结构化学中缺电子多中心键的教学实践与反思

张燕辉

(闽南师范大学 化学化工与环境学院,福建 漳州 363000)

《结构化学》课程是物理化学和化学物理的重要组成部分，是化学类专业的基础课。结构化学主要涉及到三种理论(量子理论、化学键理论和点阵理论)和三种结构(原子结构、分子结构和晶体结构)，为化学专业学生打下坚实的理论基础[1]。《结构化学》课程中的很多知识点在《物质结构与性质》、《无机化学》和《有机化学》课程中均有涉及到，《结构化学》课程在这些课程的基础上进一步推进，从原理上解释“结构决定性质”的实验事实[2]。

讲授《结构化学》课程已有五年，发现对《结构化学》课程教学反思较少。教学反思是教学环节必不可少的部分，只有通过教学反思，才能对教学实践再认识，并且进一步再思考、总结教学过程中的经验与不足，从而提高教学水平[3-5]。在此，以缺电子多中心键为例，阐述如何进行教学设计和课程实施，并且对教学进行反思，对老师和学生提要求，期待各方面往好的方向发展。希望各高校重视大学课堂教学，推进本科教育四个回归。

1 缺电子多中心键教学的实践

对于一堂课的讲授，通常分为五个部分，首先课程内容导入，接着课程内容讲解和引申，最后课程内容总结和推广。

1.1 课程内容导入

以厦门大学编写的第三版《结构化学》为教材，在讲授第六章多原子分子结构(二)的第1节缺电子多中心键时，已讲授完第五章多原子分子结构(一)的内容。因此，在课程内容导入时，可引用第五章的内容：离域π键存在于价电子数多的原子形成的分子中，这样的原子之间除了形成σ键，还有多余的电子可形成离域π键。价电子多则可能形成离域π键，然而，价电子缺乏也会形成离域π键吗？或是形成其它的化学键？

采用问题式导入方式[6]，提出两个问题：(1) 什么条件下会形成缺电子多中心键？(2) 缺电子多中心键与离域π键有哪些异同点？接着，从课程讲解方面，再提出三个问题，引导学生从解决问题中获得知识，并寻找答案。(1) 二硼烷B2H6结构，是乙烷式还是桥式，通过哪些实验验证哪些性质可以说明B2H6的结构？(2) 硼烷化合物中主要存在哪些类型的化学键？(3) 分析五硼烷B5H9的成键情况？

笔者认为大学的课程最好是学生先预习，带着问题进入课堂学习，不然知识点有浅有深，课堂上很容易跟不上导致听不懂课。其中，教师最重要的功能是答疑和解惑。

1.2 课程内容讲解和引申

硼氢化合物统称为硼烷，早在1910—1930年，就已经合成出了B2H6、B4H10等硼烷。后来发现硼烷可作高能燃料，于是促进了人们对硼烷的研究。1950年之后，硼烷化学发展迅速，相继合成出硼烷负离子、碳硼烷、夹心金属硼烷等，新的硼烷衍生物不断被发现。

其中，最简单的硼烷是二硼烷，其分子式是B2H6，让同学们想想B2H6的结构，想必很多同学会想到B2H6类似乙烷C2H6的结构。但认真思考，发现乙烷中的碳最外层有4个电子，而硼只有3个电子，所以肯定不能形成4个B-H键。另外，从实验验证中发现：(1) B2H6分子是逆磁性，表明分子中无单电子；(2) 由核磁共振氢谱表明，B2H6中有两种氢原子，且比例为2∶1；(3) 由X射线晶体衍射表明，2个B与4个H共面。这些证据说明了B2H6与C2H6的结构是不同的，可能形成了新的键型。

接着，有人提出了B2H6的结构应该是桥式结构，其分子结构模型如图1所示。现对B2H6成键情况普遍接受的观点是：B2H6中的B以sp3杂化参与成键，每个B原子与两个H原子形成普通的B-H键，剩余的两个杂化轨道各以一个电子与另一个同样的B原子、两个H原子形成两个三中心键，即缺电子原子的特殊共价键——三中心双电子键[7]。因此，B2H6的结构应该是桥式结构，存在两种类型的化学键：正常的共价单键B-H和三中心双电子桥键(氢桥键)。

(a)

(b)

