結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)設(shè)計

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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)的動力，充分發(fā)揮其主觀能動性，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)的各個領(lǐng)域。以學(xué)生學(xué)習(xí)過的課程為例，無機化學(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;有機化學(xué)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(xué)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(xué)知識緊密相關(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(xué)及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算化學(xué)、分子模擬等對分子設(shè)計起理論指導(dǎo)作用。為了讓學(xué)生了解這方面的內(nèi)容，可用如下實例進(jìn)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(xué)領(lǐng)域的研究熱點。在教學(xué)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(xué)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(xué)獎。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。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(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。研究者正在不斷對石墨烯的結(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，擴大應(yīng)用范圍。通過這個例子，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(jìn)行講解。作為在結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科，計算化學(xué)正在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)逐漸嶄露頭角。計算化學(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(xué)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(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(xì)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［。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(biāo)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(xué)獎授予美國科學(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”。這個獎項是對計算化學(xué)進(jìn)步的認(rèn)可，強調(diào)了計算化學(xué)在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)越來越大的作用。在計算化學(xué)領(lǐng)域有兩種主要的計算方法，一種是基于量子力學(xué)原理的量子力學(xué)計算方法，另一種是基于牛頓力學(xué)的分子力學(xué)/分子動力學(xué)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(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，對藥物及與藥物相作用的蛋白部分采取精確的量子力學(xué)計算，對蛋白的剩余部分采取快速的分子力學(xué)計算，這樣就兼顧了準(zhǔn)確性和計算量，取得了很好的結(jié)果。計算機作為當(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(xué)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(xué)生認(rèn)識到結(jié)構(gòu)化學(xué)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(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。例如在開創(chuàng)量子力學(xué)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(xué)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(xué)家獲得諾貝爾獎。而且還有很多科學(xué)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(zhǔn)晶體等。將結(jié)構(gòu)化學(xué)的發(fā)展史與化學(xué)史尤其是諾貝爾獎聯(lián)系起來，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，使他們獲得強大的學(xué)習(xí)動力。

2結(jié)構(gòu)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法

在讓學(xué)生意識到結(jié)構(gòu)化學(xué)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(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(xué)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(xué)生要提前預(yù)習(xí)和及時復(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，若課下不及時復(fù)習(xí)，經(jīng)過一段時間后就容易忘記。因此，要提前預(yù)習(xí)以做好課前準(zhǔn)備，及時復(fù)習(xí)以鞏固所學(xué)知識。另外，要加強習(xí)題練習(xí)，通過做題來查找學(xué)習(xí)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(xué)事宜。如介紹課外參考書和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，說明模型實習(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構(gòu)成百分比等。

3結(jié)語

精心組織、準(zhǔn)備好結(jié)構(gòu)化學(xué)緒論課對于學(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?！昂玫拈_始是成功的一半”，上好緒論課可對以后的課堂教學(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