材料专业研究生《结构化学》课程的教学改革与实践

许 莹

(河北联合大学材料学院,河北唐山 063009)

材料专业研究生《结构化学》课程的教学改革与实践

许 莹

(河北联合大学材料学院,河北唐山 063009)

结构化学;改革;创新

结构化学是材料专业的主干基础课,主要内容是原子、分子、晶体结构及其与性质的关系。结构化学课程的目标,不仅要让学生掌握结构化学的具体知识,而且希望学生能够学会从微观层次看问题,拓展思路,抓住问题本质,深刻理解“结构决定物性”这一基本原理,培养理论联系实际的能力,以利于素质教育和人才培养,顺应社会需要。为此,从教学方法上实施改革,贯彻“常教常新、常教常精”的原则,重视学科发展史的作用,采用框架结构教学法和案例教学法,强调基础的同时注重发展,加强创新意识和爱国主义教育。这样的教学过程不仅使学生接受知识,而且对教师分析问题和解决问题的思路和方法产生兴趣,得到启迪,自然也就获得了探索知识的主动权,最终转化为创新能力。

结构化学是现代化学的一个支柱。著名化学家唐有祺教授说过:在自然科学中,探明物质的结构始终代表着基本理论研究的一个头等重要的方向。作为当今现代化标志的半导体、超导体、激光材料、高分子材料等,在很大程度上是沿着物质结构方向进行科学实验所取得的重大成果。没有半导体材料,21世纪不可能进入信息时代。新材料已成为各个高技术领域发展的突破口,而材料的性能取决于结构。因此,结构化学作为高等院校相关化学专业研究生的主干基础课,理应受到足够的重视。目前,在我们学校主要为材料专业必修的重要基础课之一,是一门理论性强的基础主干课程。

结构化学研究的原子、分子、晶体结构都属于微观世界,概念比较抽象、难以想象,要求学生具有较多的数理知识和较强的空间想象能力,该课程是研究生专业课程中最难学的课程之一,但非常有利于培养学生逻辑思维和空间想象力。随着化学日益注重对化学反应本质、物质结构及性质的探讨,随着能源、信息、材料等对化学的要求等等,都需要以结构化学的知识为基础。现代文明三大支柱——能源、信息、材料都需要研究物质结构。诺贝尔化学奖获得者 R.Hoff2 m ann还说过:化学理论的最重要作用是提供一种思维体制,以总结更新知识。所以,结构化学课程的目标,不仅要让学生掌握结构化学的具体知识,而且希望学生能够学会从微观层次看问题,拓展思路,抓住问题本质,深刻理解“结构决定物性”这一基本原理,培养理论联系实际的能力,以利于素质教育和人才培养,顺应社会需要。

_随着现代教育体制的逐步建立和完善,国内各个高等院校尤其是全国各重点院校不断加强自身的改革、建设和发展。工科院校及工程技术综合性大学的《结构化学》课程都在不同程度、不同方式地进行着多方面的改革与建设。《结构化学》课程组在调查国内一些著名高等学校该课程的建设和改革发展的基础上,得到了不少有益的经验和启发,从中也发现了不少问题。为此,《结构化学》课程教学组经过充分讨论,并结合我系几十年来开设和讲授该课程的体会和实际情况,对该课程进行了不断的建设和改革,并对其未来建设和发展作了较为全面的部署和具体的规划。在现有教学大纲的要求下,改革教学方法,优化教学手段,实行启发式、开放式、交互式的多媒体教学,使目前这种“教师教—学生学”的模式逐步向“教师—教学生学”转化。多媒体和网络技术可克服传统教学表现手段落后、更新周期长的限制,使原来难以讲授的内容变得易行,促进对教学内容作相应的改进,反映结构化学新进展。在长期的结构化学教学及科研中,教学组积极进行教育创新、教学改革,取得了一定的成绩。这些教学研究探索成果为我校的结构化学教学发展打下了良好的基础。在近十年的结构化学教学过程中,除了选用南京大学江元生编写的《结构化学》外,还选用了由北大徐光宪院士编写的《物质结构》,北大谢有畅先生编写的《结构化学》,华东师范大学等三所师范院校合编的《物质结构》,吉林大学编写的《物质结构基本原理》等教材作为我校研究生结构化学课程教学的主要参考用书。尤其是由北大周公度先生编的《结构化学基础》第三版 (国家优秀教材奖)更是首选参考教材。长期以来,在多种版本教材使用的过程中,任课教师的知识结构不断完善,教学水平不断得到提高,授课方式不断得到改进。在教学的过程中,不断对结构化学的教学体系进行研究和优化,已经形成了一整套既体现结构化学发展前沿,又具有扎实的结构化学基础知识、适合学生自学的结构化学教学体系。

