李曉東

(南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210046)

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)類本科專業(yè)5大基礎(chǔ)課之一，它以電子構(gòu)型和幾何構(gòu)型為兩條主線，系統(tǒng)講授3種理論和3類結(jié)構(gòu)：量子理論和原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論和分子結(jié)構(gòu)、點陣理論和晶體結(jié)構(gòu)。它可為本科生打下3方面基礎(chǔ)：量子化學(xué)基礎(chǔ)、對稱性原理基礎(chǔ)、結(jié)晶化學(xué)基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)對于建立微觀結(jié)構(gòu)概念、掌握現(xiàn)代測試方法具有不可替代的作用。以前大家一談到化學(xué)，都會不約而同地說到化學(xué)是一門純實驗的科學(xué)，1998年科恩和波普分別以密度泛函理論和量子化學(xué)計算方法獲得了諾貝爾化學(xué)獎，使得理論化學(xué)的發(fā)展邁向新的高峰，使化學(xué)真正成為了理論和實驗相結(jié)合的學(xué)科。而將化學(xué)理論和實驗真正結(jié)合在一起的正是結(jié)構(gòu)化學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性日益突顯。然而，由于結(jié)構(gòu)化學(xué)的內(nèi)容涉及較多的數(shù)學(xué)、物理知識，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課時普遍有一種畏難情緒，常常是被動地學(xué)，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)在他們看來是一件非常痛苦的事情。那么作為教師如何在教學(xué)過程中使學(xué)生的學(xué)習(xí)變被動為主動，變痛苦為快樂，這就需要不斷地加強對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。俗話說“興趣是最好的老師”，學(xué)生只有有了學(xué)習(xí)興趣，作為教師才能夠切實提高課程的教學(xué)效果。下面以具體的教學(xué)案例為例，從3方面介紹如何在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中加強對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。

(1) 科學(xué)趣事的介紹可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容大多較為抽象[1-3]，若在教學(xué)中適當?shù)亟榻B一些科學(xué)趣事可以使枯燥的內(nèi)容變得有趣，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

教學(xué)案例1：黑體輻射。 開爾文在1900年4月27日英國皇家學(xué)會講演時充滿自信地說：“物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學(xué)家只需要做些修修補補的工作就行了”[4]。另一方面他又指出：“動力學(xué)理論斷言熱和光都是運動的方式，可是現(xiàn)在，這種理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了”[5-6]。然而正是這“兩朵烏云”才真正地為我們打開了認識微觀世界的大門?！盀踉啤敝痪褪墙裉煲v的“黑體輻射”，為此普朗克提出了能量量子化的概念，標志著量子論的誕生。這樣，通過對量子論提出背景的介紹，既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，又很好地切入了教學(xué)主題。

教學(xué)案例2：光子學(xué)說。教師提問：“愛因斯坦一生最大的成就是什么呢？”學(xué)生答：“相對論”。教師介紹：“但是愛因斯坦卻是以‘光子學(xué)說’獲得了1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎，因為當時有些著名的物理學(xué)家拒不接受相對論，甚至有人說，如果為相對論頒發(fā)諾貝爾獎，他們將退回已獲的諾貝爾獎。更為有趣的是，盡管愛因斯坦的光子學(xué)說是在受普朗克能量量子化的影響下提出的，但是普朗克卻對光量子理論持否定態(tài)度，反而對相對論給予了很高評價，這不能不說是科學(xué)史上的一大趣事。那么讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎的光子學(xué)說具體內(nèi)容有哪些呢？它又是如何成功地解釋光電效應(yīng)的呢？”由此可以很好地切入到光子學(xué)說這部分內(nèi)容。

教學(xué)案例3：休克爾分子軌道理論。在講解這部分內(nèi)容時，可以先介紹休克爾的背景以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情：“埃里?！ば菘藸栐臼菍W(xué)物理的，受其兄——有機化學(xué)家瓦爾特·休克爾的影響，后來轉(zhuǎn)攻化學(xué)。由其提出的休克爾分子軌道理論在有機化學(xué)中得以廣泛應(yīng)用，用以解決共軛分子的結(jié)構(gòu)，探討分子的性質(zhì)和反應(yīng)性能，最終他的成就和名聲遠遠超越其兄。這種跨學(xué)科的學(xué)者作出重大發(fā)現(xiàn)的故事可以帶給我們哪些啟發(fā)呢？”

(2) 寓教于樂，讓學(xué)生在快樂中學(xué)習(xí)。

教師在教學(xué)中應(yīng)盡可能地設(shè)計自己的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在快樂中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中體會快樂。

