间的关系。这可以让学生对结构化学有初步的了解。

然后明确课程的核心内容是电子结构和空间结构[6]。电子结构主要研究描述电子运动状态的波函数和电子的基态排布或能带结构；空间结构主要研究分子和晶体在空间的排布。具体来说，结构化学课程内容包含量子力学基础、原子结构、分子结构、晶体结构、结构测定方法等5部分。这可以让学生对课程学习内容有总体上的把握。

最后再对教学内容进行细致讲解。对每一部分的内容进行概括并分解到每个小节，简要列出每小节的教学内容，同时突出重点、难点和关键知识点，使学生对将要学习的内容有全面的认识。另外，还要指出课程学习中所需要的一些数学、物理等基础知识，让学生提前复习和准备这些相关知识。

2结构化学的重要性

只有让学生深刻认识结构化学的重要性，才能使他们产生学习兴趣，激发起学习的动力，充分发挥其主观能动性，使教学达到事半功倍的效果。

(1) 结构化学是化学各学科的理论基础。

结构化学为化学各学科提供理论指导，是联系基础化学与高等化学的阶梯。结构化学已经渗透到现代化学的各个领域。以学生学习过的课程为例，无机化学中涉及了原子结构、分子结构、晶体结构和配合物结构等方面的内容；有机化学中运用杂化轨道理论和分子轨道理论说明有机物的结构，使用分子对称性理论描述分子空间结构，利用前线轨道理论解释化学反应机理等；仪器分析中紫外光谱中的电子跃迁、红外光谱中的简正振动、X射线衍射等，都与结构化学知识紧密相关。从这些学生熟悉的课程入手，可使他们很快体会到结构化学的重要基础地位。

(2) 结构化学是分子设计的理论基础。

“结构决定性能，性能反映结构”。如果找到某类具有特殊性质的物质的规律性，就能设计出性能更好的分子。结构化学及在其基础上发展起来的计算化学、分子模拟等对分子设计起理论指导作用。为了让学生了解这方面的内容，可用如下实例进行说明。

首先以石墨烯为例。碳元素是自然界中分布广泛并且与人类社会发展关系密切的重要元素。碳单质有多种存在形式，主要有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管等，其中石墨烯由于其优良的结构性质而成为材料科学领域的研究热点。在教学中可先向学生提出问题：石墨烯的结构是怎样的呢？这就要从石墨的结构谈起。石墨为层状结构，同层的碳原子间以sp2杂化形成平面共价键，每个碳原子剩余一个p轨道未参与杂化，上面各有一个电子，这些p轨道互相平行且与sp2杂化轨道所在平面垂直，相互重叠形成离域大π键。π电子在整个碳原子平面方向运动，所以石墨可以导电和导热，可以用来制作电极和坩埚。而石墨的层与层之间以微弱的范德华力相结合，容易断开而滑动，所以石墨具有润滑性，可以用来制作润滑剂。石墨烯可以看做是只有一个原子层厚度的单层石墨片。2004年，石墨烯由英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫通过微机械力剥离法制得，二人因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得2010年诺贝尔物理学奖[7]。从结构上来看，石墨烯可以看做是构成富勒烯、碳纳米管和石墨的基本组成单元。将其包裹成球得到富勒烯，沿着固定轴卷曲得到碳纳米管，多层堆叠在一起就形成了石墨[8]。由于石墨烯独特的结构，决定了其具有多种优异特性，如低密度、高强度、良好的导热性、室温下较高的电子迁移率等，这些特性决定了它在半导体工业、材料、力学和光学领域拥有巨大的应用潜力[9]。例如，石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变，而硅不能分割成小于10nm的小片，否则将失去其电子性能。因此，石墨烯极有可能成为硅的替代品推动电子信息产业的发展[10]。研究者正在不断对石墨烯的结构进行修饰和改造，以挖掘和发挥其优良性质，优化使用效果，扩大应用范围。通过这个例子，可以让学生深刻感受到结构化学与科技前沿领域的联系，意识到结构、性能、用途三者间的辩证关系。

