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圖像理解理論與方法范文第1篇

關(guān)鍵詞：科學(xué)活動(dòng)觀；結(jié)構(gòu)化學(xué)；課程教學(xué)

一、問(wèn)題的提出

“結(jié)構(gòu)化學(xué)”是高等院校化學(xué)專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程。它從微觀視角闡明原子、分子和晶體的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用，主要包括量子力學(xué)基本原理及其在原子與分子體系中的應(yīng)用和原子、分子與晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)表征兩大部分。后者又可根據(jù)被表征物質(zhì)的形態(tài)及理論基礎(chǔ)的不同，劃分為譜學(xué)和晶體學(xué)兩個(gè)不同體系[1]。

由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程涉及面廣、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間思維能力，嚴(yán)密的邏輯推理能力和扎實(shí)的數(shù)理功底；同時(shí)由于“結(jié)構(gòu)化學(xué)”通常不作為考研基礎(chǔ)科目，因此許多教師對(duì)教學(xué)有效性缺乏足夠重視，大量采用灌輸式教學(xué)或簡(jiǎn)化教學(xué)內(nèi)容。這樣看似在短時(shí)間內(nèi)完成了課程內(nèi)容的教學(xué)，但實(shí)際上產(chǎn)生了諸多問(wèn)題，這些問(wèn)題恰恰制約著課程目標(biāo)的達(dá)成。

（1）學(xué)生難以形成對(duì)知識(shí)的整體性認(rèn)識(shí)。教師將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)作為一種結(jié)果和定論傳授給學(xué)生，從表面上看，學(xué)生能夠機(jī)械記憶基本知識(shí)，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)用和拓展。但由于沒(méi)有經(jīng)歷和體驗(yàn)知識(shí)獲得的過(guò)程，無(wú)法從本質(zhì)上、整體上理解結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識(shí)體系的來(lái)龍去脈、因果關(guān)系。

（2）學(xué)生關(guān)于理論與計(jì)算化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究能力非常欠缺。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)涉及許多微觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和抽象的概念，如果沒(méi)有科學(xué)的方法支撐去解決問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，學(xué)生難以理解理論與計(jì)算化學(xué)的核心觀念并運(yùn)用理論與計(jì)算化學(xué)的核心方法。

（3）學(xué)生的情感體驗(yàn)不足。由于結(jié)構(gòu)化學(xué)本身具備較高的難度，學(xué)生容易產(chǎn)生抵觸、焦慮等一系列不良情緒。僅僅將知識(shí)作為一種工具和經(jīng)驗(yàn)傳授給學(xué)生，他們將無(wú)法體驗(yàn)和感受在知識(shí)形成中的愉悅感和合作、會(huì)話、交流的過(guò)程，進(jìn)而難以得到需要的滿足和被尊重、被接納的情感體驗(yàn)。

基于以上“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的問(wèn)題，有必要探索、建立新的教學(xué)觀念以改革“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)。由于科學(xué)知識(shí)從本源來(lái)講恰恰是在科學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生的，因此將“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的教學(xué)活動(dòng)和科學(xué)活動(dòng)做適當(dāng)?shù)娜诤希ㄟ^(guò)深入探索化學(xué)科學(xué)活動(dòng)的基本特點(diǎn)和形式，研究科學(xué)活動(dòng)與“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)的相互關(guān)系，進(jìn)而探索以科學(xué)活動(dòng)為中心的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)途徑，不失為一種恰如其分的改革視角。

