結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

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1結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性

只有讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性，才能使他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)起學(xué)習(xí)的動(dòng)力，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

(1)結(jié)構(gòu)化學(xué)是化學(xué)各學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)化學(xué)為化學(xué)各學(xué)科提供理論指導(dǎo)，是聯(lián)系基礎(chǔ)化學(xué)與高等化學(xué)的階梯。結(jié)構(gòu)化學(xué)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。以學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)的課程為例，無(wú)機(jī)化學(xué)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(jī)化學(xué)中運(yùn)用雜化軌道理論和分子軌道理論說(shuō)明有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，使用分子對(duì)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(xué)反應(yīng)機(jī)理等;儀器分析中紫外光譜中的電子躍遷、紅外光譜中的簡(jiǎn)正振動(dòng)、X射線衍射等，都與結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)緊密相關(guān)。從這些學(xué)生熟悉的課程入手，可使他們很快體會(huì)到結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要基礎(chǔ)地位。

(2)結(jié)構(gòu)化學(xué)是分子設(shè)計(jì)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(jì)出性能更好的分子。結(jié)構(gòu)化學(xué)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算化學(xué)、分子模擬等對(duì)分子設(shè)計(jì)起理論指導(dǎo)作用。為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容，可用如下實(shí)例進(jìn)行說(shuō)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(huì)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(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在教學(xué)中可先向?qū)W生提出問(wèn)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(jià)鍵，每個(gè)碳原子剩余一個(gè)p軌道未參與雜化，上面各有一個(gè)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(gè)碳原子平面方向運(yùn)動(dòng)，所以石墨可以導(dǎo)電和導(dǎo)熱，可以用來(lái)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(dòng)，所以石墨具有潤(rùn)滑性，可以用來(lái)制作潤(rùn)滑劑。石墨烯可以看做是只有一個(gè)原子層厚度的單層石墨片。2004年，石墨烯由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫通過(guò)微機(jī)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(shí)驗(yàn)而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)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。由于石墨烯獨(dú)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(qiáng)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(xué)和光學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。例如，石墨烯被分割時(shí)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(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究者正在不斷對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(kuò)大應(yīng)用范圍。通過(guò)這個(gè)例子，可以讓學(xué)生深刻感受到結(jié)構(gòu)化學(xué)與科技前沿領(lǐng)域的聯(lián)系，意識(shí)到結(jié)構(gòu)、性能、用途三者間的辯證關(guān)系。然后以計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)為例進(jìn)行講解。作為在結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興交叉學(xué)科，計(jì)算化學(xué)正在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)逐漸嶄露頭角。計(jì)算化學(xué)基于三維分子結(jié)構(gòu)，以量子力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)原理為指導(dǎo)，確定算法并實(shí)現(xiàn)程序，再通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算來(lái)模擬和預(yù)測(cè)分子體系的性質(zhì);計(jì)算化學(xué)在實(shí)際生產(chǎn)中的一個(gè)重要應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)。例如研究者通過(guò)生物學(xué)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(biāo)(受體)，并且通過(guò)X射線晶體衍射或核磁共振等方法測(cè)定了其三維結(jié)構(gòu)，尤其是得到其作用(活性)位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。這時(shí)就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方式，在數(shù)據(jù)庫(kù)里尋找分子形狀和理化性質(zhì)與受體作用位點(diǎn)相匹配的小分子(配體)，研究受體與配體的詳細(xì)相互作用信息(包括結(jié)構(gòu)信息和能量信息)，合成并測(cè)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［。這就是基于受體結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)方法，可為藥物開發(fā)節(jié)省大量時(shí)間和資金，已在藥物設(shè)計(jì)方面取得了巨大成功。如HIV-1蛋白酶抑制劑的設(shè)計(jì)就是一個(gè)典型的成功案例，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)從方法研究過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用階段。2013年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家卡普拉斯，萊維特和瓦謝爾，以表彰他們“為復(fù)雜化學(xué)體系發(fā)展多尺度模型”。這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)是對(duì)計(jì)算化學(xué)進(jìn)步的認(rèn)可，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算化學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)越來(lái)越大的作用。在計(jì)算化學(xué)領(lǐng)域有兩種主要的計(jì)算方法，一種是基于量子力學(xué)原理的量子力學(xué)計(jì)算方法，另一種是基于牛頓力學(xué)的分子力學(xué)/分子動(dòng)力學(xué)模擬方法。將這兩種方法有機(jī)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短而建立起來(lái)的量子力學(xué)/分子力學(xué)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(shí)，對(duì)藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學(xué)計(jì)算，對(duì)蛋白的剩余部分采取快速的分子力學(xué)計(jì)算，這樣就兼顧了準(zhǔn)確性和計(jì)算量，取得了很好的結(jié)果。計(jì)算機(jī)作為當(dāng)今化學(xué)家的工具就像試管一樣重要，模擬是如此真實(shí)以至于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也能被計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)出來(lái)。萊維特曾經(jīng)這樣描述他的一個(gè)夢(mèng)想:利用計(jì)算機(jī)處理復(fù)雜化學(xué)過(guò)程的能力，實(shí)現(xiàn)在分子水平上模擬一個(gè)完整生物，構(gòu)建“數(shù)字生命”。通過(guò)這個(gè)例子，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)化學(xué)并非只是“紙上談兵”，而是具有重要的實(shí)際應(yīng)用，可以激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。最后，向?qū)W生介紹結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展歷史，將其發(fā)展史與諾貝爾獎(jiǎng)緊密聯(lián)系在一起，進(jìn)一步突出其重要性。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的一些重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和理論突破基本上都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。例如在開創(chuàng)量子力學(xué)的過(guò)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(xué)獎(jiǎng)。另外，在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)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(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)。而且還有很多科學(xué)家因在結(jié)構(gòu)方面的研究而獲獎(jiǎng)，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(zhǔn)晶體等。將結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展史與化學(xué)史尤其是諾貝爾獎(jiǎng)聯(lián)系起來(lái)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和素養(yǎng)，促使他們樹立遠(yuǎn)大的科學(xué)理想，使他們獲得強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法

