陽小勇，唐榮平

(滇西科技師范學(xué)院數(shù)理系, 云南　臨滄　677000)

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探討西部高校中“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的教學(xué)*

陽小勇，唐榮平

(滇西科技師范學(xué)院數(shù)理系, 云南臨滄677000)

結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容的深奧、抽象、繁瑣使得大部分學(xué)生失去了學(xué)習(xí)它的興趣與信心,給教學(xué)帶來很大困難。所以，在教學(xué)中，教師必須重視學(xué)生原有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與知識，對原有的無機(jī)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)知識進(jìn)行梳理、并使之與結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容整合，同時充分利用實(shí)物模型、化學(xué)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助教學(xué)或計(jì)算機(jī)模擬教學(xué)，通過此類方法可利于提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)與學(xué)習(xí)效果。

課程教學(xué); 數(shù)學(xué)演繹; 波函數(shù);整合

結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)類專業(yè)的一門重要的必修課程，學(xué)生必須具備無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等先修課程的基礎(chǔ)知識。在教學(xué)內(nèi)容方面，結(jié)構(gòu)化學(xué)知識深奧、抽象、繁瑣，涉及到多方面的高等數(shù)學(xué)內(nèi)容。教學(xué)結(jié)果是大多數(shù)學(xué)生無法從本質(zhì)上理解知識要點(diǎn)并獨(dú)立解決結(jié)構(gòu)化學(xué)問題，學(xué)習(xí)亦是蜻蜓點(diǎn)水式的掌握個別知識點(diǎn)，無法在頭腦中建立系統(tǒng)性的網(wǎng)絡(luò)知識結(jié)構(gòu)。教學(xué)時，往往教師講得滿頭大汗，學(xué)生聽得昏昏欲睡，甚至部分學(xué)生用逃課方式來逃避結(jié)構(gòu)化學(xué)課的“煎熬”。

盡管如此，化學(xué)學(xué)科越來越處于從宏觀現(xiàn)象的研究深入到微觀本質(zhì)的探討。結(jié)構(gòu)化學(xué)的觀點(diǎn)也越來越被許多學(xué)者所關(guān)注并深入的滲透到生物學(xué)、物理學(xué)各學(xué)科的領(lǐng)域中去[1]。各學(xué)科相互關(guān)聯(lián)、相互配合、相互促進(jìn)，因此，結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)本科專業(yè)必須具備和掌握的基礎(chǔ)知識，結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)在整個教學(xué)計(jì)劃中的作用與地位不能為教師所忽視。

高校擴(kuò)招以來，招生政策傾向于西部，新生的入學(xué)門檻越來越低，導(dǎo)致很多理工科的學(xué)生對專業(yè)知識的理解與運(yùn)用產(chǎn)生很大困難，而與之配套的教材內(nèi)容難度卻有增無減。在云南地方高校，化學(xué)教育本科專業(yè)開設(shè)的高等數(shù)學(xué)一般為128學(xué)時。實(shí)際上，學(xué)生也只是掌握了一些基礎(chǔ)數(shù)學(xué)內(nèi)容，學(xué)生對微分方程、多重積分、行列式矩陣的運(yùn)用非常陌生。由于不懂?dāng)?shù)學(xué)的演繹方法，無法獲知知識的來龍去脈，于是感到結(jié)構(gòu)化學(xué)知識繁瑣、晦澀、抽象，導(dǎo)致學(xué)起來力不從心，教起來勞而無功。

本科院校中結(jié)構(gòu)化學(xué)課程開設(shè)時間是大三第二學(xué)期，共64學(xué)時，屬純理論教學(xué)。在有限時間內(nèi)使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)全部內(nèi)容很不現(xiàn)實(shí)。據(jù)了解，有的院校教學(xué)內(nèi)容甚至不到教材的一半。因此，為了使得學(xué)生“學(xué)有所獲”。在教學(xué)中，必須重視結(jié)構(gòu)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)的關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性、順序性。結(jié)構(gòu)化學(xué)是通過演繹推理對基本化學(xué)現(xiàn)象與反應(yīng)的本質(zhì)探討[1]。因此，教師教學(xué)中必須拋棄傳統(tǒng)的“教材宗旨化”的觀念，應(yīng)結(jié)合無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)內(nèi)容，大膽的對內(nèi)容進(jìn)行取舍、整合。在教學(xué)思想上，要做到以下三點(diǎn)：

1　思想上重視數(shù)學(xué)演繹，課堂中淡化數(shù)學(xué)教學(xué)

