化解畏难情绪，培养学科兴趣——结构化学导入课的探索与创新

冯瑾，李宝凤，毛新龙，毕思玮

曲阜师范大学化学化工学院，山东 曲阜 273165

1 引言

当代大学生处于信息指数增长的时代，短视频等媒介使知识的获取变得碎片化、快速化、表层化，这在扩大学生知识面的同时也对高度持续性、深度化的专业课学习带来了冲击。为了全面提高人才培养质量，《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提出了“提高学生自主学习能力”“引导学生深思考、善提问”等要求[1]。化解学生的“畏难情绪”、引导学生主动发现课程趣味性是提高学生学习兴趣的首要任务，也是学生在课堂中发挥学习主动性的必要前提。

在众多化学专业必修课程中，结构化学面临的困境尤为突出：在课程开始前，学生容易因听闻其中的大量数学公式而产生“畏难情绪”和排斥心理；在课程学习后，由于结构化学知识章节的抽象性、独立性和与其他化学分支的多交叉性，学生容易因缺乏对知识整体性的认知而无法形成系统的知识脉络，造成混淆和遗忘[2,3]。在曲阜师范大学化学院，结构化学是师范类本科生大三上学期的必修课，而有些学生在大三下学期的教育实习中，就表现出了对知识的淡忘。对于高中化学教材选修二“物质结构与性质”中的分子空间结构、配合物性质等内容，学生不能精准地将其与结构化学所学的内容对应，更不能通过纵向深挖与横向比较对这些内容进行高水平的讲解。这种现象一方面与学生得过且过的心态有关——考研对结构化学的内容涉及极少，导致部分学生不愿对不感兴趣且“无用”的知识深入钻研；另一方面，由于缺乏对结构化学学习内容和逻辑的整体认知，导致学生对各章节的知识点死记硬背，容易遗忘。

2 结构化学导入课的创新和改革

基于以上问题，笔者在第一节课的两课时中使用“情景式”“交互式”“解决问题式”等方法，通过趣味类比明确结构化学的内容逻辑，指出其研究范围和对数学的需求程度，其中教师引导、讲解时间和学生讨论回答时间比约为3: 2。这节课旨在降低学生的预期难度，激发学生的求知欲与学习积极性。经过改革，班内学生在课堂表现活跃，期末的卷面平均分数明显高于改革前，且效果具有明显的持续性——把理论计算专业作为考研的第一志愿的人数大幅上升，并且每年都有学生主动报考笔者本人的研究生。改革后，班内不及格率由7%降到1%，优秀率变化不大为12%，良好率显著提高至75%——以上数据表明改革对加强基础知识的掌握有明显的效果。第一节课的改革不需要额外的辅助工具，对硬件设施要求低；所设计的情景模式可以被直接借鉴，适用性强；同时也提供了一个可以进行人物、地点等信息更改的框架，可以依照个人情况进行改良。

首先，介绍结构化学与其他化学学科的相通和不同之处，也就是明确学习结构化学能做什么。展示Cu2+在不同溶剂中显示出的不同颜色——[Cu(H2O)4]2+蓝、[Cu(OH)4]2-蓝紫、[Cu(NH3)4]2+深蓝、[CuCl4]2-黄，并使用已学化学知识点明原因是形成了不同的配合物。而通过结构化学的学习，可以进一步揭示配合物显色不同的根本原因，是Cu2+中电子跃迁所需能量的改变。指出学习结构化学的作用之一，就是从原子和电子层面进一步解释各种现象和反应的机理，以便更好地利用。举例“量子纠缠”在通讯方面的重要作用，点明这是属于微观世界的独特性质。指出学习结构化学的作用之二，发现、掌握微观世界的独特规律并且利用这个规律发展新的科技。然后，设置“两位女同学的动物馆之行”的情景，把动物相关理论与量子力学的发展、由个体到部落与由原子到分子的构成制度、动物的运动轨迹与电子云图等进行类比(图1)。完整的情景设定有助于理解课程整体的知识逻辑和各单元之间的联系，也有利于学生在了解学科发展复杂性与类似性的过程中培养个性和共性辩证统一的理念——在扎实地掌握课堂知识之余，让学生运用结构化学中的原理从微观层次上分析理解其他相关知识，从而潜移默化地获得科学的思维方式和优良的科学素质[4-6]。

