大学化学, 2021, 36(1): 2008056-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202008056

专题

以一流资源支撑结构化学一流课程建设

孙宏伟,, 陈兰

First-Class Course Construction of Structural Chemistry Supported by First-Class Resources

Sun Hongwei,, Chen Lan

通讯作者: 孙宏伟,Email: sunhw@nankai.edu.cn

收稿日期: 2020-08-24   接受日期: 2020-09-28  

基金资助: 南开大学本科教育教学改革项目.  NKJG2020156
教育部高等学校化学类专业教学指导委员会教学研究与实践项目.  H20200506

Received: 2020-08-24   Accepted: 2020-09-28  

Abstract

In this paper, several methods based on electronic educational resources have been presented for teaching structural chemistry. The constructions of multimedia materials, VRML models, teaching videos and website can not only improve the classroom effect, but also provide the students with a useful post-class learning platform. Meanwhile, further teaching reforms can be made on the foundations of these techniques.

Keywords: Structural chemistry ; E-learning resources ; Multimedia materials ; Course website ; Teaching videos ; First-class courses

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孙宏伟, 陈兰. 以一流资源支撑结构化学一流课程建设. 大学化学[J], 2021, 36(1): 2008056-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202008056

Sun Hongwei. First-Class Course Construction of Structural Chemistry Supported by First-Class Resources. University Chemistry[J], 2021, 36(1): 2008056-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202008056

结构化学在原子、分子水平上讨论物质的性质与几何、电子结构间的关系,从微观理论和方法入手,在理解“结构决定性质,性质反映结构”的基础上,构建微观结构(本质)与宏观性质(现象)依赖关系,从而使学生能在更深层次上理解各种化学现象和规律的本质和内涵。结构化学是基础(经验性)化学到高等(理论性)化学的阶梯,可以引导学生逐步突破表象,从本质上认识化学问题。因此,结构化学在化学学科的课程体系中具有重要的地位,是化学学科思维的最重要组成部分。由于结构化学课程的电子结构部分涉及量子力学等诸多深奥的知识,空间结构部分又涉及大量分子和晶体结构的内容,素来以“教师难讲,学生难学”而著称,是大学阶段化学专业课程中最难学的课程之一[1]

南开大学结构化学课程组针对教学难点,充分利用现代计算化学和晶体学发展的成果,成功地将计算化学、晶体学、多媒体、网络和交互技术等引入结构化学理论教学,通过多媒体素材、实践教学、视频和教学网站等系列完善的资源建设,将现代技术与传统的理论课课堂讲授经验、结构模型实践教学等充分融合,形成了理论教学与实践相结合,课堂教学与虚拟网络相结合的新教学模式,极大地改变了结构化学的课堂教学形态,激发了学生的学习积极性和教师的创造性,取得了理想的教学效果。

1 突破课堂讲授难题

结构化学课程包括两个核心内容: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,并通过轨道相互作用了解化学键的本质;二是描述分子和晶体中原子的空间排布,确立分子和晶体的立体结构[2]。这两个核心内容恰恰是结构化学教学的两大难点,如何更好地在课堂上展现抽象的函数和分子、晶体的三维空间结构是授课教师面临的难题。

新技术的引入为解决这个授课难点提供了强有力支撑:其中,针对电子结构部分抽象概念多、学生难以理解的特点,我们通过制作函数图(图 1)、动画(图 2)和交互式虚拟现实动画(图 3),形象表现原子、分子轨道性质和分子轨道形成的动态过程,使学生将形象化的内容与抽象的概念相互印证;针对空间结构中分子和晶体的空间结构多、学生难以掌握的问题,我们通过计算化学、晶体学专业软件表现分子和晶体结构,设计制作分子、晶体的3D结构数据、图片、动画和虚拟现实(VRML)动画,在课堂上实时展现分子和晶体结构(图 4),方便学生快速掌握分子和晶体空间结构的规律性。

图1


图2

图2   π成键分子轨道形成过程(动画)


