探讨西部高校中“结构化学”的教学*

阳小勇，唐荣平

(滇西科技师范学院数理系, 云南　临沧　677000)



探讨西部高校中“结构化学”的教学*

阳小勇，唐荣平

(滇西科技师范学院数理系, 云南临沧677000)

结构化学内容的深奥、抽象、繁琐使得大部分学生失去了学习它的兴趣与信心,给教学带来很大困难。所以，在教学中，教师必须重视学生原有的相关经验与知识，对原有的无机化学与有机化学知识进行梳理、并使之与结构化学内容整合，同时充分利用实物模型、化学软件进行计算机技术辅助教学或计算机模拟教学，通过此类方法可利于提高结构化学的教学与学习效果。

课程教学; 数学演绎; 波函数;整合

结构化学是化学类专业的一门重要的必修课程，学生必须具备无机化学、有机化学、物理化学等先修课程的基础知识。在教学内容方面，结构化学知识深奥、抽象、繁琐，涉及到多方面的高等数学内容。教学结果是大多数学生无法从本质上理解知识要点并独立解决结构化学问题，学习亦是蜻蜓点水式的掌握个别知识点，无法在头脑中建立系统性的网络知识结构。教学时，往往教师讲得满头大汗，学生听得昏昏欲睡，甚至部分学生用逃课方式来逃避结构化学课的“煎熬”。

尽管如此，化学学科越来越处于从宏观现象的研究深入到微观本质的探讨。结构化学的观点也越来越被许多学者所关注并深入的渗透到生物学、物理学各学科的领域中去[1]。各学科相互关联、相互配合、相互促进，因此，结构化学是化学本科专业必须具备和掌握的基础知识，结构化学的教学在整个教学计划中的作用与地位不能为教师所忽视。

高校扩招以来，招生政策倾向于西部，新生的入学门槛越来越低，导致很多理工科的学生对专业知识的理解与运用产生很大困难，而与之配套的教材内容难度却有增无减。在云南地方高校，化学教育本科专业开设的高等数学一般为128学时。实际上，学生也只是掌握了一些基础数学内容，学生对微分方程、多重积分、行列式矩阵的运用非常陌生。由于不懂数学的演绎方法，无法获知知识的来龙去脉，于是感到结构化学知识繁琐、晦涩、抽象，导致学起来力不从心，教起来劳而无功。

本科院校中结构化学课程开设时间是大三第二学期，共64学时，属纯理论教学。在有限时间内使学生掌握结构化学全部内容很不现实。据了解，有的院校教学内容甚至不到教材的一半。因此，为了使得学生“学有所获”。在教学中，必须重视结构化学与无机化学、有机化学的关联性、协调性、顺序性。结构化学是通过演绎推理对基本化学现象与反应的本质探讨[1]。因此，教师教学中必须抛弃传统的“教材宗旨化”的观念，应结合无机化学、有机化学内容，大胆的对内容进行取舍、整合。在教学思想上，要做到以下三点：

1　思想上重视数学演绎，课堂中淡化数学教学

结构化学若脱离数学思想，则成了“无源之水，无本之木”。但学生又无法通过数理分析解决疑难问题，甚至理解不了课本中的推理过程。要解决此种矛盾，在教学时，既不能抛弃课本中数学思路，又不能刻意追求数学的严谨性。如教授“薛定谔方程(SchrÖdinger equation)”时，让学生了解“薛定谔方程”及其解的含义，了解算符作用于函数中各关联变量的物理意义，能套用氢原子与类氢离子的角度分布与实数解函数进行计算即可。切记不能拘泥于一些抽象、深奥的数学推理，而是重视对结论的运用与函数意义的理解。当然教学中，学生必须熟练运用微积分，尤其是微分方程的建立及求解，在群论方面的教学对线性代数知识的要求也是较高的。

2　化抽象于具体，重视模像教学

即使最深奥的理论也是客观物质世界在人脑中的反映。所以，教师在教学中必须建立支撑理论的模像，进行模像教学。如教学时借助实物模型或利用计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction)能起到意想不到的的效果。常用的化学软件有制作化学图形的软件 Molden。有剑桥公司(Cambridge Soft Corporation)开发的Chemoffice2008软件包中的Chem3D(V11.0)，本软件能显示分子的立体图形、分子的轨道形状，同时还可以对分子能级、电荷分布、振动频率进行计算。此外Gaussian09教学软件能为离域π键和共轭分子结构教学带来便利。Chem3D软件可以将分子的立体结构呈现出来，极大的加强了学生对分子对称性和对称操作的理解。所以，作为一名结构化学教师掌握一到两种化学软件并能应用于教学是很必要的。教师必须利用业余时间积极参加各种形式的结构化学课程培训，近年来兴起的网络课程学习对提高教师的教学水平(尤其对培养教师“掌握计算机技术解决课程中的教学难点、重点问题的方法”)起到极大的促进作用。

