我国著名化学家徐光宪曾经形象地把结构化学比做人的脑袋，可见其重要地位。结构化学是利用量子力学原理和现代物理化学实验方法，从微观的角度研究原子、分子和晶体结构及其结构与性能之间的关系。其内容抽象难懂、涉及面广，具有极强的理论性和应用性，要求学生具有较强的数理功底和空间思维能力。为提高物理化学的教学效果，国内一些学者开展了不同程度的探索研究^[1-6]。小专题式教学法^[7]是以问题为中心而展开的教学模式，是指主要针对教学中的某一章节所涉及的内容设计出的小型专题。小专题的设计紧密结合生活生产实际和学科前沿，有利于提高学生的学习兴趣，培养学生的创新思维能力，加强学生的综合素质。

结构化学所包含的知识面较为广泛，理论性和专业性较强，大量运用比较复杂的数学处理方法，增加了学习难度，使学生望而生畏。再者，社会在不断进步，科技迅猛发展，电子隧道扫描显微镜、激光、半导体等一系列现代科学技术的研究均取得了很大的突破；结构化学及其相关学科的发展也发生着日新月异的变化。而现有教材却很少结合实际和前沿知识，容易导致学生缺乏学习动力和兴趣。另外，作为一般学校来说，教师讲授式教学还是主要的方法，这种教学模式强调理论知识全面，公式推导严谨、精炼，但学生接受起来较枯燥乏味，如何在侧重基础理论知识的前提下提高学生的创新思维能力和学习效率是授课教师应该思考的问题。

小专题式教学法不同于一般的专题讨论，是基于结构化学专业基础课的地位，主要针对教材中的某一章节所涉及的内容设计出的小型专题(时间一般控制约10分钟)，由学生课余时间准备，课堂讲解。教学过程中仍按教学大纲规定的章节顺序讲授，以确保教学的时间和系统性。

在小专题式教学模式中，讲课的学生需要自己查找资料，理解消化，做ppt课件，上台讲课并回答问题。整个过程需要学生主动去思考、探索，不仅使学生学会了获取新知识的方法，而且锻炼了学生发现、分析和解决问题以及语言表达等能力，对培养学生的综合素质有很大的好处。其他同学通过讨论、教师讲评和指导，也得到一定的收获。这种以教师讲授式教学为主导，配合以学生小专题讲课的教学模式，既可以保证大多数学生掌握基础知识，又可以让一些优秀的学生发挥主观能动性，促进他们成长。此外，结构化学通常在第5学期开设，此时学生已具备一定的学习基础和能力，采用小专题教学符合学生的接受能力，同时兼顾了学生思维发展的规律，因而切实可行。而且教学易于根据学校的具体情况，对专题的内容、次数、时间及要求进行调整。

在小专题教学中，问题的提出是整个教学环节的焦点所在，教师对问题设计的好坏直接影响到学生学习的效果。因此，问题情境的创建是实施这一教学方式的重要前提。在小专题设计上，应遵循学生的认知规律，设计与学生现有的认识和生活经验，学科前沿相联系的问题，激发学生强烈的求知欲，培养学生的创新思维能力。此外，所设问题的难度必须趋向于学生思维的“最近发展区”，通过提供相关的模型、演示、运用知识铺垫等方法启发、帮助学生，使学生通过努力后自主学习成为可能。目前对于结构化学全部采用小专题式教学法是不合适的，我们挑选了部分学生容易理解的、与实际应用关系较密切的内容进行实验，逐步探索小专题式的教学模式。现结合本校应用化学专业采用的普通高等教育“十五”国家级规划教材——周公度主编的《结构化学基础》^[8]，安排的小专题教学内容如表 1所示。

表 1

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表 1 结构化学小专题教学的内容安排 Table 1 Contents of small thematic teaching of structural chemistry 教材内容 小专题题目 说明 量子力学基础知识 1.领略大师风采——波尔的逸闻趣事 2.薛定谔的猫 3.隧道扫描显微镜 1.波尔在科研中的逸闻趣事、科研精神、波尔与诺贝尔奖 2.薛定谔的猫提出、含义与哲学思想 3.隧道扫描显微镜的应用与工作原理 原子的结构和性质 1.薛定谔的T恤 2.激光 1.薛定谔方程的提出、发展与应用 2.激光的发现、产生、原理 共价键理论和双原子分子的结构化学 1.Pauling与诺贝尔奖 2.O2的顺磁与反磁 1.Pauling价键理论的提出，2次获得诺贝尔奖，科学严谨精神和科学素养 2.O2磁性的研究历程，价键理论与分子轨道理论对O2磁性的解释 分子的对称性 1.手性药物 2.手性在生物中的重要性 1.手性药物的定义、特点、应用及前景 2.生物分子的手性,酶对底物构型的选择 多原子分子的结构和性质 1.C60的合成 2.染料和指示剂 3.化学模拟生物固氮 4.汽车尾气的治理(针对NO污染) 1.C60的合成、结构与性能 2.染料的颜色，指示剂变色原理 3.化学模拟生物固氮的原理、研究现状及困难 4.汽车尾气治理的途径(针对NO污染)、原理及进展 配位化合物的结构和性质 1.硅胶干燥剂 2.诺贝尔奖与核磁共振的不解之缘 1.硅胶干燥剂的成分、作用原理(配位场理论) 2.核磁共振扫描仪(MRI)的发明与医学应用，2003年诺贝尔医学奖 晶体结构 1.晶体的美——蓝宝石 2.准晶体的发现与诺贝尔奖 3.纳米材料 1.蓝宝石的成分、晶体结构及性能 2.准晶体的发现与性能，2011年诺贝尔奖 3.什么是纳米材料，其结构特点、性能与应用 金属的结构和性质 1.不锈钢 2.储氢合金 3.形状记忆合金 1.不锈钢的组成、结构与性能 2.储氢合金的组成、结构、性能与工作原理 3.形状记忆合金的发现、结构与性能 离子化合物的结构化学 1.食用盐 2.氧化物超导体 3.沸石分子筛 1.食用盐的主要成分、结构与性质 2.氧化物超导体的结构特点、研究与进展 3.沸石分子筛的结构、性能、研究与应用

