魏荣敏，杨 敏，王丽梅，王敦青

(德州学院 化学化工学院，山东 德州 253023)

结构化学是以量子力学理论为基础，研究原子、分子和晶体的微观结构、运动规律及结构和性能关系的一门学科[1-2]。新时代下，化学领域的许多学科已深入到了物质结构层次的研究，研究物质结构的方法也不断更新发展，同时，物理学、生命科学、材料科学、新能源科学等学科也需要从分子层面揭示材料的理化性质，这些都迫切需要结构化学提供坚实的基础知识来更好的认识物质各个层次的组成、结构、性质和应用。

研究型实验教学，是指把与教学内容相关的实际问题作为载体，学生在教师的组织和指导下相对独立地进行探索研究的一种实验教学模式[3-4]，不仅有助于完善和提升传统的“知识+能力”培养，而且能重点加强理性思维方式、协同合作能力等品格方面的培养，促进学生实践能力和创新意识的提升。为提高结构化学课程的教学效果，在有限学时内更好的培养学生的创新创业能力和跨界整合能力，我们在原有实验教学基础上进行了实验教学改革，采用翻转课堂模式，将教师的科学研究课题和量子化学计算引入到实验教学中。旨在引导学生通过自主探究和小组协作相结合的方式进行思考学习，培养学生的动手能力和创新意识，同时，理论与实践相结合，加深学生对理论知识的理解。

1 传统实验教学存在的问题

近年来，针对新的人才培养目标和结构化学教学中存在的问题，许多学者对结构化学实验教学进行了有意的探索和实践，取得了一定的效果[5-7]，但调查发现仍存在一些问题与不足，主要表现在：

(1)任务重，时间少。化学学科的快速发展以及与其他学科的交叉融合，使结构化学教学内容快速膨胀，但是其教学课时反而越来越少，产生“任务重，时间少”的难题。传统的实验教学一般采取教师讲授为主的方式，教师在课上详细讲解实验设备的使用、操作步骤及注意事项，课上留给学生的操作时间非常有限，达不到培养学生实践能力的目的。

(2)验证性实验为主，缺乏创新性。传统的化学实验以验证性实验为主，要求学生掌握实验基本原理、基本知识和基本操作，规范操作得出正确的数据和结论。实验内容内容比较陈旧、墨守成规，实验方法基本以灌输、模拟和验证为主，不利于学生创新能力的培养。

(3)无法兼顾学生的个体差异性，教学效果差。传统的结构化学实验以教师讲授为主，学生采取同样的方法和步骤进行实验操作，很难兼顾到每一位学生的个性差异，而且师生之间缺乏交流，导致学生实验课思想懈怠，行动不积极，降低了学生学习的主动性和创造性，教学效果差。

2 基于翻转课堂的实验设计

“翻转课堂”以学生为主体，将教师对学生的“知识传递”过程放在课堂外，学生借助于教师制作的视频或开放网络资源，依据自身特点自主完成知识的学习及建构，而课堂则成为他们探讨问题或得到个性化指导的地方[8]。“翻转课堂”颠覆了传统教学流程，以教师“教”为中心转变为以学生“学”为中心，学生成为整个教与学活动的主体，大大提高了学习兴趣，并且在很大程度上解决了课时量不足的问题。

根据专业培养计划，结构化学课程安排了16个学时的结构化学课内实验。该实验设计从课程基本内容和主要任务入手，依据课程培养目标，共设计4个实验项目(见表1)。实验内容涵盖量子力学理论、点阵理论、晶体学理论和磁性质等众多结构化学知识，要求学生综合运用红外光谱、单晶衍射法等多种实验原理和方法解决问题。每个实验大致都分为课前、课中和课后三个阶段，现以配合物的量子化学计算为例进行说明。

表1 实验项目和实验内容

3 实验教学实施

本实验项目基于密度泛函理论对配合物分子进行量子化学计算。要求学生使用GaussianView软件导入配合物分子结构，构建分子计算模型，编写输入文件，然后提交至Gaussian09软件进行分子构型优化、单点能计算，并对其自旋电子密度进行分析。

3.1 课前阶段

3.1.1 教师精心备课

教师是整个教学活动的设计者、组织者和实施者，更是学生学习活动的引领者，是决定教学环节是否成功的决定因素。因此，在教学活动实施之前，教师要精心创建教学资源、制作教学PPT、录制视频、编辑课上交流的思考题等。

(1)制作实验项目PPT：主要介绍量子化学计算的基本原理、Gaussian软件、密度泛函理论等概念；介绍如何根据计算任务编写输入文件及输入文件的注意事项。

(2)编写实验讲义：将上述PPT内容编写成比较系统的讲义供学生学习参考。针对实验中存在的不收敛情况，列出其不收敛原因及其对应的解决方案，供学生实验操作时参考。

(3)视频的录制：教师录制使用GaussianView构筑计算模型的演示视频和Gaussian软件的使用视频。在构筑计算模型时，由于操作步骤繁多，如果只依靠教师课堂上的演示与讲解，学生操作起来难度较大且浪费时间。因此，学生可以在课前进行预习和试操作，节约课中操作时间。

3.1.2 学生课前自主学习

学生根据教师提供的讲义和PPT等资料采用适合自己的方法学习实验内容。学生可以根据自己的学习情况尝试自主构筑计算模型并编写输入文件，并详细记录学习过程中遇到的问题，留待课上讨论或通过电话、微信等方式及时和教师交流沟通。

