结构化学教学中的“新”认识和“新”实践

朱月香 钱民协 段连运

(北京大学化学与分子工程学院 北京 100871)

结构化学基础课是化学专业本科生的一门主干基础课，对于使学生建立初步的微观结构原理，培养科学精神和创新思维，具有不可替代的作用。我们教学小组主要在以下两个方面进行了探索和实践。

1 注重原始创新 启迪学生思维

一般说来，写在教科书中的内容都是当时最成功的原始创新。教师在授课中引导学生置身其中，积极思考，非常有利于培养他们的创新思维及认识问题和解决问题的能力。我们在讲授某种理论或方法的时候，倡导学生自问：如果是我，会怎么处理，为什么？启发学生用“心”去体会所学理论和方法背后蕴含的分析问题、解决问题的基本思路和方法。这样做，使他们终身受益。例如：

量子力学基础部分，教师感到难讲，学生感到难学。其实这一部分内容很有意思。量子力学的建立和发展可以说充满了激动人心的原始创新，带给人们很多启发。我们在教学实践中体会到：“危机”就是转机，“矛盾”爆发之时亦即新成果涌现之际。为了得到与实验结果相符合的黑体辐射公式，普朗克勇敢地打破能量连续变化的经典理论，提出全新的量子论假说。爱因斯坦敏锐地意识到能量量子化概念的重要性，并将其应用于光电效应的解释，提出了光的波粒二象性，建立了质能联系定律。年轻的法国科学家德布罗意仔细考察了光学理论的发展过程，联想到问题的另一个方面——实物微粒的运动特征。他认为，在光学上，比起波动的研究方法，是过于忽略了粒子的研究方法；而在实物微粒上，是否发生了相反的错误？是不是过多地考虑了粒子的图像，而过于忽略了波的图像？他大胆提出实物粒子波粒二象性的假设，开启了人们认识微观世界的序幕[1-2]。

德布罗意的这种打破原有界限的极限联想思维往往会带来人们意想不到的结果。在科学研究中，往往也需要突破常规，探索可能的极限情况。传统的合成氨铁基催化剂中，Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物质的量比为0.5时活性最高，在近80年的时间内，研究工作都是在Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)物质的量比在0.4～0.7范围内围绕这个活性最高点来做文章，通过加入各种助剂来提高催化剂的活性。我国科学家刘化章教授打破了原有的研究框架，将这个比例增大到10，结果得到了一个新的催化体系——维氏体Fe1-xO(0.04≤x≤ 0.10),活性提高了20%。他对催化剂活性与组成的关系提出了一个全新的概念，并预测了随着催化剂组成不同，可能存在的另外几个活性极大点[3]。

在认识了微观粒子的波粒二象性后，许多科学家经过大量工作，建立了描述微观粒子运动规律的量子力学。我们在讲授量子力学基本假设时，先让学生思考：如果让我们来建立量子力学，首先应该解决什么问题？经过思考，他们梳理出如下思路：由于面临的矛盾是，微观粒子具有波粒二象性，不能用经典力学来描述它们的运动状态，因而，应当首先解决状态描述的问题。那么如何描述呢？肖像漫画或许能给学生以启迪：夸张的高鼻子、大嘴巴，决不是真人的样子，但人们一看就能知道是谁。为什么？因为抓住了人物的特点！微观粒子最大的特点就是具有波性，因此，可以用波函数来描述微观粒子的运动状态。对于单粒子的一维运动，以经典物理学中平面单色光的波动方程为基础，将其中的参数用波粒二象性的两个关系式代替就可得到量子力学描述单粒子一维运动的波函数。

结构化学中另一个抓住特点解决问题的例子是简单休克尔分子轨道法(SHMO法)。为了解释具有离域π键的共轭分子的性质，休克尔紧紧抓住对分子性质有决定性影响的π电子的运动状态，忽略σ电子的影响，建立了简单有效的MO法，能较好地解释和预测共轭体系的稳定性、酸碱性、电磁性以及化学反应等性能。

我们在教学中不断引入科学史上的原始创新内容，向学生灌输在科学研究中“抓住关键因素，选准突破口，解决问题，实现原始创新” 的思想，收到较好的效果。

2 及时纳新 丰富教学内容

在教学过程中注意积累素材，不断追踪国内外科技发展的最新动态，坚持教学与科研相结合，及时在适当章节介绍与结构化学教学内容密切相关的科技发展的新成果、新理论和新方法，使学生开阔视野，获得新知识和新概念，激发学生的学习热情和对科研工作的兴趣。

