基金資助：山東省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度規(guī)劃課題(No.2013GG172);山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(No.BS2013YY061)

王騰1*通訊聯(lián)系人，E-mail: wangt@tsmc.edu.cn　劉晶靜2　孫宏偉3　陳蘭3　孫立平1　董建1

(1 泰山醫(yī)學院化工學院　山東泰安 271016；2 泰山學院化學化工學院　山東泰安 271021；3 南開大學化學學院　天津 300071)

結(jié)構(gòu)化學課程緒論部分的教學設(shè)計*

*基金資助：山東省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度規(guī)劃課題(No.2013GG172);山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(No.BS2013YY061)

王騰1*通訊聯(lián)系人，E-mail: wangt@tsmc.edu.cn劉晶靜2孫宏偉3陳蘭3孫立平1董建1

(1泰山醫(yī)學院化工學院山東泰安 271016；2泰山學院化學化工學院山東泰安 271021；3南開大學化學學院天津 300071)

摘要對結(jié)構(gòu)化學緒論課的教學內(nèi)容進行組織和設(shè)計，旨在使學生了解結(jié)構(gòu)化學的課程內(nèi)容，認識結(jié)構(gòu)化學的重要性，激發(fā)其學習動力，并講授結(jié)構(gòu)化學的學習方法以及學習中的注意事項，為后續(xù)的課程教學打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞結(jié)構(gòu)化學計算化學緒論課

The Instructional Design of the Introduction

for Structural Chemistry*

Wang Teng1**Liu Jingjing2Sun Hongwei3Chen Lan3Sun Liping1Dong Jian1

(1CollegeofChemicalEngineering,TaishanMedicalUniversity,Taian271016,Shandong,China;

2College of Chemistry and Chemical Engineering, Taishan University, Taian 271021, Shandong, China;

3College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China)

AbstractInthisarticle,wedesignandorganizetheintroductionofstructuralchemistrytohighlightthecontentandimportanceofthecourse,tomotivatethestudents,andtoshowthestudentsthewaytolearnaswellasmattersneedingattention.Thisinstructionaldesignfortheintroductionofstructuralchemistryprovidesthestudentswithasolidfoundationforthesubsequentteachingandlearning.

KeyWordsStructuralchemistry;Computationalchemistry;Introductionlecture

結(jié)構(gòu)化學是高等學?；瘜W化工等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，在大學化學課程知識體系中占有重要的地位。但是，這門課程理論性強、抽象難懂、信息量大，對于本科生來說掌握起來有一定的困難。因此，在課程之初對學生進行引導(dǎo)和啟發(fā)，將對學生的學習大有裨益[1-4]。本文對結(jié)構(gòu)化學緒論課的教學內(nèi)容進行組織和設(shè)計，旨在明確課程內(nèi)容，強調(diào)課程重要性，提高學生學習興趣，傳授學習方法，使學生能夠更好地學習本課程，從而達到提高課程教學質(zhì)量的效果。

1結(jié)構(gòu)化學的課程內(nèi)容

首先講述結(jié)構(gòu)化學的定義。結(jié)構(gòu)化學是探討物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其與宏觀性質(zhì)之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)學科[5]。具體來說，結(jié)構(gòu)化學的研究對象為原子、分子和晶體的微觀結(jié)構(gòu)，運動規(guī)律以及結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系。這可以讓學生對結(jié)構(gòu)化學有初步的了解。

然后明確課程的核心內(nèi)容是電子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)[6]。電子結(jié)構(gòu)主要研究描述電子運動狀態(tài)的波函數(shù)和電子的基態(tài)排布或能帶結(jié)構(gòu)；空間結(jié)構(gòu)主要研究分子和晶體在空間的排布。具體來說，結(jié)構(gòu)化學課程內(nèi)容包含量子力學基礎(chǔ)、原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)測定方法等5部分。這可以讓學生對課程學習內(nèi)容有總體上的把握。

最后再對教學內(nèi)容進行細致講解。對每一部分的內(nèi)容進行概括并分解到每個小節(jié)，簡要列出每小節(jié)的教學內(nèi)容，同時突出重點、難點和關(guān)鍵知識點，使學生對將要學習的內(nèi)容有全面的認識。另外，還要指出課程學習中所需要的一些數(shù)學、物理等基礎(chǔ)知識，讓學生提前復(fù)習和準備這些相關(guān)知識。

2結(jié)構(gòu)化學的重要性

只有讓學生深刻認識結(jié)構(gòu)化學的重要性，才能使他們產(chǎn)生學習興趣，激發(fā)起學習的動力，充分發(fā)揮其主觀能動性，使教學達到事半功倍的效果。

