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1、1成果总结成果总结结构化学教学现代化的探索与实践结构化学教学现代化的探索与实践李李 炳炳 瑞瑞（兰州大学化学化工学院（兰州大学化学化工学院 兰州兰州 730000730000）结构化学是现代化学的一个支柱，主要内容是原子、分子和晶体结构及其与物质性能的关系。著名化学家唐有祺院士说过: 在自然科学中,探明物质的结构始终代表着基本理论研究的一个头等重要的方向。现代文明三大支柱能源、信息、材料都与结构化学密切相关，近代化学日益注重对物质微观本质的探讨。诺贝尔化学奖获得者 R. Hoffmann 还说过：“化学理论的最重要作用是提供一种思维体制，以总结更新知识” 。结构化学作为高校化学专业的主干基础课
2、，不仅让学生掌握具体知识，而且训练学生从微观层次看问题，深刻理解“结构决定物性”的基本原理，对于素质教育也很重要。另一方面，结构化学又比较难学。一是理解分子、晶体内原子的空间排布结构和电子结构需要高度的空间想象力和抽象思维；二是作为结构化学理论基础的量子力学，具有复杂的数学结构和深刻的哲学意义。因此，结构化学教学现代化是一个值得探讨的问题。多年来，一些院校的教师对结构化学的教学改革作了许多研究，提出不少真知灼见。 我们在教学改革方面也做过一些探索，先后在化学通报等刊物发表“原子轨道概念及其图形表示” 、 “对于原子轨道和电子云图形常见误解的辩析” 、 “如何理解分子势能曲线及有关概念” 、 “
3、晶格能与 Madelung 常数”等多篇教学论文。不过，涉及的主要还是教学内容中一些具体问题。1992 年，第 12 届国际化学教育会议以“化学在演变中”为主题，反映了国际化学教育发展、改革和研究趋势，使我们进一步意识到需要从教学思想方法、内容、手段多方面探讨教学改革。1997 年开始探索结构化学教学现代化的问题，1998 年得到教育部和校、院资助，主持国家理科基地创建名牌课程项目，编写制作结构化学多媒体教材并用于教学，2002 年入选“十五”国家级规划教材，2003 年入选全国名牌课程、兰州大学和甘肃省精品课程，2004 年 6 月，教材由高等教育出版社和高等教育电子音像出版社出版。最近被评
4、为 2004 年度国家级精品课程（公示期） 。下面谈谈几年来的探索与实践。一一. .对教学思想方法的探索和改革。对教学思想方法的探索和改革。1.现代化教学应当体现开放性。开放性教学是个大概念，从广义讲，让学生到自然界、社会上去学习都属于开放性教学；从狭义讲，就是课程教学的开放性。与科研相比，基础2课教学内容相对成熟，如何体现开放性需要探索。一个典型的问题是：基础课教学也涉及一些科学上尚无定论的问题，如何处理这些问题？从应试教育看，忽视或回避这些问题最简单，而从素质教育的角度看，那样做不利于培养学生的探索精神。所以，现代化教学需要体现开放性。例如，我们在讲授分子对称性后，引出生命起源中的对称性破
5、缺问题，让学生思考：自然界最初出现不对称合成的可能起因是什么。企望有些学生思考生命科学中这个长期未解之谜，这对训练思考力很有好处。或许他们中某一位将来能解开它。又如，纳米材料既有新奇功能和诱人的应用前景，又对生物体具有已知和未知的潜在性影响。文献很少提及后一点， 。我们讲了这两点，让学生关注事物的两面性。这类问题适当引入，能给学生留下思考余地，启发他们涉猎相关领域，利于提高辨别能力，了解什么是科学正在探索的问题，什么是伪科学。开放性教学也体现在学生的课外学习、创新实验等活动中。向学生介绍参考书，不仅有教科书和习题书，也有世界科学名著、科普名著、科学史等书籍。 多媒体教材还建立一些超级链接,鼓励
