工科院校结构化学创新性教育探索

傅惠 周欣明

摘  要 在工科院校创新性教育改革中，如何提高教学效率，培养学生的创新思维和能力，已成为结构化学教改的核心课题。利用创新教学方法，改革教学大纲，提高学生的求知欲;利用

“互联网+教育”提高学生的创新性;利用多媒体教学为学生示范创新;以及通过參与科研提高学生的创新性，培养学生的创新精神。结果表明，创新性教育探索使学生的创新思维和能力得到很大提高。

关键词 结构化学;工科院校;创新性教育;互联网+教育;多媒体教学

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）04-0082-03

1 前言

结构化学是高等工科院校化工专业的一门基础课程，它是利用量子力学原理和现代物理化学实验方法，从微观的角度来研究原子、分子和晶体的微观结构及其结构与性能之间关系的科学[1-3]。通过该课程的学习，学生不仅有利于完善化学专业知识结构，而且可以培养探索宏观世界、微观世界及其相互联系的思维能力。资料表明[4]，反映高等化工领域最新研究成果的期刊如《高等化工学报》中约30%的论文涉及分子结构。由此可见，21世纪的化工人才若没有掌握一定的结构化学知识，则很难适应学科发展的需求。

化学是一门实验性的学科，但是结构化学中的微观结构状态很难在宏观的实验中观察出来，所以学生要有一定的空间想象能力。结构化学与数学和物理有知识交叉，需要严密的逻辑思维。此外，工科院校硕士研究生考试科目中不含结构化学，造成学生在学习上缺乏兴趣和动力。对此，笔者认为采用先进的教育理念和创新的教学方法来培育学生，可以激发学生的学习与研究兴趣，提高学生的学习积极性和创新能力，促进结构化学课程的教学。

2 开展创新性教育的重要性

创新性教育是根据创新的原理，以培养学生具有一定创新精神、创新思维和创新能力为主要目标的教育活动，重在引导学生牢固、系统地掌握学科知识的基础，发展他们的创造力。培养创造性思维和能力的结果是实现知识的增值，从而增加信息量;或者是在方法上的突破，对已有知识进行新的分解与组合，实现信息的新的功能结构量的增加。

培养创新型学生，发挥主导作用的是教师。教师必须具有崭新的、现代的、科学的创新性教育的理念，这是培养学生创新意识的重要前提。教师自觉地掌握新的创新性教育理念，可以帮助学生审时度势、学会创新，促进学生创新意识的培养和创新能力的发展。

3 激发学生的求知欲

启发学生对科学的求知欲望和提高对结构化学的兴趣，对学生的创新意识和创新能力的培养起着重要的作用，也是不可缺少的环节。笔者认为，第一节课结合课程内容对学生进行结构化学发展史和前沿科学知识的展望是十分重要的。如介绍微粒的波粒二象性时，可以引入发现者德布罗意的故事：

德布罗意的博士论文想法大胆，将代表粒子性的动量与代表波动性的振动频率联系起来。当时他的导师曾认为这个学生的想法无法理解，随即将德布罗意的论文发给了爱因斯坦审阅。爱因斯坦给予很高的评价。1927年，德布罗意论文中的假设被电子衍射实验证实。1929年，德布罗意凭此获得诺贝尔奖，当时他只有37岁。目前，德布罗意假设已经成为研究微观粒子的理论基础。

此外，可以介绍一些科学前沿和新的成果，如石墨烯应用、量子通信中提到的量子纠缠、手性药物、C60和纳米材料、分子筛和离子液体等。这些研究都与结构化学课程有着密切联系，可以告诉学生今后将会以小课题形式与大家讨论，这样可以大大激发学生求知和创新的欲望。

4 创新性教学方法

教学内容与时俱进  对于工科院校的结构化学课程来说，其教学目标应该是符合时代发展，并对化工、材料等众多工程专业技术人员有创新性的培养。目前，国内大多数结构化学教材难度偏大，侧重于量子力学公式的求解，这易使数理基础一般的学生产生畏难的情绪。要提高结构化学教学的趣味性，增强教学效果，达到相应的教学目的，重视结论和应用。授课教师不需要整节课讲述相关方程的解法，只需要简单地提及解的思路和与之相关的数理知识，对于方程的数学解法点到为止。

如一维势箱中粒子的薛定谔方程求解，授课教师只需要简单地给出该方程的边界条件，然后直接讲解方程的解。需要强调的是在课堂上应给出创新应用的关键词，如有机共轭分子、共轭分子的红外光谱、红移效应、隧道效应、核衰变和原子能发电，让学生通过网络，找出它们的联系。不少学生会发现，一维势箱可以半定量解释有机共轭分子的红外光谱，如果共轭分子增加，红外光谱波长就会变长（红移）;当势箱高度不是无限高，电子就会外逸，产生“隧道效应”，隧道效应的应用就是核衰变，衰变产生的能量就能用来原子能发电。这不仅使学生掌握了理论，还提高了学习的积极性，培养了创新能力。

利用“互联网+教育”提高学生的创新性  “互联网+教育”是随着当今科学技术的不断发展，互联网科技与教育领域相结合的一种新的教育形式，凭借大数据、云计算、移动互联等技术优势来进行教学。当前的大学生几乎每人都有智能手机和笔记本电脑，这为运用“互联网+教育”的教学方式提供了重要工具。

目前，学生已经十分熟练掌握了信息的搜集、传递和贮存，以及手机和电脑之间文件、图像和视频的传递，也十分熟悉QQ和微信的各种操作，以及群和子群的建立与完善，这为开展培养大学生创新思维的教育提供了坚实的基础。常有人贬低国人在地铁车厢里只知道玩手机，其实这是一种对学习的认识误区，当今玩手机未必不是学习，而且许多地方比读书还要高明。

