辅助式教学手段在结构化学课程教学中的探索

叶 云，于 湛

(沈阳师范大学 化学化工学院，辽宁 沈阳 110034)

结构化学是研究单质、化合物、试剂和材料等各种化学物质在原子和分子水平上的微观结构、运动规律、性能和应用的科学，是化学科学的重要理论基础[1]。作为现代高等院校化学专业一门重要的基础理论课程，结构化学不仅可以帮助学生从原子和分子层面上掌握微观物质的运动规律，还可以培养他们探索宏观与微观世界之间联系的思维能力。然而，结构化学概念抽象、理论性强，又缺乏合适的配套实验课程对所学知识进行巩固和加深；课程对学生的逻辑推理能力、数学物理知识、空间想象能力及用结构化思维解决具体问题的能力等要求较高。因此，学生普遍认为结构化学是本科最难学、不实用且枯燥无味的课程之一，这种状况下，再采用传统的课堂灌输式教学，会直接导致学生学习动力不足，厌学情绪明显。

如何能够充分利用各种辅助资源，提高结构化学课程的教学质量、调动学生学习兴趣，培养学生从现有知识联想到前沿知识的思维能力、激发创新意识，是结构化学课程教学的一个难题。为此，本文根据结构化学课程的知识特点，结合教学实践及国家对创新型人才培养的要求，探索了几种辅助式教学手段在结构化学课堂教学中的作用。

1 多媒体课件与板书相结合

结构化学研究的是原子、分子和晶体的微观结构、运动规律及结构和性质之间的关系，其中涉及到的复杂的空间结构和大量的抽象概念是学生遇到的主要难题。多媒体课件内容多样，可以插入公式、图像、动画效果、小视频等元素，增强了课堂教学的趣味性和可视性，教学效果和知识传授效率是传统板书所无法比拟的。比如，教学过程中用PPT编辑公式，简化薛定谔方程的推导求解过程，将教学重点放在对结果的分析和讨论上；运用2D图像和3D动画效果帮助理解电子云、原子核外电子运动、分子轨道理论、分子的对称性、晶胞结构等。另一方面，多媒体课件信息量较大，在课件播放讲解时，加上必要的板书，可以帮助学生分清知识点的主次，给学生逐步接受教学内容的时间[2]。这就需要教师在课下对教学过程进行精心设计，课堂授课时实现多媒体课件与板书的有效结合，以达到在课堂上最大化传递信息量的同时，帮助学生有效的接收所学知识内容。

2 网络辅助软件及手机app的使用

绝大多数的分子、晶体结构都可以利用网络辅助软件(如FLASH、3DMAX、Chemoffice及Gaussianview等)做成可实时操作的3D模型，在讲到分子的点群、对称操作时，可利用软件将分子结构做成3D模型对其进行移动、旋转、缩放等，来展现分子的对称性及空间构型，给学生呈现出非常直观清晰的形象，使他们能精准找出分子的对称元素，确定其所属点群，这样不仅降低了课程难度，也增加了课堂的趣味性。另一方面，手机集现代科技尖端于一身，功能强大，在娱乐之余，手机还是学生进行结构化学学习的一种强大助力。例如：3D Sym Op是由新加坡国立大学开发的一款关于分子点群的教学应用App，可通过立体可视的方式直观地展示各种点群所包含的对称元素；CrystalViewer是由伯明翰大学开发的一款可视化晶体结构教学应用App，使用者可以通过选择晶胞形式、晶胞参数以及结构基元合成不同的立体晶体结构图；此外，学生还可利用Mo-cubed应用直接绘制立体分子模型，然后进行量子化学计算得出优势构象、红外吸收光谱图像以及分子轨道能级图等数据[3]。

3 科研辅助教学

21世纪的化学是理论与实验相互结合、相互渗透的科学，通过实验能使抽象概念变得直观，实验现象加深对理论的理解。当今世界科学研究的发展日新月异，国家迫切需要高校培养出更多具有开拓性和创新能力的人才，让大学本科生积极参与到教师的科研活动中，是培养学生研究创新技能的有效方式。我校结构化学课程的教学对象是大学三年级的学生，他们通过无机化学、分析化学、有机化学以及部分物理化学的学习，具有相当的化学专业知识。在此基础上，利用我们学院基础实验室里先进的仪器分析设备(如X射线衍射仪、光电子能谱仪、紫外-可见吸收光谱仪、红外和拉曼光谱仪等)，结合教师的科研项目，让基础较好的学生承担部分力所能及的科研工作，同时，鼓励学生阅读专业性强的中英文学术著作、论文和文献等，鼓励他们积极参加学术讲座，培养他们关注学科领域前沿动态的习惯，拓宽专业视野。这样的“融教学与科研为一体”，能够引导学生掌握科学的学习、思维和科研方法，不断更新和丰富知识库里的学科前沿信息，理论联系实际，自觉形成探索未知和自主创新的意识和能力，不仅可以帮助学生提前适应社会工作的需求，还能够顺利衔接想继续深造学生接下来的研究生阶段[4]。

4 开展翻转课堂

翻转课堂是一种新兴的教学方法，教学理念是学生课下自主观看教学视频，课堂时间则由教师和学生通过快速测评、交流答疑、总结和反馈等组成。翻转课堂上，教师由授课转为进行引导，要求学生的高度参与，有助于激发学生的学习热情，培养他们对知识点举一反三的能力。因此，笔者也尝试逐步将翻转课堂引入到结构化学教学中来。考虑到结构化学理论性强与自学难度大的特点，我们选择相关理论在具体体系的应用作为翻转课堂的内容[5]。例如，运用量子力学的基本假设来处理一维势箱中粒子，根据教材和南开大学孙宏伟教授的网上授课视频，提炼出波函数、算符、本征值、箱中粒子等知识点，帮助学生课下学习并理解量子力学中用来描述微观体系运动规律的五个基本假设，同时在教学平台发布势箱模型在化学中的几个经典应用案例：解释共轭多烯π电子的离域效应、解释直链共轭多烯电子吸收光谱的波长与链长的关系、解释共轭体系离域与C—C键键长平均化的关系等。课堂教学部分围绕“一维势箱的应用”展开，由学生选取化学中常见的几种直链共轭多烯或燃料分子，分组讨论并运用一维势箱模型讲解其中的离域效应、吸收光谱与红移现象，教师负责指导点评，并进行随堂小测试考察学生对知识的掌握程度。通过观察学生的课堂表现及课后的问卷调查，笔者发现翻转课堂模式下的结构化学教学确实提高了部分学生的学习兴趣和课堂参与度，同时笔者也充分认识到，课下如何督促学生自主学习和课上如何在短时间内有效组织学生进行深层学习是翻转课堂的难点，这要求教师课下需付出更多时间和心血去细致安排组织翻转课堂的内容。

5 结语

在教学过程中，我们结合结构化学中的重点和难点问题有针对性地设计使用不同的辅助式教学手段，且不断尝试并更新具有创新性和启发式的教学活动，不仅激发了学生的学习热情，提升了学生的自主学习能力，更重要的是，培养了学生的科研创新能力和综合实践能力。今后我们仍将尝试更多的适应学科发展的结构化学教学改革模式，以期不断提高教学效果，利于21世纪高素质创新型人才的培养。