《结构化学》课程模拟教学的体会.doc

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1、结构化学课程模拟教学的体会摘要:本文针对结构化学课程教学过程中存在的问题,结合对该门课的实践教学,提出了通过引入模拟教学来提高教学质量的相应措施。关键词:结构化学;教学;模拟中图分类号:g42 文献标识码:a文章编号:1009-0118(2012)09-0141-02结构化学是一门化学专业的必修课,也是材料等专业的重要基础课,已成为从事化学、材料和物理专业深入研究材料特性的一把钥匙。但由于该门课是从微观结构研究原子、分子和晶体的结构及其与性能的关系,与宏观世界对物质的认识有很大差异,进而使学生感觉该门课抽象、复杂甚至混乱。因此,本文将主要对该门课的特点及其存在的问题进行教学方式、方法上的探讨。

2、一、课程特点及难点结构化学课程包含两个核心内容:一是描述微观粒子运动规律的波函数,即原子轨道和分子轨道,通过轨道的相互作用了解化学键的本质;二是分子和晶体中原子的空间排布,了解分子和晶体的立体结构。与其它化学课程不同,该门课看物质的角度不同,涵盖的相关知识多,内容涉及面广,如需具备高等数学、无机化学、有机化学、物理化学及量子力学等知识,同时包含的新概念比较多,如波函数,杂化轨道,点阵。在教学过程中发现,学生普遍感到这门课很难,有的同学在学习过程中很快跟不上老师讲解的速度,相当一部分学生死记硬背,甚至有个别学生由于太难太抽象而放弃对该门课程的继续学习。事实上,这个问题的源头在于学生对该门课基础知

3、识理解的不足,具体来讲,很多学生不明白什么是波函数,什么是晶体。因此,如何更好地理解与数学和量子力学有关的波函数概念和不同于分子的固体的晶体结构成为学生学习的两大难点。二、教学中存在的问题(一)学生学习兴趣低造成学生学习兴趣低的原因很多。从学生角度来看,部分学生学习态度不端正,学习的目的只是为了应付考试,并且由于课程本身的特点造成学生对该门课产生误解,从心理上学生觉得该门课抽象、难学、难懂,导致学习非常被动,最终学习效果较差;从教师的角度看,教学方法必须要求多元化,如果不同的教学内容使用同一种教学方式,尤其对该门课难懂的波函数,如果使用文字的方法来讲解,势必会使教学效果差,学生学习兴趣低下。如

4、何提高学生学习的积极性和主动性,是值得授课老师深入思考和探讨的重要课题。(二)教学方法目前,对该门课的教学方法主要使用板书和多媒体形式讲解。这些方法有如下几个缺点:1、缺少学生的参与,课题气氛呆板;2、对具有立体空间结构的可观性差,学生理解受到限制;3、对数字化的波函数缺乏形象化的表示,成为学习该门课其它知识的瓶颈。这些将阻碍学生学习的积极性和对所学知识的理解。因此,授课教师需要在教学方法上根据课程内容进行个性化的调整。三、解决措施该门课不像有机和分析等化学课程,没有实验教学部分,因此,学生对所学知识的理解消化受到很大限制。为了提高教学质量,提高学生的综合素质,提出以下措施。(一)引入实验教学

5、由于高等教育教学改革的不断深化,该门课程的课时数明显减少,即使采取板书、多媒体和演示相结合的讲述方式完成该课程系统的教学也已经变得较为困难。因此,在教学方式上,我们需要做进一步的改进。通过教学,发现采用一种新型方法,即类似实验教学的方式对该门课的教学效果能达到事半功倍的效果。为了清晰地阐述这一方法,本文通过举例的方式来说明。现以二氧化碳分子中存在的两个离域键为例来说明。在使用板书或多媒体教学中,老师的分析可能如下:假设二氧化碳分子在直角坐标系的x轴上,碳原子有4个价电子,氧原子有6个价电子,分子中的两个氧原子分别表示为o1和o2。碳和氧原子采用spx杂化,碳和每个氧原子形成键,每个氧原子的另一

