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關(guān)于研究型大學工科有機化學教學探索的論文
[摘要]有機化學是礦業(yè)大學化學工程、礦物加工工程和環(huán)境工程三大專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程之一，是連接專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)應用的紐帶。隨著學科發(fā)展的推進和行業(yè)戰(zhàn)略方針的調(diào)整，有機化學教學也在面臨不斷的改革與新發(fā)展。文章從現(xiàn)階段有機化學教學建設(shè)的現(xiàn)狀與特點出發(fā)，針對工科專業(yè)對有機化學教學的要求，結(jié)合我校研究型大學發(fā)展模式的實施，對有機化學教學內(nèi)容、教學方法、教學手段以及教學目標的建設(shè)與改革進行探索與實踐。
[關(guān)鍵詞]研究型大學；有機化學；教學探索；創(chuàng)新能力
在我國工科院校，不論理科方向還是工科方向，有機化學都是相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課，有機化學的教學在學生的知識體系中占據(jù)著舉足輕重的地位。同時，有機化學教學的實踐與探索一直在進行，經(jīng)過幾十年的發(fā)展與改革，市面上針對有機化學的教材層出不窮，但萬變不離其宗，歷來有機領(lǐng)域所建立起來的基礎(chǔ)知識、基本原理不變，仍然是我們教學工作者需要講授的基本內(nèi)容與重點，也是對學生提出的基本要求和研究型大學要求學生所必須理解、掌握與融會貫通的基礎(chǔ)知識。在信息化技術(shù)改革與飛速發(fā)展的今天，學生獲取知識與信息的手段和方法比以往發(fā)生了天翻地覆的變化，這就對我們現(xiàn)在大學課堂的教學模式與方法提出了更高的要求，特別是對于工科專業(yè)基礎(chǔ)課的教學，不僅要與時俱進，更要推陳出新，從課程中引導學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)與課本知識學習無縫銜接。但目前存在這樣的問題：一是學生群體用于科學文化知識的學習意識和學習能力發(fā)生了較大的質(zhì)變。近幾年來，高�；旧嫌瓉砹藲v史上獨生子女比例較高的一批批大學生，個性強但獨立性也稍差，用于對課本知識學習的時間不多動力不足[1]。二是先進電子科技的發(fā)展，查文獻搜索科技信息以及互相之間的信息交流更加便利和及時，為學生提供了便利的同時卻也給學生帶來了消極的影響，多數(shù)學生基本不動手做筆記，而是依賴于教師的課件及希望教師所劃出的考試重點，對化學反應的機理理解不透甚至不理解。三是由于課時的壓縮，系統(tǒng)復習的時間不夠，造成學生復習的倉促和顧此失彼。四是理論教學內(nèi)容乏味單一，無法與基本的生產(chǎn)生活實際相聯(lián)系，引起學生感興趣的新東西新內(nèi)容太少，教學效果不好[2]�；谶@些問題，結(jié)合我校實施研究型大學發(fā)展模式的啟動，我們從教學內(nèi)容方面突出工程特點、教學方法方面實踐有效學習、教學手段上引入新式工具及教學目標上注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力四個方面對有機化學教學進行了初步的探索與實踐，建立了一套適合于工科專業(yè)的有機化學教學模式，增強了學生對有機化學的學習興趣，提高了教學質(zhì)量。
1教學內(nèi)容上突出工科特點