二、科學(xué)活動(dòng)觀——“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)的新理念

人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷深化的過(guò)程。從動(dòng)態(tài)的和生成性的觀點(diǎn)看，科學(xué)作為“系統(tǒng)化的實(shí)證知識(shí)”的觀點(diǎn)引起了人們高度反思。有人認(rèn)為科學(xué)的本質(zhì)是獲得知識(shí)的活動(dòng)，例如，保加利亞學(xué)者T. H. 伏爾科夫曾提到，科學(xué)的本質(zhì)，不在于已經(jīng)認(rèn)識(shí)的真理，而在于探索真理；科學(xué)本身不是知識(shí)，而是產(chǎn)生知識(shí)的社會(huì)活動(dòng)，是一種科學(xué)生產(chǎn)[2]。我國(guó)學(xué)者劉大椿曾將科學(xué)更多地看成是活動(dòng)的過(guò)程，指出科學(xué)是人類特有的活動(dòng)形式，是人類特定的社會(huì)活動(dòng)成果；雖離不開(kāi)獨(dú)特的物質(zhì)手段，但本質(zhì)上是精神的、智力的活動(dòng)[3]。這種以動(dòng)態(tài)的角度認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的思想，能夠使人們對(duì)科學(xué)的理解更加豐富、深刻和全面。

對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，決定著科學(xué)教育實(shí)踐價(jià)值取向。以科學(xué)活動(dòng)觀指導(dǎo)“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程改革，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生建立自己的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”乃至整個(gè)化學(xué)一級(jí)學(xué)科的知識(shí)框架體系，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的能力，引導(dǎo)學(xué)生掌握分子模擬研究的初步技能，有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

（1）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)是為科學(xué)知識(shí)的獲得服務(wù)的。學(xué)生獲得的系統(tǒng)性的、基礎(chǔ)性的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)大多是結(jié)構(gòu)化學(xué)已有的成果，是科學(xué)家多年來(lái)積累的理論與計(jì)算化學(xué)的經(jīng)驗(yàn)、概念、理論、技能和方法。將知識(shí)的獲得過(guò)程還原于科學(xué)活動(dòng)，符合結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)活動(dòng)和科學(xué)活動(dòng)在知識(shí)形成過(guò)程中的本質(zhì)共同性，有利于學(xué)生建立并鞏固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)體系。

（2）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)為學(xué)生能力的培養(yǎng)帶來(lái)了良機(jī)。體驗(yàn)結(jié)構(gòu)化學(xué)研究過(guò)程、掌握結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法，對(duì)學(xué)生走入結(jié)構(gòu)化學(xué)研究、形成理論與計(jì)算化學(xué)的研究能力并進(jìn)而發(fā)展對(duì)整個(gè)化學(xué)一級(jí)學(xué)科的研究能力都有著重要的意義。學(xué)生在以科學(xué)活動(dòng)為背景的學(xué)習(xí)中感受科學(xué)研究的全過(guò)程，習(xí)得科學(xué)研究方法，感受科研的意義和價(jià)值，在獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)形成與提高科研能力。

（3）科學(xué)活動(dòng)觀視角下的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)給予學(xué)生體驗(yàn)科研情感的平臺(tái)。科學(xué)活動(dòng)創(chuàng)造了真實(shí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)科研情境，而科學(xué)情感等隱性目標(biāo)都是在情境中通過(guò)感悟獲得的。學(xué)生在對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)問(wèn)題的研究過(guò)程中提高學(xué)習(xí)興趣、產(chǎn)生學(xué)習(xí)熱情、發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)精神，這就有效解決了因知識(shí)灌輸式教學(xué)而帶來(lái)的學(xué)生情感體驗(yàn)不足的問(wèn)題。

三、“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程教學(xué)——“知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)”并重

1.以挑戰(zhàn)性問(wèn)題為學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)習(xí)活動(dòng)

基于挑戰(zhàn)性問(wèn)題的探究式教學(xué)方法是為了設(shè)計(jì)合理的科學(xué)活動(dòng)、有效實(shí)施“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)而設(shè)計(jì)的。所謂的挑戰(zhàn)性問(wèn)題是指教師提出的一些與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的、具有探索意義和探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題，供學(xué)生小組根據(jù)自己的興趣和思維特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以此作為科學(xué)活動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)性引導(dǎo)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)查找資料、相互討論、動(dòng)手實(shí)踐等多種形式，采用合理的結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，完成研究報(bào)告。

