結(jié)構(gòu)化學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)案例的挖掘

孟祥軍，王金梅，李子春

（1. 唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000；2. 河北正定中學(xué)，河北 石家莊 050800；3. 唐山市第二中學(xué)，河北 唐山 063000）

結(jié)構(gòu)化學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)案例的挖掘

孟祥軍1，王金梅2，李子春3

（1. 唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000；2. 河北正定中學(xué)，河北 石家莊 050800；3. 唐山市第二中學(xué)，河北 唐山 063000）

結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)抽象深?yuàn)W，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)案例，教學(xué)難度大。本文介紹了挖掘理論聯(lián)系實(shí)際案例的途徑和相應(yīng)案例。

結(jié)構(gòu)化學(xué)；理論聯(lián)系實(shí)際；教學(xué)法；案例

結(jié)構(gòu)化學(xué)課程是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)理論課。該課程通過探討物質(zhì)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生掌握微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，獲得原子、分子及晶體結(jié)構(gòu)的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，了解研究分子和晶體結(jié)構(gòu)的近代物理方法的基本原理。

結(jié)構(gòu)化學(xué)具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。其一是知識(shí)原理的抽象性和邏輯性。結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的對(duì)象是微觀粒子的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用的核心方法是基于“量子力學(xué)”原理的演繹法，而不是實(shí)驗(yàn)方法，所以既抽象深?yuàn)W又邏輯性強(qiáng)。為此，學(xué)好結(jié)構(gòu)化學(xué)需要學(xué)生不僅具備較好的專業(yè)基礎(chǔ)，還要具備良好的數(shù)理基礎(chǔ)（化學(xué)專業(yè)學(xué)生在這方面普遍較差）；而且需要學(xué)生具有多種思維形式（演繹思維、歸納思維、邏輯思維、抽象思維、形象思維和空間思維）。其二是知識(shí)原理多，但是學(xué)時(shí)少并且優(yōu)質(zhì)課程資源少。這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)難度很大。

由于結(jié)構(gòu)化學(xué)難度大，學(xué)生自學(xué)收效甚微，所以提高結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量主要依賴于教師的課堂教學(xué)效果。為此，如何在有限的課堂時(shí)間里提高教學(xué)效果，降低知識(shí)的抽象性，一直是結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)改革的重點(diǎn)。在這方面，開發(fā)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)案例是重要的方法之一。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)理論是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的理論，生活中很難找到合適的例子，但是我們可以聯(lián)系學(xué)生的學(xué)習(xí)、深造以及未來工作的實(shí)際，同樣可以挖掘出大量好案例。

1 聯(lián)系學(xué)生已有的知識(shí)實(shí)際，挖掘理論應(yīng)用的案例

把艱深的理論用來處理學(xué)生已知的問題，給學(xué)生以新的更深層次的認(rèn)識(shí)，可以降低理論的難度，保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[案例1]學(xué)生學(xué)習(xí)了“原子結(jié)構(gòu)理論”后，明白了原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解了原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系并且能夠理解元素周期律的本質(zhì)，但是綜合運(yùn)用“原子結(jié)構(gòu)理論”處理實(shí)際問題的能力不易培養(yǎng)。為此，在課堂上設(shè)計(jì)了如下例題。

[例題1]N、P、As、Sb、Bi元素性質(zhì)從非金屬元素過渡到金屬元素，但是屬于同一族，怎么解釋？

無機(jī)課本的解釋如下：N和P的次外層為8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，As、Sb和Bi的次外層為18電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，18電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)外層電子的屏蔽效應(yīng)比8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)，所以As元素的性質(zhì)接近Sb和Bi，三者稱為砷亞族。

以上只是考慮了屏蔽效應(yīng)的定性解釋。學(xué)習(xí)了“原子結(jié)構(gòu)理論”知識(shí)后，定性解釋除了要考慮電子的屏蔽因素，還應(yīng)考慮最外層電子離核的距離。甚至可以運(yùn)用Slater規(guī)則，根據(jù)能量公式（E= -13.6 Z*2/n2）得到上述元素最外層電子軌道能的定量結(jié)果（依次為-51.7 ev、-34.8 ev、-11.0 ev、-7.0 ev和-4.9 ev）。通過這個(gè)案例使學(xué)生既掌握了理論的運(yùn)用方法，又對(duì)理論的重要意義有了深刻的理解。

[案例2]學(xué)生學(xué)習(xí)了“前線軌道理論”，能夠理解理論的原理和方法，但在解決實(shí)際問題時(shí)不會(huì)用。為此，在課堂上增加如下有機(jī)化學(xué)中的電環(huán)化反應(yīng)實(shí)例。

[例題2]丁二烯關(guān)環(huán)反應(yīng)機(jī)理；

[例題3]乙烯與乙烯的環(huán)加成反應(yīng)機(jī)理；

通過處理上述熟悉的化學(xué)反應(yīng)，加深了學(xué)生對(duì)理論的理解，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)理論的運(yùn)用能力。

2 聯(lián)系學(xué)生的考研實(shí)際，挖掘理論應(yīng)用的案例

當(dāng)前我校化學(xué)系的絕大多數(shù)學(xué)生選擇考研，平時(shí)注意搜集考研試題，并在課堂教學(xué)中進(jìn)行處理，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。現(xiàn)舉3例如下：

[案例3] 在運(yùn)用“分子軌道理論”處理分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的教學(xué)中，選擇河北大學(xué)2006年的考研題作為例題。

