材料科學類結構化學課程教學內容的改革與優化

摘要：根據結構化學的研究內容和材料科學學科的特征，遵循加強基礎、強化能力、整體優化、精選內容、更新知識、突出應用、反映前沿及簡明扼要的原則，根據專業規范，應從6個方面來把握教學內容的選取。

關鍵詞：材料科學；結構化學；教學內容

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）18-0032-02

湘潭大學目前除了化學專業、應用化學專業開設結構化學之外，材料物理、材料化學、材料科學與工程這3個材料科學類的專業也開設結構化學課程，5個專業使用的教材均為周公度、段連運先生編著，北京大學出版社出版的結構化學基礎（第4版）一書。根據近幾年來材料科學類結構化學的教學實踐情況，考慮到材料科學學科與化學學科之間的差異，根據材料科學與工程教學指導委員會制訂的高等學校材料物理、材料化學專業規范，優化適合于材料科學類3個專業的結構化學課程的教學內容實有必要。

一、結構化學的內容和課程的任務

結構化學是研究原子在空間相互結合成分子或化學實體的方式（結構）、依據（化學鍵本質）、規律及結構與性能間的聯系，它是聯系材料宏觀與微觀的橋梁，是材料設計的基礎。結構化學以在分子水平上研究自然科學問題為其主要目標與特征，這決定了它不僅是研究化學反應機制、化學的內在規律性、各類化學體系立體構型、鍵型及構效關系的指南，而且已成為材料科學、分子生物學、金屬有機化學等新興、邊緣或綜合學科發展的支柱。結構化學不僅與化學各分支學科，而且與材料科學、物理學、地學、生命科學、冶金學等學科有廣泛的橫向聯系與交叉。結構化學的另一個重要內容就是與合成化學、理論化學以及材料科學、生命科學、固體物理等相鄰學科一起，建立分子工程學、晶體工程學等學科。

結構化學課程是材料科學類的一門基礎課，其任務是使學生深刻掌握微觀物質運動的基本規律，獲得原子、分子和晶體結構的基本理論、基礎知識，深入掌握物質結構和性能的相互關系，牢固樹立結構決定性能的觀點，了解研究分子和晶體結構的近代物理方法。通過這門課程的學習，培養學生的創新精神和實踐能力，進一步培養學生從結構的觀點分析問題和解決問題的能力。結構化學的教學對于鍛煉學生思維、開發學生智力、發展學生能力、提高學生綜合素質有著極其重要的作用。凡具有較好理論基礎的大學畢業生，適應能力強，后勁足，結構化學的教學起著十分重要的作用。

二、材料科學的特征

材料科學與工程正在發生深刻的變化，其研究已深入到原子尺度，突出特征表現在3個方面。第一，材料科學技術化，材料技術科學化，材料科學與工程技術日益融合，相互促進；第二，新材料、新技術、新工藝相互結合，為各個工程領域開拓了新的研究內容，帶來了新的生命力和發展前景；最后，學科之間的相互交叉滲透，使得各學科之間的關系日益密切，難以分割。基礎科學與現代技術的新成果也和材料科學與工程的發展交織在一起。

從教材角度看材料科學，具有3個特征：基礎性、前沿性和應用性。基礎性，一方面指材料科學的研究是建立在物理、化學的基礎上，沒有扎實的理化基礎從事材料研究與開發是難以想象的。另一方面，當前材料科學研究顯示出突出的交叉性和綜合性，學科內容及規模不僅體系龐大而且紛繁蕪雜，沒有扎實的基礎就難以抓住要害，不能適應學科的變化和發展，這就要求教材毫不含糊地重視基礎。前沿性是指材料科學的發展速度迅猛，只有在教材中恰當地反映這些變化，才能使學生適應日后的研究工作。應用性是指材料研究的目的而言，是為了實際應用。當今材料研究從實驗室到工業化的時間大大縮短，材料研究與開發已成為高科技的重要組成部分，要求在教材中有意識地體現這一特征。

三、結構化學課程教學的主要內容與基本要求

根據結構化學的研究內容和材料科學學科的特征，材料科學類的結構化學課程不僅要兼顧物理系的材料物理和化學系的材料化學2個專業，包含適當的量子力學基礎、固體理論和表面結構化學，還要適當地介紹一些的功能材料，不能“有理無物”，而且既要與材料物理課程和材料化學課程緊密地相聯系，又要區別開來，既要與計算物理課程和計算化學課程相聯系，又要區別開來，突出材料結構與性能的關系，簡要介紹分子設計學。遵循加強基礎、強化能力、整體優化、精選內容、更新知識、突出應用、反映前沿及簡明扼要的原則，進行教材編寫。