在“量子力學(xué)基本原理及其在平動(dòng)、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、原子與分子軌道理論中的應(yīng)用”模塊的教學(xué)過(guò)程中，教師選擇了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的系列自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，組織學(xué)生開(kāi)展了以挑戰(zhàn)性問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的自主研究性學(xué)習(xí)。

例如，教師在過(guò)去的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)類氫原子結(jié)構(gòu)的球諧波函數(shù)和徑向波函數(shù)的圖像理解有難度，不清楚圖像的來(lái)源和圖像節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)。為此，教師向?qū)W生介紹matlab軟件，并提出挑戰(zhàn)性問(wèn)題：如何利用matlab軟件編寫(xiě)程序語(yǔ)言作圖，幫助理解原子與分子軌道圖像。并根據(jù)這個(gè)問(wèn)題，分別提出了一套由簡(jiǎn)入深的系列問(wèn)題：（1）利用matlab 軟件將諧振子振動(dòng)波函數(shù)數(shù)字圖形化，并與教材上的圖形進(jìn)行對(duì)比分析，以此為例說(shuō)明表層理解信息（naming something）和深層理解信息（knowing something）的區(qū)別。（2）利用matlab軟件將粒子圍繞球面轉(zhuǎn)動(dòng)的球諧波函數(shù)Y及其|Y|2數(shù)字圖形化。（3）利用matlab軟件將類氫原子的徑向函數(shù)、徑向分布函數(shù)、原子軌道（徑向函數(shù)R與球諧函數(shù)Y之積）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。（4）利用matlab軟件將氫分子離子的分子軌道（分子軌道理論框架下的單電子波函數(shù)近似解）數(shù)字圖形化并討論其節(jié)點(diǎn)與成鍵與反鍵性質(zhì)。（5）設(shè)計(jì)一個(gè)程序?qū)⒕仃噷?duì)角化，為共軛體系的休克爾經(jīng)驗(yàn)分子軌道理論的近似解提供一套矩陣算法（HC=SCE在休克爾近似下變?yōu)镠C=CE），并重點(diǎn)理解分子軌道理論的核心在于變分原理——將不可能完成的精確求解多體薛定諤方程的任務(wù)轉(zhuǎn)化為近似求解體系能量函數(shù)（嘗試波函數(shù)的線性組合系數(shù)為變量）的條件極值問(wèn)題。

該系列挑戰(zhàn)性問(wèn)題由若干不同難度的小問(wèn)題組成，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和水平逐漸提高，既防止問(wèn)題太寬泛而無(wú)從下手，又逐漸向?qū)W生發(fā)出挑戰(zhàn)以激發(fā)學(xué)生求知欲。另外，該問(wèn)題的解決方法不固定，解答結(jié)果也不唯一。它允許學(xué)生運(yùn)用不同的方法來(lái)解決問(wèn)題，并且將分子模擬技術(shù)融入理論課程之中，通過(guò)體驗(yàn)編寫(xiě)程序的過(guò)程，獲得結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的思路，深化對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行觀察、把握和調(diào)配，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難時(shí)，提供必要的指導(dǎo)和點(diǎn)撥。

學(xué)生通過(guò)分工合作、查找資料、熟悉軟件、編寫(xiě)程序、運(yùn)行程序、優(yōu)化程序，逐漸解決了每一個(gè)子問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上主動(dòng)構(gòu)建對(duì)知識(shí)的理解，充分將知識(shí)內(nèi)化為自己的認(rèn)知。比如對(duì)球諧函數(shù)圖像的認(rèn)識(shí)，不再是機(jī)械地“記憶”每一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)的圖像，而是充分理解其本質(zhì)，將原理融入圖像的繪制過(guò)程，整體把握“數(shù)-形”關(guān)系，在理解的層面上深刻記憶圖像的性質(zhì)和形狀。不僅如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中熟悉了結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究的基本方法，充分將結(jié)構(gòu)化學(xué)的理論知識(shí)與分子模擬實(shí)踐相結(jié)合，體驗(yàn)了以科研的視角去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、獲得新知的過(guò)程。更加難能可貴的是，有學(xué)生通過(guò)自己繪制一維諧振子振動(dòng)波函數(shù)示意圖，發(fā)現(xiàn)了教材附圖中的一處印刷錯(cuò)誤[4]。

