許 瑩

(河北聯合大學材料學院,河北唐山 063009)

材料專業(yè)研究生《結構化學》課程的教學改革與實踐

許 瑩

(河北聯合大學材料學院,河北唐山 063009)

結構化學;改革;創(chuàng)新

結構化學是材料專業(yè)的主干基礎課,主要內容是原子、分子、晶體結構及其與性質的關系。結構化學課程的目標,不僅要讓學生掌握結構化學的具體知識,而且希望學生能夠學會從微觀層次看問題,拓展思路,抓住問題本質,深刻理解“結構決定物性”這一基本原理,培養(yǎng)理論聯系實際的能力,以利于素質教育和人才培養(yǎng),順應社會需要。為此,從教學方法上實施改革,貫徹“常教常新、常教常精”的原則,重視學科發(fā)展史的作用,采用框架結構教學法和案例教學法,強調基礎的同時注重發(fā)展,加強創(chuàng)新意識和愛國主義教育。這樣的教學過程不僅使學生接受知識,而且對教師分析問題和解決問題的思路和方法產生興趣,得到啟迪,自然也就獲得了探索知識的主動權,最終轉化為創(chuàng)新能力。

結構化學是現代化學的一個支柱。著名化學家唐有祺教授說過:在自然科學中,探明物質的結構始終代表著基本理論研究的一個頭等重要的方向。作為當今現代化標志的半導體、超導體、激光材料、高分子材料等,在很大程度上是沿著物質結構方向進行科學實驗所取得的重大成果。沒有半導體材料,21世紀不可能進入信息時代。新材料已成為各個高技術領域發(fā)展的突破口,而材料的性能取決于結構。因此,結構化學作為高等院校相關化學專業(yè)研究生的主干基礎課,理應受到足夠的重視。目前,在我們學校主要為材料專業(yè)必修的重要基礎課之一,是一門理論性強的基礎主干課程。

結構化學研究的原子、分子、晶體結構都屬于微觀世界,概念比較抽象、難以想象,要求學生具有較多的數理知識和較強的空間想象能力,該課程是研究生專業(yè)課程中最難學的課程之一,但非常有利于培養(yǎng)學生邏輯思維和空間想象力。隨著化學日益注重對化學反應本質、物質結構及性質的探討,隨著能源、信息、材料等對化學的要求等等,都需要以結構化學的知識為基礎?，F代文明三大支柱——能源、信息、材料都需要研究物質結構。諾貝爾化學獎獲得者 R.Hoff2 m ann還說過:化學理論的最重要作用是提供一種思維體制,以總結更新知識。所以,結構化學課程的目標,不僅要讓學生掌握結構化學的具體知識,而且希望學生能夠學會從微觀層次看問題,拓展思路,抓住問題本質,深刻理解“結構決定物性”這一基本原理,培養(yǎng)理論聯系實際的能力,以利于素質教育和人才培養(yǎng),順應社會需要。

_隨著現代教育體制的逐步建立和完善,國內各個高等院校尤其是全國各重點院校不斷加強自身的改革、建設和發(fā)展。工科院校及工程技術綜合性大學的《結構化學》課程都在不同程度、不同方式地進行著多方面的改革與建設?！督Y構化學》課程組在調查國內一些著名高等學校該課程的建設和改革發(fā)展的基礎上,得到了不少有益的經驗和啟發(fā),從中也發(fā)現了不少問題。為此,《結構化學》課程教學組經過充分討論,并結合我系幾十年來開設和講授該課程的體會和實際情況,對該課程進行了不斷的建設和改革,并對其未來建設和發(fā)展作了較為全面的部署和具體的規(guī)劃。在現有教學大綱的要求下,改革教學方法,優(yōu)化教學手段,實行啟發(fā)式、開放式、交互式的多媒體教學,使目前這種“教師教—學生學”的模式逐步向“教師—教學生學”轉化。多媒體和網絡技術可克服傳統教學表現手段落后、更新周期長的限制,使原來難以講授的內容變得易行,促進對教學內容作相應的改進,反映結構化學新進展。在長期的結構化學教學及科研中,教學組積極進行教育創(chuàng)新、教學改革,取得了一定的成績。這些教學研究探索成果為我校的結構化學教學發(fā)展打下了良好的基礎。在近十年的結構化學教學過程中,除了選用南京大學江元生編寫的《結構化學》外,還選用了由北大徐光憲院士編寫的《物質結構》,北大謝有暢先生編寫的《結構化學》,華東師范大學等三所師范院校合編的《物質結構》,吉林大學編寫的《物質結構基本原理》等教材作為我校研究生結構化學課程教學的主要參考用書。尤其是由北大周公度先生編的《結構化學基礎》第三版 (國家優(yōu)秀教材獎)更是首選參考教材。長期以來,在多種版本教材使用的過程中,任課教師的知識結構不斷完善,教學水平不斷得到提高,授課方式不斷得到改進。在教學的過程中,不斷對結構化學的教學體系進行研究和優(yōu)化,已經形成了一整套既體現結構化學發(fā)展前沿,又具有扎實的結構化學基礎知識、適合學生自學的結構化學教學體系。