有機化學就是研究有機化合物的化學，是研究有機化合物的來源、制備、結(jié)構(gòu)、性能、應用及其有關(guān)理論和方法的科學。有機化學不僅是化工專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，也是我校礦物加工專業(yè)和環(huán)境工程專業(yè)的必修基礎(chǔ)課之一。在人類更加關(guān)注地球的生存環(huán)境和追求無害化生活質(zhì)量的今天，有機化學的地位已經(jīng)越來越突出，其原因是多類行業(yè)的污染排放控制中毒害最大也是最難處理的那部分有害物質(zhì)大多與有機結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有關(guān)，因此對有機物質(zhì)的認識、研究與分析是實現(xiàn)可持續(xù)環(huán)�；l(fā)展所必備的知識與技能[3]。有機化學教學已經(jīng)延續(xù)了上百年的歷史，教學內(nèi)容幾十年不變但工科性不強，因此，對于我校研究型工科大學的特點，在教學內(nèi)容安排上我們突出工科特點，由基本的有機合成原理引伸出這些原理在最新的科研領(lǐng)域中的應用，即能引發(fā)學生極大的課堂興趣，又能拓寬學生的知識面，為后續(xù)專業(yè)領(lǐng)域的研究奠定一定的基礎(chǔ)。首先，對教學內(nèi)容進行精簡和側(cè)重點劃分式講解。目前，我校有機化學課程選擇的是由徐壽昌主編的高等教育出版社的《有機化學》作為教材，并且根據(jù)我校學科特點及調(diào)整后的培養(yǎng)方案，將前十七章即從緒論、烷烴至雜環(huán)化合物作為教學內(nèi)容，該教學內(nèi)容的設(shè)置是按官能團分類方式進行安排，從各章的內(nèi)容結(jié)構(gòu)來看，基本上每章內(nèi)容分為三大部分，第一部分為含有相同官能團的有機化合物的基礎(chǔ)性質(zhì)，包括分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、物理性質(zhì)和波譜特征等；第二部分為相同類官能團有機化合物的制備方法與反應、化學性質(zhì)與反應機制，此部分是有機化學的重點內(nèi)容，也是有機化學教學的核心部分；第三部分為含有此類官能團有機化合物的典型代表。根據(jù)這樣一條主線，每章內(nèi)容都有相同的規(guī)律性，便于學生總結(jié)歸納，同時把章節(jié)之間相互交叉的內(nèi)容前后滲透著講解，比如后面章節(jié)有機化合物制備的化學反應與前幾章節(jié)化合物化學性質(zhì)的反應部分相互重疊，講課時進行了簡化合并，讓學生一目了然。從工科體系對有機化學知識的要求來看，每章的第一部分為物質(zhì)基礎(chǔ)知識，內(nèi)容基本雷同，這部分在緒論的有機化合物的分類和命名中系統(tǒng)講解后，后面章節(jié)不再累贅，完全可以靠學生自學解決，既能訓練學生的總結(jié)歸納能力，又能讓學生學會自己思考得出其中的規(guī)律性，有助于對基礎(chǔ)理論的理解、掌握與記憶。而第三部分內(nèi)容則相對簡單易懂但又有些過時和繁瑣，因此完全可以不放在課堂講解，只作為一種常識留給學生自學，把更多的課堂時間用于擴展第二部分內(nèi)容并向工科基礎(chǔ)延伸。其次，對重點內(nèi)容突出工科特色，強化有機化學在實踐中的作用。工科最大的特點在于通過學習化學反應借助于工藝過程不僅僅是解決能得到什么，還要從原材料的來源、工藝路線、條件、以及產(chǎn)率等多方面考慮，而這些工程特點的內(nèi)容通過引入有機化學最新的科研動態(tài)和應用成果體現(xiàn)出來，這也是最能引起學生極大學習興趣的方式之一。大學生的課堂教學，調(diào)動學生的學習興趣是教學過程中最為重要的一個方面，在精簡教學內(nèi)容、適當刪除部分過時和繁瑣部分內(nèi)容的背景下，將經(jīng)典有機化學理論與相關(guān)學科前沿發(fā)展相結(jié)合，適當交叉講述與有機化學關(guān)系密切學科的新成果、新方法和新技術(shù)，如材料、環(huán)境、食品、能源等等，讓學生感受到有機化學與我們身邊的生活息息相關(guān)，既能激發(fā)學生聽課與思考的動力，引發(fā)學生的興趣，又能使學生充分體會到所學知識的實用性。