[例題4]按分子軌道理論寫出O2分子的電子組態(tài)，并比較O2、O2+和O2-的鍵長(zhǎng)及磁性。

[案例4]在講解金屬晶體的“密堆積”理論時(shí)，采用中山大學(xué)2005年的考研試題作為例題。

[例題5]試比較A1和A3這兩種結(jié)構(gòu)的異同。

[案例5]在運(yùn)用“HMO”理論處理實(shí)際問題的授課中，采用廈門大學(xué)2002年的考研試題作為例題。

[例題6]使用HMO法推測(cè)N3+的幾何構(gòu)型。

3 聯(lián)系學(xué)生未來工作的實(shí)際，挖掘理論應(yīng)用的案例

化學(xué)系本科生畢業(yè)后主要從事中學(xué)教學(xué)工作，所以聯(lián)系中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際，從現(xiàn)行中學(xué)教材中挖掘理論應(yīng)用的案例，有的放矢的運(yùn)用所學(xué)理論，可以得到學(xué)生的普遍關(guān)注，能夠有效提高教學(xué)效果。下面以高中化學(xué)選修模塊五《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教材為例，列舉3個(gè)案例。

[案例6]運(yùn)用“雜化軌道理論”解釋分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時(shí)，選擇高中選修五教材中62頁的實(shí)例。

[例題7]為什么C原子與H原子形成CH4，而不是CH2或CH3？CH4分子為什么具有正四面體結(jié)構(gòu)？

[案例7]運(yùn)用“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，選擇高中選修五教材中63頁的實(shí)例。

[例題8]用“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”預(yù)測(cè)下列分子的結(jié)構(gòu)：BeCl2、BF3和CH4。

[案例8]運(yùn)用“配位場(chǎng)理論”解釋配合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的教學(xué)中，選擇高中選修五教材中71頁的實(shí)例。

[例題9]用“配位場(chǎng)理論”解釋[Ag(NH3)2]+、[Zn (NH3)4]2+、[Ni(CN)4]2-和[AlF6]3-等配合物的結(jié)構(gòu)。

4 聯(lián)系科學(xué)研究前沿的實(shí)際，挖掘理論應(yīng)用的案例

“科研進(jìn)教學(xué)，教學(xué)促科研”一直是高校所提倡的做法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠有效提高教學(xué)質(zhì)量。

[案例9]在“分子對(duì)稱性理論”用于分子旋光性判斷的教學(xué)中，為了加深學(xué)生對(duì)理論意義的理解，課堂上介紹科研熱點(diǎn)“藥物分子的不對(duì)稱合成”的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)介紹“生物體的手性特征”。

[例題10]上世紀(jì)60年代的“反應(yīng)停”事件，導(dǎo)致多例“海豹畸形兒”出生，原因是藥物“沙利度胺”的R異構(gòu)體起鎮(zhèn)定作用，而S異構(gòu)體起致畸作用。進(jìn)而介紹“生命是不斷產(chǎn)生手性分子的過程”。

[案例10]采用“分子軌道理論”處理N2分子結(jié)構(gòu)后，介紹科技前沿“化學(xué)模擬生物固氮”的研究現(xiàn)狀及困難的原因。

[例題11]“化學(xué)模擬生物固氮”的研究現(xiàn)狀及困難。

[案例11]講解“原子結(jié)構(gòu)理論”時(shí)，有些學(xué)生認(rèn)為“H原子只有一個(gè)電子層”，為了澄清這一誤解，介紹現(xiàn)代科技熱點(diǎn)“Rydberg原子”。

[例題12]你知道什么是“Rydberg原子”嗎？

雖然結(jié)構(gòu)化學(xué)課程抽象深?yuàn)W，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的例子，但是只要教師勇于開拓，深入研究學(xué)科實(shí)際和學(xué)生實(shí)際，就會(huì)挖掘出適用的案例，進(jìn)而有目的地運(yùn)用這些案例，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

[1] 陳光巨,李宗和.教與學(xué)的思考和實(shí)踐--關(guān)于結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)方法的改革[J].大學(xué)化學(xué),1998,13(5):15-17.

[2] 陳建中,林樹坤,黃長(zhǎng)滄,李榮華,李奕.結(jié)構(gòu)化學(xué)課程特色建設(shè)的實(shí)踐和思考[J].大學(xué)化學(xué),2006,21(1):17-19.

（責(zé)任編輯、校對(duì)：琚行松）

Cases Excavation of Integrating Theory with Practice in Structure Chemistry Curriculum

MENG Xiang-jun1, WANG Jin-mei2, LI Zi-chun3

(1. Department of Chemistry, Tangshan Teachers College, Tangshan 063000, China; 2. Zhengding Senior Middle School, Shijiazhuang 050800, China; 3. Tangshan No. 2 Senior Middle School, Tangshan 063000, China)

Due to the abstract of structure chemistry knowledge and lack of cases of integrating theory with practice, it is more difficult to teach and learn. In this paper, some cases of integrating theory with practice and how to excavate them have been discussed.

structure chemistry; theory with practice; didactics; cases

G642.3

A

1009-9115(2012)02-0123-02

唐山師范學(xué)院本科教學(xué)改革項(xiàng)目（2007002007）

2012-01-13

孟祥軍（1974-），男，河北承德人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)和量子化學(xué)計(jì)算。