一 精益求精,不斷調整和改進教學方法

(1)貫徹“常教常新、常教常精”的原則,圍繞重點難點開展教學。在教學大綱中明確講授內容,合理分配學時,保證有足夠學時講授重點難點內容。將那些屬于拓展提高、疑難問題辨析討論、進一步應用細節(jié)等內容調整為給學生提問題,引導學生通過思考、查閱資料的方式來完成。

(2)重視學科發(fā)展史的作用。結構化學的主要內容是原子、分子、晶體結構及其與性質的關系。學生從微觀層次理解物性,可拓展思路,抓住問題本質,有利于素質教育和人才培養(yǎng)。然而,學習微觀結構和量子力學需要高度的空間想象力和抽象思維,使不少學生深感困難。為此,教學中注意結合量子力學發(fā)展史來講授,消除畏難情緒和神秘感;闡述力求準確,對容易混淆的概念隨時給出“正誤辨析”,幫助學生解難釋疑,并將學生的常見誤解編寫成專題教案重點輔導;例如,如果不作一定的鋪墊過渡,將原子結構理論中涉及到的波粒二象性、波函數、幾率密度、原子軌道等概念直接灌輸給學生,往往不能達到預期的教學效果,但若結合原子結構理論的發(fā)展史講授,可使這一問題得到較好地解決。

(3)采用框架結構教學法。每門學科都有自己的知識框架,它是學科的精髓。教師在課堂上的講授不能只見樹木,不見森林。如果拘泥于細節(jié)講得太多太細,在有限的時間內就根本無法完成規(guī)定的教學任務,也不利于激發(fā)學生的求知欲,課堂講授應著重闡述分析知識結構框架及知識點之間的聯系、關鍵內容及重要結論等,中間的演算、一般性的論述和遺留問題可以由學生課后自己解決。教師進入課堂就應向學生直接交底,這次課打算解決什么問題,問題是怎樣提出的;打算采用那些方法、沿什么思路解決這些問題;問題解決后又如何具體應用。在引導學生理清思路后再選擇重點或難點等關鍵內容進行重點講授,達到舉一反三的目的。這樣的教學過程不僅使學生接受知識,而且對教師分析問題和解決問題的思路和方法產生興趣,得到啟迪,自然也就獲得了探索知識的主動權,最終轉化為創(chuàng)新能力。

(4)采用案例教學法。案例 (范例)教學法是從日常生活中選取蘊含科學本質、富有啟發(fā)性的典型范例進行教學的一種方法。案例教學可分為兩種類型:一是從例到理,即引導學生運用案例,經過自主合作,群體思維撞擊,尋找知識形成規(guī)律,發(fā)現基本概念并運用掌握的規(guī)律和概念去解決實際問題;二是從理到例,即給出基本概念,啟發(fā)學生運用基本概念,發(fā)散思維,以例釋理,以例證理,從而獲得解決實際問題的能力。注意啟發(fā)式教學,利用多媒體課件組織學生觀摩藥物研究中的分子力學、量子化學、分子圖形學演示,激發(fā)學習興趣,了解結構理論的應用;以藥物、環(huán)境和材料化學范例增加構效關系分析簡介,使學生對“結構決定性質”這一基本原理加深理解,培養(yǎng)理論聯系實際的能力,順應社會需要。

