“理论—实践—研讨”三位一体“结构化学”教学模式探索

王文己　蒲亮　张忠

摘    要：理论讲授可以引导学生高效地掌握知识，帮助学生梳理知识脉络;上机实践有助于将抽象的知识形象化，加深学生对知识的理解;开放研讨则增加了学生的课堂参与度，促使学生深入思考并积极讨论，拓展了学生的知识面。“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体的教学模式必将有效地提高“结构化学”的课程教学质量。

关键词：结构化学;教学模式;化学

中图分类号：G642.0          文獻标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）11-0019-03

“结构化学”是大学化学类专业的必修课程。该课程的教学内容包含量子力学基础、原子结构理论、分子结构理论、配位场理论和晶体点阵理论等。总的来看，“结构化学”是利用量子力学原理和现代物理化学实验方法，从微观的角度来研究原子、分子和晶体的微观结构及其结构与性能之间关系的科学。“结构化学”是基础化学向高等化学攀登的阶梯，绝大部分研究生阶段的高等化学课程都以“结构化学”为基础。因此，“结构化学”对培养化学专业的高层次人才具有重要作用。

由于“结构化学”的研究对象是难以理解的微观体系，不仅要有一定的数学、物理和化学基础，还要有严密的逻辑思维能力和良好的空间想象能力。因此，不仅教师会觉得这门课程难教，学生们也普遍有畏学情绪。此外，由于在本科阶段“结构化学”知识的使用率不高，所以学生们认为“结构化学”用处不大，因而不重视“结构化学”的学习。

为了改进“结构化学”的教学模式，从而使学生更容易更有兴趣地学习[1-2]，很多高校做了大量工作[3]。兰州大学通过“结构化学”课程的网络视频增加学生对课程的理解;南开大学则在“结构化学”课程中增加了模型实习环节[4]，借助网络和软件提升学生的学习效果;南昌大学尝试了在“结构化学”教学中增设量子化学计算实验课[5]，从而化抽象为具体;中国矿业大学探索了小专题式教学法[6]，通过为各个章节设置小专题，提升学生的学习积极性和教学效果。但是，无论是网络课程、模型实习，还是计算实验、专题讨论，任何单一的教学模式都很难达到很好的教学效果。

“结构化学”课程知识点的理论性和专业性很强，并且有大量的公式和抽象的概念，学生自我理解的难度很大，所以在该课程的教学过程中教师的讲授仍应处于主导地位。教师在讲授过程中不仅要努力做到化繁为简，更要注重对知识脉络的梳理，给学生连贯的知识面而不是不连贯的片段。

纯粹的理论讲授枯燥而乏味，学生的参与度很低，

不仅容易让学生心生厌倦，而且极易让学生失去求知欲。这种情况下，在“结构化学”课程中引入上机实践就显得非常必要。将“结构化学”的抽象和难点内容通过计算软件来实验化，让学生亲自动手用计算机做实验，分析结果，可视化地验证所学的理论知识，从而将理论讲授与上机实践结合起来。这不仅能够使抽象的概念具体化，加深学生对知识的理解，而且通过让学生主导实验过程，从而提高学习积极性。

实际上，仅仅理论讲授和上机实践还是远远不够的。这主要是因为理论讲授和上机实践还是局限于对知识点的掌握，缺乏对知识的拓展，无法调动学生的深入思考。理论讲授和上机实践也往往以学生的个人学习为主，同学间缺乏讨论，不利于将所学知识深化，也难以提升学生的思辨能力。通过设立开放研讨课可以有效地克服这种弊端。依据课程内容，选择一些前沿的讨论主题，让学生去查阅资料，在课堂上发表自己的看法，相互讨论，相互促进。并且，学生的讨论也会让教师更好地了解学生的思维，从而指导和启发教师的教学工作。

因此，将课堂讲授与上机实践有效地结合起来，并通过开放研讨深化理解和拓展知识面，建立起一个“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体教学模式，这必将有效地提高教学效果和教学质量。