6、学生主动获取知识，对感兴趣的问题地写一些小论文，如“分子元件前景展望” 、 “球碳家族的发现与思考” 、 “结构化学与纳米技术”等。有价值的信息是无形的财富，著名结构化学家 L.Pauling 一生很多成就与他重视信息有关，而他最终未能发现 DNA 双螺旋结构也与信息中断有关， 21 世纪的结构化学内容迅速增加，教材永远只能涵盖一小部分，学生必须从开放的天地获取信息，适应化学演变。2.注重启发引导。教材中还辟有“浮想联翩”栏目，引导学生由此及彼、举一反三地思考问题。例如，讲第二周期双原子分子时，让学生思考为什么许多同族元素倾向于形成多原子分子；讲完所谓的“成键三原则” ，联系 20 世纪 80
7、 年代才合成的二硅烯、二磷烯，思考这些单体不稳定的原因和如何稳定；讲 NO 分子结构时介绍 1998 年诺贝尔生理/医学奖和 NO 的生理功能；。不妨说，这是为学生提供一些学习“捕鱼”的“池塘” ，是“下海捕鱼”前的准备。3.注重正误对比。对一些重要概念，不仅讲如何正确理解，还要辨析常见误解，分析其原因。例如，原子轨道角度分布图与界面图的区别；径向密度函数图与径向分布函数图的不同；讲分子的旋光方向与人为规定的构型命名概念的不同；讲 CsCl 型晶体的点阵属于立方简单，还要说明为什么常有人将它误解为立方体心；。只告诉学生什么是正确的理解，并不能避免常见误解，从正误两方面加以辨析，则能学得更清楚。
8、4.注重分析与综合。例如，对原子轨道和电子云的各种图形表示，采用列表方式加以分析与综合，以便学生了解这些相关概念的关系。5.由“教师教-学生学”逐步向“教师-教学生学”转变。两千多年前，老子就提出了3“授之以鱼，不如授之以渔” 的著名论断。教育学家叶圣陶也说过:“教是为了不教” 。当今社会对素质教育越来越关注。有人提出：把“教师教学生学”变为“教师教学生学” 。这些说法有异曲同工之妙，本意都不是否认向学生传授知识的重要性，而是更强调传授方法的重要性。不可否认， “授之以渔”远比“授之以鱼”难得多，从教师来说，需要更高的教学水平、更深厚的科研功底、更强的责任心；从学生来说，掌握“捕鱼”本领不仅依
9、赖于教师的传授和示范，更要靠实践；从教学管理者来说，需要建立更加科学的评价体系和考核标准，教育是百年树人的事业，急功近利不行。我们在教材建设中，对此作了一些尝试。例如，开辟“科学发现漫谈” 、 “前车之鉴”栏目, 引入有代表性的史料，让学生不仅了解某些重大成就，还了解其来龙去脉，感受科研的艰辛与乐趣，学习获取知识的方法和思想。从前人经验教训中接受启迪。化学教科书当然以化学知识为主，但不涉及化学史不利于培养学生创新能力，近代科学体系不单是自然知识，还有对待自然界的态度、研究自然界的方法、各种关于自然界的理论，以及在这些理论之下对自然界的改造。西方科技先进的国家较早注意到这个问题，有些教材很有特色
10、，值得借鉴。例如，美国 Paul A. Tipler 著的近代物理基础及其应用 ，不但清晰描述了近代物理概念和图象，且贯穿丰富史料，反映近代物理学演变过程。国内一些学者也很重视这个问题。化学史中蕴藏着丰富的科学思想和方法论，教师应以此启迪学生，不能完全留给自然辩证法课程，毕竟，化学家对这些事件了解得更清楚。在结构化学及其理论基础量子力学发展史上，许多事例发人深省。例如：量子论创始人 Planck 不接受 Einstein 的光量子概念；de Broglie用类比法提出物质波；Wood 最早记录了分子对光的非弹性散射却把它当作污迹，Raman 则因这项研究获得诺贝尔奖；Penrose 早在 19
11、73 年就先从数学上发现准晶态结构；Miller和 Young 站在“看见”原子的边缘却未能克服技术困难，最终由 Rohrer 和 Binnig 发明STM 而获诺贝尔奖;。我们不能苛求前人，却应从前人的经验教训中接受启迪。但要注意精选富有启迪性的事例，不能随意拼凑和盲目堆砌，不能简单罗列一些科学家的生平事迹，也不宜太多。用多媒体展示和讲述这些内容，每次不过几分钟，但这种“润物细无声”的潜移默化，能够起到“授之以渔”的作用。以上尝试和探索，有些总结在论文“适应化学演变的结构化学多媒体教材编著与改革探索”中（高等理科教育2001 教学成果专辑） 。二.教材建设。1.既保持知识结构相对稳定，也要与
