化解畏難情緒，培養(yǎng)學科興趣
——結(jié)構(gòu)化學導(dǎo)入課的探索與創(chuàng)新

馮瑾，李寶鳳，毛新龍，畢思瑋

曲阜師范大學化學化工學院，山東 曲阜 273165

1 引言

當代大學生處于信息指數(shù)增長的時代，短視頻等媒介使知識的獲取變得碎片化、快速化、表層化，這在擴大學生知識面的同時也對高度持續(xù)性、深度化的專業(yè)課學習帶來了沖擊。為了全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，《教育部關(guān)于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中提出了“提高學生自主學習能力”“引導(dǎo)學生深思考、善提問”等要求[1]。化解學生的“畏難情緒”、引導(dǎo)學生主動發(fā)現(xiàn)課程趣味性是提高學生學習興趣的首要任務(wù)，也是學生在課堂中發(fā)揮學習主動性的必要前提。

在眾多化學專業(yè)必修課程中，結(jié)構(gòu)化學面臨的困境尤為突出：在課程開始前，學生容易因聽聞其中的大量數(shù)學公式而產(chǎn)生“畏難情緒”和排斥心理；在課程學習后，由于結(jié)構(gòu)化學知識章節(jié)的抽象性、獨立性和與其他化學分支的多交叉性，學生容易因缺乏對知識整體性的認知而無法形成系統(tǒng)的知識脈絡(luò)，造成混淆和遺忘[2,3]。在曲阜師范大學化學院，結(jié)構(gòu)化學是師范類本科生大三上學期的必修課，而有些學生在大三下學期的教育實習中，就表現(xiàn)出了對知識的淡忘。對于高中化學教材選修二“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”中的分子空間結(jié)構(gòu)、配合物性質(zhì)等內(nèi)容，學生不能精準地將其與結(jié)構(gòu)化學所學的內(nèi)容對應(yīng)，更不能通過縱向深挖與橫向比較對這些內(nèi)容進行高水平的講解。這種現(xiàn)象一方面與學生得過且過的心態(tài)有關(guān)——考研對結(jié)構(gòu)化學的內(nèi)容涉及極少，導(dǎo)致部分學生不愿對不感興趣且“無用”的知識深入鉆研；另一方面，由于缺乏對結(jié)構(gòu)化學學習內(nèi)容和邏輯的整體認知，導(dǎo)致學生對各章節(jié)的知識點死記硬背，容易遺忘。

2 結(jié)構(gòu)化學導(dǎo)入課的創(chuàng)新和改革

基于以上問題，筆者在第一節(jié)課的兩課時中使用“情景式”“交互式”“解決問題式”等方法，通過趣味類比明確結(jié)構(gòu)化學的內(nèi)容邏輯，指出其研究范圍和對數(shù)學的需求程度，其中教師引導(dǎo)、講解時間和學生討論回答時間比約為3: 2。這節(jié)課旨在降低學生的預(yù)期難度，激發(fā)學生的求知欲與學習積極性。經(jīng)過改革，班內(nèi)學生在課堂表現(xiàn)活躍，期末的卷面平均分數(shù)明顯高于改革前，且效果具有明顯的持續(xù)性——把理論計算專業(yè)作為考研的第一志愿的人數(shù)大幅上升，并且每年都有學生主動報考筆者本人的研究生。改革后，班內(nèi)不及格率由7%降到1%，優(yōu)秀率變化不大為12%，良好率顯著提高至75%——以上數(shù)據(jù)表明改革對加強基礎(chǔ)知識的掌握有明顯的效果。第一節(jié)課的改革不需要額外的輔助工具，對硬件設(shè)施要求低；所設(shè)計的情景模式可以被直接借鑒，適用性強；同時也提供了一個可以進行人物、地點等信息更改的框架，可以依照個人情況進行改良。

首先，介紹結(jié)構(gòu)化學與其他化學學科的相通和不同之處，也就是明確學習結(jié)構(gòu)化學能做什么。展示Cu2+在不同溶劑中顯示出的不同顏色——[Cu(H2O)4]2+藍、[Cu(OH)4]2-藍紫、[Cu(NH3)4]2+深藍、[CuCl4]2-黃，并使用已學化學知識點明原因是形成了不同的配合物。而通過結(jié)構(gòu)化學的學習，可以進一步揭示配合物顯色不同的根本原因，是Cu2+中電子躍遷所需能量的改變。指出學習結(jié)構(gòu)化學的作用之一，就是從原子和電子層面進一步解釋各種現(xiàn)象和反應(yīng)的機理，以便更好地利用。舉例“量子糾纏”在通訊方面的重要作用，點明這是屬于微觀世界的獨特性質(zhì)。指出學習結(jié)構(gòu)化學的作用之二，發(fā)現(xiàn)、掌握微觀世界的獨特規(guī)律并且利用這個規(guī)律發(fā)展新的科技。然后，設(shè)置“兩位女同學的動物館之行”的情景，把動物相關(guān)理論與量子力學的發(fā)展、由個體到部落與由原子到分子的構(gòu)成制度、動物的運動軌跡與電子云圖等進行類比(圖1)。完整的情景設(shè)定有助于理解課程整體的知識邏輯和各單元之間的聯(lián)系，也有利于學生在了解學科發(fā)展復(fù)雜性與類似性的過程中培養(yǎng)個性和共性辯證統(tǒng)一的理念——在扎實地掌握課堂知識之余，讓學生運用結(jié)構(gòu)化學中的原理從微觀層次上分析理解其他相關(guān)知識，從而潛移默化地獲得科學的思維方式和優(yōu)良的科學素質(zhì)[4-6]。

