新工科背景下的結構化學課程教學改革探索

(商丘師范學院 化學化工學院 ， 河南 商丘 476000)

隨著全球一體化進程的加快，以“新技術、新產品”為特點的新興產業正在蓬勃發展，單一的技術人才已經無法滿足目前社會的需求，要求工程技術人才必須具備更高的創新能力和綜合素質，這樣才能在社會競爭中具有更好的主動性。2017年2月，教育部頒布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，旨在培育一批綜合素養高和創新能力強的復合型人才，為我國后續的科技發展提供充足的人才儲備。全國各地的高校也積極響應，其中對于傳統的工科專業進行升級改造也屬于新工科建設的一部分[1-3]。結構化學作為一門化學專業本科生的必修課程，主要研究的是微觀粒子的運動狀態以及物質的結構及其與性能之間的關系。學習完該門課程，學生可以從量子力學的角度理解電子、原子等微觀粒子的運動特征，同時可以使學生用微觀結構的觀點和有關方法去分析和解決實際化學問題，從而更有效地發揮化學學科的作用，符合新工科背景下高素質復合型人才的培養需求。而傳統的結構化學教學在教學內容、教學模式、教學評價等方面存在著一些問題，亟需改進。本文主要以商丘師范學院化學專業的本科生為研究對象進行改革探索，針對現階段結構化學教學過程中存在的問題進行深入探究，并提出相應的意見和改進辦法，擬探索出適用于新工科背景下結構化學課程的教學改革新模式。

1 結構化學教學中存在的主要問題

結構化學是一門以量子力學為理論基礎，結合無機化學、有機化學、物理化學和分析化學的理論知識研究化學物質微觀結構和運動特征的基礎學科。該課程的授課對象一般為大三或大四的本科生，可以說是對整個化學專業本科生的一門拔高課程，這就要求學生在學習過程中不僅要有扎實的數學、物理和化學基礎，還要具有較強的空間想象和邏輯推理能力。此外，該課程內容較少采用實驗環節進行授課，學生無法直觀地感受到學習的內容，而且教學中涉及到大量的高等數學公式推導，這就使得該課程理論性較強，內容枯燥無味，學生厭學情緒高，抵觸情緒比較大，甚至結構化學被有的學生戲稱為“天書”。

對于教師來講，該課程教學難度大，需要花費大量的精力備課，但教學效果并不明顯。同時，該課程的授課教師一般均為年齡偏大的資深教師，青年候補教師嚴重不足，甚至部分學校存在教師不愿意教授結構化學這門課的現象。另外，結構化學課程通常不作為考研科目，而且教學難度較大，因此許多學校對該課程的教學缺少足夠的重視，大量采用“填鴨式”教學模式進行授課，而在考試時只考一些簡單記憶性的知識，使學生缺乏對該課程內容真正的理解。這樣看似雖然也能完成教學任務，但在學生的接受程度上和對該課程的培養目標上還存在著大量問題。更有甚者，部分學校把這門難度較大的課程直接從學生的培養方案中刪除，這種做法是極其不負責任的。

基于目前結構化學教學的現狀，已不能滿足新工科背景下對人才培養的需求，因此有必要對其進行改革探索，從而建立新的教學觀念和教學模式。

2 新工科背景下結構化學教學改革措施

新工科背景下的工程技術人才培養方案要進一步得到提升，不能再單單地培養知識儲備型人才，這類人才已不再適合當前社會的需求，而應該是注重培養具有創新和實踐能力的復合型人才。因此，在課程教學改革方面要盡快改變傳統的教學觀念，探索和研發出新型的教學觀念和教學模式。

2.1 改進教學內容

2.1.1適當簡化教材內容和弱化公式推導

近年來，隨著我校培養方案的調整，化學專業的結構化學課程僅有36課時，而教材內容較多。因此，為了讓學生在有限的時間內更好地掌握該課程的核心知識點，有必要對教材內容進行一定的篩選，盡量簡化一些與其他課程重復的知識點。以周公度版的《結構化學基礎》(第五版)教材為例，教師著重講解第一章至第八章內容。但第二章的原子軌道輪廓圖、基態電子的排布、元素周期表與元素周期性質以及第三章的化學鍵概述這部分內容已經在之前的無機化學課程中進行了學習，因此該內容在課堂上可以盡量弱化，只需要從結構化學的角度進行解釋即可。除此之外，第六章配位化合物的結構和性質也在之前的無機化學和有機化學課程中有所了解，因此，為了避免重復講解，該部分內容也可進行適當地簡化學習。

另一方面，結構化學課程的核心內容為量子力學基礎知識的學習，并且用量子力學來處理電子、原子和分子等微觀體系的運動狀態以及晶體等微觀結構與其性能之間的關系，注重培養學生對微觀物質的認識能力。在整個教學過程中需要用到較多的數學公式，但該數學公式只是作為一種工具幫助學生更好地理解，其本身的公式推導不應該作為整個教學的重點，但是如果全部省略公式的推導過程會導致學生不能完全準確地理解整個概念。因此，要適當弱化公式推導過程，理解公式思路即可。比如在講解單電子原子的薛定諤方程及其解這部分內容時，重點應該讓學生掌握變數分離法的思想，而不是花費大量時間和精力在公式推導上面，這樣可以避免學生對復雜數學公式學習的抵觸情緒，同時可以做到重難點突出，讓學生更好地掌握整節課的核心知識點。

