結構化學教學中對學生學習興趣的培養*

李曉東

(南京師范大學化學與材料科學學院 江蘇南京 210046)

結構化學是化學類本科專業5大基礎課之一，它以電子構型和幾何構型為兩條主線，系統講授3種理論和3類結構：量子理論和原子結構、化學鍵理論和分子結構、點陣理論和晶體結構。它可為本科生打下3方面基礎：量子化學基礎、對稱性原理基礎、結晶化學基礎。這些基礎對于建立微觀結構概念、掌握現代測試方法具有不可替代的作用。以前大家一談到化學，都會不約而同地說到化學是一門純實驗的科學，1998年科恩和波普分別以密度泛函理論和量子化學計算方法獲得了諾貝爾化學獎，使得理論化學的發展邁向新的高峰，使化學真正成為了理論和實驗相結合的學科。而將化學理論和實驗真正結合在一起的正是結構化學。隨著科學技術的不斷發展，結構化學的重要性日益突顯。然而，由于結構化學的內容涉及較多的數學、物理知識，使得學生在學習這門課時普遍有一種畏難情緒，常常是被動地學，學習結構化學在他們看來是一件非常痛苦的事情。那么作為教師如何在教學過程中使學生的學習變被動為主動，變痛苦為快樂，這就需要不斷地加強對學生學習興趣的培養。俗話說“興趣是最好的老師”，學生只有有了學習興趣，作為教師才能夠切實提高課程的教學效果。下面以具體的教學案例為例，從3方面介紹如何在結構化學課程教學中加強對學生學習興趣的培養。

(1) 科學趣事的介紹可以很好地激發學生的學習熱情。

結構化學的教學內容大多較為抽象[1-3]，若在教學中適當地介紹一些科學趣事可以使枯燥的內容變得有趣，有助于激發學生的學習熱情。

教學案例1：黑體輻射。 開爾文在1900年4月27日英國皇家學會講演時充滿自信地說：“物理學的大廈已經建成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了”[4]。另一方面他又指出：“動力學理論斷言熱和光都是運動的方式，可是現在，這種理論的優美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了”[5-6]。然而正是這“兩朵烏云”才真正地為我們打開了認識微觀世界的大門。“烏云”之一就是今天要講的“黑體輻射”，為此普朗克提出了能量量子化的概念，標志著量子論的誕生。這樣，通過對量子論提出背景的介紹，既可以激發學生學習熱情，又很好地切入了教學主題。

教學案例2：光子學說。教師提問：“愛因斯坦一生最大的成就是什么呢？”學生答：“相對論”。教師介紹：“但是愛因斯坦卻是以‘光子學說’獲得了1921年度的諾貝爾物理學獎，因為當時有些著名的物理學家拒不接受相對論，甚至有人說，如果為相對論頒發諾貝爾獎，他們將退回已獲的諾貝爾獎。更為有趣的是，盡管愛因斯坦的光子學說是在受普朗克能量量子化的影響下提出的，但是普朗克卻對光量子理論持否定態度，反而對相對論給予了很高評價，這不能不說是科學史上的一大趣事。那么讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎的光子學說具體內容有哪些呢？它又是如何成功地解釋光電效應的呢？”由此可以很好地切入到光子學說這部分內容。

教學案例3：休克爾分子軌道理論。在講解這部分內容時，可以先介紹休克爾的背景以激發學生的學習熱情：“埃里希·休克爾原本是學物理的，受其兄——有機化學家瓦爾特·休克爾的影響，后來轉攻化學。由其提出的休克爾分子軌道理論在有機化學中得以廣泛應用，用以解決共軛分子的結構，探討分子的性質和反應性能，最終他的成就和名聲遠遠超越其兄。這種跨學科的學者作出重大發現的故事可以帶給我們哪些啟發呢？”