一 精益求精,不断调整和改进教学方法

(1)贯彻“常教常新、常教常精”的原则,围绕重点难点开展教学。在教学大纲中明确讲授内容,合理分配学时,保证有足够学时讲授重点难点内容。将那些属于拓展提高、疑难问题辨析讨论、进一步应用细节等内容调整为给学生提问题,引导学生通过思考、查阅资料的方式来完成。

(2)重视学科发展史的作用。结构化学的主要内容是原子、分子、晶体结构及其与性质的关系。学生从微观层次理解物性,可拓展思路,抓住问题本质,有利于素质教育和人才培养。然而,学习微观结构和量子力学需要高度的空间想象力和抽象思维,使不少学生深感困难。为此,教学中注意结合量子力学发展史来讲授,消除畏难情绪和神秘感;阐述力求准确,对容易混淆的概念随时给出“正误辨析”,帮助学生解难释疑,并将学生的常见误解编写成专题教案重点辅导;例如,如果不作一定的铺垫过渡,将原子结构理论中涉及到的波粒二象性、波函数、几率密度、原子轨道等概念直接灌输给学生,往往不能达到预期的教学效果,但若结合原子结构理论的发展史讲授,可使这一问题得到较好地解决。

(3)采用框架结构教学法。每门学科都有自己的知识框架,它是学科的精髓。教师在课堂上的讲授不能只见树木,不见森林。如果拘泥于细节讲得太多太细,在有限的时间内就根本无法完成规定的教学任务,也不利于激发学生的求知欲,课堂讲授应着重阐述分析知识结构框架及知识点之间的联系、关键内容及重要结论等,中间的演算、一般性的论述和遗留问题可以由学生课后自己解决。教师进入课堂就应向学生直接交底,这次课打算解决什么问题,问题是怎样提出的;打算采用那些方法、沿什么思路解决这些问题;问题解决后又如何具体应用。在引导学生理清思路后再选择重点或难点等关键内容进行重点讲授,达到举一反三的目的。这样的教学过程不仅使学生接受知识,而且对教师分析问题和解决问题的思路和方法产生兴趣,得到启迪,自然也就获得了探索知识的主动权,最终转化为创新能力。

(4)采用案例教学法。案例 (范例)教学法是从日常生活中选取蕴含科学本质、富有启发性的典型范例进行教学的一种方法。案例教学可分为两种类型:一是从例到理,即引导学生运用案例,经过自主合作,群体思维撞击,寻找知识形成规律,发现基本概念并运用掌握的规律和概念去解决实际问题;二是从理到例,即给出基本概念,启发学生运用基本概念,发散思维,以例释理,以例证理,从而获得解决实际问题的能力。注意启发式教学,利用多媒体课件组织学生观摩药物研究中的分子力学、量子化学、分子图形学演示,激发学习兴趣,了解结构理论的应用;以药物、环境和材料化学范例增加构效关系分析简介,使学生对“结构决定性质”这一基本原理加深理解,培养理论联系实际的能力,顺应社会需要。

(5)强调基础的同时注重发展。基础课的内容相对成熟而且比较稳定,这与其说是基础课好教的因素,还不如认为它是基础课很难讲好的问题所在,因为经典的内容离前沿还有一段距离,学生可能误以为学之无用,对此不感兴趣采用敷衍了事的态度。解决的办法应是在强调基础的同时必须注重发展。这里所说的 “发展”有两层含义,其一,现代科学技术的日新月异,加快了科学知识的积累和科学概念的更新,所以基础课教学内容也需不断的更新和发展。教学中不但要 “少而精”,还要 “少而新”、不但要“常教常精”,还要“常教常新”,这就要求教师及时了解发展动态,不断补充新知识。选择新分子、新材料、新理论充实和更新教材内容,如简介球烯化合物、纳米材料、高温超导体、扫描隧道显微镜,展示晶体材料在现代科技中的重要应用;向学生作“结构化学的发展与动向”、“新型材料及应用前景”等专题介绍,使学生了解结构化学新进展。

