以培养学生创新意识为导向的结构化学课程改革*

2020-03-07周菊英胡飞龙

广州化工 2020年5期

黄钦，周菊英，胡飞龙，米艳

(广西民族大学化学化工学院，广西南宁 530006)

结构化学是化学类专业一门专业必修课程，课程的核心内容是利用量子力学相关理论，从微观角度研究原子、分子和晶体的结构与物质性质的关系[1]，该课程的涉及理论和实验内容被广泛地应用到化学各学科(如无机化学、有机化学、分析化学、高分子化学与物理等)及诸如生命科学、材料科学、环境科学等自然类学科当中。因此，结构化学在化学类本科课程知识体系中占据重要地位，对夯实学生的基础知识、增强学生解决问题的能力，以及培养学生创新能力具有不可替代的作用。

但是，由于结构化学涉及较多的数理知识和较强的逻辑推理能力，所以大多数化学类专业的学生认为结构化学是所有化学课程中最难学、最难懂的课程，普遍有畏难情绪、缺乏学习积极性，对于地方普通高校的学生更是如此。

近年来，从国家层面提出的“大众创业、万众创新”战略出发，高校的创新创业教育改革深入推进，要将创新创业教育融入高校人才培养全过程[2]；另外，根据教育部以本为本，加强一流本科教育的要求，要致力于提升内涵，着力建设高水平教学体系，推进课程内容更新等[3]。在新时代、新要求下，结构化学课程改革迫在眉睫。

作为结构化学的教师，必须提高教学效率，在有限的时间里，把“化学类专业本科教学质量国家标准”[4]的结构化学教学内容传授给学生，并且在创新型人才培养方针的指导下，强调学生创新能力的培养，把创新意识贯穿在整个教学中，以此来提高学生的创新能力。但是，结构化学课程理论性较强，在教学过程中容易出现教师习惯于灌输式教学，导致课堂气氛不够活跃，达不到预期的教学效果。

在大量教学实践的基础上，笔者对结构化学教学改革进行初步摸索与实践，旨在调动学生的积极性，提高结构化学的教学效果，也为化学类创新型人才的培养提供一些借鉴和参考。

1 将探究式、互动式教学理念贯穿始终，精心做好课堂教学设计

在教学过程中，教学重点应该放在教学过程上，而不是放在衡量成绩结果上，应注重学生对学习方法的掌握，而不是知识本身，知识只是为了创新而学习的，它不是目的。

探究式、互动式教学理念从教师以往传统的“灌输式”教学向“师生共同探讨”的民主教学转化，其重要性是可以调动学生的学习主动性，提高学生的学习兴趣，增强学生的创新思维，提高课堂教学效果[5]。

基于此教学理念，笔者为了达到教学目标，对结构化学进行了精心的教学设计，对课堂教学过程与行为进行系统规划，将重要的知识点按其特征及学生的知识基础来进行教学方法的精细划分，一些以讲授式教学为主，一些以探究式、互动式教学为主。

如讲授态叠加原理时，先在第一章的量子力学基本假设中讲解，学完第二章后，结合电子双缝干涉实验以及第一章的习题22和第二章的习题12，再回过头来将态叠加原理作为一个专题进行讨论，经过讨论，同学们对这一原理以及概率波等概念有了进一步的理解，也为接下来学习分子轨道、杂化轨道等概念打下基础。

为了使得讨论课有效果，在讨论课之前提前一个星期做好布置，并提供一些讨论主题的参考文献[6-8]和思考题让学生在课前查询、阅读和思考。

又如讲授价电子对互斥理论时，组织学生就H2O、AL4E型、AL3E2型等分子的形状进行讨论。

探究式、互动式教学法及讨论课已经有很多学校进行了非常好的实践[9-13]，笔者从中借鉴许多，但在教学实践当中注意把握因材施教，针对学生的知识结构和水平进行适当的选择讨论的主题、参考材料和讨论的深度。比如，北京大学采用了狄拉克所著《The Principles of Quantum Mechanics》作为讨论态叠加原理的文献[13]，这对笔者所在学校的学生来说过于艰深，并且教学目的也不尽相同，因此在具体教学实践中选择了一些国内的文献。

采用探究式、互动式教学法进行教学，通过对近几届学生结构化学的学习情况来看，提高了学习兴趣，加深了学生对知识点的理解，教学效率及教学效果得到了提高，同时也增强了学生分析问题和解决问题的能力，增强了学生的发散思维和创新思维。

2 化学软件辅助结构化学教学

结构化学的研究对象涉及到数理抽象性，也涉及到抽象、复杂的空间结构，这让许多学生望而生畏，结构化学课程所具有的抽象特点对教师的教学方式提出了高要求，将抽象的概念直观地向学生展示，是提高教学效果的关键，化学软件为将分子结构从抽象到直观提供了方便[14]。

化学软件可以显示分子的三维结构，这有助于学生学习对称性。分子的对称性的内容对学生的空间想象能力有较高的要求，一直以来都是结构化学教学中的一个难点[15]，对学生的空间想象能力要求较高，仅靠课件和板书，学生只能死记硬背，很难理解其中含义。VMD软件是一个免费开源的分子显示程序[16]，利用该软件可以形象地将分子的立体结构展现出来，并且利用嵌入对象，还能够对分子的立体结构进行交互式的操作，如平移、旋转等。比如，甲烷分子属于Td点群，其中有4个C3轴，3个I4轴和6个σd，在教学时，采用VMD软件实现对甲烷分子的旋转操作，直观地向学生展示甲烷分子的对称元素，同时也将用软件查看分子作为学生的课后练习。