图3

图3   VRML函数图


图4

图4   晶体结构的展现


课程组参加了高等化学教学资源库结构化学子库(图 5)一期和二期建设,采用几十种计算化学、晶体学、数据绘图、图像渲染、动画制作等方面的软件,设计并制作了动画、图片、矢量cdr图和结构数据等素材近900个,资源库建设为结构化学课堂多媒体教学提供了充足的素材保障。

图5

图5   高等化学教学资源库结构化学子库


在资源库建设的同时,课程组完成了课程全部高水平交互式结构化学多媒体课件的制作,其中包含各种类型的多媒体素材1500多个;后期又不断采用新技术手段制作新型、表现力出色且艺术水平高的资源素材,如交互式VRML格式的分子轨道、晶体宏观对称性动画和VRML动画等[3, 4],目前课程组设计制作的各类结构化学资源素材近3000个,做到了课程知识点的全覆盖,完全满足教师课堂教学和学生学习的需求。

现代计算化学、晶体学成果与计算机多媒体、交互技术等引入课堂教学,充分利用交互技术的优势表现抽象概念和复杂的空间结构,极大地改变了结构化学的课堂教学形态。在课堂上,教师可以方便地以最恰当的角度展现电子结构和空间结构,学生则从丰富、准确、精确的各类图片、动画和交互式模型中理解各种抽象概念。在讲授“分子轨道成键三原则”时,通过沿键轴方向的原子轨道对称性(图 1b)图片,学生可以直观地理解对称性匹配的原则;在讲授“六方最密堆积”时,通过VRML动画(图 4c),学生可以直观地从不同角度观察正八面体空隙的分布。这些工作的完成激发了学生的学习积极性和教师的创造性,解决了多年来一直困扰结构化学课堂教学的难点。学生的学习热情和对结构化学知识的掌握水平明显提高,结构化学课程也从学生畏难抵触变成最喜欢的课程之一。本课程资源素材和课件在全国推广使用,为提高国内结构化学教学的水平发挥了良好作用。

2 解决学生课外学习难题

结构化学是一门难度高的理论课程。一方面,课程的特殊性使学生无法通过自学完成学习,课堂讲授是不可或缺的;另一方面,学生仅靠课堂学习无法达到课程要求的效果,反复学习,逐步加深对理论知识的理解,强化空间结构概念是学好本课程的必由之路。教学视频的缺乏无疑成为学生课外自主学习最大的难题。针对这个难题,课程组进行了以下几项工作。

基于国家精品课建设的要求,笔者于2010年录制了结构化学课堂实录视频,视频在超星学术视频网、南开大学结构化学课程网站和爱课程网发布,国内众多视频网站都有转载。为方便学生课外学习,2016年笔者编著的《结构化学》教材[5]在高等教育出版社出版时,配套录制了结构化学重点难点讲解(微课)视频77讲,读者可以直接扫描教材上的二维码观看相关知识点的讲解。同期还录制了教材配套习题讲解视频97讲。2018年笔者为克服课堂讲授录像中多媒体展现不好、微课视频片段化的不足,重新录制了结构化学课程全程讲授视频107讲。

这几项工作的完成为学生课外学习提供了多角度、不同层次的视频资源。学生无论是按课堂讲授顺序系统学习,按知识点片段化学习,还是解决课后习题问题都可以选择性观看相应的教学视频,对学生的课外学习提供了强有力的支持。本课程教学视频受到众多国内同行和校外学生的关注,许多学生通过这些教学视频资源学习结构化学课程。今年疫情期间,正是基于这些教学视频资源,结构化学课程的线上教学得以灵活开展,教学效果良好,受到学生的普遍好评。

3 提升模型实习实践教学效果

为解决空间结构学习的难题,国内许多综合性大学结构化学课程都配套有模型实习实践教学,通过实物模型实习来加强空间结构的学习。南开大学结构化学课开设5次模型实习(每次2课时,30人小班,6组,单独安排时间),分别为分子对称性、点阵理论、晶体的宏观对称性、密置层和金属密堆积以及离子晶体。但在长期的教学中,我们发现几个影响实习效果的问题:一是学生预习、复习难;二是实习讲解不充分,实习效率低。我们通过资源建设和新教学方法的引入很好地解决了这几个问题,提升了空间教学的效果。

