新工科背景下的结构化学课程教学改革探索

(商丘师范学院 化学化工学院 ， 河南 商丘 476000)

随着全球一体化进程的加快，以“新技术、新产品”为特点的新兴产业正在蓬勃发展，单一的技术人才已经无法满足目前社会的需求，要求工程技术人才必须具备更高的创新能力和综合素质，这样才能在社会竞争中具有更好的主动性。2017年2月，教育部颁布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，旨在培育一批综合素养高和创新能力强的复合型人才，为我国后续的科技发展提供充足的人才储备。全国各地的高校也积极响应，其中对于传统的工科专业进行升级改造也属于新工科建设的一部分[1-3]。结构化学作为一门化学专业本科生的必修课程，主要研究的是微观粒子的运动状态以及物质的结构及其与性能之间的关系。学习完该门课程，学生可以从量子力学的角度理解电子、原子等微观粒子的运动特征，同时可以使学生用微观结构的观点和有关方法去分析和解决实际化学问题，从而更有效地发挥化学学科的作用，符合新工科背景下高素质复合型人才的培养需求。而传统的结构化学教学在教学内容、教学模式、教学评价等方面存在着一些问题，亟需改进。本文主要以商丘师范学院化学专业的本科生为研究对象进行改革探索，针对现阶段结构化学教学过程中存在的问题进行深入探究，并提出相应的意见和改进办法，拟探索出适用于新工科背景下结构化学课程的教学改革新模式。

1 结构化学教学中存在的主要问题

结构化学是一门以量子力学为理论基础，结合无机化学、有机化学、物理化学和分析化学的理论知识研究化学物质微观结构和运动特征的基础学科。该课程的授课对象一般为大三或大四的本科生，可以说是对整个化学专业本科生的一门拔高课程，这就要求学生在学习过程中不仅要有扎实的数学、物理和化学基础，还要具有较强的空间想象和逻辑推理能力。此外，该课程内容较少采用实验环节进行授课，学生无法直观地感受到学习的内容，而且教学中涉及到大量的高等数学公式推导，这就使得该课程理论性较强，内容枯燥无味，学生厌学情绪高，抵触情绪比较大，甚至结构化学被有的学生戏称为“天书”。

对于教师来讲，该课程教学难度大，需要花费大量的精力备课，但教学效果并不明显。同时，该课程的授课教师一般均为年龄偏大的资深教师，青年候补教师严重不足，甚至部分学校存在教师不愿意教授结构化学这门课的现象。另外，结构化学课程通常不作为考研科目，而且教学难度较大，因此许多学校对该课程的教学缺少足够的重视，大量采用“填鸭式”教学模式进行授课，而在考试时只考一些简单记忆性的知识，使学生缺乏对该课程内容真正的理解。这样看似虽然也能完成教学任务，但在学生的接受程度上和对该课程的培养目标上还存在着大量问题。更有甚者，部分学校把这门难度较大的课程直接从学生的培养方案中删除，这种做法是极其不负责任的。

基于目前结构化学教学的现状，已不能满足新工科背景下对人才培养的需求，因此有必要对其进行改革探索，从而建立新的教学观念和教学模式。

2 新工科背景下结构化学教学改革措施

新工科背景下的工程技术人才培养方案要进一步得到提升，不能再单单地培养知识储备型人才，这类人才已不再适合当前社会的需求，而应该是注重培养具有创新和实践能力的复合型人才。因此，在课程教学改革方面要尽快改变传统的教学观念，探索和研发出新型的教学观念和教学模式。

2.1 改进教学内容

2.1.1适当简化教材内容和弱化公式推导

近年来，随着我校培养方案的调整，化学专业的结构化学课程仅有36课时，而教材内容较多。因此，为了让学生在有限的时间内更好地掌握该课程的核心知识点，有必要对教材内容进行一定的筛选，尽量简化一些与其他课程重复的知识点。以周公度版的《结构化学基础》(第五版)教材为例，教师着重讲解第一章至第八章内容。但第二章的原子轨道轮廓图、基态电子的排布、元素周期表与元素周期性质以及第三章的化学键概述这部分内容已经在之前的无机化学课程中进行了学习，因此该内容在课堂上可以尽量弱化，只需要从结构化学的角度进行解释即可。除此之外，第六章配位化合物的结构和性质也在之前的无机化学和有机化学课程中有所了解，因此，为了避免重复讲解，该部分内容也可进行适当地简化学习。

另一方面，结构化学课程的核心内容为量子力学基础知识的学习，并且用量子力学来处理电子、原子和分子等微观体系的运动状态以及晶体等微观结构与其性能之间的关系，注重培养学生对微观物质的认识能力。在整个教学过程中需要用到较多的数学公式，但该数学公式只是作为一种工具帮助学生更好地理解，其本身的公式推导不应该作为整个教学的重点，但是如果全部省略公式的推导过程会导致学生不能完全准确地理解整个概念。因此，要适当弱化公式推导过程，理解公式思路即可。比如在讲解单电子原子的薛定谔方程及其解这部分内容时，重点应该让学生掌握变数分离法的思想，而不是花费大量时间和精力在公式推导上面，这样可以避免学生对复杂数学公式学习的抵触情绪，同时可以做到重难点突出，让学生更好地掌握整节课的核心知识点。