化学软件也可以进行分子模拟或量子化学计算，让学生将结构化学理论应用到实际当中。笔者将Gaussian和GaussView软件应用于结构化学的教学实践当中，让学生用Gaussian软件对氢分子离子(H2+)、环戊二烯和环戊二烯负离子等分子和离子计算并观察分子轨道，这让学生对抽象的轨道有直观的认识[17]。通过使用化学软件进行简单的计算和图形查看，一是使学生感觉到结构化学不仅仅是概念和公式，也有图形和应用；二是加深学生对结构化学理论的理解，拓展了学生的想象思维，强化了学生的创新思维；三是让学生体会到结构化学知识不仅是纸上谈兵，认识到“化学不再是纯实验学科了”。

3 化学史融入结构化学课堂

我国著名化学家、教育家傅鹰教授曾提出：“化学教育给学生以知识，化学史教育给学生以智慧。”在专业课程中引入化学史能起到激发学生学习兴趣、明确学习目标、理解抽象概念、培养和形成科学的研究方法和创新思维等作用[18]。

首先，在结构化学课堂中引入化学史，能帮助学生理解一些概念、原理或者定律的起源。比如，在讲授分子轨道对称守恒定理时，对学生讲授了这一原理是如何发现的[19]，以及发现过程中的一些纷争[20]等。学生了解科学家发现问题、分析问题及解决问题的过程，有助于提高他们分析和解决问题的能力，培养科学的思维方式和创新精神。

其次，在结构化学课堂中引入化学史，让学生了解科学研究过程，可以让学生形成科学研究方法，培养学生的创新思维。比如，德布罗意波的提出就体现了类比、假说——演绎为主要科学研究方法的基本思想[21]。在爱因斯坦为解决光电效应提出光子说后，法国的物理学博士生德布罗意受到启发，认为：“整个世纪来，在光学上，比起波动研究方法，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图像想得太多，而过分忽略了波的图像？”德布罗意从而提出了实物粒子波粒二象性，直接导致了波动力学的诞生。在讲述这段历史的过程中，注意引导学生运用类比思维，从德布罗意的物质波与爱因斯坦的光子学说的类比，到微观粒子与宏观物体的类比，以及量子力学和经典力学的类比。通过类比，引导学生加深对概念的理解，同时培养了学生的类比思维。

在结构化学的教学实践当中发现引入化学史，一是能让枯燥的结构化学教学变得更加生动有趣，激发学生学习兴趣；二是为学生理清了一些基本理论和基本概念的发展脉络，促进了学生对知识的掌握和理解；三是通过化学史教学对开拓学生知识领域，培养学生的科学素养，提高学生的创新意识等具有促进作用。在结构化学教学中引入化学史，也注意与引导学生查阅文献、互动式教学等相结合，有效地促进学生查阅文献、思考和解决问题的能力。

4 设置结构化学课程论文

考试在学校和教师了解学生对知识的掌握情况以及教学效果如何上仍起到不可替代的作用，但只通过标准性、规范性的试卷来评价学生，则有偏重知识灌输，忽视学生能力培养的人才培养目标。根据新时代对本科教育的要求，笔者除了在课程设计、课堂讲授上下功夫以外，也积极探索和实践多元化课程考核评价方式，包括随堂问答、讨论发言、阶段性测试、课程论文。

在教学实践中，根据本课程的特点，设置了与教学目标和教学要求相适应的课程论文题目，目的是为了激发学生的学习和研究兴趣，进一步调动他们的主动性和创新性。具体为要求学生完成两篇课程论文的写作：其中一篇要求是复习性题目，要求学生对其中一章内容作小结，并就其中的某一问题作讨论，比如有学生总结第一章内容后，就Pauli原理的形成进行叙述；或者就一些有关联的内容进行阐述，比如有学生就一维箱中粒子模型应用于共轭分子体系与休克尔分子轨道法作比较；这类题目的写作，可以促使学生对已有知识进行复习，将所学知识，尽可能理解掌握。另一篇论文要求学生用结构化学的理论来具体解释无机化学、有机化学、物理化学等课程中的现象，这类题目的写作，可以帮助学生建立起清晰、正确的基本概念，并培养学生推理、论证和逻辑思维的能力。

让学生撰写课程论文仍处在探索阶段，借鉴了一些老师的成功经验[22-24]。课程论文是对传统教学手段的改革，从收回的论文可以看到，课程论文令一部分学生促进了课程的学习，熟习了文献检索方法，同时有助于他们的创新意识与能力培养，课程论文书写较好的学生对知识的掌握也更好，成绩也更高。但也存在一些问题需要解决，如学生存在着查找资料不完全，思路不够开阔，另外，由于学生化学基础不牢靠，对专业术语表达不够准确，英文摘要无从下手及论文形式不规范等，当然，存在学生直接抄文献甚至抄袭同学的情况，因此，如何设置课程论文题目或范围仍需不断改进。