受模型实习时间、场地和模型数量的限制,学生在模型实习实践教学上无法进行系统的预习和复习,难以达到模型实习的最佳效果。针对这个问题,课程组通过计算化学程序优化提供了30种模型分子的3D结构图片(带对称元素)、MOL、MSV、SMA分子结构数据和VRML模型,用晶体学软件构建了典型金属、离子晶体和堆积的MSV结构数据和VRML模型,用WinXMorph程序构建了400多块宏观晶体的VRML模型,并建立了虚拟模型实习网站(图 6),学生可以在实习前用虚拟模型预习,实习课上用实物模型学习印证,课后再用虚拟模型复习,实物模型教学和虚拟网络结合大大提升了学生空间结构学习的效果,同时虚拟模型实习网站也为缺乏实物模型的其他院校提供了学习条件。

图6

图6   虚拟模型实习


模型实习课采用分组的形式,学生的问题可与教师讨论解决。但在具体实践中我们发现这种方式存在这样几个问题:学生提问的知识点重复;教师解答仅限于提问的小组;受课时限制,教师难以在模型实习课上向全体学生讲解全部遇到的问题。针对这个问题,笔者录制了35段模型实习问题讲解视频,这些视频既包含一些常见的基础性问题:如26孔球的键角问题、等同点概念和点阵点位置等;也总结了一些可以提升学生空间结构理解的问题:如二面体群结构特点;hcpccp的关系等。学生观看视频相当于了解并学习了大多数同学遇到的问题,开阔了视野,加深了对空间结构的理解。两项资源建设显著提升了学生空间结构学习的效果,并且帮助学生在模型实习中通过小组讨论掌握分子和晶体结构的规律。今年由于疫情,结构化学课程采用线上教学,虚拟模型实习和模型实习讲解视频助力学生很好地完成了空间结构部分的学习,取得了很好的效果。

4 课程网站为一流课程建设提供平台保障

课程网站为一流课程建设提供了平台保障,多媒体课件的更新、新资源素材和教学视频的发布均离不开课程网站,是资源建设的重要一环。

2003年,课程组建立了FTP服务器,提供课件和资源下载。2007年正式建成南开大学结构化学课程网站(http://struchem.nankai.edu.cn)并一直服务至今,网站资源随着课程资源建设的进程不断增加。目前网站资源共36 GB,内容包括:i)课程大纲和课程基本内容;ii)全部配套多媒体课件及相关多媒体、结构数据素材;iii) 3000多个自制多媒体素材的资源库;iv)虚拟模型实习5个;v)教学视频资源,包括课堂讲授视频89讲,微课77讲,课程全程视频109讲,习题讲解97讲,模型实习讲解35讲;vi)由笔者承担的,与结构化学相关的量子化学、量子化学与分子力学(分子模拟)、计算机在化学中的应用几门课程的电子讲义、资料和讲解视频等。南开大学结构化学课程网站由笔者自己搭建和管理,可随时更新;静态网页架构简单,安全性高。网站秉承资源共享原则,不设任何限制,国内外所有访问者均可自由下载使用。

课程网站为学生提供了获得全部课程资源的平台,方便学生学习并提升学习效果:学生可以在课程平台上通过课程视频自主学习、复习;下载交互式多媒体课件自己操作、制作翻转课堂的课件;通过资源库中的素材学习电子和空间结构;通过虚拟模型实习完成空间结构实践教学;通过其他课程资源全面提升理论和计算化学水平。课程网站是是助力新教学方法,提升课程教授水平的重要支撑平台。