結(jié)構(gòu)化學(xué)若脫離數(shù)學(xué)思想，則成了“無源之水，無本之木”。但學(xué)生又無法通過數(shù)理分析解決疑難問題，甚至理解不了課本中的推理過程。要解決此種矛盾，在教學(xué)時，既不能拋棄課本中數(shù)學(xué)思路，又不能刻意追求數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。如教授“薛定諤方程(Schr?dinger equation)”時，讓學(xué)生了解“薛定諤方程”及其解的含義，了解算符作用于函數(shù)中各關(guān)聯(lián)變量的物理意義，能套用氫原子與類氫離子的角度分布與實(shí)數(shù)解函數(shù)進(jìn)行計(jì)算即可。切記不能拘泥于一些抽象、深奧的數(shù)學(xué)推理，而是重視對結(jié)論的運(yùn)用與函數(shù)意義的理解。當(dāng)然教學(xué)中，學(xué)生必須熟練運(yùn)用微積分，尤其是微分方程的建立及求解，在群論方面的教學(xué)對線性代數(shù)知識的要求也是較高的。

2　化抽象于具體，重視模像教學(xué)

即使最深奧的理論也是客觀物質(zhì)世界在人腦中的反映。所以，教師在教學(xué)中必須建立支撐理論的模像，進(jìn)行模像教學(xué)。如教學(xué)時借助實(shí)物模型或利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(Computer Assisted Instruction)能起到意想不到的的效果。常用的化學(xué)軟件有制作化學(xué)圖形的軟件 Molden。有劍橋公司(Cambridge Soft Corporation)開發(fā)的Chemoffice2008軟件包中的Chem3D(V11.0)，本軟件能顯示分子的立體圖形、分子的軌道形狀，同時還可以對分子能級、電荷分布、振動頻率進(jìn)行計(jì)算。此外Gaussian09教學(xué)軟件能為離域π鍵和共軛分子結(jié)構(gòu)教學(xué)帶來便利。Chem3D軟件可以將分子的立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，極大的加強(qiáng)了學(xué)生對分子對稱性和對稱操作的理解。所以，作為一名結(jié)構(gòu)化學(xué)教師掌握一到兩種化學(xué)軟件并能應(yīng)用于教學(xué)是很必要的。教師必須利用業(yè)余時間積極參加各種形式的結(jié)構(gòu)化學(xué)課程培訓(xùn)，近年來興起的網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)對提高教師的教學(xué)水平(尤其對培養(yǎng)教師“掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)解決課程中的教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)問題的方法”)起到極大的促進(jìn)作用。

3　重視原有知識，對學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行整合

建構(gòu)主義(Constructivism)學(xué)派認(rèn)為“學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者基于原有的知識經(jīng)驗(yàn)生成意義、建構(gòu)理解的過程”[2]。同樣，結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)也必須基于學(xué)生原有的化學(xué)基礎(chǔ)知識與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。所以，將無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)的結(jié)構(gòu)理論知識與結(jié)構(gòu)化學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行重整、組合。使得學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)理解為“原有知識的深化”，而不是無端冒出來的不可接受的“怪物”。

3.1結(jié)構(gòu)化學(xué)與無機(jī)化學(xué)內(nèi)容整合。

無機(jī)化學(xué)教學(xué)中，只是在原子結(jié)構(gòu)與元素周期系，分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等章節(jié)中對結(jié)構(gòu)理論知識做簡單的介紹[3]。但在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中，我們必須從光子學(xué)說角度理解波粒二象性(Wave particle duality)，必須從類氫原子體系的薛定諤方程及其解討論波函數(shù)、量子數(shù)，波函數(shù)的徑向部分和角度分布等，利用斯萊托規(guī)則(Slater rule)來解釋原子軌道能與能級次序、核外電子排布規(guī)則。在熟知共價鍵理論的基礎(chǔ)上掌握分子軌道的要點(diǎn)并能討論常見雙原子分子的順磁性、鍵級等。同樣結(jié)構(gòu)化學(xué)對無機(jī)化學(xué)中的離子晶體的空間結(jié)構(gòu)類型，金屬晶體的緊密堆積，價層電子對互斥理論(VSEPR理論)，配合物的化學(xué)鍵理論(價鍵理論要點(diǎn)及其局限性)，螯合物的結(jié)構(gòu)等知識做了深入的討論。教學(xué)中，通過無機(jī)化學(xué)的相關(guān)內(nèi)容做鋪墊，教學(xué)中一定要喚起學(xué)生對原有知識的記憶，幫助學(xué)生重現(xiàn)原有知識。同時，多給學(xué)生介紹與結(jié)構(gòu)理論相關(guān)的最前沿科普知識，如：稀土元素結(jié)構(gòu)化學(xué)與稀土資源的綜合利用的關(guān)系非常密切。表面結(jié)構(gòu)化學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)上的非均相催化反應(yīng)關(guān)系極為密切。對于工業(yè)催化劑的研究，如合成氨工業(yè)所用的新型催化劑的研制，結(jié)構(gòu)理論知識對其具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)的作用。