例如，講解“苯酚與羰基化合物的縮合反應”時，這歷來都是學生最難以理解的幾個反應之一，很可能因為難以理解而導致學生逐漸失去了興趣，有些學生甚至放棄了這一部分，造成對這部分內(nèi)容教師難教、學生難學的局面。為此，我們首先以生活中最新發(fā)生的事例——雙酚A事件開始：有機化合物雙酚A是世界上使用最廣泛的工業(yè)原料之一，在塑料制品中添加雙酚A可以使其具有無色透明、耐用、輕巧和突出的防沖擊性能等特性，廣泛用于水瓶、奶瓶、牙齒填充物等。可是最近衛(wèi)生部明令禁止生產(chǎn)雙酚A塑料奶瓶，而且這個禁令最早由歐盟提出而且已經(jīng)在歐盟實施半年，但雙酚A依然以其不可替代的優(yōu)點廣泛應用于其他方面。那雙酚A又是什么呢？雙酚A正是“苯酚與羰基化合物的縮合反應”的一種產(chǎn)物，由此切入這一反應類型機理的講解，將復雜繁瑣的有機反應機制與生產(chǎn)生活實際產(chǎn)品相結(jié)合，不但可以激發(fā)學生的好奇心，更會讓學生帶著強烈的求知欲在腦海里留下深刻的印象，并為后續(xù)課程中雙酚A作為原材料去制備環(huán)氧樹脂的工程路線的學習做好了鋪墊。當然，諸如此類的反應機制大多都能與生產(chǎn)生活中的實例相結(jié)合，這些突出工科特點的教學內(nèi)容既能強化基礎(chǔ)又能保證教學內(nèi)容的科學性和先進性，使學生充分體會到所學知識的可用性。再者，教學過程中滲透綠色化學，增強環(huán)保意識。有機化學的基本反應類型中有些化學反應盡管典型但后來在應用過程中綜合考慮環(huán)境污染問題，已經(jīng)過時或基本已被淘汰，對于這些反應，在教學過程中可以適當弱化其地位，只作為了解性內(nèi)容介紹；同時，結(jié)合講授內(nèi)容適時補充一些綠色有機合成路線，提高學生的環(huán)保意識，使其感受到有機化學發(fā)展具備良好的應用前景。例如，酯交換反應是有機化學反應中的一大類，如聚碳酸酯的合成，作為一種工程塑料，聚碳酸酯是五大工程塑料中增長速度最快的，有機化學課程中是由雙酚A和光氣(COCl2)的酯交換法來合成，而Tundo報道了一種經(jīng)酯交換和縮聚反應的綠色合成路線，先用二氧化碳代替光氣生產(chǎn)碳酸二甲酯，然后在固態(tài)熔融狀態(tài)下由雙酚A和碳酸二甲酯聚合生產(chǎn)聚碳酸酯。此工藝取代了常規(guī)的光氣合成路線，并同時實現(xiàn)了兩個綠色化學目標，一是不使用有毒有害的原料，二是不再使用可疑的致癌物——甲基氯化物作為溶劑。通過這樣的實例使綠色化學的概念深入人心，讓學生意識到有機化學反應具備廣闊的可持續(xù)化發(fā)展的空間，同時也賦予了學生將來從事創(chuàng)新活動的思考空間，學生對此充滿興趣，保證和提高了教學質(zhì)量。
2教學方法上踐行有效學習
有機化學教學內(nèi)容多、基本概念和理論復雜，需要記憶的化學反應又多，因此，課堂講解起來顯得比較零散，尤其是講到后面幾章時，學生也失去了耐心，造成了前后混淆或者是學了后面忘了前面的局面，復習的時候也是越復習越?jīng)]有信心[4]。但仔細研究發(fā)現(xiàn)，按照官能團分類的教學內(nèi)容安排，章節(jié)內(nèi)及章節(jié)之間內(nèi)容的規(guī)律性還是比較明顯的，因此，根據(jù)多年教學經(jīng)驗總結(jié)，我們在教學過程中采取了隨時總結(jié)歸納的方式，把前后交叉的內(nèi)容串聯(lián)起來，合理科學地安排在有限的課時內(nèi)，這樣能激發(fā)學生課堂學習效果的最優(yōu)化，引導學生將重要的知識點都能在課堂上最大化地消化與吸收，達到有效學習。例如：(1)對乙烯的氧化反應產(chǎn)物，不同條件下有不同的氧化機制和產(chǎn)物，學生對此總是把握不好。