3　重视原有知识，对学科内容进行整合

建构主义(Constructivism)学派认为“学习是学习者基于原有的知识经验生成意义、建构理解的过程”[2]。同样，结构化学的教学也必须基于学生原有的化学基础知识与学习经验。所以，将无机化学、有机化学的结构理论知识与结构化学的内容进行重整、组合。使得学生将结构化学理解为“原有知识的深化”，而不是无端冒出来的不可接受的“怪物”。

3.1结构化学与无机化学内容整合。

无机化学教学中，只是在原子结构与元素周期系，分子结构、晶体结构等章节中对结构理论知识做简单的介绍[3]。但在结构化学教学中，我们必须从光子学说角度理解波粒二象性(Wave particle duality)，必须从类氢原子体系的薛定谔方程及其解讨论波函数、量子数，波函数的径向部分和角度分布等，利用斯莱托规则(Slater rule)来解释原子轨道能与能级次序、核外电子排布规则。在熟知共价键理论的基础上掌握分子轨道的要点并能讨论常见双原子分子的顺磁性、键级等。同样结构化学对无机化学中的离子晶体的空间结构类型，金属晶体的紧密堆积，价层电子对互斥理论(VSEPR理论)，配合物的化学键理论(价键理论要点及其局限性)，螯合物的结构等知识做了深入的讨论。教学中，通过无机化学的相关内容做铺垫，教学中一定要唤起学生对原有知识的记忆，帮助学生重现原有知识。同时，多给学生介绍与结构理论相关的最前沿科普知识，如：稀土元素结构化学与稀土资源的综合利用的关系非常密切。表面结构化学与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切。对于工业催化剂的研究，如合成氨工业所用的新型催化剂的研制，结构理论知识对其具有较强的理论指导的作用。

3.2结构化学与有机化学内容整合

同样，在结构化学教学中更深入的探讨了有机化学中的重点内容—从分子轨道角度提出共轭理论(Conjugated theory)，杂化理论(Hybrid orbital theory)等。有趣的是我们可以从结构化学中的杂化理论、分子的对称理论讨论分子的极性、偶极矩，甚至分子的旋光性。可以从分子轨道对称性守恒原理(Conservation of molecular orbital symmetry)与前线轨道(HOMO AND LUMO)理论探讨周环反应、协同反应、催化加成反应机理等[4]。据了解，结构化学在新构型化合物方面应用，尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物的结构化学研究比较活跃。在天然产物的结构化学研究中，天然药物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能为人类制服癌症作出重要贡献。而蛋白质的空间结构的研究仍然是一个既困难而又有重要理论意义和实际应用价值的课题。

4　结　语

在结构化学的教学中，教师要摒弃传统的“以教师为主体、以教材为中心”的教学模式，要充分发挥教师的主观能动性，充分调动学生的学习积极性[5]。首先教师要给学生创设宽松的学习氛围，多鼓励学生，增强其信心。结构化学的学习对大多数学生而言是极其枯燥乏味的。如果教学中教师一味强调学科的重要性，甚至在考试要求方面给学生施加压力，只能激起学生的对抗情绪，进而是厌烦甚至放弃学习结构化学。对此，教师应该做出更多努力使学生参与到学习中来，使学生自觉形成一种科学的学习态度，即探索新情景与寻求解决问题方法的态度。其次要把学生已有的相关基础理论进行梳理、重整，在此基础上，逐步引导学生接触更深层次的结构理论知识。再次教师要注意培养学生的学习兴趣，兴趣来源于对未知领域的好奇，而结构化学知识表明：“物质世界既深奥又可知”。

[1]邓存,刘怡春. 结构化学基础.2版[M].北京:高等教育出版社,1995:1-4.

[2]王志，倪世雄.理论搭桥下视角下的现实建构主义[J].教学与研究,2013(2):63-68.

[3]华中师范大学无机化学教研室.无机化学.3版[M].北京:高等教育出版社,1998：78-112.

[4]天津大学有机化学教研室.有机化学.5版[M]. 北京:高等教育出版社,2014(05)：180-202.

[5]张海永,许德平,张庆武.无机化学与物理化学课程的协调教学[J].化学教育,2015(12):13-15.

Discussion on Teaching of Structural Chemistry of Colleges in West Part of China*

YANGXiao-yong,TANGRong-ping

(Department of Mathematics and Physics, Dianxi Science and Technology Normal University, Yunnan Lincang 677000,China)

Most of students lost inrersting and confidence to Structural Chemistry for it’s abstraction,depth and palaver, and bring great difficulty to the teaching.In teaching, the teacher must pay attention to the existing and knowledge of Inorganic Chemistry and Organic Chemistry to the students,to comb the original knowledge and integrator with the content of Structural Chemistry, take advantage of physical modle and chemical software and CAI,or computer simulation teaching. In this way, the effect of teaching and learning for structural chemistry can be improved.

course teaching; math deduction; wavefunction;integrator

滇西科技师范学院课程教学改革项目(LCSZL2013007)。

阳小勇(1976-),男，讲师，主要从事课程改革教育研究。

G75

A

1001-9677(2016)03-0159-02