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《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程模擬教學(xué)的體會 摘要:本文針對《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程教學(xué)過程中存在的問題,結(jié)合對該門課的實踐教學(xué),提出了通過引入模擬教學(xué)來提高教學(xué)質(zhì)量的相應(yīng)措施。 關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)化學(xué);教學(xué);模擬 中圖分類號:g42 文獻標(biāo)識碼:a 文章編號:1009-0118(2012)09-0141-02 《結(jié)構(gòu)化學(xué)》是一門化學(xué)專業(yè)的必修課,也是材料等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課,已成為從事化學(xué)、材料和物理專業(yè)深入研究材料特性的一把鑰匙。但由于該門課是從微觀結(jié)構(gòu)研究原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)及其與性能的關(guān)系,與宏觀世界對物質(zhì)的認識有很大差異,進而使學(xué)生感覺該門課抽象、復(fù)雜甚至混亂。因此,本文將主要對該門課的特點及其存在的問題進行教學(xué)方式、方法上的探討。 一、課程特點及難點 《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程包含兩個核心內(nèi)容:一是描述微觀粒子運動規(guī)律的波函數(shù),即原子軌道和分子軌道,通過軌道的相互作用了解化學(xué)鍵的本質(zhì);二是分子和晶體中原子的空間排布,了解分子和晶體的立體結(jié)構(gòu)。與其它化學(xué)課程不同,該門課看物質(zhì)的角度不同,涵蓋的相關(guān)知識多,內(nèi)容涉及面廣,如需具備高等數(shù)學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)及量子力學(xué)等知識,同時包含的新概念比較多,如波函數(shù),雜化軌道,點陣。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生普遍感到這門課很難,有的同學(xué)在學(xué)習(xí)過程中很快跟不上老師講解的速度,相當(dāng)一部分學(xué)生死記硬背,甚至有個別學(xué)生由于太難太抽象而放棄對該門課程的繼續(xù)學(xué)習(xí)。事實上,這個問題的源頭在于學(xué)生對該門課基礎(chǔ)知識理解的不足,具體來講,很多學(xué)生不明白什么是波函數(shù),什么是晶體。因此,如何更好地理解與數(shù)學(xué)和量子力學(xué)有關(guān)的波函數(shù)概念和不同于分子的固體的晶體結(jié)構(gòu)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的兩大難點。 二、教學(xué)中存在的問題 (一)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低 造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低的原因很多。從學(xué)生角度來看,部分學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度不端正,學(xué)習(xí)的目的只是為了應(yīng)付考試,并且由于課程本身的特點造成學(xué)生對該門課產(chǎn)生誤解,從心理上學(xué)生覺得該門課抽象、難學(xué)、難懂,導(dǎo)致學(xué)習(xí)非常被動,最終學(xué)習(xí)效果較差;從教師的角度看,教學(xué)方法必須要求多元化,如果不同的教學(xué)內(nèi)容使用同一種教學(xué)方式,尤其對該門課難懂的波函數(shù),如果使用文字的方法來講解,勢必會使教學(xué)效果差,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,是值得授課老師深入思考和探討的重要課題。 (二)教學(xué)方法 目前,對該門課的教學(xué)方法主要使用板書和多媒體形式講解。這些方法有如下幾個缺點:1、缺少學(xué)生的參與,課題氣氛呆板;2、對具有立體空間結(jié)構(gòu)的可觀性差,學(xué)生理解受到限制;3、對數(shù)字化的波函數(shù)缺乏形象化的表示,成為學(xué)習(xí)該門課其它知識的瓶頸。這些將阻礙學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和對所學(xué)知識的理解。因此,授課教師需要在教學(xué)方法上根據(jù)課程內(nèi)容進行個性化的調(diào)整。 三、解決措施 該門課不像有機和分析等化學(xué)課程,沒有實驗教學(xué)部分,因此,學(xué)生對所學(xué)知識的理解消化受到很大限制。為了提高教學(xué)質(zhì)量,提高學(xué)生的綜合素質(zhì),提出以下措施。 (一)引入實驗教學(xué) 由于高等教育教學(xué)改革的不斷深化,該門課程的課時數(shù)明顯減少,即使采取板書、多媒體和演示相結(jié)合的講述方式完成該課程系統(tǒng)的教學(xué)也已經(jīng)變得較為困難。因此,在教學(xué)方式上,我們需要做進一步的改進。通過教學(xué),發(fā)現(xiàn)采用一種新型方法,即類似實驗教學(xué)的方式對該門課的教學(xué)效果能達到事半功倍的效果。為了清晰地闡述這一方法,本文通過舉例的方式來說明。現(xiàn)以二氧化碳分子中存在的兩個離域π鍵為例來說明。