圖1 結(jié)構(gòu)化學導(dǎo)入課的情節(jié)設(shè)置及其對應(yīng)知識的框架關(guān)系圖

2.1 出場——結(jié)構(gòu)化學獨特的“概率”和“量子化”

由人物的出場引出微觀世界的“概率”和“量子化”概念，介紹量子力學的興起。首先，兩位女同學坐車沿線路向動物館前進，根據(jù)車的初始狀態(tài)和行駛的速度，很容易準確得到某時車會出現(xiàn)在某地。然后，類比指出電子的運動不具備這種準確性，播放雙縫干涉實驗的視頻和百年前與近期《自然》雜志上的電子運動驗證實驗[7]，引出量子世界的“概率”概念。量子力學中波函數(shù)的“概率”概念出現(xiàn)不到百年(1926年提出，1954年獲諾貝爾物理學獎)，在“概率”概念剛提出且未被實驗證明時，曾有“上帝不擲骰子”“薛定諤的貓”等著名的反對觀點，但愛因斯坦對由黑體輻射實驗得到的“量子化”概念表示贊同，并由此解釋了光電效應(yīng)。通過以上介紹，引導(dǎo)學生在分析事物發(fā)展的過程中注重理論與實踐、前進性與曲折性的辯證統(tǒng)一。最后總結(jié)，現(xiàn)在大家普遍接受了微觀世界和宏觀世界的運行法則不同、適用理論不同，我們所學的結(jié)構(gòu)化學就是描述微觀世界的理論，在學習過程中需注意其與經(jīng)典力學的聯(lián)系和區(qū)別。

2.2 動物的進化和運動——結(jié)構(gòu)化學基本公設(shè)和薛定諤方程的意義

列舉關(guān)于線段的公設(shè)和定理，說明公設(shè)在學科發(fā)展中的重要性——引出量子力學的公設(shè)。觀看黑猩猩的運動影像回憶力與運動參數(shù)(加速度、速度等)的關(guān)系，歸納出對簡單力學公式的運用要求。點明薛定諤方程旨在描述微觀系統(tǒng)的運動性質(zhì)，并引導(dǎo)學生運用復(fù)雜問題簡單化的方法，類比力學公式得到薛定諤方程初學要求：① 掌握薛定諤方程及其在一維模型中波函數(shù)的基本寫法；② 掌握薛定諤方程可以解出的主量子數(shù)、角量子數(shù)、自旋量子數(shù)等物理量，但對其求解過程不做要求。通過舉例引導(dǎo)學生使用課堂知識解決實際問題——在生活中，可以根據(jù)車速和距離粗略估計到達某地所需的時間；微觀體系中，可以把薛定諤方程簡化成一維模型解釋共軛體系的電子分布。復(fù)習力與距離、速度的對應(yīng)圖像，指出薛定諤方程中波函數(shù)的形狀類似正弦函數(shù)。由速度的大小和方向可繪制黑猩猩的運動路徑圖，同理波函數(shù)可以得到與電子運動軌跡相關(guān)的電子云圖形。黑猩猩攝入能量能夠攀上更高的樹枝，從數(shù)學上對應(yīng)重力勢能的改變；電子吸入能量可以運動到更高的能級，從數(shù)學上對應(yīng)原子光譜項之間的躍遷。每種動物的運動方式不同，每種原子的光譜也各具特點，可以作為區(qū)分原子種類的依據(jù)(焰色反應(yīng))。

2.3 動物的群居生活——分子的構(gòu)成規(guī)則和結(jié)構(gòu)

動物學家通過觀察一只狼的行為，可以判斷其為獨居、成對還是群居活動；量子學家可以根據(jù)原子的電子結(jié)構(gòu)判定其組成穩(wěn)定分子時為單個、兩個還是多個，更容易失電子還是得電子。多只狼、螞蟻、大雁組成部落時，內(nèi)部有地位劃分和運行規(guī)則；多原子組成分子也要遵循一定的規(guī)則，有多種理論嘗試解釋其中原理，例如價鍵理論和分子軌道理論。為完善價鍵理論對構(gòu)型的解釋，發(fā)展出了雜化軌道理論。舉例說明軌道雜化與某些生物雜化的相似性——雜合子的布偶貓與純合子的性狀表達不同，雜化軌道與原始軌道的性質(zhì)不同，然后明確雜化軌道的學習要求。部落對個體的要求與分子軌道理論中分子對組分原子的要求對應(yīng)；部落中每一個成員的地位排序?qū)?yīng)分子軌道的能級排序；部落的能力體現(xiàn)在戰(zhàn)斗力上，分子的穩(wěn)定性體現(xiàn)在鍵級上；部落集體行動時，個體排布的樣式(雁群的人字形等)與分子中原子的排布圖形對應(yīng)。討論個體外觀(例如蝴蝶圖案)和群體排布的對稱性，進而類比展示多種典型的分子對稱結(jié)構(gòu)，并以Fe(C5H5)2為例討論對稱元素的對應(yīng)關(guān)系，同時表明用數(shù)學形式表示分子對稱性的簡便性。

