余凡，韓靜華，胡冰倩，李堂明，梁昊，李艾華，王亮，李寶

1江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，光電化學(xué)材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430056

2華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074

無機(jī)化學(xué)課程作為高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后所接觸的第一門基礎(chǔ)課，，在整個(gè)化學(xué)知識(shí)體系構(gòu)建中處于非常重要的地位。但是，由于高考改革導(dǎo)致的高中階段化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備、高中與大學(xué)階段學(xué)習(xí)方法的巨大差異、授課內(nèi)容信息量大與可自主支配時(shí)間有限等因素，導(dǎo)致許多本科生感覺跟不上無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)進(jìn)度，甚至喪失對(duì)相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情[1-3]。其中較難的部分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，需要學(xué)生在極短的時(shí)間內(nèi)充分發(fā)揮空間想象力從微觀角度去認(rèn)知一個(gè)全新的量子世界，這使很多學(xué)生力不從心、甚至直接放棄相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。如果能在微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入互動(dòng)性教學(xué)模式，讓學(xué)生親自動(dòng)手將不同理論模型呈現(xiàn)在眼前，將會(huì)有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

為此，可以利用Orbital Viewer為輔助，在微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中引入互動(dòng)性教學(xué)。Orbital Viewer(OV)是一款簡(jiǎn)便的化學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)軟件，它能根據(jù)輸入的不同參數(shù)繪制相應(yīng)的三維原子軌道、分子軌道及成鍵類型示意圖，能根據(jù)個(gè)人愛好調(diào)節(jié)顯示效果，將結(jié)果輸出為VRML格式以方便瀏覽。該軟件可以通過輸入各個(gè)量子數(shù)、原子的坐標(biāo)參數(shù)等，繪制原子軌道和鍵合形式。總之，該軟件操作非常便捷、占用資源較小，非常適合在課堂教學(xué)過程中，或者學(xué)生在課后體會(huì)學(xué)習(xí)等使用。免費(fèi)下載網(wǎng)址為http://www.orbitals.com/[4]。

“百聞不如一見，百見不如一行”，因此，以O(shè)V為輔助在微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)過程中實(shí)施互動(dòng)性課堂，將立體的結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生親自去繪制原子軌道、共價(jià)鍵形式等，使教學(xué)回歸互動(dòng)和實(shí)踐，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[5-7]。

1 課程實(shí)施教學(xué)條件

本文介紹的互動(dòng)性課堂實(shí)施主要針對(duì)材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生，適合在30人以下的課堂實(shí)施，以保證課堂的實(shí)施效果。學(xué)生需要自帶筆記本電腦以方便操作。原子軌道的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建包括：教師講解不同原子軌道的薛定諤方程的解，電子云的角度、徑向函數(shù)分布，師生間互動(dòng)討論等內(nèi)容，約占2學(xué)時(shí)；共價(jià)鍵的知識(shí)點(diǎn)包含共價(jià)鍵的成鍵本質(zhì)，不同類型σ鍵、π鍵的成鍵，師生間互動(dòng)討論，約占2學(xué)時(shí)。

2 依托Orbital Viewer為輔助實(shí)施原子軌道知識(shí)點(diǎn)的互動(dòng)式課堂

【教學(xué)實(shí)施方案】在講解原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)認(rèn)知部分之后，學(xué)生已經(jīng)對(duì)原子結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)知，但絕大部分學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)知應(yīng)該還是停留在“行星模型”，對(duì)原子結(jié)構(gòu)的真實(shí)模型無法進(jìn)行構(gòu)建。因此，需要利用專業(yè)軟件將具體形象化的原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在學(xué)生面前。但傳統(tǒng)方法是教師在多媒體上直接給出原子軌道平面照片，介紹每一條原子軌道的概率密度、概率的分布。此教學(xué)方法收效因人而異，有的學(xué)生能夠迅速了解原子軌道的真實(shí)分布情況，但絕大部分學(xué)生仍很難建立有效的結(jié)構(gòu)模型。為此，在原子軌道學(xué)習(xí)過程中依托OV為輔助的互動(dòng)性課堂實(shí)施過程如下：