一、“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体教学模式的构建

对于课程的每一章节，首先以教师为主讲授理论知识;然后选取该章节的难点知识设计上机实验，并指导学生完成实验;最后根据该章节的知识点选择研讨主题，并引导学生完成研讨课。在这个教学模式中，见图1，理论讲授能为上机实践提供理论指导，而上机实践又将理论知识具体化、形象化;理论讲授为开放研讨提供了理论依据，而开放研讨又深化了对理论知识的理解;上机实践为开放研讨提供了事实依据，而开放研讨强化了对上机实践结果的认识。

图1  “结构化学”课程三位一体教学模式示意图

二、“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体教学内容的设计

依据“结构化学”课程知识点，按照“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体的教学模式，设计了如下教学内容，见表1。

（一）理论讲授内容

理论讲授主要依据周公度等主编的《结构化学基础》教材进行[7]。讲授内容主要包括量子力学基础、原子的结构和分子的结构和性质、分子对称性、配位化合物的结构和性质、晶体及金属的结构和性质这六部分。对每一部分内容，授课要详略得当，突出重点和难点，并且要选取一些较易的知识点让学生自主学习。讲授方式采用多媒体+板书的形式。多媒体的使用能使抽象的概念具体化，比如展示电子云、不同类型的原子轨道和化学键的形成过程。板书则主要用于引导一些基本公式的推导，比如由动量算符推导动能算符。

（二）上机实践内容

依据“结构化学”教材的知识点，依照理论讲授与上机实践齐头并进、相互促进的原则，拟定了相应的上机实践内容。

1.量子力学基础这一部分知识，薛定谔方程是最核心的内容之一，而解薛定谔方程则是计算化学家们面临的最大难题。实际上，除了个别特例，其他的薛定谔方程都需要计算机来求解。我们设计了一个利用计算机解一维薛定谔方程的实验，通过这个实验，可以让学生们初步了解计算机解薛定谔方程的一般步骤，并学会分析计算结果。

2.原子和分子的结构和性质这两部分的上机实践，主要利用Gaussian 09和GaussView 5这两个软件，让学生使用计算机计算获得原子轨道和分子轨道的能量、图像和类型，并掌握自旋多重度，最高占据轨道和最低空轨道等概念。

3.分子对称性这一部分内容，通过二茂铁这个分

子，让学生学会如何利用GaussView 5构建具有特定对称性的复杂分子，了解不同对称类型对能量的影响，并掌握通过计算获得各个原子上的电荷分布。

4.配合物这一部分知识，我们设计了乙二胺四乙酸与钙离子的配位反应这个实验，重在让学生去了解配合物的空间结构，掌握配位键的方式和类型，并进一步分析分子的振动模式，学会红外光谱和拉曼光谱的计算方法。

5.晶体和金属这一部分的上机实践，主要让学生利用Materials Studio软件构建金属的低指数晶面，并掌握计算小分子在晶面上吸附的基本步骤。

（三）开放研讨内容

开放研讨是对理论讲授和上机实践的进一步深化，也是引导学生进一步学理论做实践的关键。每一次研讨课都安排了两个讨论主题，一个相对简单轻松，另一个则涉及到对所学知识的延伸。轻松的主题能够增加学生的参与度，形成热烈讨论的氛围，难度较大的主题则能让学生深入思考，加深对所学知识的理解，也能够让他们将所学知识与当前最前沿的科研进展联系起来。

教师应充分地调研研讨题目所涉及的材料，做好记录，并且要设计好各个研讨题目的课件，以引导和提示学生。在研讨课的前一周，教师应将研讨题目和要讨论的主要方面通知学生，以使得学生能够查阅相关资料，形成自己的观点。