图1 结构化学导入课的情节设置及其对应知识的框架关系图

2.1 出场——结构化学独特的“概率”和“量子化”

由人物的出场引出微观世界的“概率”和“量子化”概念，介绍量子力学的兴起。首先，两位女同学坐车沿线路向动物馆前进，根据车的初始状态和行驶的速度，很容易准确得到某时车会出现在某地。然后，类比指出电子的运动不具备这种准确性，播放双缝干涉实验的视频和百年前与近期《自然》杂志上的电子运动验证实验[7]，引出量子世界的“概率”概念。量子力学中波函数的“概率”概念出现不到百年(1926年提出，1954年获诺贝尔物理学奖)，在“概率”概念刚提出且未被实验证明时，曾有“上帝不掷骰子”“薛定谔的猫”等著名的反对观点，但爱因斯坦对由黑体辐射实验得到的“量子化”概念表示赞同，并由此解释了光电效应。通过以上介绍，引导学生在分析事物发展的过程中注重理论与实践、前进性与曲折性的辩证统一。最后总结，现在大家普遍接受了微观世界和宏观世界的运行法则不同、适用理论不同，我们所学的结构化学就是描述微观世界的理论，在学习过程中需注意其与经典力学的联系和区别。

2.2 动物的进化和运动——结构化学基本公设和薛定谔方程的意义

列举关于线段的公设和定理，说明公设在学科发展中的重要性——引出量子力学的公设。观看黑猩猩的运动影像回忆力与运动参数(加速度、速度等)的关系，归纳出对简单力学公式的运用要求。点明薛定谔方程旨在描述微观系统的运动性质，并引导学生运用复杂问题简单化的方法，类比力学公式得到薛定谔方程初学要求：① 掌握薛定谔方程及其在一维模型中波函数的基本写法；② 掌握薛定谔方程可以解出的主量子数、角量子数、自旋量子数等物理量，但对其求解过程不做要求。通过举例引导学生使用课堂知识解决实际问题——在生活中，可以根据车速和距离粗略估计到达某地所需的时间；微观体系中，可以把薛定谔方程简化成一维模型解释共轭体系的电子分布。复习力与距离、速度的对应图像，指出薛定谔方程中波函数的形状类似正弦函数。由速度的大小和方向可绘制黑猩猩的运动路径图，同理波函数可以得到与电子运动轨迹相关的电子云图形。黑猩猩摄入能量能够攀上更高的树枝，从数学上对应重力势能的改变；电子吸入能量可以运动到更高的能级，从数学上对应原子光谱项之间的跃迁。每种动物的运动方式不同，每种原子的光谱也各具特点，可以作为区分原子种类的依据(焰色反应)。

2.3 动物的群居生活——分子的构成规则和结构

动物学家通过观察一只狼的行为，可以判断其为独居、成对还是群居活动；量子学家可以根据原子的电子结构判定其组成稳定分子时为单个、两个还是多个，更容易失电子还是得电子。多只狼、蚂蚁、大雁组成部落时，内部有地位划分和运行规则；多原子组成分子也要遵循一定的规则，有多种理论尝试解释其中原理，例如价键理论和分子轨道理论。为完善价键理论对构型的解释，发展出了杂化轨道理论。举例说明轨道杂化与某些生物杂化的相似性——杂合子的布偶猫与纯合子的性状表达不同，杂化轨道与原始轨道的性质不同，然后明确杂化轨道的学习要求。部落对个体的要求与分子轨道理论中分子对组分原子的要求对应；部落中每一个成员的地位排序对应分子轨道的能级排序；部落的能力体现在战斗力上，分子的稳定性体现在键级上；部落集体行动时，个体排布的样式(雁群的人字形等)与分子中原子的排布图形对应。讨论个体外观(例如蝴蝶图案)和群体排布的对称性，进而类比展示多种典型的分子对称结构，并以Fe(C5H5)2为例讨论对称元素的对应关系，同时表明用数学形式表示分子对称性的简便性。

