Teaching Reform and Practice of Structural Chemistry on the Training of Undergraduate Academic Talents
Structural Chemistry, as a fundamental theoretical course in the field of chemistry, studies the relationship between electronic structure and spatial structure from a microscopic perspective. The study of this course is of great significance for cultivating undergraduate academic talents with innovative and research abilities. However, structural chemistry is abstract and highly theoretical, making it one of the most challenging disciplines in undergraduate chemistry. In order to improve the enthusiasm and academic ability of students, a teaching reform has been carried out for this course: keeping up with the forefront of subject development, adopting diversified teaching methods, optimizing assessment methods, and allowing students to join teacher research projects in the laboratory.
Academic Type
学术型人才，顾名思义，就是具备深厚的学术背景、研究能力和创新思维的高层次人才，在推动科学技术的进步和社会的快速发展方面扮演着至关重要的角色。因此，培养学术型本科人才已成为我国战略需求和科技创新的需要，同时也是学术型高校办学的方针目标。基于《普通高等学校本科教育教学审核评估指标体系》(试行)的学术型/应用型人才培养释义，与突出培养实践应用能力的应用型人才不同的是，学术型人才培养注重夯实理论基础，科教融合，突出培养学生创新能力和研究能力
结构化学作为高校化学专业本科生的基础主干课程，是一门在原子、分子水平上研究物质的结构与性能间关系的学科，也是一门直接应用多种实验手段测定分子结构与性能的实验科学
结构化学不仅包含化学相关内容，而且也包含了量子力学、高等数学和现代物理等相关内容，是一门理论性极强的学科。与其他专业课相比，结构化学理论概念抽象难懂，对学生的数学基础、物理知识、逻辑思维能力以及空间想象能力等都有较高的要求
另一方面，大部分高校教师仍采用“讲授式”传统教学模式进行教学
在结构化学课程教学改革过程中，需要将学术型本科人才的培养作为重点与关键。在这一过程中，我们要以课程为本位，重视强化基础科学知识，注重学术型知识与课程知识相结合。经过系统的学科理论教育和专门的思维训练，本科生具有比一般人更强的批判精神、原创意识与思辨能力，可以探求事物的本质和规律，将结构化学中的客观规律转化为科学原理。
为达成这一人才培养目标，我们要进一步强化教学模式改革，结合学生特点，选择最为合理的教学方式，帮助学生掌握更多的结构化学专业知识。在具体改革工作落实中，我们要做到以下几点：
《结构化学》的课程内容既是化学学科的重要理论基础，又与前沿科学研究有着紧密的联系。这就要求教师提炼出系统性、整体性、思辨性和科学性的教学内容，从而达到系统开阔学生视野及培养学生创新能力和研究能力的目的。
结构化学中的很多知识点都是当前化学研究的热点问题，比如晶体结构、手性杂环合成、共轭体系的结构与性质等。通过将国内外最新研究成果引入到课堂教学中，既可以让学生加深对所学知识的认识，也可以有效启蒙学生对科学研究的理解，激发学生学习结构化学和参与科学研究的兴趣
比如，为了让学生深刻理解“结构决定性质”这一理论，我们浅显易懂地为学生引入了科学研究热点材料——“最黑”的材料，又称“纳米碳管黑体”，是目前世界上已知最黑的物质，能够吸收高达99.965%可见光波段电磁幅射，并给学生图文并茂的介绍该超黑材料的应用
又如，教学“结构同构性和异构度”这一部分内容，我们引入最新研究成果：潘锋团队探索和构建了基于图论的结构化学新范式
在结构化学的教学过程中，我们提倡研究型教学模式，采用案例式教学、互动式教学、发现式教学等多元化的教学形式，通过师生互动、双向交流的方式，引导学生自主刨析、学习，突出理论知识与学科前沿融合。
第一，对课程中抽象的内容比如晶体，可以借助CrystalMaker、Diamond、Materials Studio等软件制作晶体结构的立体图或者晶体运动过程的视频，形成直观生动的教学情景，加深学生对晶体学基础、晶体的宏观对称性、晶体的微观对称性等相关知识点的认识，提升学生的空间想象力。
