结构化学教学着重培养大学生的基本能力*

2020-03-07侯秀芳

广州化工 2020年12期

侯秀芳

(延安大学化学与化工学院，陕西延安 716000)

目前，世界正在变化，高素质的“现代人才”将成为未来社会的领跑者，这就需要改变现有的教育形式。高校是中国实施高等教育的学校，是科研创新的重要阵地，也是人才培养的摇篮。大学课程是人才培养蓝图的具体体现，是实现教育目的与培养目标的基础。结构化学课程是大学化学专业本科生重要的基础理论课，在化学课程结构中具有重要的地位，同时也是本科阶段接触的一门理论性较强的课程。

结构化学理论是以量子力学为基础，波动方程为核心，通过逻辑思维和数学方法处理来阐明原子、分子内的电子和原子核之间各种复杂的相互作用，推论出原子分子的性质与电子结构的关系的一门学科[1-2]。结构化学主要内容包含量子理论、化学键理论和点阵理论；原子结构、分子结构和晶体结构；需要打好三个基础：量子力学基础、对称性基础和晶体学基础。测试方法主要有紫外、红外、核磁、质谱及X-衍射等。结构化学为化学各分支学科提供理论指导，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。结构化学课程的特点是理论性强、难度大，需要学生具有一定的数学、物理基础。其二是内容抽象难懂，需要学生建立量化思维模式认识微观世界。另外，涉及微观结构的实验一般在学校现有的条件下无法完成。这些特点就使得结构化学课程教学难度较大，因此需要改变我们的教学理念和教学方法。

该课程的教学目的是培养学生用微观结构的观点，分析和解决有关化学问题的能力。在本课程的学习中，学生不仅仅需要建立量子力学基本原理的坚实基础，而且需要深刻理解“性能反映结构，结构决定性质”这一基本原理，使学生能从更高更深水平上理解各种化学现象[3-5]。我校化学化工学院的化学和应用化学两个专业的学生开设了这门课程，共54学时，学分为3。在该课程的教学中我们根据当下时代特征、课程自身和当代地方院校大学生的特点，在实际的教学中，着重培养大学生的学习能力、创新能力和实践能力。

1 学习能力的培养

常言道：“授人以鱼，不如授之以渔”。一个好的称职的教师,不但要给学生以知识，还要教会学生自学的方法。联合国教科文组织曾谈到:“今后的文盲将不再是不识字的人,而是不会自学和学了知识不会应用的人。”所以我们应该改变现有的教育模式，培养学生的学习能力。学习能力一般是指人们在正式学习或非正式学习环境下，自我求知、做事、发展的能力。“会学”才能实现“学会”，才能不断提高学习能力。我校选用的教材为周公度教授主编的《结构化学基础》第5版。该教材内容与时俱进，不断修订、完善，是结构化学的经典教材。结构化学和高等数学之间有密切的联系，在学习结构化学每门课的过程中，公式推导过程用到的数学知识比较多，教师在课堂有限的时间里，会尽量简化公式推导的过程，注重讲授公式的物理意义，使学生抓住学习的骨架。对于具体的推导过程，就需要学生课后自己完成。如当同学们解箱中粒子的薛丁格方程和单电子原子的薛丁格方程的过程中，就遇到高数当中的积分或者求导。在学习休克尔分子轨道法中，对共轭体系，列出久期方程，在求久期行列式过程中，就需要解高阶行列式。对我们学校来说大一开设《高等数学》，根据心理学上艾宾浩斯的遗传规律来了，到大三的时候，已经有一部分高数的知识慢慢淡化，甚至遗忘。有一部分学生虽然当时学会了相关知识，但是能把学到的高数知识运用到其他学科例如结构化学，还有一定的难度。另外对地方院校，或者对一部分学生来说，数学基础不是很好，这可能就给学生后期的学生造成一定的困扰。为了防止“千里之提，溃于蚁穴”，这时候学生就需要具备自学能力。将高数课本找到，学会相关的数学课本知识，再将其应用到结构化学的具体问题。如果自己动手解决了自己的一个疑难问题，就会有成就感，体会学习的快乐。