在內容的選取上，首先把握更新與精選，處理好“新”與“基”的關系。在加強基本教學內容的前提下適當反映新內容，拓寬知識面，體現“少而精”、“精而新”的原則。不僅要反映現代科學的發展趨勢和學科的前沿理論，而且應注重結構化學課程對其他課程和學科的滲透，提高綜合度。其次充分重視理論聯系實際。在不同部分側重點不同，力求加強宏觀與微觀的聯系，掌握規律。第三，注意演繹法和歸納法2種方法的應用。RHoffmann曾說：“化學理論的最主要作用是提供一種思維方式，以總結更新知識”。結構化學作為理論化學的重要組成部分，要求該課程使學生在2種思維模式即演繹法和歸納法方面均得到較好的訓練。中國傳統教學偏重演繹，優點是嚴謹，但缺乏創新意識，而美國等國家在教學上側重歸納，優點是獨立思考和創造能力強，缺點是基礎不夠扎實。因此，我們力求將2種思維模式在各個章節都有所體現，期望學生受到全面的訓練。第四，充分注意習題的作用。習題是鍛煉思維的體操，是學習過程中的重要一環，做習題不僅是理解、掌握知識，而且是學會如何運用知識。雖然做習題本身不是科學研究，但對研究能力的養成有重要作用。許多科學大師都曾津津樂道于他們早年在習題中的受益。A Sommerfeld曾寫信給他的學生W Heisenberg，告誡他：要勤奮地去做練習，只有這樣，你才會發現，哪些你理解了，哪些你還沒有理解。楊振寧也曾回憶他的大學學習：西南聯大教學風氣是非常認真的，我們那時念的課，一般老師準備得很好，學生習題做得很多。的確，“勤奮地去做練習”，“習題做得很多”，往往是達到成功的一個階梯。因此例題習題選編的恰當與否直接影響教學效果，這在內容多、學時少、提倡自學的當今時代顯得尤為重要，對于結構化學課程而言更是如此。習題不能全部簡單化，我們編寫了一定數量的綜合訓練題。最后，注意課外讀物的作用。課外讀物有利于拓寬學生的知識面，培養學生的自學能力。閱讀原始研究論文能夠培養學生良好的思維能力和思考問題的方法，提高他們分析問題和解決問題的能力。在結構化學中，每一個基本原理或理論大都對應一位科學大師，學習他們的研究方法及寫作技巧，對學生將來從事科研等工作十分有益。

因此，材料科學類的結構化學課程教學內容應包括下列6部分內容，各部分的基本要求如下：

1.量子力學基礎和原子結構。這部分內容在第1、2章中講授。要求了解量子力學的基本假設，掌握氫原子和類氫離子的薛定諤方程及求解要點，提高對原子結構的認識，深入理解原子軌道的意義、性質和空間圖象。了解多電子原子的自恰場方法及中心力場近似法，了解核外電子布居的依據，了解角動量的偶合及原子光譜項的意義。

2.化學鍵理論和分子結構。這部分內容主要在第3、5、6、10章中講授。要求重點掌握化學鍵的三個基本理論：分子軌道理論、價鍵理論和配位場理論。其中第3章要求了解線性變分法處理H2+和H2，了解共價鍵本質及典型的雙原子分子的電子排布。第5章要求掌握價鍵理論在多原子分子結構中的應用，掌握s-p雜化軌道的造法及鍵角公式。要求掌握HMO方法及其在共軛分子中的應用，掌握前線軌道理論和能量相關圖及其應用。第6章要求掌握配位場理論在配位化合物結構中的應用，π-σ配鍵化合物和過度金屬簇合物的電子結構或成鍵特征與性能。了解分子光譜、電子能譜原理。掌握現代化學鍵理論在討論非金屬化合物成鍵特征及結構與性能關系方面的應用。

3.點陣理論和晶體結構。這部分內容主要在第4、7、8、9章中講授。要求根據分子的幾何構型確定分子所屬的點群，初步了解群的表示和特征表的意義。了解偶極矩、旋光性與分子結構的關系。要求著重了解X射線衍射等方法所依據的基本原理，以及在測定結構中的作用和應用范圍，為了解與掌握現代化學中的重要實驗方法打下初步的理論基礎。掌握描述晶體結構的表達方法，掌握金屬、離子化合物的晶體結構與性能。了解用結構化學理論研究固體表面的結構和性能的方法。

4.功能材料結構與性能。這部分內容在11章中講授。初步了解幾類重要的功能材料，加深理解結構決定性能的觀點，初步了解功能材料結構與性能的關系。

5.分子設計基礎。這部分內容在12章中講授。初步了解分子設計的基本原理及其應用。

6.參考文獻及習題。這部分內容分散在各個章節。

作者簡介：王學業（1963-），男，湖南人，博士，教授，主要研究方向：理論與計算化學。