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提高结构化学教学质量的探索与创新
2019-07-12 浏览量:714


任莉君*  

宝鸡文理学院化学化工学院,宝鸡721013

摘要:结构化学是化学学科重要的理论基础,其原理和方法广泛应用于能源、材料、医药等领域。为提高结构化学教学质量,本文从研究教学内容内在联系入手,利用现代化教学手段进行教学方法探索创新,从而激发学生学习兴趣并提高学习自主性,达到良好教学效果。

关键词:结构化学;教学质量;教学内容;教学方法;大众文艺

结构化学是高等化学教育专业的一门基础理论课,该课程以量子力学理论为基础,从微观水平阐明原子、分子和晶体的结构、性质及应用,从而揭示微观物质结构与性质之间的关系[1, 2]。随着科学技术不断发展,许多前沿的理论问题及实验、测试技术等以结构化学的基本理论(如化学键理论、配位场理论和点阵理论等)、基本概念(如原子轨道、分子轨道和分子对称性)及基本实验原理为(如分子光谱和X射线衍射等)基础。目前,结构化学的原理和方法在能源、材料、环境、医药及生命科学等领域应用广泛[3, 4]。因此,结构化学是化学及相关学科重要的理论基础。然而,由于结构化学课程理论性强、内容抽象,在学习过程中需具备较强的数学和物理基础及空间想象力,使结构化学教学存在很多困难[5, 6]。本文针对结构化学课程特点及教学中遇到的问题,通过从教学内容、教学方法探索创新、培养和提高学生学习兴趣等方面进行探讨。一方面对提高结构化学的教学质量有很好的促进作用,另一方面对从事结构化学教学的青年教师具有一定的借鉴意义。

1. 注重知识点内在联系,归纳总结构建知识框架

讲授结构化学应注重知识内在联系性。以量子力学处理微观体系运动特征为例,通过推导得到定态薛定谔方程的一般形式,在分析一维势箱模型特点的基础上,得到描述在一维势箱中运动的自由粒子的定态薛定谔方程,通过数学方法解定态薛定谔方程得出方程解后,讨论一维势箱中运动的自由粒子的运动状态波函数及对应的能量特征。总结出量子力学处理问题的一般方法:(1)写出体系的哈密顿算符;(2)写出体系的定态薛定谔方程;(3)解定态薛定谔方程波函数当作未知函数,能量作为参数看待。利用初始条件、边界条件和合格波函数条件解方程);4)由所得波函数及能量关系式讨论体系的几率分布及其它物理性质。在后面章节讲氢原子及类氢体系的定态薛定谔方程及其解时,就可以引导学生运用这个一般方法来分析处理问题在讲授时可弱化数学推导过程,强化结果讨论,让学生重点了解量子数的由来以及单电子波函数的意义。在处理多电子原子结构定态薛定谔方程时,单电子近似、中心力场模型及屏蔽概念同样可以用于分析分子体系运动状态。讲授晶体结构时,从金属晶体的等径圆球密堆积原理过渡到离子晶体的非等径圆球密堆积,利用计算离子半径比分析正负离子配位数及离子晶体结构等问题在各章结束时,指导学生归纳总结本章知识点,构建知识框架,有助于学生理解和掌握主要原理、概念和方法,形成清晰的学习思路和知识体系。