2.4 動物部落內(nèi)部關(guān)系的確定——物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測試方法

通過小狼對成年狼的依賴程度可以大致判定兩者的母子關(guān)系，就像通過無色無味氣體與澄清石灰水的反應(yīng)情況可以初步判定其是否為二氧化碳。現(xiàn)在，科技可以提供精準的判定方法，如DNA序列的測試、分子結(jié)構(gòu)的測試。以HCl為例，引出雙原子分子鍵長的測量方法——轉(zhuǎn)動光譜。以C2H4O的結(jié)構(gòu)探測為例，介紹可以分辨其為CH2CHOH還是CH3CHO的方法——紅外光譜。核磁共振技術(shù)可以通過改變磁場確定H原子的種類和個數(shù)進行結(jié)構(gòu)分辨，而且已成功應(yīng)用在醫(yī)學上——這項技術(shù)在20世紀獲得了6次諾貝爾獎。初步講解X射線成像和核磁共振成像的基礎(chǔ)原理和對人體影響的不同，以生活中的應(yīng)用提高學生的學習興趣，并表明后續(xù)會具體學習核磁共振的機理，還會學習與激發(fā)態(tài)性質(zhì)相關(guān)的光電子能譜。

2.5 動物油畫和鉆石畫——絡(luò)合物和晶體

紀念品商店中的動物油畫色彩斑斕，其中的藍色顏料(蝴蝶、孔雀等)大多為普魯士藍——配合物Fe4[Fe(CN)6]3，也是一種極具潛力的電池正極材料。舉例介紹配合物的顏色和分子結(jié)構(gòu)特點，并初步分析無水硫酸銅在水、氨水、濃鹽酸中的不同顏色，告訴學生通過配合物的學習，可以解答配合物不同顏色的機理。商店中的鉆石畫光芒閃爍，但其中鑲嵌的物體有可能是鉆石、鋯石、水晶或者玻璃。給出各物質(zhì)的熔融曲線，指引學生使用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思維分析平臺存在的原因——相同鍵的斷裂溫度一致。結(jié)合鉆石(C)和水晶(SiO2)的結(jié)構(gòu)圖，找出其中相同的化學鍵，再進一步指出特定單元的有序排列，點明晶體的結(jié)構(gòu)特點。列舉鉆石與石墨、NaCl和KF等物質(zhì)的性質(zhì)對比，表明晶體結(jié)構(gòu)對性質(zhì)的影響，點明我們會學習幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)并求其空間利用率。

2.6 量子通訊——蓬勃發(fā)展的中國量子力學

得益于我國世界領(lǐng)先的量子通訊技術(shù)——世界第一顆量子衛(wèi)星“墨子號”，兩位主人公事后的聯(lián)網(wǎng)交流內(nèi)容可以不被探聽和監(jiān)測，通訊安全得到保障。量子力學的發(fā)展離不開先驅(qū)們的貢獻，從唐敖慶、徐光憲先生學成歸國到“物質(zhì)結(jié)構(gòu)暑期進修班”培養(yǎng)出“八大金剛”，在介紹國內(nèi)量子力學發(fā)展史的同時也介紹現(xiàn)階段各高校量子化學的發(fā)展情況，增強民族自信心，鼓勵學生為學科的發(fā)展貢獻力量。結(jié)合筆者自身的學習背景和獲得過“唐敖慶獎學金”的經(jīng)歷，分享自己學習結(jié)構(gòu)化學的感悟和收獲，激勵學生在本學期和以后的生活中認真學習和運用結(jié)構(gòu)化學相關(guān)知識。

3 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)化學的學科特點和本校的學情現(xiàn)狀出發(fā)，針對學生在結(jié)構(gòu)化學學習和運用中產(chǎn)生的問題，以導(dǎo)入課為切入點進行改革探究。在導(dǎo)入課中使用輕松易懂的方式明確結(jié)構(gòu)化學的學習內(nèi)容和深度，以消除“畏難情緒”；介紹各知識之間的聯(lián)系和量子化學的發(fā)展及作用，以培養(yǎng)學科興趣。導(dǎo)入課的改革將對學生的學習自主性、課堂的活躍度有明顯的提高，也對學生們選擇量子化學作為深造方向有促進作用。在之后每一節(jié)課的開端，鞏固舊知識和導(dǎo)入新知識也是保證學生學習積極性和課堂良好學習氛圍的重要環(huán)節(jié)，如何根據(jù)每節(jié)課的特點進行合理的課堂設(shè)計，仍需要在教學過程中進行探究和完善。