(6)加强创新意识和爱国主义教育。在讲授化学知识的同时,注重著名化学家,诺贝尔化学奖获得者事迹的介绍,让学生吸取前人的经验教训,学到获取知识的方法和思想,培养创新意识和科学品质,体会科学研究的艰辛与乐趣,激发献身祖国化学事业的热情。

(7)加强培养学生从网上获取知识、获取信息的能力。有意识地给学生留一些与结构化学研究有关的题目,把学生引向 In ternet,鼓励学生进入这个全球性的数据、信息和知识海洋,主动获取知识,最后以小论文的形式写出自己的认识和体会。这在一定程度上鼓励了学生主动学习,如“分子元件前景展望”、“球碳家族的发现与思考”、“结构化学与纳米技术”等。对这种改革还在继续探索。

二 与时俱进,改进教学手段

采用现代教育技术编写、制作、使用多媒体技术,变静态教材为动态教材。本课程组对《结构化学》多媒体教学的探索性研究始于 2008年,2008年开始编写、制作和试用,至今已有二年 ,已制作了 200多幅彩色图片、100多个分子与晶体模型,目前多媒体教学软件的制作还在继续,该软件适合于讲课与自学,可以另存为 HTML格式,为远程教学准备了条件。计算机技术对结构化学的重要作用之一,就是把真实的微观世界中的抽象性在虚拟世界里具体化,借助于计算机技术,学生将能 “走进”原子、分子和固体内部,探索微观世界的奥妙,从而显著改进教学效果,这也是结构化学多媒体网络教学的魅力。多媒体教学广泛采用分子图形软件制作立体感强、可实时操作的动态模型,解决实物模型种类有限、数量不足的困难,为学生提供动手机会;原子轨道、分子轨道、电子云等图形采用量子化学程序计算绘制,不仅使抽象概念具体化,而且将结构化学中丰富多彩的结构美、形态美、理论美,用多媒体功能表现出来,使化学教学同时成为美感教育过程,活跃气氛,提高学习兴趣,纠正对化学的片面认识,使学生更加热爱化学,从而提倡科学与人文、艺术的结合,以利素质教育。最终改进教学效果。

三 课程的重点、难点的把握及解决办法

结构化学总结归纳出的许多重要的概念 (如原子轨道和分子轨道)、效应 (如量子效应和离域效应)、原理或理论 (如点阵理论和化学键理论)、规律 (如对称性和对称原理)以及许多重要的实验手段 (如衍射、光谱、能谱和磁共振)对化学学科及相关科学有重要的指导作用。该课程对学生其它课程的理论知识学习和理解,以及科研素养的培养和提高有着至关重要的影响。在实际教学过程中,总结出结构化学课程的重点和难点是:

掌握三种理论 (量子力学理论、化学键理论、点阵理论)

用科学规范的术语和物理量描述三种结构 (原子结构、分子结构和晶体结构);

课程的难点由以下三方面的原因引起:

其一,结构化学以量子力学基本原理为基础,学习结构化学知识需要相当多的数学和物理知识,而化学专业学生的数理基础比较薄弱,学生在学习过程中要么因为较多的数理公式而产生畏难情绪,要么投入很多的精力关注数理公式而本末倒置,忽视结构化学基本概念以及在化学中的具体应用。

其二,结构化学的主要任务是描述微观粒子的运动规律,揭示结构——性能之间的关系,使用的研究方法与化学的其它学科有所不同,无机化学、有机化学中主要应用的是归纳法与类比法,而在结构化学中除使用归纳法与类比法外,主要使用演绎法。演绎法首先从若干公理或定理出发,经过必要的数学推导,得到结论,所以演绎法处理问题起点较高,学生不易入门。

其三,学习晶体结构内容需要很好的形象思维和空间想象力,化学专业的学生在学习结构化学前很少受到这方面的训练,固体三维结构的知识甚少。

解决办法:针对重点和难点 (难点常常也是重点)项目采取一系列措施,主要有:

(1)贯彻“常教常新、常教常精”的原则,围绕重点难点开展教学。在教学大纲中明确讲授内容,合理分配学时,保证有足够学时讲授,重点难点内容全由教师讲解。将那些属于拓展提高、疑难问题辨析讨论、进一步应用细节等内容调整为给学生提问题,引导学生通过思考、查阅资料的方式来完成。

(2)在讲授量子力学基础与原子结构内容时要结合量子力学发展史的主要线索来讲授,首先消除学生的神秘感和畏难情绪;例如,如果不作一定的铺垫过渡,将原子结构理论中涉及到的波粒二象性、波函数、几率密度、原子轨道等概念直接灌输给学生,往往不能达到预期的教学效果,但若结合原子结构理论的发展史讲授,可使这一问题得到较好地解决。

(3)在进行金属晶体的等径圆球密堆积、离子晶体的不等径圆球密堆积等内容时除充分应用多媒体动画外,还应适当使用实物模型进行辅助教学,同时让学生自己动手进行模型实习,以提高学生的形象思维和空间想象力。

(4)继续开发并调试应用于教学的《结构化学》多媒体软件,以光盘为载体,不需要安装,操作简便,体现“绿色软件”的特点。另可另存为 HTML格式,为远程教学准备条件。

4 结论

从教学方法上,贯彻“常教常新、常教常精”的原则,重视学科发展史的作用,采用框架结构教学法和案例教学法,强调基础的同时注重发展,加强创新意识和爱国主义教育。使学生在掌握结构化学的具体知识的基础上,能够学会从微观层次看问题,拓展思路,抓住问题本质,深刻理解“结构决定物性”这一基本原理,培养理论联系实际的能力,以利于素质教育和人才培养,顺应社会需要。在已经开展了数年的传统教学基础上,进一步实施多媒体和网络教学,编写出适合于现代远程教育的多媒体网络课件,使结构化学多媒体教学和网络教学走向更为完美的境界。借助于计算机技术,学生将能 “走进”原子、分子和固体内部,探索微观世界的奥妙,从而显著改进教学效果,这也是结构化学多媒体网络教学的魅力。在教学模式上,将进一步发挥学生为认知主体的作用,有利于学生自主安排学习时间和进度,得到最好的指导,及时获得最新知识。激励教师不断地更新、扩充知识,提高自身水平。实行启发式、开放式、交互式的网上多媒体教学,使目前这种“教师教—学生学”的模式逐步向 “教师—教学生学”转化。多媒体和网络技术可克服传统教学表现手段落后、更新周期长的限制,使原来难以讲授的内容变得易行,促进对教学内容作相应的改进,反映结构化学新进展。

[1] 邓存,刘怡春.结构化学基础 (第二版)[M]1北京:高等教育出版社,1995.

[2] 周公度,段连运.结构化学基础(第四版)[M]1北京:北京大学出版社,2008.

[3] 徐光宪,王祥云 1物质结构 (第二版)[M]1北京:高等教育出版社,1987.

[4] 潘道皑,赵成大,郑载兴等.物质结构.北京:高等教育出版社,1982.

[5] 江元生等.结构化学(第三版)[M]1北京:高等教育出版社,2004.

“Structura lChem istry”Teach ing Reform and Practice on G radua te Studen ts ofM a ter ia ls

XU Ying
(College ofM aterials Science and Engineering,HebeiUnited University,Tangshan Hebei063009,China)

Structu ralChem istry;reform s;innovation

The reform sof teachingm ethodson StructuralChem istrywere put into effect.Thosewere the p rincip le of“themorew e teach,the newer contentswe should teach;themorewe teach,the better qualitywe should empha2 sis”.And we pay great attention on the role of academ ic history,during the case,by using teachingm ethods of fram e structu re and casem ethod,the paper stressed the sam e basic focus,enhanced the innovation aw areness and education in patriotism.Students can notonly acquire know ledge butalso get interestand insp iration on teacher’s i2 deas andm ethods of analyzing and solving p rob lem s,naturally get initiative to exp lore know ledge and u ltim ately turn into innovative ability.

G642

A

167322804(2011)032009720003

2010208204