2. 板书与多媒体课件有机结合,优势互补

结构化学课程内容抽象,理论性强且复杂,涉及的空间立体结构较多,传统的板书教学模式很难满足学生的需求。随着各大院校教学硬件设施的不断提高,多媒体教学以其独特的魅力而成为教师教学过程中的得力助手。现阶段,多媒体教学已成为结构化学教学中不可或缺的一种教学手段。在结构化学中采用多媒体教学一方面可节省教学时间并提高教学效率,另一方面可将抽象内容形象化[7, 8]。例如讲晶体场理论时,用多媒体展示d轨道能级在不同对称场中的能级分裂情况不同的原因是由于d轨道在不同对称场中所受作用力不同而致;讲分子对称性时,用动图演示分子的对称操作过程,学生更容易理解几类对称元素和对称操作;讲等径圆球密堆积原理时,通过演示一层一层圆球堆积过程,解释最密堆积的两种形式(立方面心最密堆积和六方最密堆积)。课堂上通过播放美丽化学创始人梁博士录制的常见晶体结晶过程,让学生充分感受微观晶体世界的美。在授课过程中恰当地运用多媒体有助于学生快速理解和吸收课堂教学内容,活跃课堂气氛,达到事半功倍的效果。然而,由于多媒体教学节奏较快,在有些章节的课程教学中又有大量公式推导和应用,如果纯粹依靠多媒体教学,不能达到很好的课堂效果。如在一维势箱薛定谔方程的求解过程中,充分利用板书一步步做推导,学生跟随老师讲解思路,能够充分理解知识点,加深对概念、知识点及公式的记忆和理解。因此,遵循教育教学规律,合理、恰当地运用多媒体技术,将板书与多媒体课件有机结合,优势互补,能够最大程度激发学生学习热情,从而提高教学质量,取得最佳教学效果。同时,可扩大规模性教学,推进结构化学教学的现代化。

3. 引入学科前沿知识,拓宽学生视野

结构化学教材内容偏重理论,有关知识点应用方面介绍很少且有所滞后,因此,将最新科研成果引入课堂教学环节,能够以科研促进教学激发学生学习兴趣。使学生在学习过程中充分感受到所学知识的实用性。在上第一节结构化学课时,首先讲述所在课题组的研究方向。通过介绍超级电容器研究背景让学生了解目前能源危机和环境污染问题的严重性,呼吁学生们在日常生活中利用所学专业知识保护环境;此外,使学生了解几种常见储能器件及其优缺点,最后通过讲授影响超级电容器性能主要因素之一电极材料,以二氧化锰电极材料为例引出不同晶相二氧化锰电极材料往往具有不同电容性质,从而让学生充分理解结构决定性质这一重要理论。讲授分子旋光性判据时,介绍手性分子与不对称合成,酶是由蛋白质与核酸组成的巨大手性分子,是不对称的催化剂,有强烈的选择性。由于酶的催化作用产生出不对称蛋白质和核酸,由不对称蛋白质和核酸又产生不对称酶,所以生命体不断地产生着手性分子。讲石墨晶体结构时,由于石墨为混合型晶体,层与层之间的距离(约3.40 Å)大于一般常见的化学键键长,因此层与层之间的作用力为范德华力,很容易受外力而遭到破坏从而引出石墨烯的发现。2004年英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫利用特殊胶带,采用机械剥离法成功得到仅由一层碳原子构成的稳定薄片¾石墨烯,并于2010年获得诺贝尔物理学奖[9]。介绍石墨烯的物理性质石墨烯在电子器件太阳能电池超级电容器电催化等领域的应用现状及前景。将新的科研动态知识引入结构化学课堂教学,丰富了课堂内容,扩充了学生视野,调动了学生的学习积极性,使课堂教学面貌生机盎然,使教学理念进一步与时代发展接轨。