科學(xué)的發(fā)展是建立在繼承前人的研究結(jié)果，并在科學(xué)實(shí)踐過(guò)程中不斷地對(duì)已有認(rèn)識(shí)形成批判而發(fā)展的。例如，原子結(jié)構(gòu)理論模型正是一代又一代科學(xué)家在繼承、借鑒、批判前人研究成果，并在孜孜不倦地分析與探索過(guò)程中逐步建立的。這種科學(xué)精神和科學(xué)意識(shí)的形成必須依賴于科學(xué)活動(dòng)。如果僅僅是讀書(shū)、聆聽(tīng)教師的講授，思維往往會(huì)被局限，實(shí)證意識(shí)往往會(huì)變得淡漠；相反，學(xué)生通過(guò)審慎地思考、縝密地分析、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嫩`行，不僅能夠讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)的學(xué)習(xí)不能唯書(shū)唯上，還需自己親歷躬行。

2.以知識(shí)框架圖為學(xué)習(xí)工具，建立“結(jié)構(gòu)化學(xué)”學(xué)科網(wǎng)絡(luò)

要具備良好的理論與計(jì)算化學(xué)的學(xué)習(xí)與研究能力，必須具備系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，從整體上、宏觀上駕馭整個(gè)學(xué)科體系。學(xué)生需要將自己在科學(xué)活動(dòng)中所獲得的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)、提煉與提升，構(gòu)建自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。在以教師講授為主的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”教學(xué)過(guò)程中，這一點(diǎn)做得很不夠，不是忽視知識(shí)的系統(tǒng)化處理過(guò)程，就是將教師自我頭腦中已經(jīng)構(gòu)建好的體系直接傳遞給學(xué)生，供學(xué)生直接借鑒、吸取，而缺乏探索和整理的過(guò)程，缺失個(gè)性。

在“結(jié)構(gòu)化學(xué)”的課程教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)學(xué)生自主根據(jù)自己的知識(shí)理解狀況繪制知識(shí)框架圖（Schema），以圖形而非文字的形式將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)加以梳理。在具體的實(shí)施過(guò)程中，教師要求學(xué)生將結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行梳理、歸類，根據(jù)具體的內(nèi)容繪制相應(yīng)的知識(shí)框架圖，不僅僅要全面涵蓋該內(nèi)容內(nèi)所有的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)要呈現(xiàn)出各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，清晰地表明知識(shí)的結(jié)構(gòu)屬性和形成方式，使知識(shí)逐漸從“點(diǎn)”向“線、面”過(guò)渡。學(xué)生在繪制知識(shí)框架圖的時(shí)候，不需要根據(jù)課本上的章節(jié)順序來(lái)設(shè)計(jì)，也沒(méi)有固定的思路，更希望學(xué)生能夠呈現(xiàn)出自己對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的理解。

以量子力學(xué)基本原理一章為例，學(xué)生繪制了該章的知識(shí)框架圖，展現(xiàn)出了量子力學(xué)基本原理所包括五方面內(nèi)容。這種教學(xué)方式不僅有助于幫助學(xué)生梳理結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)的來(lái)龍去脈，建立科學(xué)的結(jié)構(gòu)化學(xué)知識(shí)體系，形成全面的關(guān)于結(jié)構(gòu)化學(xué)基本學(xué)科邏輯結(jié)構(gòu)和基本學(xué)習(xí)與研究思路的認(rèn)識(shí)；更有助于學(xué)生反思科學(xué)研究活動(dòng)過(guò)程和結(jié)果，總結(jié)開(kāi)展科學(xué)學(xué)習(xí)與研究的視角和途徑，探索有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究的盲點(diǎn)和解決策略，最終建立起清晰的化學(xué)學(xué)科體系框架，并在具體知識(shí)基礎(chǔ)上形成化學(xué)觀念。