為此，我們在綜合了所有章節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對烯烴的氧化反應條件及相應的產(chǎn)物進行了歸納，如圖1所示，這張圖就讓學生有了清晰的區(qū)別式記憶，不容易混淆而且對知識點的把握更加牢固。(2)有機化學中兩大類型的四種反應貫穿教學內(nèi)容的始終，包括親電取代、親電加成、親核取代和親核加成四大反應，其反應機理及反應發(fā)生的方向與快慢的影響因素這部分知識是教學中的難點，也是最容易讓學生感覺到雜亂無章的內(nèi)容。為此，我們采取了逐級總結(jié)、分步展開的方法進行講解，先對鹵代烷烴的化學反應總結(jié)，三類反應：親核取代反應、消除反應和與金屬的反應；再對三類反應進行分類總結(jié)，如鹵代烷烴的親核取代反應歸納如圖2所示。這樣的講解與總結(jié)方式，很好地梳理了各類型反應特點、機理與影響因素，如圖2所示，對學生理解與掌握難點內(nèi)容起到了一目了然的作用，不僅記憶起來容易而且能讓學生即時在課堂上把這些內(nèi)容消化掌握，提高了課堂學習效率。(3)醛酮類的化學反應和β-二羰基化合物的化學反應是有機化學教學的重點，在整個有機體系中占有舉足輕重的地位，其所參與的化學反應是有機工業(yè)的基礎(chǔ)與紐帶。但教學過程中研究發(fā)現(xiàn)，學生對這部分內(nèi)容特別容易混淆，分辨不清，甚至無法正確掌握其反應機理和反應產(chǎn)物。為此，我們對醛酮類官能團的羥醛縮合反應和交叉歧化反應與β-二羰基化合物的合成即“三乙合成”反應進行類比式總結(jié)歸納，前后對照，找出其中的差異化，使學生對不同類型官能團的反應機理及產(chǎn)物有了明確的辨別與分析，同時記憶，達到了高效地掌握重點記憶重點，學生也在最短的時間內(nèi)理解并掌握了這一部分即是重點又是最為復雜的內(nèi)容。通過這種逐級歸納、分類總結(jié)及類比式、區(qū)別式歸納教學方法，能讓學生對每一部分知識點都一目了然，有助于學生更快更牢固地理清容易混淆的內(nèi)容，既提高了學生的學習效率，做到了課堂上有效學習，又培養(yǎng)了學生自主的歸納總結(jié)能力。
3教學手段上拓展新型科技渠道
信息化技術(shù)的應用為各行各業(yè)的工作帶來了前所未有的智能化工具，將其充分地應用于教學工作中，也必將使教師的授課方式和學生的學習方式發(fā)生深刻的變化，這些變化為我們開創(chuàng)了新的途徑和教學模式。同時，學生對信息化工具的使用已經(jīng)成為常態(tài)，觀看和應用手機、電腦等影像與視頻也越來越方便和快捷，因此，我們所采用的教學手段完全有條件拓展更多更好更新型的信息化科技渠道。首先，電腦多媒體教學手段已經(jīng)很好地呈現(xiàn)出了其優(yōu)越性，在有機化學的教學工作中發(fā)揮了其不可替代的作用，因為有機化學涉及大量的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分子構(gòu)象、反應機理等抽象性的概念，這些空間結(jié)構(gòu)不能只靠平面式的講解和學生的想象力去理解，而是在通過多媒體在教學課件中通過圖片、視頻及動畫的方式，對開拓學生的空間意識、加深學生對抽象知識的理解與掌握起到了至關(guān)重要的作用，很大程度上激發(fā)起了學生的求知欲，更愿意去思考和提問，活躍了課堂氣氛的同時提高了教學質(zhì)量。再次，我們將新型的有機化學軟件引入到教學工作中，如ChemDraw、ChemWindow、ChemOffice等，這些桌面化學軟件不僅能更加準確形象地描繪出有機化合物的分子結(jié)構(gòu)，還能夠以動畫和三維Flash的形式展現(xiàn)出分子結(jié)構(gòu)的3D空間及分子軌道形成過程。這些軟件的使用豐富了多媒體教學的內(nèi)容，使多媒體更加形象生動，由此制作的多媒體課件更加美觀內(nèi)容更加充實和飽滿。