除二硼烷B2H6外，还有许多种类型的硼烷，如B4H10、B5H9等。四硼烷B4H10的结构是网状，有6个B-H键和4个三中心双电子氢桥键。五硼烷B5H9的结构是巢型，其模型图如图2所示，5个B原子形成四方锥骨架，每个B原子形成1个B-H键，四方锥底的4个B两两与氢形成三中心双电子氢桥键，锥底每个B原子还有1个价电子，锥顶B原子还有2个价电子，形成一个五中心的六电子键——四方锥骨架，成键情况如表1所示[8]。

表1 B5H9的成键情况

1.3 课程内容总结和推广

硼烷中含有的三种类型的化学键：(1) 正常的共价单键，如B-H、B-B；(2) 三中心双电子桥键，如氢桥键；(3) 3个及以上的B原子可以形成的多中心键，如五中心六电子硼键。

另外，也存在其他缺电子中心键：(1)硼族，B、Al、Ga、In、Tl均可和甲基形成三甲基化合物M(CH3)3，气态时以单体存在，固相中Al(CH3)3以二聚体Al2(CH3)6形式存在，In(CH3)3、Tl(CH3)3以多聚体形式存在；(2) 碱金属、碱土金属，如(LiCH3)4、MgAl2(CH3)8，其隐氢模型图如图2所示。

(a)

(b)

(c)

还有硼烷的拓扑结构，BnHn+m分子中，Lipscomb提出用4个数值来表示硼烷分子中除n个B-H键以外的其它类型的化学键。其中，s表示3c-2e B-H-B键的数目，t表示3c-2e B-B-B键的数目，y表示2c-2e B-B键的数目，x表示2c-2e BH2(切向)键的数目。因此，不同的BnHn+m分子，styx四个数值是不同的，从而来表示硼烷分子的异构现象。

2 缺电子多中心键教学的反思

从现在大学生学习的氛围来看，大学生的学习欲望较高中时期已经大大减弱。此外，针对概念多、涉及课程多且电子难懂、空间难学的结构化学课程，要让学生上课期间都集中精力听课，确实是一个很难的问题。因此，教师在上课过程中的表现显得格外重要，教师在上课过程中应做到重点突出、详略得当，让大学的课堂不再过于沉闷、无趣。针对缺电子多中心键这节课的内容教学，笔者谈谈教学反思。

2.1 备课要充分，注重教材的前后联系

教材的编写是有依据的，教学过程中不能把一堂课孤立起来。在第五章多原子分子结构(一)中，已经学习过了常见分子化学键，教师一定要引导学生，对常见分子化学键和缺电子多中心键的区别和联系进行分析。比如，在讲解缺电子多中心键课程前，可以让同学们画出C2H6分子结构，再让同学们画出B2H6分子结构，由于类比和思维定式，很多同学都会将B2H6结构画成和C2H6结构一样；接着，可以让同学们分别算出碳和硼的电子数，同学们就会意识到错误所在，此时再引入缺电子中心键的知识点。通过新课导入中的对比，促使同学们明白为什么学习了常见分子化学键又要学习缺电子多中心键。另外，不仅课程导入要精心设计，课堂的整个教学过程也要把握好时间和教学方法。

上课过程中要注意同学们的状态，根据同学们上课时的状态调整教学方法和课程进度。如果同学们上课时都听得不是很懂，有很多疑问和困惑，可以让同学们在课堂上将问题提出来，任课老师耐心答疑解惑，不要一味地赶课程进度。讲完课之后，如果同学们还有不懂的知识点，要安排课后答疑，解答同学们的疑问。再者，现在大学生自控能力还是很弱，注意力不集中并且容易受外界干扰，所以课堂或课后布置习题练习是必不可少的，这也是对教学负责任的行为。此外，教师自身一定要对教材融会贯通，课前多遍阅读教材，以自己的语言再现教材内容，千万不能照本宣科，不然课堂会死气沉沉。教师的知识水平和教学能力，影响着教学质量，以及学生的发展。

2.2 注重丰富学生学识，激发学生学习能动性

素质教育是一直以来推广的教学模式，进入大学后，在一定程度上已经摆脱了应试教育，所以大学的课程是最容易实现素质教育的。大学的学习就是为了丰富学识，真正地学到知识。在大学的课堂上，教师除了用语言表达教材上的知识点外，应该多举例，多联系实际，重点让学生理解如何去解决问题，进而激发学生的求知欲；而不是盲目追求赶紧将课本内容讲给学生听，那样只会让学生被动地去学习[9]。比如，在讲解缺电子中心键时，要让同学们知道，B2H6分子结构不是凭空想象出来的，而是通过磁性、核磁共振、电子衍射实验证实所得，所以不能死记硬背分子结构，而是要全面地理解和掌握知识点。