5 资源建设助力新教学方法

完备的课程资源建设直接助力结构化学课程的教学改革。为引入新的教学理念和教学方法奠定了厚实的基础。课程组为提高学生自主学习的积极性,提升课程教学效果,引入了大班授课、小班讨论的教学模式。以多角度、多层次的教学视频以及交互式课件和多媒体资源为基础,教师在教学时间和教学手段上可以灵活地掌控和运用。学生可以自主解决学习问题和习题难点,自学一些相对简单的内容,在不降低课程讲授效果的前提下,教师的习题和课堂讲授时长得以压缩。

考虑到结构化学课程特点,电子结构部分内容难以理解,学生自学不可能完成,将主要以大班授课为主,小班讨论课安排科学史学习、基本概念深入理解和波函数作图等既可以提升学生学习兴趣,又可以深入理解课程内容的专题进行研讨。内容包括:量子力学发展史(背景、内容、对量子力学发展所起作用,启迪);绘制势箱和各种原子轨道函数图;量子化学基本概念;化学键与分子结构等。其中在波函数作图的研讨中,学生可以仿照课程资源库的模式,采用不同的技术手段表现波函数的性质,既可以在课程网站上通过视频资源学习各类函数的作图方法,也可以采用自己学习的其他方法,如python、MathLab或其他软件完成各种2D、3D函数图。在作图中学生通过调整函数参数可以挖掘函数的规律,从抽象概念形象化的过程中加深对电子结构概念和规律的理解。

空间结构部分容易理解,但难以掌握,原有的教学模式是课堂讲授+模型实践教学。经过探索,我们找到了一条新的有效的教学模式。

以翻转课堂替代教师课堂讲授,学生在学习课程视频资源后,自己组织翻转课堂的课件,在资源库中选取或自己制作素材资源,学习过程从被动转变为主动,学生在讲授中能发现空间结构更深层的规律,这种方式在分子对称性一章的学习中实践效果非常好。

实践教学部分进阶为实习讨论课,固定分组,每组5–6人,每次课6组(与原有规模相同)。学生在课前用虚拟模型实习预习,学习模型实习视频,教师在实习讨论课上提出问题,加深学生学习的深度。如在分子对称性讨论实习中,提出的问题包括:对称元素的数目和位置;如何找最快;点群如何快速判断;找出点群与分子构象的关系;搭建新的有挑战性的分子结构等等。课后学生利用虚拟模型实习复习后,再准备课堂展讲,进一步挖掘学生潜力,取得了非常好的效果。

经过几年的教学实践[6],我们找到了空间结构教学的新模式——“线上学习”+“翻转课堂”+“虚拟模型”+“模型实习讨论课”+“展讲”,系列多角度的反复学习有效提升了空间结构教学的效果和学生的自主学习、团队合作和表达的能力。

基于资源建设的基础,南开大学结构化学课程建设取得了显著成果,南开大学结构化学课程先后被评为国家精品课程(2009年)和国家精品资源共享课(2017年);“基于现代技术的《结构化学》精品课程的建设与实践”2015年获天津市教学成果一等奖;2020年课程入选天津市线下一流本科建设课程。

在今年疫情期间的教学中,线下授课改为线上授课,教师授课和学生学习均面临了诸多挑战。结构化学课程由于教学视频丰富、全面,课程网站运行稳定,各种教学资源丰富,教师可以采用灵活、高效的线上教学,诸如线上答疑和讨论,智慧教学工具进行小测,虚拟模型实习实践教学等等,保证了课程的教学效果,在对学生线上学习情况调查中,课程资源的完备得到学生普遍称赞。

6 结语

在一流课程建设中,资源建设无疑是关键。一方面,在资源建设中教师可以加深对知识点的理解,拓宽并领悟知识点间的关联;另一方面,资源建设可以使教师有更充裕的课堂时间,方便灵活地引入新教学理念和思想,引导学生自主学习,全面提升课程建设和教学水平。

参考文献

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周公度; 段连云. 结构化学基础, 第5版 北京: 北京大学出版社, 2017.

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孙宏伟; 陈兰. 大学化学, 2018, 33 (2), 70.

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孙宏伟. 结构化学, 北京: 高等教育出版社, 2016.

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孙宏伟; 陈兰. 大学化学, 2018, 33 (6), 18.

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