(1)詳細(xì)流程示意圖如圖1所示。首先回顧知識(shí)點(diǎn)引入新課，讓學(xué)生回顧各知識(shí)點(diǎn)含義，理解每一個(gè)參數(shù)的意義。

圖1 ns原子軌道互動(dòng)性課堂教學(xué)流程圖

(2)以最簡(jiǎn)單波函數(shù)Ψ100即1s的薛定諤方程解為例，講解包括角度函數(shù)、徑向函數(shù)的意義。最后提出問題，“那氫原子真實(shí)的1s軌道應(yīng)該是什么樣子的呢？”接下來，引導(dǎo)學(xué)生利用Orbital Viewer來認(rèn)知1s原子軌道的模型。教師具體介紹軟件的操作界面、參數(shù)設(shè)置的意義，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建1s的軌道模型，并描述其結(jié)構(gòu)特征，師生共同討論完成1s軌道模型的建立，并進(jìn)一步討論探究圖形的含義及特點(diǎn)。

(3)在教師問題引導(dǎo)下，學(xué)生修改參數(shù)去構(gòu)建2s、3s、4s等軌道模型，認(rèn)真觀察所建模型并比較、歸納1s-4s的軌道模型的特征和規(guī)律，通過師生互動(dòng)討論得出“節(jié)面與峰值出現(xiàn)的規(guī)律為n-l個(gè)峰和n-l-1個(gè)節(jié)面”，建立立體原子軌道模型的正確認(rèn)知。

(4)教師再通過問題引導(dǎo)學(xué)生自己去構(gòu)建2p軌道的立體構(gòu)型，觀察結(jié)構(gòu)特征，并繼續(xù)去構(gòu)建3p、4p的模型，師生互動(dòng)討論歸納節(jié)面和節(jié)點(diǎn)的規(guī)律。

(5)最后教師進(jìn)行課堂總結(jié)，闡述原子軌道的真實(shí)模型、節(jié)面和節(jié)點(diǎn)的規(guī)律性等。

【教學(xué)實(shí)施重點(diǎn)】此教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施的重點(diǎn)在于如何引導(dǎo)學(xué)生自己去創(chuàng)建原子軌道模型，教師要介紹OV軟件的使用方法，從Display-orbital界面進(jìn)入?yún)?shù)輸入界面。在Display-orbital對(duì)話框里選擇atom1，然后輸入相應(yīng)n、l、m和x、y、z等，便可生成相應(yīng)輪廓，其中的Factor可以調(diào)整正負(fù)取值；在Polygon-Psi^2 probability設(shè)置參數(shù)，調(diào)整輪廓圖中|Ψ|2的胖瘦；所畫輪廓圖可以另存為VRML 1.0文件以供后期查看。其中atom為所建原子，n、l、m為三個(gè)量子數(shù)，x、y、z為原子坐標(biāo)。調(diào)整核外電子出現(xiàn)的次數(shù)點(diǎn)擊Display-point options。在明白這些基本參數(shù)之后，學(xué)生可自行構(gòu)建不同的原子軌道，并進(jìn)行歸納、總結(jié)。

【教師提出的引導(dǎo)性問題】實(shí)施互動(dòng)性課堂時(shí)，教師可以提出的引導(dǎo)性問題有：在構(gòu)建1s軌道時(shí)，可以提問，“1s原子軌道輸入的參數(shù)應(yīng)該如何？1s軌道的圖形是什么樣子？”在構(gòu)建1s軌道后，教師提問，“圖形中的小圓點(diǎn)代表什么？其密集的區(qū)域說明什么？”繼續(xù)推進(jìn)其他s軌道時(shí)，提問，“2s、3s、4s軌道建立的參數(shù)如何設(shè)置？它們和1s一起有什么規(guī)律嗎？”

【學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)】學(xué)生在整體教學(xué)活動(dòng)中會(huì)保持較高的參與感，積極思索相關(guān)問題、模型構(gòu)建的方法，并建立如圖2所示原子軌道模型。但在歸納、總結(jié)2s、3s軌道時(shí)，對(duì)逐漸增加的層數(shù)理解不夠徹底，此時(shí)需要教師去詳細(xì)說明，指出概率分布的不同，有效實(shí)施互動(dòng)性討論。整體而言，學(xué)生普遍反映通過互動(dòng)式教學(xué)模式實(shí)施能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使用OV軟件建立原子軌道還能在呆板的知識(shí)點(diǎn)體系中引入可視化元素，建立有效的科學(xué)模型。

