结构化学教学中对学生学习兴趣的培养*

李晓东

(南京师范大学化学与材料科学学院 江苏南京 210046)

结构化学是化学类本科专业5大基础课之一，它以电子构型和几何构型为两条主线，系统讲授3种理论和3类结构：量子理论和原子结构、化学键理论和分子结构、点阵理论和晶体结构。它可为本科生打下3方面基础：量子化学基础、对称性原理基础、结晶化学基础。这些基础对于建立微观结构概念、掌握现代测试方法具有不可替代的作用。以前大家一谈到化学，都会不约而同地说到化学是一门纯实验的科学，1998年科恩和波普分别以密度泛函理论和量子化学计算方法获得了诺贝尔化学奖，使得理论化学的发展迈向新的高峰，使化学真正成为了理论和实验相结合的学科。而将化学理论和实验真正结合在一起的正是结构化学。随着科学技术的不断发展，结构化学的重要性日益突显。然而，由于结构化学的内容涉及较多的数学、物理知识，使得学生在学习这门课时普遍有一种畏难情绪，常常是被动地学，学习结构化学在他们看来是一件非常痛苦的事情。那么作为教师如何在教学过程中使学生的学习变被动为主动，变痛苦为快乐，这就需要不断地加强对学生学习兴趣的培养。俗话说“兴趣是最好的老师”，学生只有有了学习兴趣，作为教师才能够切实提高课程的教学效果。下面以具体的教学案例为例，从3方面介绍如何在结构化学课程教学中加强对学生学习兴趣的培养。

(1) 科学趣事的介绍可以很好地激发学生的学习热情。

结构化学的教学内容大多较为抽象[1-3]，若在教学中适当地介绍一些科学趣事可以使枯燥的内容变得有趣，有助于激发学生的学习热情。

教学案例1：黑体辐射。 开尔文在1900年4月27日英国皇家学会讲演时充满自信地说：“物理学的大厦已经建成，未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了”[4]。另一方面他又指出：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了”[5-6]。然而正是这“两朵乌云”才真正地为我们打开了认识微观世界的大门。“乌云”之一就是今天要讲的“黑体辐射”，为此普朗克提出了能量量子化的概念，标志着量子论的诞生。这样，通过对量子论提出背景的介绍，既可以激发学生学习热情，又很好地切入了教学主题。

教学案例2：光子学说。教师提问：“爱因斯坦一生最大的成就是什么呢？”学生答：“相对论”。教师介绍：“但是爱因斯坦却是以‘光子学说’获得了1921年度的诺贝尔物理学奖，因为当时有些著名的物理学家拒不接受相对论，甚至有人说，如果为相对论颁发诺贝尔奖，他们将退回已获的诺贝尔奖。更为有趣的是，尽管爱因斯坦的光子学说是在受普朗克能量量子化的影响下提出的，但是普朗克却对光量子理论持否定态度，反而对相对论给予了很高评价，这不能不说是科学史上的一大趣事。那么让爱因斯坦获得诺贝尔奖的光子学说具体内容有哪些呢？它又是如何成功地解释光电效应的呢？”由此可以很好地切入到光子学说这部分内容。

教学案例3：休克尔分子轨道理论。在讲解这部分内容时，可以先介绍休克尔的背景以激发学生的学习热情：“埃里希·休克尔原本是学物理的，受其兄——有机化学家瓦尔特·休克尔的影响，后来转攻化学。由其提出的休克尔分子轨道理论在有机化学中得以广泛应用，用以解决共轭分子的结构，探讨分子的性质和反应性能，最终他的成就和名声远远超越其兄。这种跨学科的学者作出重大发现的故事可以带给我们哪些启发呢？”

