薛鎮(zhèn)鎮(zhèn)，潘杰，王國明

青島大學化學化工學院，山東 青島 266071

1 引言

結(jié)構(gòu)化學是以量子力學為基礎，描述微觀粒子運動狀態(tài)波函數(shù)、分子和晶體中原子空間排布規(guī)律的學科，是高?；瘜W相關專業(yè)中的一門重要理論課程[1–4]。結(jié)構(gòu)化學需要數(shù)學、物理及其他多門化學課程等為支撐，涉及的知識面較廣。同時其理論性強，內(nèi)容抽象，要求學生具有良好的空間思維能力。由于課程難度大，學生易產(chǎn)生畏難心理和排斥情緒。傳統(tǒng)授課模式(Lecture-Based Learning，LBL)往往會形成教師單向灌輸、學生被動接受的局面，無法充分調(diào)動學生的積極性，甚至會使部分學生失去對化學專業(yè)的興趣。因此，針對結(jié)構(gòu)化學的課程特點，須進行教學模式改革，采用靈活多樣的教學方法引導學生自主學習，激發(fā)學生學習興趣，以提高課堂教學質(zhì)量。

PBL(Problem-Based Learning)教學法[5,6]，即問題式教學法，不同于LBL法，是一種以學生為中心的教學方法。該方法以典型問題為導向，以提出、分析、解決問題為基本步驟，將學生的學習置于有意義的問題情境中，引導學生自主分析、合作交流、分組討論，讓學生掌握隱藏于問題背后的科學知識，提高解決實際問題的能力。PBL法在培養(yǎng)學生問題意識、團結(jié)協(xié)作意識以及提升課堂教學效率等方面有顯著的促進作用。結(jié)合其他多種教學模式，如啟發(fā)式教學法、直觀演示法等，會使教學更有節(jié)奏，學生更有激情，課堂更加生動，最終達到思想、知識與能力協(xié)同提升的教學效果。

結(jié)構(gòu)化學教學內(nèi)容中，休克爾分子軌道(Hückel Molecular Orbital，HMO)理論[7,8]是一種重要的量子化學研究方法，可計算共軛分子體系π電子的能量和波函數(shù)。該理論在定性及半定量地解釋和預測共軛分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等問題上具有高度概括性，一直被理論化學家們廣泛應用。而且，由該理論引出的電荷密度、π鍵鍵級、自由價等若干分子參量，在化學理論的研究與應用中同樣具有較大參考價值。因此，學生對該知識的理解與掌握，是結(jié)構(gòu)化學教學過程中時刻要關注的重點。本文以HMO理論為例，探討PBL教學法在該部分內(nèi)容教學中的設計與實施。以問題導入，并將趣味性、拓展性問題貫穿整個教學過程，同時在分析問題中，輔以直觀演示法等其他教學方法和模式，充分調(diào)動學生的學習積極性，激發(fā)學生的學習熱情。

2 教學方法實施

根據(jù)教學內(nèi)容特點，可依次設計提出以下問題，用于分析、解決和應用：

(1)共軛分子以離域π鍵為特征，為何有特殊的物理化學性質(zhì)？(2)為什么共軛分子的離域效應使體系的π電子能量比定域情況下的能量更低(以1,3-丁二烯分子為例)？(3)回顧有機化學知識，1,3-丁二烯為何會發(fā)生1,4-加成反應？(4)環(huán)狀共軛烯烴能否利用直鏈共軛烯烴的處理方法，求解出相應的物理量？(5)如何利用對稱性的方法，簡化計算過程？(6)結(jié)合有機化學知識，為何滿足(4n+2)體系的分子具有芳香性，可以穩(wěn)定存在？(7)杯烯分子為何會有較大極性，它出現(xiàn)較大極性的原因是什么？

學生可以小組為單位對設計的導入式問題進行全方位的資料搜尋，如利用各種現(xiàn)代化的電子手段，通過文獻檢索、網(wǎng)絡查閱、使用學習軟件等方式來探究相關問題，并在此過程中實現(xiàn)知識的自我建構(gòu)。再通過小組討論等形式，加強學生間的分工合作。每位小組成員受共同目標的指引，相互取長補短，通過活躍而融洽的討論，以達到分析并解決問題的目的。PBL教學法的實施，可為學生營造更加主動、輕松的學習氛圍，有助于學生完成角色轉(zhuǎn)換，從被動的學習者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習的主人。