在讓學(xué)生意識(shí)到結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性以后，接下來(lái)就要結(jié)合課程特點(diǎn)傳授給他們結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法。首先要重視定理、公式和方法的數(shù)學(xué)計(jì)算和推導(dǎo)。在結(jié)構(gòu)化學(xué)中尤其是量子力學(xué)部分涉及許多數(shù)學(xué)和物理方面的內(nèi)容，比較抽象和難懂。對(duì)于定理、公式和方法，學(xué)生要嘗試跟著教師的板書一起進(jìn)行計(jì)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(dāng)然，并不是要求學(xué)生死記硬背，關(guān)鍵還是理解。要讓學(xué)生體會(huì)到演算、推導(dǎo)和邏輯思維的快樂，感受科學(xué)的魅力。其次要提高對(duì)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(diǎn)群、堆積類型、結(jié)構(gòu)型式等都需要發(fā)揮學(xué)生的空間想象能力。所以對(duì)于典型的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)要多看多想，通過(guò)觀察實(shí)物模型和計(jì)算機(jī)三維模型，尋找特點(diǎn)和規(guī)律，根據(jù)定理和規(guī)則，把看到的具體模型簡(jiǎn)化成抽象結(jié)構(gòu)，體味結(jié)構(gòu)之美。最后要求學(xué)生要提前預(yù)習(xí)和及時(shí)復(fù)習(xí)。結(jié)構(gòu)化學(xué)難度高、內(nèi)容多，不提前預(yù)習(xí)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(shí)復(fù)習(xí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后就容易忘記。因此，要提前預(yù)習(xí)以做好課前準(zhǔn)備，及時(shí)復(fù)習(xí)以鞏固所學(xué)知識(shí)。另外，要加強(qiáng)習(xí)題練習(xí)，通過(guò)做題來(lái)查找學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解。另外，還要向?qū)W生說(shuō)明一些其他教學(xué)事宜。如介紹課外參考書和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，說(shuō)明模型實(shí)習(xí)的具體安排，制定課堂紀(jì)律，明確考試考核要求以及成績(jī)構(gòu)成百分比等。

3結(jié)語(yǔ)

精心組織、準(zhǔn)備好結(jié)構(gòu)化學(xué)緒論課對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)化學(xué)課程具有重要意義，有利于學(xué)生了解結(jié)構(gòu)化學(xué)，認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)化學(xué)的重要性，提高學(xué)習(xí)興趣，掌握學(xué)習(xí)方法。“好的開始是成功的一半”，上好緒論課可對(duì)以后的課堂教學(xué)起事半功倍的作用。

作者：王騰 劉晶靜 孫宏偉 陳蘭 孫立平 董建 單位：泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院 泰山學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院