圖2 利用軟件構(gòu)建的不同原子軌道示意圖

3 依托Orbital Viewer為輔助實(shí)施共價(jià)鍵知識(shí)點(diǎn)的互動(dòng)式課堂

【教學(xué)實(shí)施方案】通過原子結(jié)構(gòu)互動(dòng)性課堂實(shí)施，學(xué)生已建立了正確的原子軌道模型，理解共價(jià)鍵的形成、電子云的重疊時(shí)就會(huì)有一定的理論基礎(chǔ)。但由于高中階段的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，即對(duì)共價(jià)鍵的理解僅限于八隅律規(guī)則，學(xué)生一般很難理解相鄰兩個(gè)原子間共用一對(duì)自旋方向相反的電子、電子云發(fā)生重疊這一成鍵本質(zhì)。而如何建立合理的共價(jià)鍵模型，對(duì)于學(xué)生理解后續(xù)的雜化軌道、價(jià)層電子對(duì)互斥理論、分子軌道理論等就顯得尤為重要。為此，可嘗試以O(shè)V為輔助實(shí)施互動(dòng)式教學(xué)模式，具體實(shí)施如下：

(1)首先以H2為例，講解共價(jià)鍵的本質(zhì)，闡述兩個(gè)自旋方向相反的電子和兩個(gè)自旋方向相同的電子導(dǎo)致的異同，強(qiáng)調(diào)電子云或軌道的重疊，講解σ鍵1s-1s的成鍵形式。引導(dǎo)學(xué)生去建立兩個(gè)氫原子及其之間的σ鍵相互作用。引導(dǎo)學(xué)生觀察兩個(gè)電子云重疊的理論模型。

(2)教師講解1s-1s之間排斥態(tài)的形式，即兩個(gè)電子自旋方向相同時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)原子核間電子云重疊情況的差別，并引導(dǎo)學(xué)生利用OV去建立相應(yīng)排斥態(tài)模型，比較重疊和排斥兩種狀態(tài)的差異。

(3)繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建1s-2p、2p-2p的σ鍵成鍵模型，同樣比較重疊、排斥兩種不同狀態(tài)的差別，歸納總結(jié)相關(guān)規(guī)律。

(4)教師進(jìn)行三種σ鍵成鍵形式總結(jié)，如圖3，并依照此方式進(jìn)行p-p、p-d等π鍵的學(xué)習(xí)及模型建立，如圖4所示。

圖3 s–s，s–p和p–p原子軌道形成σ鍵示意圖

圖4 p–p和p–d原子軌道形成π鍵示意圖

【教學(xué)實(shí)施重點(diǎn)】此部分實(shí)施的難點(diǎn)在如何有效建立兩個(gè)相互作用的原子。一般學(xué)生會(huì)在Display-orbital界面直接點(diǎn)擊add按鈕添加新原子，但最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)氫原子重疊。少數(shù)同學(xué)會(huì)知道需要輸入新的氫原子坐標(biāo)，將兩個(gè)氫原子分隔開來。因此，教師在學(xué)生建立模型失敗后，要引導(dǎo)提示學(xué)生建立坐標(biāo)的概念，設(shè)置第二個(gè)原子xyz參數(shù)為(1,0,0)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的1s軌道，并沒有發(fā)生相互重疊；再觀察(1/2,0,0)、(1/3,0,0)形式，再思索出現(xiàn)這些差異的原因是什么，最終建立如圖3所示正確成鍵形式。

為了說明排斥態(tài)的模型，告訴學(xué)生在atom2欄中的factor代表的意義為同號(hào)疊加，異號(hào)排斥。因此將輸入值改為-1，得到新的排斥模型，如圖5所示，引導(dǎo)學(xué)生比較其與重疊態(tài)的不同。