另外，在教学过程中，教学方式要灵活多样，教学内容要丰富有趣，否则学生易走神。再者，大学的课堂气氛要轻松些，教师讲解的内容不要只局限于课本，有讲到科学家时，可以讲讲科学家们的生平事迹，融入爱国主义、责任与担当等思政元素，这样不仅能增长学生见识，还能引起同学们的注意。此外，老师上课时要比较有激情，这样同学们的积极主动性才比较容易被调动，课堂上适当的提问，也会让同学们注意力更集中。

2.3 引导学生改变传统学习方式，培养学生自学能力

随着社会的发展，并不是只需要将课本上的知识点学好就可以，更应该懂得如何解决实际问题。传统的学习方式，影响着学生的自学能力，还有学生个体之间也有差异，有些学生课堂上很难听懂，而有些学生很快就能掌握相应知识点。因此，目前大班教学要做到对学生因材施教有一定难度，同时大学生已经完全可以自主独立地学习，要引导学生改变以前的学习方式。在课堂上有留下疑问的同学，多引导他们在课后独立思考钻研，掌握课程知识。师范生对结构化学的学习要求不高，但一个班级有些同学要考相关学科的研究生，那么部分内容就要进行自学，老师要帮助同学们建立自学的学习方式。在交流合作学习这一层面上，还可以把班上学生分成几个学习小组，分组讨论进行交流。把个体学习与大组讨论交流结合起来，促进了学习方法的改革，不同程度地提高了学生的自学能力。

在培养自学能力时，要求学生做好学习计划表，对于一门课程的学习，可以以一学期为计划，课程开课前要做好预习，勤做笔记，将不理解的知识点标注出来，和同龄人交流学习上的问题，学会互相探讨问题；老师上课过程中，带着问题听课，并且课上讲到的内容如何进行适当拓展；老师讲完课之后要及时复习，巩固知识点。如果是一门没有老师现场讲课的课程，需要网上、图书馆找资料，和同龄人探讨等，解答在预习过程中遗留下来的问题。

2.4 教学与科研互动，培养全面发展的人才

人才是现代社会竞争与发展的重要生产力，是推动国家与社会发展的中坚力量，然而人才的培养并不是一朝一夕就能成功的，它是一项巨大的工程，需要耗费一定的经济来支持人才的培养。高校是专门培养专业人才的地方，关于人才培养方式的选取更是要慎之又慎。其中，教学与科研相结合是培养全面发展型人才的重要基础。若只注重加强学生专业知识能力的培养，学生就会与现实社会脱节，不能很好的融入社会为国家发展贡献自己的力量。

一方面，随着社会技术的发展，科研的占比也越来越大，采取教学与科研结合的方式，可以弥补教学上不能动手实践操作的部分，对课堂内容有一定的拓展与补充作用，还可以培养学生主动思考与动手操作的能力。另一方面，在互联网高度发展的背景下，教学内容对科研储备奠定理论基础的作用。科学技术作为第一生产力，知识基础在科学研究的过程中是必不可少的，否则科学研究就无法进行下去[10]。因此，通过教学与科研结合才可能培养出既具有专业知识基础又具有创新能力的全方面人才。

比如，讲授缺电子多中心键时，要结合科研前沿，让同学们知道通过哪些仪器可以表征出材料的结构，这些材料有哪些性质，理解“结构决定性质”的事实。同时，也要结合实验演示和实验操作，让同学们知道分子的结构是怎么样的，原子是如何成键形成分子。对于分子、原子，不能总是空对空在那边讲课，而是让同学们接近微观结构，懂得微观状态。

3 结语

随着科技的发展，信息技术越来越发达，课堂上老师讲授的内容，在网络上基本都找得到，科技变革下的教师角色需要转型，上课不能只念课本，而是要有意识地引导学生，促使学生转变学习的态度，从“要你学”转变为“我要学”，并培养学生自学能力。再者，教师这个职业不会消失，线上课程也不能完全代替线下课程，因为线下课程站着的老师是有温度的，有喜怒哀乐，学生更能从老师的表情中感受到温暖。教师职业是神圣的，但现在也暴露出存在一些问题，对教师要加强师德考核。

同时，每门课程始终贯彻思政目标，将专业课和思想道德培养有效结合，在学生学习知识的时候，培养学生的家国情怀，明白辩证思维，知道责任与担当，从而培养德智体美劳全面发展的大学生。