(1) 結(jié)構(gòu)化學是化學各學科的理論基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)化學為化學各學科提供理論指導(dǎo)，是聯(lián)系基礎(chǔ)化學與高等化學的階梯。結(jié)構(gòu)化學已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化學的各個領(lǐng)域。以學生學習過的課程為例，無機化學中涉及了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和配合物結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容；有機化學中運用雜化軌道理論和分子軌道理論說明有機物的結(jié)構(gòu)，使用分子對稱性理論描述分子空間結(jié)構(gòu)，利用前線軌道理論解釋化學反應(yīng)機理等；儀器分析中紫外光譜中的電子躍遷、紅外光譜中的簡正振動、X射線衍射等，都與結(jié)構(gòu)化學知識緊密相關(guān)。從這些學生熟悉的課程入手，可使他們很快體會到結(jié)構(gòu)化學的重要基礎(chǔ)地位。

(2) 結(jié)構(gòu)化學是分子設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

“結(jié)構(gòu)決定性能，性能反映結(jié)構(gòu)”。如果找到某類具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)的規(guī)律性，就能設(shè)計出性能更好的分子。結(jié)構(gòu)化學及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算化學、分子模擬等對分子設(shè)計起理論指導(dǎo)作用。為了讓學生了解這方面的內(nèi)容，可用如下實例進行說明。

首先以石墨烯為例。碳元素是自然界中分布廣泛并且與人類社會發(fā)展關(guān)系密切的重要元素。碳單質(zhì)有多種存在形式，主要有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管等，其中石墨烯由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點。在教學中可先向?qū)W生提出問題：石墨烯的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？這就要從石墨的結(jié)構(gòu)談起。石墨為層狀結(jié)構(gòu)，同層的碳原子間以sp2雜化形成平面共價鍵，每個碳原子剩余一個p軌道未參與雜化，上面各有一個電子，這些p軌道互相平行且與sp2雜化軌道所在平面垂直，相互重疊形成離域大π鍵。π電子在整個碳原子平面方向運動，所以石墨可以導(dǎo)電和導(dǎo)熱，可以用來制作電極和坩堝。而石墨的層與層之間以微弱的范德華力相結(jié)合，容易斷開而滑動，所以石墨具有潤滑性，可以用來制作潤滑劑。石墨烯可以看做是只有一個原子層厚度的單層石墨片。2004年，石墨烯由英國曼徹斯特大學的海姆和諾沃肖洛夫通過微機械力剝離法制得，二人因在二維空間材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實驗而獲得2010年諾貝爾物理學獎[7]。從結(jié)構(gòu)上來看，石墨烯可以看做是構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨的基本組成單元。將其包裹成球得到富勒烯，沿著固定軸卷曲得到碳納米管，多層堆疊在一起就形成了石墨[8]。由于石墨烯獨特的結(jié)構(gòu)，決定了其具有多種優(yōu)異特性，如低密度、高強度、良好的導(dǎo)熱性、室溫下較高的電子遷移率等，這些特性決定了它在半導(dǎo)體工業(yè)、材料、力學和光學領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力[9]。例如，石墨烯被分割時其基本物理性能并不改變，而硅不能分割成小于10nm的小片，否則將失去其電子性能。因此，石墨烯極有可能成為硅的替代品推動電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[10]。研究者正在不斷對石墨烯的結(jié)構(gòu)進行修飾和改造，以挖掘和發(fā)揮其優(yōu)良性質(zhì)，優(yōu)化使用效果，擴大應(yīng)用范圍。通過這個例子，可以讓學生深刻感受到結(jié)構(gòu)化學與科技前沿領(lǐng)域的聯(lián)系，意識到結(jié)構(gòu)、性能、用途三者間的辯證關(guān)系。

然后以計算機輔助藥物設(shè)計為例進行講解。作為在結(jié)構(gòu)化學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興交叉學科，計算化學正在科學領(lǐng)域內(nèi)逐漸嶄露頭角。計算化學基于三維分子結(jié)構(gòu)，以量子力學或經(jīng)典力學原理為指導(dǎo)，確定算法并實現(xiàn)程序，再通過計算機運算來模擬和預(yù)測分子體系的性質(zhì)；計算化學在實際生產(chǎn)中的一個重要應(yīng)用就是計算機輔助藥物設(shè)計。例如研究者通過生物學方面的研究，發(fā)現(xiàn)了與某類疾病相關(guān)的大分子如蛋白質(zhì)，將其作為靶標(受體)，并且通過X射線晶體衍射或核磁共振等方法測定了其三維結(jié)構(gòu)，尤其是得到其作用(活性)位點的結(jié)構(gòu)。這時就可以通過計算機模擬的方式，在數(shù)據(jù)庫里尋找分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點相匹配的小分子(配體)，研究受體與配體的詳細相互作用信息(包括結(jié)構(gòu)信息和能量信息)，合成并測試這些分子的生物活性，這樣就有可能發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物，開發(fā)出治愈疾病的藥物分子[11]。這就是基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計方法，可為藥物開發(fā)節(jié)省大量時間和資金，已在藥物設(shè)計方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制劑的設(shè)計就是一個典型的成功案例，標志著計算機輔助藥物設(shè)計從方法研究過渡到實際應(yīng)用階段。2013年的諾貝爾化學獎授予美國科學家卡普拉斯，萊維特和瓦謝爾，以表彰他們“為復(fù)雜化學體系發(fā)展多尺度模型”。這個獎項是對計算化學進步的認可，強調(diào)了計算化學在科學領(lǐng)域內(nèi)越來越大的作用。在計算化學領(lǐng)域有兩種主要的計算方法，一種是基于量子力學原理的量子力學計算方法，另一種是基于牛頓力學的分子力學/分子動力學模擬方法。將這兩種方法有機結(jié)合、取長補短而建立起來的量子力學/分子力學方法已獲得巨大成功。例如在研究藥物分子與蛋白質(zhì)結(jié)合時，對藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學計算，對蛋白的剩余部分采取快速的分子力學計算，這樣就兼顧了準確性和計算量，取得了很好的結(jié)果。計算機作為當今化學家的工具就像試管一樣重要，模擬是如此真實以至于傳統(tǒng)實驗的結(jié)果也能被計算機預(yù)測出來。萊維特曾經(jīng)這樣描述他的一個夢想：利用計算機處理復(fù)雜化學過程的能力，實現(xiàn)在分子水平上模擬一個完整生物，構(gòu)建“數(shù)字生命”。通過這個例子，使學生認識到結(jié)構(gòu)化學并非只是“紙上談兵”，而是具有重要的實際應(yīng)用，可以激發(fā)他們的學習興趣。