2.1.2结合现代科学研究激发学习兴趣

结构化学课程一般是在本科生的最后阶段才学习的，是学生在学习高等化学之前的一个过渡阶段，可以说结构化学是连接本科生的四大化学与研究生阶段要学习的高等化学之间的一个桥梁纽带，该课程涉及到很多化学学科的基本内容和基本理论，是一门具有交叉性质的学科。因此，在教学过程中完全有必要引入与本学科有关的前沿内容和研究成果，从而更好地提高学生的学习主动性，促使学生真正地认识到结构化学在实际研究过程中所发挥的作用。比如，在讲绪论的时候，教师可以结合近年来诺贝尔奖的得奖情况，介绍一下量子力学的发展史。在讲第一章量子力学基础知识里面的薛定谔方程时，学生一般都会感到十分枯燥，此时教师可以引入一个小故事吸引学生的注意，从而激发学生的学习兴趣。此外，教师还可介绍一下目前研究者利用量子力学理论发展的计算机辅助药物设计与研发技术，从而造福人类。在讲到晶体结构和性质部分时，可以引入当前研究比较热门的金属有机框架材料(MOFs)。通过这种方法，不仅可以有效地集中学生的注意力，拓展学生视野，而且丰富了课本内容，活跃课堂气氛，让结构化学的学习不再枯燥乏味，而是更加地贴近实际研究，从而使学生更好地了解学习这门课程的重要性，激发学生的学习兴趣。

2.2 转变教学方法

任何教学方法和手段都不是万能的，都应该针对具体的教学内容和教学对象进行不断地更新和调整，从而才能更好地提高教学效果，激发学生的学习兴趣。结构化学内容抽象难懂，理论性较强，且里面涉及到电子、原子、分子的微观运动以及晶体的空间立体结构，学生在学习时理解起来比较困难，需要强大的空间想象力，相对传统的课堂教学已经难以满足该课程对学生的学习要求。因此，在教学过程中更应注重实践环节的教学，培养学生的亲自动手能力，增加学生对抽象物质的理解。比如在讲分子对称性和晶体结构这两部分时，教师可以帮助学生开展模型实习，采用球棍模型或者Flash动画等辅助软件来模拟分子和晶体的空间结构，让抽象物质变得具体化，让学生更加直观地感受到微观粒子世界。

除了实验教学以外，结构化学还可以采用启发式教学和讨论式教学手段相结合的方式。因课程内容难度较大，传统的教师讲授方式很难集中学生的注意力，因此要改变以往教师直接讲述课程的教学方式，从问题出发，引导学生思考，鼓励学生通过小组讨论等形式来解决问题，培养学生的协作能力。让学生变成课堂的主体，发挥主人翁意识，这样才能有效地提高学习效果。比如在讲双原子分子的结构内容之前，可以向学生提问“为什么都是同核双原子分子的O2和N2，二者的电子组态排布顺序却是不一样的呢？”这样可以使学生带着问题去学习，并通过相互讨论的方式来寻求答案，加深其对知识点的掌握，提高其分析和解决问题的能力。

2.3 多样化考核方式

传统的理论课考试重点在于对最后卷面成绩的评价，而忽略教学过程中对学生的评价。为了避免学生应付考试，以及结合新工科背景下对人才培养的要求，我们应采取多样化的考核方式，最终成绩不应该只是期末考试的卷面成绩，应该把学生的平时表现也纳入考核范围内，并相应加大此部分所占的比例。而平时表现不仅包括平时作业，还要包括学生课堂出勤率、课堂讨论以及解决教师提出的问题等多种形式。此外，笔试试卷所考的内容不能只是一些简单的记忆性问题，而要有一些要求学生综合运用该课程较多的知识点才能解决的问题，要有一定的难度和深度，这样才能够有效地防止学生利用短暂的时间突击考试的现象发生，同时也给后面的学生起到一个警示作用。这种考核方式的改变，可以使学生不仅重视课本知识的学习，同时更加重视平时课堂上的表现，以及课下预习解决问题的能力，从而更好地提高自身的综合素养。

3 结论

结构化学是本科生阶段的一门综合性较强的学科，要求学生具有良好的化学基础。本文通过分析目前化学专业结构化学课程中存在的问题，并结合新工科背景下对人才培养的要求，拟分别从适当简化教材内容和弱化公式推导、结合现代科学研究激发学习兴趣、转变教学方法、采取多样化考核方式等多方面进行改革探索，从而提升课程的教学质量，培养学生动手、协作和分析解决问题等综合素质能力，为其后续工作或进一步深造打下坚定的基础。