2.1.2結合現代科學研究激發學習興趣

結構化學課程一般是在本科生的最后階段才學習的，是學生在學習高等化學之前的一個過渡階段，可以說結構化學是連接本科生的四大化學與研究生階段要學習的高等化學之間的一個橋梁紐帶，該課程涉及到很多化學學科的基本內容和基本理論，是一門具有交叉性質的學科。因此，在教學過程中完全有必要引入與本學科有關的前沿內容和研究成果，從而更好地提高學生的學習主動性，促使學生真正地認識到結構化學在實際研究過程中所發揮的作用。比如，在講緒論的時候，教師可以結合近年來諾貝爾獎的得獎情況，介紹一下量子力學的發展史。在講第一章量子力學基礎知識里面的薛定諤方程時，學生一般都會感到十分枯燥，此時教師可以引入一個小故事吸引學生的注意，從而激發學生的學習興趣。此外，教師還可介紹一下目前研究者利用量子力學理論發展的計算機輔助藥物設計與研發技術，從而造福人類。在講到晶體結構和性質部分時，可以引入當前研究比較熱門的金屬有機框架材料(MOFs)。通過這種方法，不僅可以有效地集中學生的注意力，拓展學生視野，而且豐富了課本內容，活躍課堂氣氛，讓結構化學的學習不再枯燥乏味，而是更加地貼近實際研究，從而使學生更好地了解學習這門課程的重要性，激發學生的學習興趣。

2.2 轉變教學方法

任何教學方法和手段都不是萬能的，都應該針對具體的教學內容和教學對象進行不斷地更新和調整，從而才能更好地提高教學效果，激發學生的學習興趣。結構化學內容抽象難懂，理論性較強，且里面涉及到電子、原子、分子的微觀運動以及晶體的空間立體結構，學生在學習時理解起來比較困難，需要強大的空間想象力，相對傳統的課堂教學已經難以滿足該課程對學生的學習要求。因此，在教學過程中更應注重實踐環節的教學，培養學生的親自動手能力，增加學生對抽象物質的理解。比如在講分子對稱性和晶體結構這兩部分時，教師可以幫助學生開展模型實習，采用球棍模型或者Flash動畫等輔助軟件來模擬分子和晶體的空間結構，讓抽象物質變得具體化，讓學生更加直觀地感受到微觀粒子世界。

除了實驗教學以外，結構化學還可以采用啟發式教學和討論式教學手段相結合的方式。因課程內容難度較大，傳統的教師講授方式很難集中學生的注意力，因此要改變以往教師直接講述課程的教學方式，從問題出發，引導學生思考，鼓勵學生通過小組討論等形式來解決問題，培養學生的協作能力。讓學生變成課堂的主體，發揮主人翁意識，這樣才能有效地提高學習效果。比如在講雙原子分子的結構內容之前，可以向學生提問“為什么都是同核雙原子分子的O2和N2，二者的電子組態排布順序卻是不一樣的呢？”這樣可以使學生帶著問題去學習，并通過相互討論的方式來尋求答案，加深其對知識點的掌握，提高其分析和解決問題的能力。

2.3 多樣化考核方式

傳統的理論課考試重點在于對最后卷面成績的評價，而忽略教學過程中對學生的評價。為了避免學生應付考試，以及結合新工科背景下對人才培養的要求，我們應采取多樣化的考核方式，最終成績不應該只是期末考試的卷面成績，應該把學生的平時表現也納入考核范圍內，并相應加大此部分所占的比例。而平時表現不僅包括平時作業，還要包括學生課堂出勤率、課堂討論以及解決教師提出的問題等多種形式。此外，筆試試卷所考的內容不能只是一些簡單的記憶性問題，而要有一些要求學生綜合運用該課程較多的知識點才能解決的問題，要有一定的難度和深度，這樣才能夠有效地防止學生利用短暫的時間突擊考試的現象發生，同時也給后面的學生起到一個警示作用。這種考核方式的改變，可以使學生不僅重視課本知識的學習，同時更加重視平時課堂上的表現，以及課下預習解決問題的能力，從而更好地提高自身的綜合素養。

3 結論

結構化學是本科生階段的一門綜合性較強的學科，要求學生具有良好的化學基礎。本文通過分析目前化學專業結構化學課程中存在的問題，并結合新工科背景下對人才培養的要求，擬分別從適當簡化教材內容和弱化公式推導、結合現代科學研究激發學習興趣、轉變教學方法、采取多樣化考核方式等多方面進行改革探索，從而提升課程的教學質量，培養學生動手、協作和分析解決問題等綜合素質能力，為其后續工作或進一步深造打下堅定的基礎。