3.以多種形式呈現(xiàn)學(xué)習(xí)結(jié)果，提升能力同時(shí)以評(píng)促學(xué)

所謂“研而不發(fā)則囿”，在科學(xué)活動(dòng)中，通過(guò)書(shū)面報(bào)告（論文）和口頭匯報(bào)（學(xué)術(shù)報(bào)告）等形式，科學(xué)生動(dòng)地、多樣化地展示科學(xué)活動(dòng)成果，是科學(xué)工作者必須具備的能力和素質(zhì)。學(xué)生在實(shí)踐中解決了挑戰(zhàn)性問(wèn)題，繪制了知識(shí)框架圖之后，需要完成關(guān)于學(xué)習(xí)與研究過(guò)程與結(jié)果的書(shū)面報(bào)告，同時(shí)在課堂中將自己的學(xué)習(xí)與研究過(guò)程與結(jié)果通過(guò)口頭匯報(bào)的形式向教師和同學(xué)展示。這樣能夠讓教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)研究過(guò)程，讓同學(xué)學(xué)習(xí)與借鑒研究方法和研究結(jié)果，同時(shí)也能夠接受教師與同學(xué)的批評(píng)指正，認(rèn)識(shí)到自己的研究不足之處，為今后開(kāi)展深入的結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)習(xí)與研究工作啟迪思維、創(chuàng)設(shè)條件、打好基礎(chǔ)。

利用書(shū)面報(bào)告和口頭匯報(bào)等形式表達(dá)學(xué)習(xí)和研究過(guò)程與結(jié)果，在提高學(xué)生的基本科學(xué)研究素養(yǎng)的同時(shí)，也有助于從過(guò)程的角度、從個(gè)性化的角度、從個(gè)人全面發(fā)展的角度來(lái)開(kāi)展并落實(shí)過(guò)程評(píng)價(jià)、全員評(píng)價(jià)，將過(guò)程評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合。傳統(tǒng)的以平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)?yōu)槲ㄒ辉u(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方式，過(guò)多地局限于知識(shí)點(diǎn)的掌握，卻不能很好地考查學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)方式，更難以評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)研究基本素養(yǎng)。利用書(shū)面報(bào)告和口頭匯報(bào)則有效地彌補(bǔ)了單一評(píng)價(jià)方式的不足之處，最終達(dá)到以評(píng)促學(xué)的根本目的。這種以多個(gè)評(píng)價(jià)者從多個(gè)角度對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行評(píng)價(jià)的機(jī)制，關(guān)注學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的各方面能力和素質(zhì)而并非簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)結(jié)果，有效促進(jìn)了學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性，體現(xiàn)了過(guò)程評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的現(xiàn)代教育評(píng)價(jià)理念。

通過(guò)“活動(dòng)-提煉-總結(jié)”方式的“結(jié)構(gòu)化學(xué)”課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在科學(xué)活動(dòng)中找到自己的長(zhǎng)處，發(fā)現(xiàn)自己的潛能，體驗(yàn)到相互合作的樂(lè)趣以及自己的想法被他人肯定和接納時(shí)的成功愉悅感。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中收獲的不僅僅是知識(shí)和能力，還有對(duì)自我的肯定，對(duì)他人的贊許，以及對(duì)學(xué)習(xí)、對(duì)科學(xué)研究的積極態(tài)度。同時(shí)，最難能可貴的是學(xué)生的學(xué)習(xí)能力普遍得到了提高，自主學(xué)習(xí)意識(shí)明顯增強(qiáng)，為他們今后更好地開(kāi)展分子模擬研究乃至從事化學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

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