在讲授电子自旋量子数时，从一系列实验事实如光谱精细结构、斯特恩-盖拉赫实验等出发，说明由解薛定谔方程得到的波函数并不能完整地描述电子的运动状态，必须引入自旋运动的概念。1928年，狄拉克的相对论量子力学方程成功地给出了电子具有自旋运动的推论，但是又导致负能态矛盾的出现，让当时的物理学家深感困惑。为了解决这一难题，狄拉克提出新的真空理论和反物质的概念，使人类对物质世界的认识有了一个大的飞跃。几年后反(正)电子的存在便被科学家所证实，后来又发现了由正电子和电子组成的正电子素。2007年，Nature上报道了由两个正电子素组成的反分子——正电子素分子，其结构类似氢分子，中心为正电子，周围为电子[4]。介绍这些新的科研成果可以使学生体会到，科学的发展是没有止境的，有很多新的领域等待我们去探索。

原子轨道及分子轨道的轮廓图是根据波函数作图得到的。2004年Nature上的一篇报道使我们可以直接看到分子轨道，这是用飞秒光谱技术得到的N2分子HOMO——2σg轨道的三维图像[5]，与理论推导的结果完全一致。试想，如果可以直接观测所有分子的前线轨道，就意味着可以在线观看化学反应的进行，那将是何等激动人心的事！

化学键对物质的结构和性质有决定性的影响。以前我们了解的键级最高的共价键是Re2Cl82-中Re和Re之间的四重键。2005年Science上报道了第一个具有五重键的Cr(Ⅰ)配合物：Ar′CrCrAr′[6]。在介绍了Re—Re四重键后，让学生自己分析Cr—Cr之间五重键的形成。硼是一个非常独特的元素，含硼化合物中的化学键也常常与众不同。B12H122-中12个B形成的正三角二十面体是大家非常熟悉的结构，2009年Nature上报道了第一个由单一元素组成的具有离子化合物特征的物质：B2-B12[7],其中B2带部分正电荷，B12多面体带部分负电荷。及时吸纳这些新的研究进展可以向学生展现化学键的魅力，激发他们对化学的兴趣。

纳米材料是目前最热门的研究领域之一。2006年JACS上报道了纳米合金在溶液中奇特的可逆物相转变行为[8]。比如，将具有NiAs型结构的纳米PtSn放入SnCl2的四甘醇溶液中，在280℃反应40min就可以转变为具有CaF2型结构的PtSn2；如果在K2PtCl6溶液中于260℃反应20min则转变为Pt3Sn。这些反应都是可逆的，通过调整反应溶液的组成即可很容易地调变产物的组成，而一般的固相反应需要很高的反应温度。这些奇特的反应性能与纳米材料的高比表面有关。我们将这些知识介绍给学生，丰富了晶体结构的教学内容。

在讲授谱学及衍射原理和方法时，将教师的相关科研成果作为实例让学生分析，使他们更切实地感受这些方法的重要性，正确掌握这些理论和方法的基本原理和使用范围。这样，学生学习到的知识就不仅仅是停留在书本上，而是能运用这些理论和方法去解决实际问题，为以后的科研工作打下坚实的基础。

纳新和吐故是相辅相成的。我们在教学中注意恰当地处理二者的关系。原则是，纳入的新内容既能作为基本概念和原理的良好载体，又能激发学生对科学的兴趣，调动他们学习化学的积极性。如此便可实现“坚持基础，常教常新”。

参 考 文 献

[1] 周公度,段连运,结构化学基础.第4版.北京:北京大学出版社,2008

[2] 程九标,张宪魁,陈为友,物理发现的艺术.青岛:中国海洋大学出版社,2003

[3] 刘化章,李小年.中国科学(B)辑,1995,25(1):1

[4] Cassidy D B,Mills A P Jr.Nature,2007,449:195

[5] Itatani1 J,Levesque1 J,Zeidler D,etal.Nature,2004,432:867

[6] Nguyen T,Sutton A D,Brynda M,etal.Science,2005,310:844

[7] Oganov A R,Chen J H,Gatti C.Nature,2009,457:863

[8] Cable R E,Schaak R E.JAmChemSoc,2006,128:9588