教學(xué)案例4：分子對稱性。這一部分內(nèi)容最重要的教學(xué)目標就是能夠讓學(xué)生快速、準確地判斷分子所屬點群。在介紹這部分內(nèi)容之前，教師先提問：“武功的最高境界是什么呢”，學(xué)生答：“無招勝有招”；教師：“學(xué)習(xí)分子對稱性的基本過程實際上與武功的修煉是一樣的，基本過程如下：心中無招，手中無招(完全不懂)→ 心中有招，手中無招(學(xué)習(xí)了分子對稱性的基本概念，了解了各類點群的特點，但還不知道如何去應(yīng)用)→ 心中有招，手中有招(學(xué)習(xí)了分子點群的系統(tǒng)判斷法，能對簡單分子點群進行判斷)→ 心中無招，手中有招(擺脫系統(tǒng)判斷法的束縛，能夠很好地使用各種已找到的對稱元素進行分子點群的判斷，特別是對難度較大的Dnd和Dn群[7])→ 心中無招，手中無招(最高境界，能夠快速、準確地判斷分子所屬點群)。”教師：“接下來我們就先從基本功來學(xué)起，介紹分子對稱性的基本概念：什么是對稱元素和對稱操作”。通過這樣的介紹，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以得到很好的培養(yǎng)。

教學(xué)案例5：對稱中心和反演操作。講解這部分內(nèi)容可先從一個小游戲開始[8]：“每人輪流在一個大的國際象棋棋盤上放一枚硬幣。硬幣可放在盤上任何地方，只是不要與已放的硬幣重疊。如果愿意的話，一枚硬幣可以蓋上多于一個的方格。一旦放上，就不能再動。當一方發(fā)現(xiàn)在棋盤上沒有再放一枚硬幣的地方時，他就輸了。用最好的下法，是放第一枚硬幣者還是其對手取勝呢？給出取勝的策略?！苯處熃o出答案：“很顯然是放第一枚硬幣者可以穩(wěn)操勝券。策略：第一枚硬幣放在棋盤的中心位置，對方不管在哪里放硬幣，你只需要在其所放位置與棋盤中心相連反向延長等距離的位置放置硬幣即可，只要對方有地方可放，你就必然可以找到相應(yīng)的位置(圖1)”。接著講解：“上述策略所依據(jù)的原理就是今天要講的對稱中心和對稱操作”。

圖1 硬幣游戲取勝策略

(3) 教學(xué)內(nèi)容與時俱進，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情。

教學(xué)中應(yīng)不斷更新教學(xué)內(nèi)容，常教常新，使教學(xué)內(nèi)容與時俱進，盡可能反映學(xué)科的最新進展，真正做到理論和實際相結(jié)合，這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)了學(xué)生對科學(xué)研究的熱情。例如：在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中加入隧道效應(yīng)、準晶體、石墨烯和石墨炔的介紹。

教學(xué)案例6：隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明是20世紀最重大的科技成就之一，使人類第一次真實地“看見”了單個原子。如圖2所示，掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像[9]，其原理就是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。

圖2 掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像

教學(xué)案例7：準晶體。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料科學(xué)的應(yīng)用已不局限在晶體材料方面，特別是2011年諾貝爾化學(xué)獎頒給了發(fā)現(xiàn)準晶體的以色列科學(xué)家謝赫特曼，必然加大對準晶體及材料的進一步研究，因此在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)加入對準晶體的介紹。

教學(xué)案例8：石墨烯和石墨炔。在晶體結(jié)構(gòu)部分講解石墨晶體時，可以順便介紹一下石墨烯(單層的石墨)和石墨炔結(jié)構(gòu)[10](2010年中國科學(xué)院化學(xué)所的科學(xué)家成功地在銅片表面上通過化學(xué)方法合成了大面積碳的一個新的同素異形體——石墨炔)，如圖3所示。此后，還可以讓學(xué)生通過查閱文獻了解這方面的最新研究動態(tài)。

圖3 石墨烯(a)和石墨炔(b)

結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識內(nèi)容在現(xiàn)代化學(xué)學(xué)科中發(fā)揮著相當重要的作用，而結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)對于教師特別是青年教師來說還有許多困難，如何將抽象的知識形象化，如何設(shè)計自己的教學(xué)過程，很好地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實提高結(jié)構(gòu)化學(xué)課程的教學(xué)效果是教師需要長期思考的問題。

參 考 文 獻

[1] 李炳瑞.結(jié)構(gòu)化學(xué).北京:高等教育出版社,2004

[2] 趙成大,鄭載興,潘道皚.物質(zhì)結(jié)構(gòu).第2版.北京:高等教育出版社,1989

[3] 周公度,段連運.結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ).第4版.北京:北京大學(xué)出版社,2008

[4] 趙崢.大學(xué)物理,2009,28(2):57

[5] 李醒民.物理,1984,13(11):699

[6] Kelvin L.Boltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light.London,1904

[7] 李曉東,李春燕,趙波.南京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,30(教學(xué)研究專輯):13

[8] 賴文.量子化學(xué).北京：人民教育出版社,1980

[9] Weiss C,Wagner C,Kleimann C,etal.PhysRevLett,2010,105(8):086103

[10] Li G X,Li Y L,Liu H B,etal.ChemCommun,2010,46(19):3256