3.2結(jié)構(gòu)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)內(nèi)容整合

同樣，在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中更深入的探討了有機(jī)化學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容—從分子軌道角度提出共軛理論(Conjugated theory)，雜化理論(Hybrid orbital theory)等。有趣的是我們可以從結(jié)構(gòu)化學(xué)中的雜化理論、分子的對稱理論討論分子的極性、偶極矩，甚至分子的旋光性。可以從分子軌道對稱性守恒原理(Conservation of molecular orbital symmetry)與前線軌道(HOMO AND LUMO)理論探討周環(huán)反應(yīng)、協(xié)同反應(yīng)、催化加成反應(yīng)機(jī)理等[4]。據(jù)了解，結(jié)構(gòu)化學(xué)在新構(gòu)型化合物方面應(yīng)用，尤其是原子簇結(jié)構(gòu)化學(xué)和金屬有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究比較活躍。在天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究中，天然藥物，尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能為人類制服癌癥作出重要貢獻(xiàn)。而蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)的研究仍然是一個既困難而又有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值的課題。

4　結(jié)　語

在結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)中，教師要摒棄傳統(tǒng)的“以教師為主體、以教材為中心”的教學(xué)模式，要充分發(fā)揮教師的主觀能動性，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[5]。首先教師要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)寬松的學(xué)習(xí)氛圍，多鼓勵學(xué)生，增強(qiáng)其信心。結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)對大多數(shù)學(xué)生而言是極其枯燥乏味的。如果教學(xué)中教師一味強(qiáng)調(diào)學(xué)科的重要性，甚至在考試要求方面給學(xué)生施加壓力，只能激起學(xué)生的對抗情緒，進(jìn)而是厭煩甚至放棄學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)。對此，教師應(yīng)該做出更多努力使學(xué)生參與到學(xué)習(xí)中來，使學(xué)生自覺形成一種科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度，即探索新情景與尋求解決問題方法的態(tài)度。其次要把學(xué)生已有的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行梳理、重整，在此基礎(chǔ)上，逐步引導(dǎo)學(xué)生接觸更深層次的結(jié)構(gòu)理論知識。再次教師要注意培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，興趣來源于對未知領(lǐng)域的好奇，而結(jié)構(gòu)化學(xué)知識表明：“物質(zhì)世界既深奧又可知”。

[1]鄧存,劉怡春. 結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ).2版[M].北京:高等教育出版社,1995:1-4.

[2]王志，倪世雄.理論搭橋下視角下的現(xiàn)實(shí)建構(gòu)主義[J].教學(xué)與研究,2013(2):63-68.

[3]華中師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué).3版[M].北京:高等教育出版社,1998：78-112.

[4]天津大學(xué)有機(jī)化學(xué)教研室.有機(jī)化學(xué).5版[M]. 北京:高等教育出版社,2014(05)：180-202.

[5]張海永,許德平,張慶武.無機(jī)化學(xué)與物理化學(xué)課程的協(xié)調(diào)教學(xué)[J].化學(xué)教育,2015(12):13-15.

Discussion on Teaching of Structural Chemistry of Colleges in West Part of China*

YANGXiao-yong,TANGRong-ping

(Department of Mathematics and Physics, Dianxi Science and Technology Normal University, Yunnan Lincang 677000,China)

Most of students lost inrersting and confidence to Structural Chemistry for it’s abstraction,depth and palaver, and bring great difficulty to the teaching.In teaching, the teacher must pay attention to the existing and knowledge of Inorganic Chemistry and Organic Chemistry to the students,to comb the original knowledge and integrator with the content of Structural Chemistry, take advantage of physical modle and chemical software and CAI,or computer simulation teaching. In this way, the effect of teaching and learning for structural chemistry can be improved.

course teaching; math deduction; wavefunction;integrator

滇西科技師范學(xué)院課程教學(xué)改革項(xiàng)目(LCSZL2013007)。

陽小勇(1976-),男，講師，主要從事課程改革教育研究。

G75

A

1001-9677(2016)03-0159-02