2 创新能力的培养

学习是创新的基础，创新是学习的目的，并有利于学习的提高。学会创新是学生获取成功的通行证。创新是以主客观条件为基础，克服社会环境中各种不利因素，达到超越自我和现实的一种“除旧迎新”的实践行为。创新能力是一种在主观意志驱使下逐渐形成的不断认识事物、不断探索发展的人的行为品质。改变传统的教育教学观念，让学生在宽松的环境下去挑战一切新的事物，让学生永远怀着一颗好奇的心，善于发现问题，提出问题。要创造性地解决问题，就要善于开辟新的学习路径，需找新的突破，打破现有的思维模式。在以往的长达十几年的学习过程中，学生认识事物的现象大多数局限于宏观体系，思维定势，先入为主，也就是思维惯性。长期实践与经验的积累，在处理一般性问题时，可以得心应手。但是当面临新情况，新问题时，思维定势会阻碍我们形成新观念、新构想、新点子、发现新事物，成为我们思维的枷锁、前进的羁绊。这也是一部分学生对结构化学产生为难情绪的原因。对于结构化学课程，从量子论的起源到量子力学的基本假设，再到量子理论的建立，并应用于原子、分子、晶体及化学反应过程的微观状态，整个过程是一个全新的过程，需要教师和学生转变思维模式。学生首先需要突破思维空间和思维定势，建立量子力学的思维方式，应用量子力学理论来探讨化学分子结构和化学反应中的微观状态和趋势，解释化学实验中的现象和规律，用已有的知识来推理未知的化学现象和变化趋势。例如需要加强基本概念特别是量子力学五个基本假设的理解和认识，通过课堂讲授、习题演练、学生讨论等方式，使学生改变旧的思维习惯，突破固有的思路，深刻建立新的概念和新的思维模式。在一维势箱中粒子的微观体系的分析中，引导学生用量子力学的基本假设分析和解决问题。并将其扩展为二维三维势箱中粒子的运动体系。

3 实践能力的培养

从学习基础理论，到实验技能的掌握，到科学研究或者生产实际，是一个密切关联的有机体。实践就像桥梁一样连接着理论和科研。科研是一种创造性劳动，科研实践活动可以培养学生主动探索的能力。提倡学生参与教师的科研活动，参与的形式是以学生为主的大学生创新项目，也可以是学生的毕业设计。这样有利于训练学生获取前研科学技术知识的能力。有利于培养团队成员之间的团队协作能力。也有利于学生与老师之间直接的一对一的交流。例如根据课本休克尔分子轨道理论，学生知道离域π键的形成，增大了π电子的活动范围而使体系的能量降低。我们老师可以引导学生研究具有较大离域π键的新型有机化合物,如我们的课题之一“一种新型的化学传感器”[6]。学生根据已有的理论知识和理论计算结果分析为什么有杂原子(O,N,S等)掺与共轭的有机分子，颜色更深。在课题的具体执行中，需要从文献调研开始，教师指导学生进行文献搜索，文献管理软件的使用。在实验方案的设定，执行过程中，教师指导学生学会GaussView和Gaussian 软件的使用。在后期数据处理中，引导学生用ChemDraw,Origin等软件处理数据，做出图形。最后，以论文的形式撰写，选择的优秀的课题，可以鼓励投稿。经过整个过程的系统训练，学生的实践能力得到了极大提高。

另外，教师和学生之间建立良好的交流环境。教师可以将上课的PPT、相关科研资讯、短视频放到学校的教学平台上，学生可以随时学习。我们每周会专门开设答疑时间，学生也可以利用QQ、微信等平台随时和老师交流。学生能提出很多好的建议和想法。