(5)強調基礎的同時注重發(fā)展?；A課的內容相對成熟而且比較穩(wěn)定,這與其說是基礎課好教的因素,還不如認為它是基礎課很難講好的問題所在,因為經典的內容離前沿還有一段距離,學生可能誤以為學之無用,對此不感興趣采用敷衍了事的態(tài)度。解決的辦法應是在強調基礎的同時必須注重發(fā)展。這里所說的 “發(fā)展”有兩層含義,其一,現代科學技術的日新月異,加快了科學知識的積累和科學概念的更新,所以基礎課教學內容也需不斷的更新和發(fā)展。教學中不但要 “少而精”,還要 “少而新”、不但要“常教常精”,還要“常教常新”,這就要求教師及時了解發(fā)展動態(tài),不斷補充新知識。選擇新分子、新材料、新理論充實和更新教材內容,如簡介球烯化合物、納米材料、高溫超導體、掃描隧道顯微鏡,展示晶體材料在現代科技中的重要應用;向學生作“結構化學的發(fā)展與動向”、“新型材料及應用前景”等專題介紹,使學生了解結構化學新進展。

(6)加強創(chuàng)新意識和愛國主義教育。在講授化學知識的同時,注重著名化學家,諾貝爾化學獎獲得者事跡的介紹,讓學生吸取前人的經驗教訓,學到獲取知識的方法和思想,培養(yǎng)創(chuàng)新意識和科學品質,體會科學研究的艱辛與樂趣,激發(fā)獻身祖國化學事業(yè)的熱情。

(7)加強培養(yǎng)學生從網上獲取知識、獲取信息的能力。有意識地給學生留一些與結構化學研究有關的題目,把學生引向 In ternet,鼓勵學生進入這個全球性的數據、信息和知識海洋,主動獲取知識,最后以小論文的形式寫出自己的認識和體會。這在一定程度上鼓勵了學生主動學習,如“分子元件前景展望”、“球碳家族的發(fā)現與思考”、“結構化學與納米技術”等。對這種改革還在繼續(xù)探索。

二 與時俱進,改進教學手段

采用現代教育技術編寫、制作、使用多媒體技術,變靜態(tài)教材為動態(tài)教材。本課程組對《結構化學》多媒體教學的探索性研究始于 2008年,2008年開始編寫、制作和試用,至今已有二年 ,已制作了 200多幅彩色圖片、100多個分子與晶體模型,目前多媒體教學軟件的制作還在繼續(xù),該軟件適合于講課與自學,可以另存為 HTML格式,為遠程教學準備了條件。計算機技術對結構化學的重要作用之一,就是把真實的微觀世界中的抽象性在虛擬世界里具體化,借助于計算機技術,學生將能 “走進”原子、分子和固體內部,探索微觀世界的奧妙,從而顯著改進教學效果,這也是結構化學多媒體網絡教學的魅力。多媒體教學廣泛采用分子圖形軟件制作立體感強、可實時操作的動態(tài)模型,解決實物模型種類有限、數量不足的困難,為學生提供動手機會;原子軌道、分子軌道、電子云等圖形采用量子化學程序計算繪制,不僅使抽象概念具體化,而且將結構化學中豐富多彩的結構美、形態(tài)美、理論美,用多媒體功能表現出來,使化學教學同時成為美感教育過程,活躍氣氛,提高學習興趣,糾正對化學的片面認識,使學生更加熱愛化學,從而提倡科學與人文、藝術的結合,以利素質教育。最終改進教學效果。

三 課程的重點、難點的把握及解決辦法

結構化學總結歸納出的許多重要的概念 (如原子軌道和分子軌道)、效應 (如量子效應和離域效應)、原理或理論 (如點陣理論和化學鍵理論)、規(guī)律 (如對稱性和對稱原理)以及許多重要的實驗手段 (如衍射、光譜、能譜和磁共振)對化學學科及相關科學有重要的指導作用。該課程對學生其它課程的理論知識學習和理解,以及科研素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高有著至關重要的影響。在實際教學過程中,總結出結構化學課程的重點和難點是:

掌握三種理論 (量子力學理論、化學鍵理論、點陣理論)

用科學規(guī)范的術語和物理量描述三種結構 (原子結構、分子結構和晶體結構);

課程的難點由以下三方面的原因引起:

其一,結構化學以量子力學基本原理為基礎,學習結構化學知識需要相當多的數學和物理知識,而化學專業(yè)學生的數理基礎比較薄弱,學生在學習過程中要么因為較多的數理公式而產生畏難情緒,要么投入很多的精力關注數理公式而本末倒置,忽視結構化學基本概念以及在化學中的具體應用。

其二,結構化學的主要任務是描述微觀粒子的運動規(guī)律,揭示結構——性能之間的關系,使用的研究方法與化學的其它學科有所不同,無機化學、有機化學中主要應用的是歸納法與類比法,而在結構化學中除使用歸納法與類比法外,主要使用演繹法。演繹法首先從若干公理或定理出發(fā),經過必要的數學推導,得到結論,所以演繹法處理問題起點較高,學生不易入門。

其三,學習晶體結構內容需要很好的形象思維和空間想象力,化學專業(yè)的學生在學習結構化學前很少受到這方面的訓練,固體三維結構的知識甚少。

解決辦法:針對重點和難點 (難點常常也是重點)項目采取一系列措施,主要有:

(1)貫徹“常教常新、常教常精”的原則,圍繞重點難點開展教學。在教學大綱中明確講授內容,合理分配學時,保證有足夠學時講授,重點難點內容全由教師講解。將那些屬于拓展提高、疑難問題辨析討論、進一步應用細節(jié)等內容調整為給學生提問題,引導學生通過思考、查閱資料的方式來完成。

(2)在講授量子力學基礎與原子結構內容時要結合量子力學發(fā)展史的主要線索來講授,首先消除學生的神秘感和畏難情緒;例如,如果不作一定的鋪墊過渡,將原子結構理論中涉及到的波粒二象性、波函數、幾率密度、原子軌道等概念直接灌輸給學生,往往不能達到預期的教學效果,但若結合原子結構理論的發(fā)展史講授,可使這一問題得到較好地解決。

(3)在進行金屬晶體的等徑圓球密堆積、離子晶體的不等徑圓球密堆積等內容時除充分應用多媒體動畫外,還應適當使用實物模型進行輔助教學,同時讓學生自己動手進行模型實習,以提高學生的形象思維和空間想象力。

(4)繼續(xù)開發(fā)并調試應用于教學的《結構化學》多媒體軟件,以光盤為載體,不需要安裝,操作簡便,體現“綠色軟件”的特點。另可另存為 HTML格式,為遠程教學準備條件。

4 結論

從教學方法上,貫徹“常教常新、常教常精”的原則,重視學科發(fā)展史的作用,采用框架結構教學法和案例教學法,強調基礎的同時注重發(fā)展,加強創(chuàng)新意識和愛國主義教育。使學生在掌握結構化學的具體知識的基礎上,能夠學會從微觀層次看問題,拓展思路,抓住問題本質,深刻理解“結構決定物性”這一基本原理,培養(yǎng)理論聯系實際的能力,以利于素質教育和人才培養(yǎng),順應社會需要。在已經開展了數年的傳統教學基礎上,進一步實施多媒體和網絡教學,編寫出適合于現代遠程教育的多媒體網絡課件,使結構化學多媒體教學和網絡教學走向更為完美的境界。借助于計算機技術,學生將能 “走進”原子、分子和固體內部,探索微觀世界的奧妙,從而顯著改進教學效果,這也是結構化學多媒體網絡教學的魅力。在教學模式上,將進一步發(fā)揮學生為認知主體的作用,有利于學生自主安排學習時間和進度,得到最好的指導,及時獲得最新知識。激勵教師不斷地更新、擴充知識,提高自身水平。實行啟發(fā)式、開放式、交互式的網上多媒體教學,使目前這種“教師教—學生學”的模式逐步向 “教師—教學生學”轉化。多媒體和網絡技術可克服傳統教學表現手段落后、更新周期長的限制,使原來難以講授的內容變得易行,促進對教學內容作相應的改進,反映結構化學新進展。

[1] 鄧存,劉怡春.結構化學基礎 (第二版)[M]1北京:高等教育出版社,1995.

[2] 周公度,段連運.結構化學基礎(第四版)[M]1北京:北京大學出版社,2008.

[3] 徐光憲,王祥云 1物質結構 (第二版)[M]1北京:高等教育出版社,1987.

[4] 潘道皚,趙成大,鄭載興等.物質結構.北京:高等教育出版社,1982.

[5] 江元生等.結構化學(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