(2) 寓教于樂，讓學生在快樂中學習。

教師在教學中應盡可能地設計自己的教學內容，讓學生在快樂中學習，在學習中體會快樂。

教學案例4：分子對稱性。這一部分內容最重要的教學目標就是能夠讓學生快速、準確地判斷分子所屬點群。在介紹這部分內容之前，教師先提問：“武功的最高境界是什么呢”，學生答：“無招勝有招”；教師：“學習分子對稱性的基本過程實際上與武功的修煉是一樣的，基本過程如下：心中無招，手中無招(完全不懂)→ 心中有招，手中無招(學習了分子對稱性的基本概念，了解了各類點群的特點，但還不知道如何去應用)→ 心中有招，手中有招(學習了分子點群的系統判斷法，能對簡單分子點群進行判斷)→ 心中無招，手中有招(擺脫系統判斷法的束縛，能夠很好地使用各種已找到的對稱元素進行分子點群的判斷，特別是對難度較大的Dnd和Dn群[7])→ 心中無招，手中無招(最高境界，能夠快速、準確地判斷分子所屬點群)。”教師：“接下來我們就先從基本功來學起，介紹分子對稱性的基本概念：什么是對稱元素和對稱操作”。通過這樣的介紹，學生的學習興趣可以得到很好的培養。

教學案例5：對稱中心和反演操作。講解這部分內容可先從一個小游戲開始[8]：“每人輪流在一個大的國際象棋棋盤上放一枚硬幣。硬幣可放在盤上任何地方，只是不要與已放的硬幣重疊。如果愿意的話，一枚硬幣可以蓋上多于一個的方格。一旦放上，就不能再動。當一方發現在棋盤上沒有再放一枚硬幣的地方時，他就輸了。用最好的下法，是放第一枚硬幣者還是其對手取勝呢？給出取勝的策略。”教師給出答案：“很顯然是放第一枚硬幣者可以穩操勝券。策略：第一枚硬幣放在棋盤的中心位置，對方不管在哪里放硬幣，你只需要在其所放位置與棋盤中心相連反向延長等距離的位置放置硬幣即可，只要對方有地方可放，你就必然可以找到相應的位置(圖1)”。接著講解：“上述策略所依據的原理就是今天要講的對稱中心和對稱操作”。

圖1 硬幣游戲取勝策略

(3) 教學內容與時俱進，激發學生對科學研究的熱情。

教學中應不斷更新教學內容，常教常新，使教學內容與時俱進，盡可能反映學科的最新進展，真正做到理論和實際相結合，這樣既可以激發學生的學習興趣，又培養了學生對科學研究的熱情。例如：在結構化學教學內容中加入隧道效應、準晶體、石墨烯和石墨炔的介紹。

教學案例6：隧道效應。掃描隧道顯微鏡的發明是20世紀最重大的科技成就之一，使人類第一次真實地“看見”了單個原子。如圖2所示，掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像[9]，其原理就是基于量子力學的隧道效應。

圖2 掃描隧道顯微鏡下看到的PTCDA分子圖像

教學案例7：準晶體。隨著科學技術的不斷發展，材料科學的應用已不局限在晶體材料方面，特別是2011年諾貝爾化學獎頒給了發現準晶體的以色列科學家謝赫特曼，必然加大對準晶體及材料的進一步研究，因此在結構化學教學中應加入對準晶體的介紹。

教學案例8：石墨烯和石墨炔。在晶體結構部分講解石墨晶體時，可以順便介紹一下石墨烯(單層的石墨)和石墨炔結構[10](2010年中國科學院化學所的科學家成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積碳的一個新的同素異形體——石墨炔)，如圖3所示。此后，還可以讓學生通過查閱文獻了解這方面的最新研究動態。

圖3 石墨烯(a)和石墨炔(b)

結構化學的知識內容在現代化學學科中發揮著相當重要的作用，而結構化學課程的教學對于教師特別是青年教師來說還有許多困難，如何將抽象的知識形象化，如何設計自己的教學過程，很好地培養學生的學習興趣，切實提高結構化學課程的教學效果是教師需要長期思考的問題。

參 考 文 獻

[1] 李炳瑞.結構化學.北京:高等教育出版社,2004

[2] 趙成大,鄭載興,潘道皚.物質結構.第2版.北京:高等教育出版社,1989

[3] 周公度,段連運.結構化學基礎.第4版.北京:北京大學出版社,2008

[4] 趙崢.大學物理,2009,28(2):57

[5] 李醒民.物理,1984,13(11):699

[6] Kelvin L.Boltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light.London,1904

[7] 李曉東,李春燕,趙波.南京師范大學學報(自然科學版),2007,30(教學研究專輯):13

[8] 賴文.量子化學.北京：人民教育出版社,1980

[9] Weiss C,Wagner C,Kleimann C,etal.PhysRevLett,2010,105(8):086103

[10] Li G X,Li Y L,Liu H B,etal.ChemCommun,2010,46(19):3256