最后，向?qū)W生介紹結(jié)構(gòu)化學的發(fā)展歷史，將其發(fā)展史與諾貝爾獎緊密聯(lián)系在一起，進一步突出其重要性。在結(jié)構(gòu)化學中的一些重大科學發(fā)現(xiàn)和理論突破基本上都獲得了諾貝爾獎。例如在開創(chuàng)量子力學的過程中，普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利、波恩等都獲得了諾貝爾物理學獎。另外，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實驗方法方面，如在X射線衍射法、核磁技術(shù)和應(yīng)用、質(zhì)譜技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)等領(lǐng)域，都有很多科學家獲得諾貝爾獎。而且還有很多科學家因在結(jié)構(gòu)方面的研究而獲獎，如克里克、沃森和威爾金斯發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，科爾、克羅托和斯莫利發(fā)現(xiàn)富勒烯，謝克特曼發(fā)現(xiàn)準晶體等。將結(jié)構(gòu)化學的發(fā)展史與化學史尤其是諾貝爾獎聯(lián)系起來，能夠培養(yǎng)學生的科學精神和素養(yǎng)，促使他們樹立遠大的科學理想，使他們獲得強大的學習動力[12]。

3結(jié)構(gòu)化學的學習方法

在讓學生意識到結(jié)構(gòu)化學的重要性以后，接下來就要結(jié)合課程特點傳授給他們結(jié)構(gòu)化學的學習方法。

首先要重視定理、公式和方法的數(shù)學計算和推導(dǎo)。在結(jié)構(gòu)化學中尤其是量子力學部分涉及許多數(shù)學和物理方面的內(nèi)容，比較抽象和難懂。對于定理、公式和方法，學生要嘗試跟著教師的板書一起進行計算和推導(dǎo)，只有這樣，才能理解這些定理、公式和方法，并有助于記憶。當然，并不是要求學生死記硬背，關(guān)鍵還是理解。要讓學生體會到演算、推導(dǎo)和邏輯思維的快樂，感受科學的魅力。

其次要提高對空間結(jié)構(gòu)的想象能力。在分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容中，判斷點群、堆積類型、結(jié)構(gòu)型式等都需要發(fā)揮學生的空間想象能力。所以對于典型的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)要多看多想，通過觀察實物模型和計算機三維模型，尋找特點和規(guī)律，根據(jù)定理和規(guī)則，把看到的具體模型簡化成抽象結(jié)構(gòu)，體味結(jié)構(gòu)之美。

最后要求學生要提前預(yù)習和及時復(fù)習。結(jié)構(gòu)化學難度高、內(nèi)容多，不提前預(yù)習很難跟上教師的講課節(jié)奏。即使在課堂上聽懂了，若課下不及時復(fù)習，經(jīng)過一段時間后就容易忘記。因此，要提前預(yù)習以做好課前準備，及時復(fù)習以鞏固所學知識。另外，要加強習題練習，通過做題來查找學習中的問題，加強對知識的理解。

另外，還要向?qū)W生說明一些其他教學事宜。如介紹課外參考書和網(wǎng)絡(luò)教學資源，說明模型實習的具體安排，制定課堂紀律，明確考試考核要求以及成績構(gòu)成百分比等。

4結(jié)語

精心組織、準備好結(jié)構(gòu)化學緒論課對于學生學習結(jié)構(gòu)化學課程具有重要意義，有利于學生了解結(jié)構(gòu)化學，認識結(jié)構(gòu)化學的重要性，提高學習興趣，掌握學習方法。“好的開始是成功的一半”，上好緒論課可對以后的課堂教學起事半功倍的作用。

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中圖分類號O6；G64

doi:10.3866/pku.DXHX20150314