第二，在课堂教学中，教师要充分发挥引导作用，提出问题，引导学生思考与探索。例如，在学习“态叠加原理”后，让学生以小组的形式讨论“实验上如何实现态叠加？本征态波函数叠加后还是本征态吗？”引导学生主动思考、查阅文献、讨论与发言。学生提供的答案往往不够全面，教师可以引导学生总结归纳，给学生更多自主学习的机会，使学生在获取知识的同时又获得自我创新与实践的能力。
第三，结构化学知识点繁多，学生如何有效地理清思路、整合信息、提高学习效率成为了迫切解决的问题。思维导图作为一种有效的思维工具，具有图像化表达、结构清晰、促进联想和创新、方便修改和更新、提高工作效率等诸多优势，为课堂教学提供了一种全新的思维方式。利用思维导图，可以为学生清晰地展现出结构化学知识点的结构和层次关系。不同的知识点可以通过中心节点和分支节点来展开，形成一种层次分明、结构清晰的思维框架。鼓励学生学会使用思维导图软件，将所学结构化学的知识点提炼出来，从而有效地帮助学生预习、复习巩固知识，提升学生的学习兴趣与学习能力。
计算机科学技术的迅速发展，使信息技术与网络技术应用于教学获得了普及。很多教师借助信息技术开发了丰富的教学资源，建立了新的教学技术
结构化学是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学，例如通过实验测试技术如X射线衍射仪、核磁共振等确定分子的三维结构，从而加深学生对分子的性质和行为的理解。此外，我们会合理安排相关课时让学生进行结构化学的实验操作与分析，比如我们为学生设计了磁化率的测定实验：每6人为以小组，利用磁天平测定亚铁氰化钾和硫酸亚铁的摩尔磁化率，让学生求金属离子的磁矩并考查电子配对情况。通过课堂理论知识与实验相结合的模式，可以培养学生通过实验分析问题、解决问题的学术能力。
高校教师大都具有自己的科学研究方向和相关的研究课题，教师可以将相关领域的前言研究成果和科研动态介绍给学生，并鼓励学生走出教室，走进实验室，积极主动的参与教师的研究课题。在教师的引导下，学生完成相关的文献调研、实验操作、数据处理等相关工作，在此过程中让学生将结构化学理论知识与科学研究技能相结合，让学生感受到其科研能力、实践能力和综合素质都有提高。
传统的考核方式主要以期末考试成绩(70%)和平时成绩(30%)为主，这种考核方式只注重书本知识，考试形式单一，考试内容套路化，难以真实全面考核学生的综合素质，颠倒了考试为教学服务的主次关系。为了适应学术型本科人才的培养，激发学生的学习兴趣，训练学生的思维，培养学生的创新能力与学术能力，我们需要优化结构化学的考核方式：以综合考评为基本原则，实行灵活多样的考核方式，确定综合成绩的合理构成比例，引入实践教学的考核等方法，最终改善教学效果。现行考核阶段，综合成绩 = 平时成绩30% + 实验成绩20% + 期末成绩50%。平时成绩包括课前预习、课堂讨论、作业、思维导图、科研小论文等几个部分。实验成绩主要考查学生实验预习情况、动手操作能力、实验结果处理与分析等。期末考试则是对课堂重要知识点的考查。
我们采用调查问卷的方法评价了优化后的考核方式在学生学习过程中所起的作用，此问卷调查对象是河南工业大学化学化工学院2020级化学专业的学生，共104人参加了问卷调查，得到有效问卷102份，有效问卷占98.1%。调查结果显示，93.2%以上的学生赞同课堂讨论、作业、思维导图、科研小论文等所起的作用，90.6%的学生对实验环节表示了肯定，学生对结构化学教学改革的满意层度达到92.8%。以改革前学生综合平均成绩78.6分相比，改革后学生的综合平均成绩达到了87.5分，成绩有了显著提高。
改革后的课程评价体系意义在于，考核的内容是多维度的，多数考核内容带有主观能动性：为按时完成各个知识点的思维导图、科研小论文，学生需要翻书、查阅资料的频次明显增加；实验更是锻炼了学生动手能力与分析能力。通过多维度、多元化课程考核方式，培养了学生获取知识的主动性，督促了学生学习，取得了良好的教学效果。
《结构化学》虽偏重理论基础，但它的应用越来越多广泛，最直观的表现是越来越多的科研文章以结构化学为基础进行理论支撑。因此在教学过程中，授课教师应追踪国内外与《结构化学》相关领域的最新研究成果，丰富教学素材，开阔学生视野，激发学生的学习兴趣和对科研工作的热情。
此外，授课教师通过与学生之间建立良好的交流和反馈模式来评估教学效果：一方面可以充分利用课间休息时间和学生进行对话交流，另一方面可以借助匿名问卷调查的模式了解教学改革存在的优势与劣势，对教学改革存在的优点要积极推行，对存在的缺点要及时调整。
总之，在《结构化学》课程教学中，要培养具备深厚的学术背景、研究能力和创新思维的学术型人才，教学改革势在必行：更新教学内容，采取多元化的教学形式，结合实验教学，并鼓励学生走进实验室，参与教师的研究课题。采取的教学改革提高了学生学习结构化学的兴趣，夯实了学生理论基础，科教融合，强化了学生的综合素质。
河南省本科高校研究性教学改革研究与实践项目；河南省本科高校研究性教学改革研究与实践项目(2024SJGLX0330)，河南工业大学2023年度教育教学改革研究与实践项目(JXYJ2023016)。
*通讯作者。