在使用板書或多媒體教學(xué)中,老師的分析可能如下: 假設(shè)二氧化碳分子在直角坐標(biāo)系的x軸上,碳原子有4個價電子,氧原子有6個價電子,分子中的兩個氧原子分別表示為o1和o2。碳和氧原子采用spx雜化,碳和每個氧原子形成σ鍵,每個氧原子的另一個spx雜化軌道被其上的一對孤對電子占據(jù)。碳原子剩余的兩個電子,分別占據(jù)在py和pz軌道上。氧原子剩余的三個電子中,如果o1原子中一對孤對電子占據(jù)在py軌道上,另一個電子必將占據(jù)在pz軌道上,它的pz電子將會與碳原子的pz電子形成πz鍵,那么碳原子的另一個py電子必將與o2原子的一個py電子形成πy鍵,此時,在o2原子中pz軌道上必須安排一對孤對電子,那么,o2中由孤對電子占據(jù)的pz軌道將會與碳和o1原子形成的πz軌道重疊,形成π4z3離域鍵,o1中由孤對電子占據(jù)的py軌道將會與碳和o2原子形成的πy軌道重疊,形成π4y3離域鍵。此時老師可能會將這兩個離域π鍵的圖片放在多媒體中。但大部分學(xué)生聽完之后,由于不能看到一個三維的直觀圖像,而且講起來描述語言頗多,最終教學(xué)效果不佳。 如果我們利用一種軟件,如chem 3d和dmol3,通過計算得到二氧化碳分子的各個σ和離域π鍵的三維空間構(gòu)象,通過空間旋轉(zhuǎn)可以讓學(xué)生清晰看到碳與氧原子之間的σ鍵和兩個不同方向的離域π鍵,且通過查看計算結(jié)果文件得到這些軌道的波函數(shù)。在這里學(xué)生還可以學(xué)到如下幾點:1、通過簡單的類實驗計算,學(xué)生獲得來自書本上與波函數(shù)、雜化軌道和分子軌道等相關(guān)理論知識;2、能獲得由原子軌道波函數(shù)線性組合成分子軌道波函數(shù)的明確數(shù)學(xué)表達式,并能與軌道圖一一對應(yīng),解決了學(xué)生關(guān)于分子軌道理論復(fù)雜的薛定諤方程,能從圖像上理解書本上的純理論內(nèi)容,進而達到實踐教學(xué)的效果;3、對雜化軌道理論,很多學(xué)生從書本上僅僅知道雜化的原因、目的和雜化后的原子軌道,但大多不明白雜化后這些軌道形成什么樣的鍵。通過這個實驗的教學(xué),學(xué)生可以從軌道上清晰看到碳和氧原子的sp雜化軌道相互重疊形成的π鍵,同時也能看到氧原子的一對孤對電子占據(jù)在氧的2p軌道上的分子軌道圖。 通過比較上面兩種教學(xué)方法,我們發(fā)現(xiàn),由于該門課的教學(xué)內(nèi)容偏重純理論,學(xué)生經(jīng)常感覺暈暈乎乎,似懂非懂,因此,引入類實驗教學(xué)部分,可通過一個簡單的實驗例子,讓學(xué)生深刻理解來自書本的較多知識點,同時,可以讓學(xué)生清楚各個知識點間的區(qū)別和聯(lián)系,從而對教學(xué)達到較好的效果。 (二)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 興趣是最好的老師,因此,在教學(xué)中怎樣提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是每個教學(xué)工作者一直思考的問題。就該門課的課堂教學(xué)來說,將教學(xué)內(nèi)容與其它化學(xué)課程及日常生活現(xiàn)象相結(jié)合,讓化學(xué)專業(yè)學(xué)生感到該門課非常有意思或?qū)W(xué)生學(xué)好其它課程起到重要作用,如有機化學(xué)和物理化學(xué)中,關(guān)于乙烯加氫氣反應(yīng)活化能大或反應(yīng)速率慢等現(xiàn)象,離不開該門課關(guān)于前線軌道理論知識的理解。再如,在實踐中,我們看到的物體表面總是一個宏觀的結(jié)構(gòu),如果額外引入晶體表面結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容,學(xué)生將了解到肉眼看到或感覺光滑的物體表面其實有很多原子缺陷,讓學(xué)生對常規(guī)認識有新的視覺和認識,進而提高了學(xué)生的好奇感,激發(fā)了學(xué)生的求知欲望。 (三)改革考核方式 在考核方面,采用多種考核方式綜合評定學(xué)生的最終成績,有助于促進學(xué)生注重過程學(xué)習(xí),進而提高了學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。目前,該門課常用的考核是由平時成績+期末考試成績構(gòu)成,其中,平時成績主要來自出勤、書面作業(yè)和期中考試。如果在平時成績中引入課外作業(yè),學(xué)生通過查閱資料或類似于實驗設(shè)計的材料模擬,不僅能加深學(xué)生對理論部分的理解,而且也能提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。 四、結(jié)語 在《結(jié)構(gòu)化學(xué)》課程教學(xué)中,針對“教”與“學(xué)”雙方存在的不足,在教學(xué)方式、方法及教學(xué)手段上主要引入實驗教學(xué)部分,以期提高教學(xué)質(zhì)量。在今后的教學(xué)過程中,作為教學(xué)主體的教師應(yīng)結(jié)合課程特點和實際教學(xué),充分研究教學(xué)中的方式方法手段的最佳組合,以獲得更好的教學(xué)效果。 參考文獻: [1]周公度,段連運.結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)(第4版)[m].北京大學(xué)出版社,2008. [2]曾榮英,唐文清,馮泳蘭,陳志敏.結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的實踐與探索[j].化工高等教育,2007,(5). [3]莊志萍,陳玉鋒,左明輝.結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)改革的探討與實踐[j].大學(xué)化學(xué),2012,(2).