4. 利用网络平台等资源,提高学生学习自主性

网络信息化学习已经席卷全世界,作为当代大学生必须掌握通过网络获得学习资源的能力,在课堂上将一些与结构化学相关的网路平台信息分享给学生们,鼓励学生利用课余时间经常浏览网络平台丰富知识结构。爱课程网是教育部、财政部十二五期间启动实施的高等学校本科教学质量与教学改革工程支持建设的高等教育课程资源共享平台在中国大学资源共享课板块有关于厦门大学、南开大学和福州大学三所国内著名高校的结构化学精品开放课程。此外,国家精品课程资源网是由国家教育部主导推动的国家级精品课程集中展示平台;是全国高校依照资源共建、成果共用、信息共通、效益共享的原则合作建设,服务于全国广大高校教师和学生的课程资源交流、共享平台。精品课网站也有很多国内大学的结构化学精品课,有教学课件、教学录像、电子教案、例题习题等蔚秀报告厅主讲人均为国内外名师和行业领袖,讲座话题新颖、实用、与时俱进紧扣学术前沿。由南京大学王欣然老师主讲的石墨烯研究十三年:从基础走向应用;由扬州大学庞欢老师主讲的配合物衍生高性能电化学活性材料的研究;由中国科学院田禾老师主讲的解读2016年诺贝尔化学奖;由华中科技大学施亮老师主讲的文献检索——科学研究之助力;这些讲座中的内容对学生了解结构化学知识点应用及拓宽专业知识面都有很大帮助。平时也会引导学生充分利用学校的电子图书馆进行学习。学生通过网络自主自学,可有选择性对自身知识薄弱环节进行提高,也可发现自己感兴趣的科研方向,为攻读硕士研究生明确目标。

5. 运用科学家典故和励志名言,激发学生学习热情

结构化学是以实验为基础发展起来的学科,讲授结构化学时,在注重知识内在联系性的同时,选择性地穿插一些科学家们发现真理的故事能够激发学生学习兴趣和培养学生积极探索科学奥秘的优良品质。1895年,德国物理学家伦琴在研究阴极射线过程中偶然发现了X射线,在科学发现中偶然当中有必然;1905年爱因斯坦提出光量子假说时,仅26岁,是学生们励志的好榜样。亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格为父子关系,用X-射线衍射研究晶体结构,1915年获诺贝尔物理学奖所谓上阵父子兵;德国历史上首位女总理默克尔获得莱比锡大学物理化学博士学位,她的丈夫是一位量子化学家,政界也有化学家的身影。用居里夫人发现镭的故事激励学生特别是女学生科研的道路上坚持探索,细心发现,树立信心;以徐光宪先生的求学经历为榜样,引导学生们树立坚定信念;分享北京大学校训:爱国、进步、民主、科学哈佛大学校训:真理,并在课堂上讨论复旦大学校训自由而无用的灵魂,激励学生形成正确的人生观和价值观。

 

结论:

本文基于结构化学课程特点,以学生学习过程中存在的主要问题为出发点,研究教学内容内在联系,授课时将板书与多媒体有机结合,引入学科前沿,充分利用网络学习平台及运用科学家典故和励志名言,激发学生的学习兴趣和提高学习自主性,这些措施将对提高结构化学教学质量有很好的促进作用。然而,如何用各种合理的教学方法提高教学质量,仍需在长期教学过程中进行思考和探索。

 

参考文献:

[1] 潘道皑, 赵成大, 郑载兴. 物质结构 (2) [M]. 北京: 高等教育出版社出版, 2004.

 

[2] 李晓东. 结构化学教学中对学生学习兴趣的培养[J].大学化学,2013, 28 (1): 27-29.

[3] 靳俊玲,丁祥,申有名,欧利辉改革结构化学教学培养学生创新精神[J].广州化工, 2017, 45 (5): 129-130.

[4] 陈玉锋,庄志萍.谈如何提高结构化学的教学[J].科学教育, 2011, 17 (4): 1-2.

[5] 王伟涛,青年教师如何做好结构化学教学[J].大学化学, 2017, 32 (6): 31-34.

[6] 李亚敏,杨敬贺,李海燕浅析如何帮助学生学好结构化学课,广东化工, 2014, 41 (15): 268-268.

[7] 孟祥军,石瑾,张馨,贾俊芳.提高结构化学课程教学质量的实用方法基于KM教学法开发知识逻辑结构呈现式课件[J]. 高分子通报, 2015, 8: 123-127.

[8] 吕晓娟, 郭巧菊多媒体教学如何扬长避短[J]河南教育(高教), 2007, 6: 48-48.

[9] Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Science, 2004, 306 (5696): 666-669.

文稿来源:教育教学论坛编辑部 网址:www.jyjxlt.com

 


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