(2) 寓教于乐，让学生在快乐中学习。

教师在教学中应尽可能地设计自己的教学内容，让学生在快乐中学习，在学习中体会快乐。

教学案例4：分子对称性。这一部分内容最重要的教学目标就是能够让学生快速、准确地判断分子所属点群。在介绍这部分内容之前，教师先提问：“武功的最高境界是什么呢”，学生答：“无招胜有招”；教师：“学习分子对称性的基本过程实际上与武功的修炼是一样的，基本过程如下：心中无招，手中无招(完全不懂)→ 心中有招，手中无招(学习了分子对称性的基本概念，了解了各类点群的特点，但还不知道如何去应用)→ 心中有招，手中有招(学习了分子点群的系统判断法，能对简单分子点群进行判断)→ 心中无招，手中有招(摆脱系统判断法的束缚，能够很好地使用各种已找到的对称元素进行分子点群的判断，特别是对难度较大的Dnd和Dn群[7])→ 心中无招，手中无招(最高境界，能够快速、准确地判断分子所属点群)。”教师：“接下来我们就先从基本功来学起，介绍分子对称性的基本概念：什么是对称元素和对称操作”。通过这样的介绍，学生的学习兴趣可以得到很好的培养。

教学案例5：对称中心和反演操作。讲解这部分内容可先从一个小游戏开始[8]：“每人轮流在一个大的国际象棋棋盘上放一枚硬币。硬币可放在盘上任何地方，只是不要与已放的硬币重叠。如果愿意的话，一枚硬币可以盖上多于一个的方格。一旦放上，就不能再动。当一方发现在棋盘上没有再放一枚硬币的地方时，他就输了。用最好的下法，是放第一枚硬币者还是其对手取胜呢？给出取胜的策略。”教师给出答案：“很显然是放第一枚硬币者可以稳操胜券。策略：第一枚硬币放在棋盘的中心位置，对方不管在哪里放硬币，你只需要在其所放位置与棋盘中心相连反向延长等距离的位置放置硬币即可，只要对方有地方可放，你就必然可以找到相应的位置(图1)”。接着讲解：“上述策略所依据的原理就是今天要讲的对称中心和对称操作”。

图1 硬币游戏取胜策略

(3) 教学内容与时俱进，激发学生对科学研究的热情。

教学中应不断更新教学内容，常教常新，使教学内容与时俱进，尽可能反映学科的最新进展，真正做到理论和实际相结合，这样既可以激发学生的学习兴趣，又培养了学生对科学研究的热情。例如：在结构化学教学内容中加入隧道效应、准晶体、石墨烯和石墨炔的介绍。

教学案例6：隧道效应。扫描隧道显微镜的发明是20世纪最重大的科技成就之一，使人类第一次真实地“看见”了单个原子。如图2所示，扫描隧道显微镜下看到的PTCDA分子图像[9]，其原理就是基于量子力学的隧道效应。

图2 扫描隧道显微镜下看到的PTCDA分子图像

教学案例7：准晶体。随着科学技术的不断发展，材料科学的应用已不局限在晶体材料方面，特别是2011年诺贝尔化学奖颁给了发现准晶体的以色列科学家谢赫特曼，必然加大对准晶体及材料的进一步研究，因此在结构化学教学中应加入对准晶体的介绍。

教学案例8：石墨烯和石墨炔。在晶体结构部分讲解石墨晶体时，可以顺便介绍一下石墨烯(单层的石墨)和石墨炔结构[10](2010年中国科学院化学所的科学家成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积碳的一个新的同素异形体——石墨炔)，如图3所示。此后，还可以让学生通过查阅文献了解这方面的最新研究动态。

图3 石墨烯(a)和石墨炔(b)

结构化学的知识内容在现代化学学科中发挥着相当重要的作用，而结构化学课程的教学对于教师特别是青年教师来说还有许多困难，如何将抽象的知识形象化，如何设计自己的教学过程，很好地培养学生的学习兴趣，切实提高结构化学课程的教学效果是教师需要长期思考的问题。

参 考 文 献

[1] 李炳瑞.结构化学.北京:高等教育出版社,2004

[2] 赵成大,郑载兴,潘道皑.物质结构.第2版.北京:高等教育出版社,1989

[3] 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

[4] 赵峥.大学物理,2009,28(2):57

[5] 李醒民.物理,1984,13(11):699

[6] Kelvin L.Boltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light.London,1904

[7] 李晓东,李春燕,赵波.南京师范大学学报(自然科学版),2007,30(教学研究专辑):13

[8] 赖文.量子化学.北京：人民教育出版社,1980

[9] Weiss C,Wagner C,Kleimann C,etal.PhysRevLett,2010,105(8):086103

[10] Li G X,Li Y L,Liu H B,etal.ChemCommun,2010,46(19):3256