6、个spx杂化轨道被其上的一对孤对电子占据。碳原子剩余的两个电子,分别占据在py和pz轨道上。氧原子剩余的三个电子中,如果o1原子中一对孤对电子占据在py轨道上,另一个电子必将占据在pz轨道上,它的pz电子将会与碳原子的pz电子形成z键,那么碳原子的另一个py电子必将与o2原子的一个py电子形成y键,此时,在o2原子中pz轨道上必须安排一对孤对电子,那么,o2中由孤对电子占据的pz轨道将会与碳和o1原子形成的z轨道重叠,形成4z3离域键,o1中由孤对电子占据的py轨道将会与碳和o2原子形成的y轨道重叠,形成4y3离域键。此时老师可能会将这两个离域键的图片放在多媒体中。但大部分学生听完之后,由于不

7、能看到一个三维的直观图像,而且讲起来描述语言颇多,最终教学效果不佳。如果我们利用一种软件,如chem 3d和dmol3,通过计算得到二氧化碳分子的各个和离域键的三维空间构象,通过空间旋转可以让学生清晰看到碳与氧原子之间的键和两个不同方向的离域键,且通过查看计算结果文件得到这些轨道的波函数。在这里学生还可以学到如下几点:1、通过简单的类实验计算,学生获得来自书本上与波函数、杂化轨道和分子轨道等相关理论知识;2、能获得由原子轨道波函数线性组合成分子轨道波函数的明确数学表达式,并能与轨道图一一对应,解决了学生关于分子轨道理论复杂的薛定谔方程,能从图像上理解书本上的纯理论内容,进而达到实践教学的效果;

8、3、对杂化轨道理论,很多学生从书本上仅仅知道杂化的原因、目的和杂化后的原子轨道,但大多不明白杂化后这些轨道形成什么样的键。通过这个实验的教学,学生可以从轨道上清晰看到碳和氧原子的sp杂化轨道相互重叠形成的键,同时也能看到氧原子的一对孤对电子占据在氧的2p轨道上的分子轨道图。通过比较上面两种教学方法,我们发现,由于该门课的教学内容偏重纯理论,学生经常感觉晕晕乎乎,似懂非懂,因此,引入类实验教学部分,可通过一个简单的实验例子,让学生深刻理解来自书本的较多知识点,同时,可以让学生清楚各个知识点间的区别和联系,从而对教学达到较好的效果。(二)提高学生的学习兴趣兴趣是最好的老师,因此,在教学中怎样提高学

9、生的学习兴趣是每个教学工作者一直思考的问题。就该门课的课堂教学来说,将教学内容与其它化学课程及日常生活现象相结合,让化学专业学生感到该门课非常有意思或对学生学好其它课程起到重要作用,如有机化学和物理化学中,关于乙烯加氢气反应活化能大或反应速率慢等现象,离不开该门课关于前线轨道理论知识的理解。再如,在实践中,我们看到的物体表面总是一个宏观的结构,如果额外引入晶体表面结构的教学内容,学生将了解到肉眼看到或感觉光滑的物体表面其实有很多原子缺陷,让学生对常规认识有新的视觉和认识,进而提高了学生的好奇感,激发了学生的求知欲望。(三)改革考核方式在考核方面,采用多种考核方式综合评定学生的最终成绩,有助于促

10、进学生注重过程学习,进而提高了学生分析问题和解决问题能力的培养。目前,该门课常用的考核是由平时成绩+期末考试成绩构成,其中,平时成绩主要来自出勤、书面作业和期中考试。如果在平时成绩中引入课外作业,学生通过查阅资料或类似于实验设计的材料模拟,不仅能加深学生对理论部分的理解,而且也能提高学生应用所学知识解决实际问题的能力。四、结语在结构化学课程教学中,针对“教”与“学”双方存在的不足,在教学方式、方法及教学手段上主要引入实验教学部分,以期提高教学质量。在今后的教学过程中,作为教学主体的教师应结合课程特点和实际教学,充分研究教学中的方式方法手段的最佳组合,以获得更好的教学效果。参考文献:1周公度,段连运.结构化学基础(第4版)m.北京大学出版社,2008.2曾荣英,唐文清,冯泳兰,陈志敏.结构化学教学改革的实践与探索j.化工高等教育,2007,(5).3庄志萍,陈玉锋,左明辉.结构化学课程教学改革的探讨与实践j.大学化学,2012,(2).