12、时俱进，适应当代科技的发展。基础课知识结构相对稳定与更新并不矛盾。众所周知，今天的教学面貌与一百年前大不相同，与几年前也4有所差别。所以，教学同样需要与时俱进。多媒体与网络技术不仅使科技新成就在全球范围内迅速传播，而且使教材很容易快速更新，常讲常新。 结构化学多媒体教材适当压缩与相关课程重复的内容，增加球烯化合物、纳米材料、扫描隧道显微镜、高温超导体等新成果简介；展示了金刚石、KTP、BGO、蓝宝石、HgCdTe 等晶体材料在现代科技中的应用；从正方势阱中粒子简并态联系到分子铁磁材料与基块对称性的关系，等等。我们还举办“结构化学的发展与动向”等讲座，让学生观摩药物、材料和环境化学中结构理论的应
13、用，关注前沿问题，适应科技日新月异的发展。2.发挥多媒体与网络技术的强大功能, 使教材由静态变为动态，由平面变为立体，教学由近程向远程发展。多媒体技术在美国被称为教育史上“第四次革命” 。网络技术进一步促进了教学的开放性、交互性、共享性、协作性和自主性。这对结构化学教学尤为重要，因为原子、分子结构涉及抽象的轨道和电子云概念，晶体及其点阵理论错综复杂，理解这些问题需要高度的空间想象力和抽象思维。传统教学手段费时费力仍难以表现。教学模型不足更加剧了这种困难。多媒体技术为解决这些难题提供了有力手段。我们的配套 CD 中包含 1092 张多媒体幻灯片，有大量可实时操作分子与晶体 3D 模型及动画。分子
14、图形软件制作的模型，立体感近乎实物模型，能以不同风格显示，种类不受限制，可为学生增加观摩机会。对轨道、电子云等用量子化学程序绘制，色彩鲜明、立体感极强，使抽象概念形象化。对一些重要算例提供 Excel 内嵌计算器。该教材是目前国内内容较完整的结构化学多媒体教材，2004 年 7 月 27 日， 科学时报作了报道。专家鉴定为国内领先水平。3. 提倡科学与人文、艺术结合，注意艺术性与趣味性。爱因斯坦深信，美是探求理论物理中重要结果的一个指导原则。结构化学中也充满丰富多彩的结构美、形态美、理论美：C60对称性的完美、DNA 双螺旋结构中碱基配对的精巧、轨道对称性守恒原理的简洁、抽象的群论对实际化学问
15、题应用之巧妙，,都堪称精美绝伦的典范，用多媒体表现出来，可以使化学教学同时成为美感教育，让年轻一代了解，化学不但为人类创造美，它本身也是一门包含内在美与外在美的学科，从而消除对化学的片面认识，热爱化学。教学是面向学生的，教材严谨并非“面貌冷峻” ，要讲趣味性与艺术性。国外许多优秀教材比较注意这一点，例如，法兰西科学院院士 A.Guinier 的名著物质结构从蓝天到塑料写得深入浅出、趣味盎然，充满美感；Raymond Chang 的化学每章都有一项“CHEMISTRY IN ACTION” ，介绍一些饶有趣味的知识，这都值得我们学习。我们也提倡科学与人文、艺术结合，例如，讲分子对称性，先让学生观
16、察自然界广泛存在的对称现象和5人类应用对称性的实例，从更广的意义上理解对称性。三. 2002 年，教育部高等学校化学与化工学科教学指导委员会、高等教育出版社立项建设高等化学教育资源库 ，分 6 个专业方向。兰州大学与南开大学一起主持了结构化学子库建设。本项目完成人作为子库负责人, 负责资源建设与组织工作，主持子库框架设计和标准起草, 完成 2 万字的结构化学子库资源分布报告，承担多媒体素材的设计制作、资源信息编写等任务。2004 年按期完成，对加快高等化学教学手段现代化进程做出了贡献。四. 完成兰州大学结构化学辅导网站建站工作和主要内容的编辑制作，2005 年将首先服务于榆中校区教学，为学生解难答疑。 结构化学精品课程完成后，辅导网站将成为其组成部分，进一步在全国范围内发挥作用。五.发挥名牌课程、精品课程的辐射作用，带动相关课程的改革和教学现代化。几年来，我们对计算化学导论、计算量子化学、结构与物性等相关课程也进行了改革，编写制作（或配制）2500 多张幻灯片，实现了多媒体教学。对于结构化