举一个具体例子，人们出行到某一目的地，就可以在百度地图上找到到达目的地的几种途径，百度地图软件还会提示这几种途径的实时道路拥堵情况、有几个红绿灯等路况信息，以及到达目的地的大约时间。这就是“互联网+交通”的美妙和优势，是从任何一本书和地图上都读不到的。如果将这个例子予以推广，从一个结构化学知识点的认知，到一项尖端科技产品的攻克，何尝不是人们到达理想的目的地？问题是如何寻找到达目的地的途径以及如何选择途径和可行性，这就需要人们发挥创新思维和创新能力去寻找和探索。

为了实施这一教育模式，首先将全班学生组成一个群，定名为“某某结构化学群”，由班长担任群主;并按小组成立子群，由小组长担任子群主。将结构化学中的各种专题内容和讨论知识要点以及使用的软件都上传到群里，让学生利用互联网的功能進行研究和探索，这样可以大大提高学生学习的积极性和创造性。同时可以为学生提供Chemoffice、Gaussian、AIM 2000等科研软件。掌握这些软件肯定要超过教学大纲的学时要求，但对于培养学生的创新思维来说，还是应让学生按照自己的能力各取所需，总比他们毫无目的地寻找路径要好。为了培养学生的创新精神，可以在每一章节都布置些专题[5]，让学生利用互联网来寻找答案，通过在群里与同学和老师的互动达到满意的结果。根据课程安排设计的结构化学每章的讨论专题如表1所示。

利用多媒体教学为学生创新作示范  多媒体教学可以聚文字、图片、声音、影片等于一体，促进教学质量和教学效率得到全面提升。教师可以根据需要，运用多媒体的功能组合，以生动、形象、清晰的画面向学生展示分子结构等微观模型。多媒体教学资料可以从教学研究单位订购，或者从网络上免费下载。但是考虑到工科结构化学学时设置的差异，资料部分容易脱节或者不连贯。引导学生自己制作相关多媒体课件，利于学生创新性思维的提高。

此外，由于原子、分子及晶体的电子结构或几何结构为微观结构，无法通过肉眼进行直接观察，并且微观结构难以用于宏观结构进行科学描述，因此，学生很难用抽象思维对微观结构有一个准确无误的刻画。可以在教学中引入Gaussview等软件，对微观结构进行可视化，实现抽象的内容形象化，从而提高学生的创新和科研能力[6]。

通过科研促进学生创新性发展  作为一位高校教师，不对新知识、新技术进行传授，是对学生创新性培养不负责的表现。教师应紧跟学科研究的最新动态，将科研成果引入教学课堂，才能使自己的课堂内容具有丰富性、代表性、创造性和启发性。此外，结构化学的教学对象是大三的学生，他们已经具有相当的化学化工专业知识，引导学生参与科研，可以为其后期的创新和创业提供基础。

如讲到“离子化合物的结构”时，会提到由于离子键键能比较大，一般离子化合物像NaCl、MgSO4等在室温条件下都是固体，但对于一些如铵类、咪唑类或者吡咯类的化合物为阳离子和其他阴离子组成旳离子化合物，其键能就没有那么大。这些离子化合物在室温条件下就是离子液体，其广泛应用于化学合成的溶剂、催化剂和电化学的溶剂。可以深入引导：乙二胺为阳离子和醋酸根为阴离子的离子液体，为什么称它为质子化的离子液体？这是因为这种离子液体的形成是通过质子（氢离子）的转移而得到的。可以建议学生通过计算软件模拟从反应物经过过渡态得到产物（离子液体）的过程。教师参与互动讨论，让学生明白这种离子液体具有一定蒸汽压的原因。这部分工作后期经过毕业设计，学生的深入研究得到完善并发表[7]，不仅提高了学生的创新思维和能力，也使学生认识到与科技前沿接轨并不是十分困难的事情。

5 结语

总之，开展创新性教育探索是高等教育适应社会经济发展的一种必然需求，然而学生的创新思维和创新能力的培养不是一朝一夕就可以取得明显成效的，它是一个系统工程。改革结构化学教学模式，培养学生的创新精神，是这个系统工程的一个部分，其目的不仅是要让学生掌握结构化学这门课程的基本理论，更重要的是在学习中培养学生的创新思维方式和综合运用跨学科知识的创新能力。虽然在教学改革中还存在许多问题，但正在努力改进，尽力使这种新的教学模式在培养大学生创新精神过程中发挥其应有的作用。

参考文献

[1]杨照地，李东平.工程教育专业认证背景下探索结构化学教学新理念[J].高教学刊，2017（11）：52-54.

[2]万坚.回归教育本源、以生发展为本、索行教学之道：结构化学课程教学研究与实践[J].大学化学，2017，32（4）：11-16.

[3]侯华，王宝山.角色扮演与剧本教案在结构化学教学改革中的应用[J].化学教育，2016，37（16）：9-12.

[4]居学海.工科结构化学选修课教学改革与实践[M]//第九届全国大学化学教学研讨会论文集.2008（8）：198-199.

[5]马娟，高庆宇.小专题式教学法在结构化学中的探索与实践[J].化学教育，2016，37（22）：15-18.

[6]徐彩霞，黄志平，任丽君，等.探讨如何提高结构化学教学的趣味性[J].化工高等教育，2016（2）：98-101.

[7]SUN X， CAO B， ZHOU X， et al. Theoretical and expe-rimental studies on proton transfer in acetate-basedprotic ionic liquids[J].Journal of Molecular Liquids，2016，221：254-261.