表 1 结构化学小专题教学的内容安排 Table 1 Contents of small thematic teaching of structural chemistry

专题中选取了一些结构化学产生与发展过程中有趣且包含哲理意义的事件或故事，如波尔的逸闻趣事、薛定谔的猫、Pauling与诺贝尔奖、准晶体的发现等，这些专题是培养大学生科学精神的宝贵素材。科学精神包括实事求是精神、创新精神、质疑精神、协作精神等，是研究工作者所必备的，也是我们素质教育中大力提倡的。以“准晶体的发现”为例，以色列理工学院的丹尼尔-谢德曼凭借其在“准晶体领域内的发现”而独享了2011年诺贝尔化学奖。他在1982年发现了晶体铝过渡金属合金的二十面体物相，从而提出准晶体虽然在原子层面进行复制，但在原子之间相互结合的模式上却从不重复，打破了以往科学家们认为的晶体内的原子结构是不断重复的观点。他的这一发现当时是极具争议性的，为了捍卫自己的发现，他甚至曾被要求离开研究小组。不过，他锲而不舍的努力最终迫使科学家们开始重新考虑他们对于物质本质的认识，现在他的发现已经使得准晶体成为物理学家、材料学家、数学家以及晶体学家的重要研究领域。谢德曼的科学精神很大地鼓舞了学生。类似的例子很多，学生也非常感兴趣，教师在教学过程中可根据知识点、时间等实际情况进行调整。

专题设计时主要开展一些与生产生活及学科前沿密切相关的内容(简述现象或工作过程以及相关的理论和原理)，难度应适宜，能充分调动学生的积极性。比如，在介绍分子的对称性这部分内容时，我们设计了“手性药物”的小专题，学生从20世纪60年代的“反应停”致畸事件谈起，引起了广泛的讨论。在小专题“汽车尾气的治理(针对NO污染)”中，我们提出疑问：为什么NO难以消除？怎样才能消除？学生通过查阅资料回答问题，提出了2种消除NO的途径:让NO转换成无害气体，或者不让NO生成。通过讨论，得出第一个途径更适应社会发展的需要，让NO分解成N₂和O₂(回归大自然是最理想的)。学生通过计算发现，这个反应趋势很大，但速率太慢，活化能高，通过前线轨道理论分析，得出分子轨道对称性不匹配，为解决这个问题，提出了用催化剂Ni，大大加深了对分子轨道理论的理解。小专题 “染料和指示剂”“化学模拟生物固氮”，使学生对共轭效应有了更深入的理解，并对研究现状及困难有了认识和思考。在介绍金属晶体结构时，引入了 “形状记忆合金”，学生介绍了美国海军军械实验室研究人员无意中发现了镍钛合金在温度40 ℃以上具有形状记忆功能，并提出疑问：为什么记忆合金具有和一般金属不同的特性呢？原来这种特性是由它的内部晶体结构所决定的。同时学生对形状记忆合金的应用展开了热烈的探讨，有些学生甚至希望以后致力于这方面的研究。这些专题体现了基础课和专业课之间的联系，使学生能够尽早接触专业知识，巩固专业思想，促进学生后续的学习、实践与研究。

小专题式教学一般是每次安排一个专题，在每章上课的最后时间进行，提前1~2章布置，以便学生做好准备。讲课的学生每次安排3~4个人一组，每组仅限1次，小组各成员充分发挥个人的智力水平，共同协作解决问题。学生讲完后，可安排一定时间让同学们提问和讨论，根据学生表现打分，作为平时成绩的依据。针对我校应用化学专业学生而言，2个班40多人，人数较少，便于实施和管理。教师在设计问题时就应考虑到如何调动学生学习积极性的各个因素。教学中还应重视引导学生动手实践，在自主学习的同时辅以小组合作形式，培养学生参与、合作、竞争、交往等现代意识。小专题讲完后，需要教师补充和讲评，以弥补学生的不足和提高学生的能力。

通过教学实践，大部分学生都认同这种自主性的学习方式，认为这种教学方式自主学习的空间较大，丰富了学习资源，互动性较强，对原本枯燥无味、抽象难懂的结构化学的教学注入了新的活力，有助于培养学生获取信息、分析信息、处理信息的能力。学生普遍踊跃报名，认真准备和讲课，课堂气氛较活跃。此外，有些学生制做了一些质量较高的专题报告等电子作品，将这些优质的电子作品进一步加工，充实到结构化学课程的专题学习网站里，成为一笔宝贵的财富，达到了师生共建学习资源的目的。还有不少学生主动要求参加教师的科研课题，学科竞赛等。当然了，这种学习模式还处于起步阶段，还有不尽如人意之处，比如有个别学生表示对这种学习方式无所适从，但这种教学法灵活性高，教师可结合各专业的特点和课程特点，因材施教。