圖5 s–s和p–p原子軌道形成σ＊，π＊鍵分子軌道示意圖

【教師提出的引導(dǎo)性問題】在構(gòu)建兩個(gè)氫原子重疊模型時(shí)，提問“氫氣分子中，每一個(gè)氫原子具有什么原子軌道？有幾個(gè)電子？如何在OV里建立兩個(gè)獨(dú)立的氫原子？”在成功建立氫氣分子模型后，再提問“既然已經(jīng)清楚了1s-1s軌道的不同重疊形式，那是否有其他形式的σ鍵呢？比如1s-2p？2p-2p？下面請(qǐng)同學(xué)們自己建立相關(guān)模型，看看是否可以形成σ鍵？”

【學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)】共價(jià)鍵的理論模型的構(gòu)筑相比原子軌道知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，難度更大。因此，很多同學(xué)面對(duì)兩個(gè)原子的構(gòu)建成鍵理解上有一定的難度，很多同學(xué)不能理解參數(shù)factor的意義，不知如何區(qū)分重疊態(tài)和排斥態(tài)。因此，教師要根據(jù)實(shí)際情況注意講解波的疊加和相消等干涉內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)模型。另外，學(xué)生在構(gòu)建p-pπ鍵時(shí)，對(duì)磁量子數(shù)1,0,-1區(qū)分上認(rèn)識(shí)不足，也需要教師重點(diǎn)講解。學(xué)生普遍反映通過使用OV軟件，能夠清晰認(rèn)知兩種共價(jià)鍵成鍵形式及相關(guān)模型，尤其是理解了重疊態(tài)和排斥態(tài)對(duì)于穩(wěn)定體系的差異，也為后續(xù)學(xué)習(xí)雜化軌道理論、分子軌道理論等奠定了基礎(chǔ)。

4 依托Orbital Viewer為輔助實(shí)施分子軌道知識(shí)點(diǎn)的互動(dòng)式課堂

分子軌道理論是共價(jià)鍵理論當(dāng)中非常重要的知識(shí)點(diǎn)，亦是學(xué)習(xí)上的難點(diǎn)。從知識(shí)儲(chǔ)備層面上看，學(xué)生已經(jīng)掌握了多電子原子核外電子排布規(guī)則、現(xiàn)代價(jià)鍵理論等，通過OV已經(jīng)建立了一定的原子、分子內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)理論模型，均為本節(jié)課打好了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。但從知識(shí)體系構(gòu)建、科學(xué)能力層面來看，由于學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)了微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是全新的分子軌道理論，會(huì)導(dǎo)致該部分知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)理解上的困境。此部分知識(shí)點(diǎn)教學(xué)同樣可嘗試以O(shè)V為輔助實(shí)施互動(dòng)性課堂。教師同樣可以在課堂上提出問題，讓學(xué)生自己去建立相關(guān)模型(如圖5所示)，觀察兩個(gè)原子間的成鍵軌道、反鍵軌道對(duì)共價(jià)鍵成鍵的貢獻(xiàn)，進(jìn)而充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)善于思考、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)。

5 依托Orbital Viewer為輔助講解δ鍵的互動(dòng)式課堂

圖6 5d–5d原子軌道形成δ鍵示意圖

6 互動(dòng)性課堂實(shí)施教學(xué)反饋

針對(duì)原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，導(dǎo)致教學(xué)過程封閉、內(nèi)容乏味、收效較低、科學(xué)性較差，尤其是學(xué)生的主觀能動(dòng)性無法得到充分調(diào)動(dòng)，嚴(yán)重影響了相關(guān)專業(yè)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，在原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)章節(jié)中實(shí)施互動(dòng)式教學(xué)，是改善相關(guān)教學(xué)現(xiàn)狀、提高教學(xué)質(zhì)量的有效措施。利用OV實(shí)施的互動(dòng)式教學(xué)，能從學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和思維模式出發(fā)，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感，使化學(xué)學(xué)習(xí)回歸實(shí)踐，尤其是能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)能動(dòng)性。此互動(dòng)式教學(xué)模式針對(duì)材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生已經(jīng)實(shí)施了幾屆，學(xué)生普遍反映能有效提高學(xué)生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)知的直覺性，并且對(duì)化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，極大增強(qiáng)了學(xué)生的主觀意識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。因此，互動(dòng)式教學(xué)模式是符合當(dāng)前大學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的一種有效模式，這也要求任課教師開發(fā)更多的互動(dòng)式教學(xué)模式以適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)模式的需求。