自主学习方式可以引导学生主动思考、积极探讨，从而使结构化学实验的学习过程更具针对性、趣味性、主动性和创造性。学生可以选择最适合自己学习的时间观看教学视频，或通过手机利用空闲时间学习；还可以根据理解程度选择性的重复播放学习视频。在学习中，对有疑问的知识点可以等待教师课上解答或者通过微信等进行沟通，也可以在课前与同学进行讨论，形成协作式互助学习[9]。

3.2 课中阶段

3.2.1 教师讲解重难点、答疑

由于学生在课前已经有了比较深入的学习，因此教师在这个阶段只需对实验项目中的重难点和学生学习过程中的共性问题进行讲解、答疑。此阶段教师的任务主要有以下几项：

(1)教师讲授。讲解实验中的重难点和存在的共性问题，有针对性进行教学。

(2)检查教学。教师以习题的方式提出问题，组织学生以小组方式展开讨论，督促学生完成课下学习任务的同时培养其解决问题的能力。

(3)个性教学。实验过程中，总会出现这样那样的突发情况，当出现学生自己无法解决的新问题时，教师需要针对个别学生的个别问题进行针对性的指导。另外，教师需对整个实验课堂进行巡视，及时发现问题解决问题，并督促学生顺利完成实验操作。

3.2.2 学生自主实验

通过课前的自主学习及课上教师的讲解及问题式知识巩固，学生对该实验项目及实验操作步骤有了深入的了解，因此学生需要在课堂上独立自主的完成实验任务，根据配合物的晶体结构利用GaussianView构筑计算模型并编写输入文件，提交至Gaussian09软件进行分子构型优化和单点能计算等。计算结束后整理计算结果，分析配合物分子的单点能和自旋电子分布，绘制自旋密度分布图。该实验项目以实验二得到的晶体结构[10]为基础，选用{Co(4-CH3py)4[W(CN)8]2}片段为计算模型，分别采用BP86、TPSSH、B3LYP和M06 密度泛函和def2-TZVP基组，对配合物进行了理论研究。其单点能如表2所示，图1为配合物的自旋密度分布图。对实验结果进行讨论，通过对比不同自旋态下配合物单点能的大小，确定配合物中CoII离子为顺磁性高自旋态，自旋量子数S=3/2，并探讨结构和磁性关系。

表2 配合物高低自旋态的单点能E0及高低自旋能级差(ΔE0=EHS-ELS)Table 2 Single-point energy (E0) and relativeenergy ( ΔE0=EHS-ELS) of the complex in all spinstates calculated by different functional

图1 配合物选用B3LYP方法时的自旋密度分布图

3.3 课后阶段

3.3.1 教师进行教学反思

教师根据课前及课中教学情况，从是否达到预期教学目标、教学中成功及需要改进的地方、教学设计与实际教学行为的差距、课堂上发生的偶然事件及影响等几方面，进行教学后反思，指导并完善结构化学课程的实验教学改革。另外，指导学生完成拓展实验，教师只提供实验项目，如双原子分子价层分子轨道的绘制、配合物分子振动光谱计算等，学生通过查阅文献自主设计实验方案，教师与学生一起讨论交流，评估其可能性，指导学生完成拓展实验。

3.3.2 撰写实验报告、完成拓展实验

学生除按常规撰写实验报告外，还需就计算结果及其讨论和实验中遇到的问题、学习心得体会等，撰写小论文。另外，学生还可以根据教师提供的拓展实验项目自主设计实验，带着问题查阅文献，以2～3人小组为单位进行探求、归纳和总结；确定量子化学计算所用的泛函和基组；撰写详细的实验方案，经教师评估后在教师指导下进一步理清实验思路、预估结果和实验中需要注意的问题等，完成拓展实验。

4 实验考核

实验教学的考核，直接影响学生参与实验的积极性，在整个实验教学设计中占据重要地位。翻转课堂教学模式，将学生的学习过程放在课下，课上是检验和加深学生学习成果的阶段，因此过程性考核尤为重要，除常规的知识点测试和期末考试外，也把学生回答问题、参与问题讨论等情况纳入到课程成绩评定中。此外，我们还采用实验报告和小论文相结合的方式对学生的学习效果进行考核。实验报告内容包括实验目的、实验过程、实验结果与分析、结论等基本组成部分，必须坚持实事求是的原则，将实验的原始数据进行记录、归纳和整理分析，对于实验中的不足之处，积极思考，可在教师和问题讨论小组的帮助下提出切实可行的改进措施。而小论文主要侧重学生在学习过程中遇到的问题及解决方案和学习心得体会等，既有利于学生对学习过程进行反思和总结，也为教师改进实验教学提供方向和参考。

5 结论

本实验设计，注重目标导向性，依据教学内容，结合学科发展前沿，将X-射线单晶衍射、量子化学计算等新方法、新原理引入到实验教学中来，同时寓研于教，提高了实验教学的新颖性和实用性，反应了学科前沿性和时代性。采取翻转课堂教学模式，有效弥补了传统课堂效率低、学生和教师交流不足、学生动手能力差的不足，实现了学生的自主性探究式学习。该实验设计的实施，加深了学生对自洽场法和线性变分法解薛定谔方程原理的理解，同时加深了学生对量子力学基础知识、分子轨道概念和薛定谔方程的理解，培养了学生的科学素养和综合解决复杂问题的能力及创新能力。此外，实验的顺利实施必然会要求教师不断创新和钻研实验教学方法，推动了实验教学的深化改革，对实现新时代创新性应用型本科人才培养目标起到十分重要的作用。