針對以上問題，我們對相關教學內(nèi)容作簡要說明。

2.1 問題(1)

非共軛分子中，每個雙鍵會各自、獨立地展現(xiàn)出它們的物理化學性質(zhì)，因此可根據(jù)雙鍵的性質(zhì)推斷出此類分子的性能。而共軛分子，一般由雙鍵-單鍵相互交替排列形成的一個新體系，表現(xiàn)出特有的性能，而不能把共軛雙鍵看作是兩個獨立雙鍵的簡單加和。該問題的提出，可引導學生養(yǎng)成從分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析問題的習慣，進一步掌握結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律。

以1,3-丁二烯為例，引導學生回顧該分子的成鍵方式，包括碳原子的雜化類型、與氫原子的成鍵類型、與相鄰碳原子的成鍵類型等，指出丁二烯為平面型分子。未參與雜化的p軌道(各含一個電子)，垂直于分子平面且互相平行重疊，構(gòu)建離域π鍵(圖1)。π電子不被限定在某兩個碳原子之間，而是在整個骨架中運動，因此表現(xiàn)出不同于非共軛分子的特性，如穩(wěn)定性更高、吸收光譜改變、鍵長均一化等。

圖1 1,3-丁二烯分子軌道重疊示意圖

2.2 問題(2)

問題(1)指出，共軛分子由于離域π鍵的存在，表現(xiàn)出不同于非共軛分子的特性，如體系能量降低。問題(2)則是對問題(1)的理論解釋，旨在引導同學們加深對一維勢箱中粒子運動狀態(tài)波函數(shù)及能量的理解和掌握。對于1,3-丁二烯分子，可假定有兩種情況：(a)4個π電子兩兩形成兩個定域π鍵；(b)4個π電子形成一個π44離域π鍵。設相鄰碳原子間距離為l，按一維勢箱中粒子模型，分別計算出(a)和(b)情況下的π電子能量E(m為電子質(zhì)量；h為普朗克常數(shù))。

由計算結(jié)果可看出，共軛分子離域效應擴大了π電子的活動范圍，即一維勢箱長度增加，使得分子能量降低，穩(wěn)定性增加。

共軛分子穩(wěn)定性的問題已經(jīng)讓同學們利用一維勢箱模型計算證明，是否可用其他方法證明？隨即引出HMO理論的概念。HMO法是一種處理共軛分子簡單有效的方法，可預測同系物的性質(zhì)、分子的穩(wěn)定性和化學反應性能等。

2.3 問題(3)

在化學反應中，共軛雙烯往往表現(xiàn)出一些與隔離雙烯不同的特性。如當共軛雙烯與親電試劑發(fā)生加成反應時，可選擇兩種方式[9]。一種是親電試劑只同一個單獨的雙鍵反應，試劑的兩部分加在相鄰的兩個碳上，稱為1,2-加成；另一種則是試劑加在兩端的碳上，同時中間的兩個碳之間形成一個新的雙鍵，為1,4-加成，或稱為共軛加成。多數(shù)情況下，共軛分子如1,3-丁二烯，可發(fā)生兩種不同的加成反應，并且1,4-加成產(chǎn)物通常是主要的。

此問題的提出，可引導學生對HMO理論分子圖進行深入學習，并利用所學知識提高自身分析問題、解決問題的能力。教學過程中，使學生熟練掌握分子圖中涉及的分子參量，如電荷密度、鍵級、自由價等的計算方法和物理意義，并總結(jié)相關知識以助于解決此問題：親電(核)反應易發(fā)生在電荷密度最大(小)的碳原子上；自由基易發(fā)生在自由價最大的碳原子上；若電荷密度都相等，則無論親電親核反應，都易發(fā)生在自由價最大的碳原子上?；谏鲜?，也就很好地解釋了1,3-丁二烯易發(fā)生1,4-共軛加成的原因。

2.4 問題(4)和(5)

圖2 順/反丁二烯分子中的對稱面和C2軸

2.5 問題(6)和(7)