然后以计算机辅助药物设计为例进行讲解。作为在结构化学基础上发展起来的新兴交叉学科，计算化学正在科学领域内逐渐崭露头角。计算化学基于三维分子结构，以量子力学或经典力学原理为指导，确定算法并实现程序，再通过计算机运算来模拟和预测分子体系的性质；计算化学在实际生产中的一个重要应用就是计算机辅助药物设计。例如研究者通过生物学方面的研究，发现了与某类疾病相关的大分子如蛋白质，将其作为靶标(受体)，并且通过X射线晶体衍射或核磁共振等方法测定了其三维结构，尤其是得到其作用(活性)位点的结构。这时就可以通过计算机模拟的方式，在数据库里寻找分子形状和理化性质与受体作用位点相匹配的小分子(配体)，研究受体与配体的详细相互作用信息(包括结构信息和能量信息)，合成并测试这些分子的生物活性，这样就有可能发现新的先导化合物，开发出治愈疾病的药物分子[11]。这就是基于受体结构的药物设计方法，可为药物开发节省大量时间和资金，已在药物设计方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制剂的设计就是一个典型的成功案例，标志着计算机辅助药物设计从方法研究过渡到实际应用阶段。2013年的诺贝尔化学奖授予美国科学家卡普拉斯，莱维特和瓦谢尔，以表彰他们“为复杂化学体系发展多尺度模型”。这个奖项是对计算化学进步的认可，强调了计算化学在科学领域内越来越大的作用。在计算化学领域有两种主要的计算方法，一种是基于量子力学原理的量子力学计算方法，另一种是基于牛顿力学的分子力学/分子动力学模拟方法。将这两种方法有机结合、取长补短而建立起来的量子力学/分子力学方法已获得巨大成功。例如在研究药物分子与蛋白质结合时，对药物及与药物相作用的蛋白部分采取精确的量子力学计算，对蛋白的剩余部分采取快速的分子力学计算，这样就兼顾了准确性和计算量，取得了很好的结果。计算机作为当今化学家的工具就像试管一样重要，模拟是如此真实以至于传统实验的结果也能被计算机预测出来。莱维特曾经这样描述他的一个梦想：利用计算机处理复杂化学过程的能力，实现在分子水平上模拟一个完整生物，构建“数字生命”。通过这个例子，使学生认识到结构化学并非只是“纸上谈兵”，而是具有重要的实际应用，可以激发他们的学习兴趣。

最后，向学生介绍结构化学的发展历史，将其发展史与诺贝尔奖紧密联系在一起，进一步突出其重要性。在结构化学中的一些重大科学发现和理论突破基本上都获得了诺贝尔奖。例如在开创量子力学的过程中，普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、波恩等都获得了诺贝尔物理学奖。另外，在研究物质结构的实验方法方面，如在X射线衍射法、核磁技术和应用、质谱技术、电子显微镜技术等领域，都有很多科学家获得诺贝尔奖。而且还有很多科学家因在结构方面的研究而获奖，如克里克、沃森和威尔金斯发现DNA双螺旋结构，科尔、克罗托和斯莫利发现富勒烯，谢克特曼发现准晶体等。将结构化学的发展史与化学史尤其是诺贝尔奖联系起来，能够培养学生的科学精神和素养，促使他们树立远大的科学理想，使他们获得强大的学习动力[12]。

3结构化学的学习方法

在让学生意识到结构化学的重要性以后，接下来就要结合课程特点传授给他们结构化学的学习方法。

首先要重视定理、公式和方法的数学计算和推导。在结构化学中尤其是量子力学部分涉及许多数学和物理方面的内容，比较抽象和难懂。对于定理、公式和方法，学生要尝试跟着教师的板书一起进行计算和推导，只有这样，才能理解这些定理、公式和方法，并有助于记忆。当然，并不是要求学生死记硬背，关键还是理解。要让学生体会到演算、推导和逻辑思维的快乐，感受科学的魅力。

其次要提高对空间结构的想象能力。在分子结构和晶体结构等内容中，判断点群、堆积类型、结构型式等都需要发挥学生的空间想象能力。所以对于典型的分子结构和晶体结构要多看多想，通过观察实物模型和计算机三维模型，寻找特点和规律，根据定理和规则，把看到的具体模型简化成抽象结构，体味结构之美。

最后要求学生要提前预习和及时复习。结构化学难度高、内容多，不提前预习很难跟上教师的讲课节奏。即使在课堂上听懂了，若课下不及时复习，经过一段时间后就容易忘记。因此，要提前预习以做好课前准备，及时复习以巩固所学知识。另外，要加强习题练习，通过做题来查找学习中的问题，加强对知识的理解。

另外，还要向学生说明一些其他教学事宜。如介绍课外参考书和网络教学资源，说明模型实习的具体安排，制定课堂纪律，明确考试考核要求以及成绩构成百分比等。

4结语

精心组织、准备好结构化学绪论课对于学生学习结构化学课程具有重要意义，有利于学生了解结构化学，认识结构化学的重要性，提高学习兴趣，掌握学习方法。“好的开始是成功的一半”，上好绪论课可对以后的课堂教学起事半功倍的作用。

参考文献

[1] 朱月香,钱民协,段连运.大学化学,2011,26(5):15

[2] 陈佑宁.大学化学,2011,26(5):17

[3] 庄志萍,陈玉锋,左明辉.大学化学,2012,27(2):31

[4] 李晓东.大学化学,2013,28(1):27

[5] 卢嘉锡.化学通报,1978(2):2

[6] 周公度,段连运.结构化学基础.第4版.北京:北京大学出版社,2008