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怎样提高地方本科院校结构化学教学

作者:2017-01-12 15:54阅读:文章来源:未知
  结构化学是高等学校化学化工等相关本科专业一门必修专业基础课程,是化学类本科专业5大基础课程之一。结构化学是为高年级的本科生开设,是建立在学生学习了其他四门化学基础课程(即无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)的基础之上。通过结构化学的学习使学生初步建立微观结构概念,加深对先前学习四门基础课程的认识和理解,能够从原子—分子水平上认识到物质分子构型与组成的相互关系以及结构和各种运动的相互影响,能够进一步理解物质的微观结构与其宏观性能的相互关系。
  对于地方本科院校结构化学教学,学生学习遇到的问题主要有如下三个方面:(1)结构化学的内容涉及到较多的高等数学和大学物理知识,而地方本科院校学生在高等数学和大学物理等方面知识比较差,在学习中总处于一种被动和畏难的状态。(2)地方本科院校学生生源素质相对较差,缺乏严密的逻辑思维能力和较好的想象空间能力,而这些能力确确是学习结构化学所必需的。(3)学生对学习结构化学不够重视,存在误区,大多数学生认为学好其他四大基础课程(即无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)就能掌握大学化学知识,能够适应今后涉及到化学化工等相关领域的工作或硕士研究生考试,所以,学习缺乏动力和兴趣。
  本文针对地方本科院校结构化学教学中遇到的困难,从如下三个方面介绍自己在提高地方本科院校结构化学教学质量的教改探索中的经验。
  1消除学生对结构化学的学习“无用论”误区及畏难的心理
  学生对结构化学学习是否感兴趣及今后是否具有持续学习动力,作为教师对上好第一堂结构化学课是很重要的一环。通过第一堂课的教学使学生了解结构化学内容和学习方法,认识到结构化学的重要性,消除学生对结构化学的学习“无用论”及畏难的心理,提高学生的学习兴趣和信心,将起到极其重要的作用。
  结构化学对高年级的学生来说,应该已不是很陌生的一门学科,他们在无机化学、有机化学就初步学习过原子结构和波函数,化学价键理论和分子对称性,但之前学习的相关知识都比较浅显和相对较为零散,深度不够,理论性不强,没有形成系统的、完整的结构化学理论知识。从无机化学、有机化学学习,学生对结构化学已有初步的认识,已初步意识到物质的结构决定其性能,性能反映结构这相互关系。我们可以通过先前学习过的无机化学、有机化学等课程中物质结构理论与物质性质关系的学习,逐步拓展讲明结构化学的学习内容及其重要性。对高年级的结构化学学习,是较为系统的学习,是以量子理论、化学键理论和点阵理论为基础,从微观的角度研究原子结构、分子结构、晶体结构的运动规律及结构与性质之间的关系;从电子结构(描述电子运动状态的波函数和电子的基态排布或能带结构)和空间结构(分子和晶体在空间的排布)两个方面阐明化学物质的结构、性能和应用。通过先前学习的无机化学、有机化学、分析化学等涉及到结构化学相关的理论,使学生明确结构是化学各学科的理论基础,已渗透到现代化学的各个领域,为化学各学科提供理论指导,在化学类本科专业5大基础课程占有重要的地位。如在无机化学中,要理解元素的性质、分子性质分别要用到原子结构和分子结构相关的知识,要理解配位化合物的性质要用到配位化合物的价键理论和晶体场理论;如有机化学中运用杂化轨道理论和分子轨道理论说明有机化合物的结构,前线轨道理论解释化学反应机理等;如仪器分析中红外光谱中的简正振动、紫外光谱中的电子跃迁等,都离不开结构化学的知识。
  关于学习结构化学的方法,首先学会正确处理“结构—数学”关系。在结构化学中常涉及许多数学公式推导的内容,对地方本科院校的学生,高等数学基础比较薄弱,碰到繁杂的数学推导时,往往产生畏惧心理。对数学公式推导处理时,要使学生明白数学只是手段和方法,目的使得到结论以及结论的物理意义,了解来源。我们不是要去死记硬背这些公式,而是要学会这些数理公式的推导的基本思路,理解这些定理、公式和方法。其次,对于典型的分子结构和晶体结构,借助实物模型和计算机三维模型,通过多看多思考寻找特点和规律,提高空间结构的想象能力。最后,学会用电子结构和空间结构这两方面阐明化学物质的结构、性能和应用,把握“结构决定性能,性能反映结构”的原则。