1.薛定谔的猫：介绍薛定谔的猫的概念;讨论对薛定谔的猫的各种解释。

2.量子通讯：介绍量子通讯的概念、原理;讨论量子通讯的历史和研究进展;分析量子通讯目前面临的主要困难。

3.原子的焰色反应：列举常见金属的焰色;分析不同金属具有不同焰色的原因;讨论能否通过计算预测金属的焰色。

4.电子自旋共振与核磁共振的原理及應用：介绍电子自旋和原子核自旋的概念;类比电子和原子核的自旋量子数、自旋磁量子数、自旋角动量、自旋磁矩、自旋角动量在磁场分量、自旋磁矩在磁场分量、磁场中的能级分裂;讨论电子自旋共振和核磁共振的原理和应用。

5.分子结构相似性质相近：列举实例（例如：HCl和HBr都是强酸;As2O3和As2S3都有剧毒;N2和CO互为等电子体，物理性质相近。），并分析原因。

6.分子荧光的产生和应用：介绍荧光产生的原理、激发光谱、发射光谱、荧光强度、荧光量子产率、斯托克位移、荧光寿命;讨论荧光在照明、生化和医疗等方面的应用;探讨如何计算荧光激发和发射光谱。

7.对称性是普遍存在于宇宙间的规律：讨论直观的对称性，如动植物和分子的对称性;研讨抽象的对称性，如时间对称性（能量守恒定律）、空间对称性（牛顿第一定律、动量守恒定律）、科学规律的对称性（负电子与正电子、物质与反物质）等。

8.手性药物：介绍什么是手性;分析如何识别手性分子;讨论“反应停”事件;列举具有手性的药物分子，如氯霉素、Thalidomide、Ketamine、Penicillamine、Ethambutol等;探讨如何获得手性分子。

9.血红蛋白输氧原理：指出其中的配合物及配合物的中心离子;讨论配位键的特征;分析二价铁在输氧和载氧过程中的作用;探讨如何给人体补铁。

10.金属—有机框架化合物：介绍什么是金属—有机框架化合物;列举已经合成的金属—有机框架化合物，并指出其中的配位键;探讨如何通过计算来分析配位键的稳定性。

11.刚玉宝石：分析刚玉的成分（Al2O3）、晶体结构、颜色与杂质离子的关系;探讨人造刚玉的合成和识别。

12.工业合成氨：讨论反应物浓度、压强、温度和催化剂对合成氨反应速率和反应平衡的影响;调研常用的合成氨催化剂;分析催化剂对反应活化能和反应路径的影响;探讨如何计算反应的活化能。

三、结语

“结构化学”课程理论性强，公式推导多，概念抽象，不仅难教，而且难学。针对“结构化学”教学过程中存在的问题，我们提出了理论讲授、上机实践和开放研讨三者相结合的三位一体教学模式。在这种教学模式中，理论讲授处于主导地位，通过理论讲授能让学生系统高效地掌握繁杂的知识。上机实践是对理论讲授的强力补充，它能将抽象的概念具体化，从而加深对知识的理解。开放研讨则促使学生深入思考，既拓展了他们的知识面，又在一定程度上实现了学以致用。总之，“理论讲授—上机实践—开放研讨”三位一体教学模式有望解决“结构化学”教学过程中的诸多问题。

参考文献：

[1]张廷龙，赵丹，张青峰.高校课堂教学有效性的制约因素及提升策略——以高校教师的视角[J].高教论坛，2018，（6）.

[2]曹高，申东升，周臻.仿真模拟实验在化学化工实验教学中的探索与实践[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2018，（3）.

[3]王秀凤，张志庆，王芳，等.基于云课堂的物理化学教学改革与探索[J].高等理科教育，2018，（3）.

[4]孙宏伟，陈兰.几点提升结构化学模型实习课效果的举措[J].大学化学，2018，（6）.

[5]徐香兰，王翔.在结构化学教学中增设量子化学计算实验课的探索[J].大学化学，2018，（2）.

[6]马娟，高庆宇.小专题式教学法在结构化学中的探索与实践[J].化学教育，2016，（22）.

[7]周公度，段连运.结构化学基础[M].北京：北京大学出版社， 2017：1.