关键词:
计算化学软件
高中有机化学教学
应用研究
量子化学
摘要:
随着高考的不断改革,有机化学从选考内容变为了必考内容,占高考试题分值的20%左右,可见有机化学内容是高中化学不可或缺的一部分。但有机化学知识点密集零乱、反应机理复杂抽象,对学生的空间想象力、微观探析、证据推理与模型认知等能力与素养都提出了较高的要求,传统的教学方法已无法满足有机化学教学与学生发展的需要。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中多次强调信息技术在教育教学中的作用,鼓励教师将信息技术融入化学教学过程中,以促进学生知识与素养双向发展。计算化学软件作为一种信息技术教学手段,能在短时间内展示分子的立体结构与微观结构参数,解释物质结构与性质的关联,动态表征反应机理,在大学化学教学过程中已被广泛研究与使用,并收到了不错的回馈与反响。为了探究计算化学软件融入高中有机化学教学中的可行性与育人价值所在,本文以此为题进行应用实践研究。
本研究在查阅分析文献的基础上,对一线中学化学教师与在读高中生分别展开了问卷调查与访谈。教师问卷旨在了解一线教师对有机化学教学的重视程度、理解程度与教学方法,以及对计算化学软件应用于教学的看法、评价与态度等;学生访谈旨在了解学生对有机化学知识的掌握情况、学习方法、难点与痛点,从侧面了解教师对待有机化学教学的方法与态度,以及学生对计算化学软件融入高中有机化学学习的态度与期待评价。探索了Gaussian、Gauss View、Multiwfn、VMD计算化学软件或程序与有机化学相关内容的融合,在有机分子结构优化与绘制、有机化合物性质分析、有机反应机理表征、静电势数值表面图表征与优化等方面展开应用研究。结合《有机化学基础》中“苯及其同系物”、“酚的结构与性质”的相关内容进行教学案例设计,并设计“苯及其同系物”学案与习题对两平行班进行教学实践与成绩分析研究。
调查结果显示,因缺乏直观的教学手段,教师常出现备课难度大,难以向学生解释清楚有机反应机理等问题,学生常对有机化学知识体系感到混乱,对有机反应机理失去了学习兴趣与信心。但师生均对计算化学软件融入高中有机化学教学持有愿意接纳与尝试等积极的态度,表示了期望与赞许。基于此,展开教学实践与成绩分析,结果表明:计算化学软件能有效提高教师队伍的整体素质;能帮助学生全面立体地认识有机分子结构,助力学生微观探析能力与素养的发展;能动态表征有机化学反应过程中物质的结构变化与能量变化,化抽象枯燥为形象有趣,搭建有机反应机理模型,促进学生模型认知素养的发展;能探析有机分子极性、断键位点与化学性质的关系,完善“结构决定性质”的化学思维模型与性质预测模型,发展学生对陌生信息的提取与分析能力,能在一定程度上实现证据推理与模型认知核心素养水平的有效落地与发展;能帮助学生深入到有机化学反应的微观本质,帮助学生在理解本质的基础上将有机化学知识点串成线、连成网,形成系统化、结构化的有机知识体系,减轻学生的理解与记忆负担,促进学生知识、综合能力、核心素养全方位发展。本研究验证了计算化学软件融入高中有机化学教学的可行性与育人价值所在。