  2由简单到复杂、由浅入深循序渐进地进行启发式教学
  结构化学是一门逻辑性很强的学科,作为教师应熟读教材内容,把握好教材内容的内在逻辑结构以及一个概念或一个新的理论发展过程。对学生讲授新课内容时,不能一下子进入比较深奥的理论学习,这学生一下子很难接受,同时也产生畏惧和厌学的心理,觉得结构化学一些基本的概念和原理像是从天上掉下来一样。因此,在教学内容安排上,尽可能做到由简到繁,由浅入深次序进行,应力求符合作为一个初学者的认识过程。以原子结构为例,人们对原子结构的认识由Rutherford提出的“行星绕太阳”的原子结构模型,到Bohr原子结构模型,再到用量子力学的原理和方法处理的原子结构,经历了一个由简单到复杂,由浅入深的过程,从而逐渐接近对原子结构的正确的认识。在教学上我们可以对原子结构的认识分为低、中、高等三个层次,引导启发学生从一个初学者的认识过程,逐步揭开原子结构真正的面纱。低层次认识,Rutherford提出的“行星绕太阳”的原子结构模型,在这模型结构中,不能解释当时物理实验得出氢原子光谱经验公式,此模型有很大缺陷。中层次的认识,Bohr在综合Planck的量子、Einstein的光子学说和Rutherford的原子结构模型基础上,提出了Bohr原子结构模型,成功解释了氢原子光谱;但因为当时旧量子理论并没有意识到原子、电子等实物微观粒子的波粒二象性,Bohr原子结构模型没有涉及微观粒子的波动性,不能正确表达原子的结构,因而应用到多电子原子时,即使有两个电子的氦原子,也无法解释其光谱现象,此模型有缺点。高层次的认识,用量子力学的原理和方法处理的原子结构,先从简单的单电子原子的结构入手,再由处理单电子结构发展起来的思想处理多电子原子的结构。用量子力学处理原子结构问题时,首先确定微观体系的势能函数和能量算符,写出薛定谔方程,然后利用高等数学知识求解薛定谔方程,等到满足标准化条件的合理解,从而得到描述原子中电子运动状态的量子数、能量和波函数以及描述多电子原子运动状态的原子量子数,从而成功解释原子光谱现象。
  3注重对量子化学科学家及其思想方法的介绍
  学习一门学科的知识要善于从这门学科的历史寻找借鉴,因为任何一门学科都有其发生和发展的一个过程,这样就不容易把这门学科知识当成是“终极真理”而死记硬背其公式、定理。地方本科院校学生素质相对较差,逻辑思维能力和想象空间能力都比较欠缺。而20世纪创建量子力学的都是一批极富有创新才华的青年科学家。我们通过向地方本科院校学生介绍这些伟大科学家的科学生涯和思维方法,不仅有助于理解量子力学的基本概念,而且能启迪其思维,培养其创新能力。如介绍普朗克及其量子论的提出,普朗克研究黑体辐射现象时,发现维恩公式适用于短波,而瑞利公式适用于长波。为了能得到一个合理解释各个波段黑体辐射现象,他综合维恩公式和瑞利公式,毫无根据引入一个指数因子,拼凑了一个新的公式。这新的公式虽然与实验结果吻合,但它没有理论依据,并没有得到广泛的认可,被当时科学家认为是“纯粹是一些不相关的量的偶然结合”,“杜撰出来的大杂烩”。但普朗克面对这些质疑,以“必须不惜一切代价,找到合理解释”的决心和无比的毅力建立了又推翻了一个又一个理论模式。在一次又一次失败之后,他发现经典物理学理论中能量连续变化的概念和他的公式是格格不入的,也推导正确公式的障碍。于是他果断地抛弃传统的能量均分原理,大胆提出了具有革命性的完全背离经典理论的量子假设。从而得到涵盖了维恩公式和瑞利公式的更有普遍性的普朗克公式。普朗克量子假设的提出,从揭开量子力学的序幕,标志着量子理论的诞生。通过对普朗克及其量子论的提出的介绍,将能使学生学习和了解到综合研究法,普朗克就是综合了维恩、瑞利和他自己的正确研究成果,从而得到新的观念,推动了物理学的革命;同时,也激励学生在理论不能说明事实时,要敢于冲破旧观念和传统理论的束缚,大胆提出新的理论,不能生搬硬套旧理论。
  4结语
  对地方本科院校学生的结构化学的教学,首先要学生认识到结构化学的重要性,明确结构化学课程内容,提高学习兴趣,掌握结构化学学习的方法,克服畏难心理。其次是作为教师应熟读教材内容,把握好教材内容的内在逻辑结构以及一个概念或一个新的理论发展过程;在教学上,尽量做到由简到复杂,由浅入深次序进行,应力求符合作为一个初学者的认识过程。最后,注重对量子化学科学家及其思想方法的介绍,启迪学生思维,培养学生创新能力。
 

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