2.4 动物部落内部关系的确定——物质结构的测试方法

通过小狼对成年狼的依赖程度可以大致判定两者的母子关系，就像通过无色无味气体与澄清石灰水的反应情况可以初步判定其是否为二氧化碳。现在，科技可以提供精准的判定方法，如DNA序列的测试、分子结构的测试。以HCl为例，引出双原子分子键长的测量方法——转动光谱。以C2H4O的结构探测为例，介绍可以分辨其为CH2CHOH还是CH3CHO的方法——红外光谱。核磁共振技术可以通过改变磁场确定H原子的种类和个数进行结构分辨，而且已成功应用在医学上——这项技术在20世纪获得了6次诺贝尔奖。初步讲解X射线成像和核磁共振成像的基础原理和对人体影响的不同，以生活中的应用提高学生的学习兴趣，并表明后续会具体学习核磁共振的机理，还会学习与激发态性质相关的光电子能谱。

2.5 动物油画和钻石画——络合物和晶体

纪念品商店中的动物油画色彩斑斓，其中的蓝色颜料(蝴蝶、孔雀等)大多为普鲁士蓝——配合物Fe4[Fe(CN)6]3，也是一种极具潜力的电池正极材料。举例介绍配合物的颜色和分子结构特点，并初步分析无水硫酸铜在水、氨水、浓盐酸中的不同颜色，告诉学生通过配合物的学习，可以解答配合物不同颜色的机理。商店中的钻石画光芒闪烁，但其中镶嵌的物体有可能是钻石、锆石、水晶或者玻璃。给出各物质的熔融曲线，指引学生使用“结构决定性质”的思维分析平台存在的原因——相同键的断裂温度一致。结合钻石(C)和水晶(SiO2)的结构图，找出其中相同的化学键，再进一步指出特定单元的有序排列，点明晶体的结构特点。列举钻石与石墨、NaCl和KF等物质的性质对比，表明晶体结构对性质的影响，点明我们会学习几种典型的晶体结构并求其空间利用率。

2.6 量子通讯——蓬勃发展的中国量子力学

得益于我国世界领先的量子通讯技术——世界第一颗量子卫星“墨子号”，两位主人公事后的联网交流内容可以不被探听和监测，通讯安全得到保障。量子力学的发展离不开先驱们的贡献，从唐敖庆、徐光宪先生学成归国到“物质结构暑期进修班”培养出“八大金刚”，在介绍国内量子力学发展史的同时也介绍现阶段各高校量子化学的发展情况，增强民族自信心，鼓励学生为学科的发展贡献力量。结合笔者自身的学习背景和获得过“唐敖庆奖学金”的经历，分享自己学习结构化学的感悟和收获，激励学生在本学期和以后的生活中认真学习和运用结构化学相关知识。

3 结语

本文从结构化学的学科特点和本校的学情现状出发，针对学生在结构化学学习和运用中产生的问题，以导入课为切入点进行改革探究。在导入课中使用轻松易懂的方式明确结构化学的学习内容和深度，以消除“畏难情绪”；介绍各知识之间的联系和量子化学的发展及作用，以培养学科兴趣。导入课的改革将对学生的学习自主性、课堂的活跃度有明显的提高，也对学生们选择量子化学作为深造方向有促进作用。在之后每一节课的开端，巩固旧知识和导入新知识也是保证学生学习积极性和课堂良好学习氛围的重要环节，如何根据每节课的特点进行合理的课堂设计，仍需要在教学过程中进行探究和完善。