問題(6)和7的導入是引導學生分析問題，并培養(yǎng)其利用所學知識解決問題的綜合能力。學生們通過先修課程有機化學的學習，已掌握判斷一個化合物是否具有芳香性的Hückel規(guī)則：含有4n+2(n=0,1,2…)個電子的單環(huán)封閉平面共軛烯烴化合物具有芳香性。為什么？問題(6)的提出有助于引導同學們從本質(zhì)上理解分子的特性，進一步加深對結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一規(guī)律的認識。

三元環(huán)到八元環(huán)的單環(huán)平面共軛多烯烴，軌道能級可由HMO法分別計算得到。以苯分子為例，苯有6個π電子，滿足4n+2規(guī)則，按照計算出的軌道能級順序，電子可填充到3個成鍵軌道中，反鍵軌道上無電子，因此苯分子穩(wěn)定性高。而對于不滿足4n+2規(guī)則的單環(huán)分子，如碳原子數(shù)為4時，兩個電子填入成鍵軌道，而另兩個電子則填入非鍵軌道，其結(jié)構(gòu)為雙自由基，非常不穩(wěn)定。同理，學生也很容易理解為何環(huán)丙烯易失去一個電子，而環(huán)戊二烯易得到一個電子，進而滿足4n+2規(guī)則后，對應的離子會更穩(wěn)定存在。此外，問題(7)的提出，可啟發(fā)學生利用4n+2規(guī)則解決實際問題，如解釋杯烯分子有較大偶極矩的原因(圖3)。

圖3 杯烯的分子結(jié)構(gòu)

3 教學效果及反饋

PBL教學法以“問題是學習的起點也是選擇知識的依據(jù)”為基本思想，充分體現(xiàn)了“以學生為中心，教師為引導者”的精髓。結(jié)構(gòu)化學是學生普遍認為較難的一門課程，對于數(shù)理基礎薄弱的學生來說，更是難上加難。通過針對休克爾分子軌道理論知識點的PBL教學探索，我們發(fā)現(xiàn)，該教學法可充分調(diào)動和發(fā)揮學生學習的積極主動性，激發(fā)學生學習的興趣、信心和潛能，學生與教師能較好地互動、交流。一堂枯燥的理論課變成生動的討論課，明顯提高學生的學習效率和學習效果。與其他知識點相比，學生對該理論的學習熱情明顯提高，對知識信息的獲取、加工和運用能力顯著改進，團隊協(xié)作精神面貌大幅提升。

課堂教學效果的信息反饋是及時檢測和評估學生對課堂知識掌握程度的一種有效而重要的手段。一方面，通過課堂測驗發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)同學已熟練掌握該理論知識的重難點，理解較透徹、印象較深刻。針對往屆的LBL教學模式下存在的問題，如學生聯(lián)系實際方面的能力欠缺或不全面，PBL教學法實現(xiàn)了學生知識體系的架構(gòu)，提高了學生解決實際問題的能力。另一方面，通過問卷調(diào)查看出，學生對PBL教學模式更有傾向性，認為該方法可激發(fā)自身的學習興趣和熱情，提高自主學習和文獻檢索能力，開闊學術(shù)視野，培養(yǎng)綜合素質(zhì)。而LBL模式下，學生可能把更多精力放在理解和記憶上，忽視創(chuàng)新性思維的學習和實踐，逐漸失去對結(jié)構(gòu)化學課程的學習興趣。因此，在后續(xù)的教學活動中，我們積極探索將PBL方法引入到其他理論知識點的教學實踐中，使學生學習隱含于問題背后的知識，培養(yǎng)自主學習并解決實際問題的技能。

4 結(jié)語

PBL教學法強調(diào)以學生的主動學習為主，是一種啟發(fā)式教學原則指導下的教學模式，已被國內(nèi)外教研人員廣泛認可。本文探討了PBL教學法在結(jié)構(gòu)化學HMO理論教學中的應用與實施。以精心設計的問題為切入點，在分析問題中激發(fā)學生的求知欲，發(fā)揮學生的學習主體作用。同時，我們也積極探索PBL教學法與其他教學方法手段的有機融合，賦予課堂“生命力”，以提高課堂教學效果，實現(xiàn)學生綜合能力的培養(yǎng)與提升。