與此同時，教師還引導和鼓勵學生自學使用這些軟件中的一種或幾種，增加學生對電腦的應用技能，學生對此也有濃厚的興趣，因為這對學生將來的畢業(yè)論文設(shè)計環(huán)節(jié)和工作環(huán)節(jié)都頗有幫助。另外，微課是最新發(fā)展起來一種教學方式，以其靈活方便、針對性強、教學時間短和與教師隨時互動的特點，深受學生喜歡。在網(wǎng)絡、信息與通訊技術(shù)快速發(fā)展的時代，微課在大學教學中作為傳統(tǒng)課堂學習的一種重要補充，可以為學生拓展學習資源，實現(xiàn)個性化差異化教學，滿足不同學生對不同知識點的按需學習，幫助學生鞏固課堂學習內(nèi)容并進行自我查缺補漏，尤其對對學有余力的學生起到了更大的幫助作用。比如我們用微課建立了涉及格利雅(Grignard)試劑的各種合成反應，并把由此建立了一張合成各類有機化合物的網(wǎng)狀散射圖，將各種醇(伯、仲、叔醇)、羧酸及酮的合成方法、合成路線與合成機理呈現(xiàn)得淋漓盡致，微課里的視頻將授課內(nèi)容大幅濃縮，將簡單易懂的知識點去掉而僅保留難點重點，學生能夠做到專注地記憶與思考；同時附有習題與測試可供學生加以鞏固，這在接下來有機合成題的課堂練習與檢測中明顯地體現(xiàn)出來，以往學生對大部分有機合成題目都感到無從下手，不知道從哪里開始，不知道用哪類簡單有機物質(zhì)去合成，更不知道用什么方法或路線來合成，而通過這樣的方式授課，既讓學生抓住了課堂內(nèi)容的主線又讓學生有了充分的獨立思考與分析的時間，針對不同的有機合成題學生能夠做到分步分析，逐步找出正確合理的合成路線，始終保持思路清晰。微課不僅是一種教學模式，更是一種學習方式，即提高了學生的學習效率，又提高了教師的授課效率，它提供了一種可以讓學生自主學習、可以隨時跟授課教師溝通交流、可以讓學生進行探究性學習的平臺。
4教學目標上注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)
大學在教育歷史的延展中承擔了育人、科研、服務的職能，研究型大學的本質(zhì)就是“研究與教學相結(jié)合”，其發(fā)展目標必然是把研究放在首位，在大學的本科階段即提供全面的學位計劃，寬基礎(chǔ)的學習也是為今后的科學研究打基礎(chǔ)做鋪墊。因此，作為專業(yè)基礎(chǔ)課程的有機化學，我們在講授過程中特別地提出對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這是研究型大學今后發(fā)展的必然趨勢，也是為培養(yǎng)多層次人才所必備的教書育人模式。現(xiàn)代社會是個發(fā)展突飛猛進、競爭異常激烈的時代，當代大學生不管是將來走向科研領(lǐng)域還是進入社會，其未來的發(fā)展前景必將依賴于創(chuàng)新能力，學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)自然而然成為教學工作目標的重要組成部分。我們將有機化學課堂內(nèi)容、實驗課與大學生創(chuàng)新實驗訓練相結(jié)合，針對目前學生在創(chuàng)新實踐過程中出現(xiàn)的問題與不足，在有機化學教學中研究并設(shè)計了引導學生創(chuàng)新意識培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的教學方式。在教學中注重學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，首先，當今大學生想象力豐富、思維活躍，總是想追求新穎的東西，但由于他們的知識面不夠?qū)�、對行業(yè)認知不深，無法把所學知識與行業(yè)中的發(fā)展需求相聯(lián)系，從而缺乏創(chuàng)新的源泉和創(chuàng)新性思維的方式。為此，我們在教學過程中及時將所學有機合成反應與相應行業(yè)的最新發(fā)展相聯(lián)系，引導學生結(jié)合行業(yè)中需要解決的問題自己思考。如“單環(huán)芳烴”這一章，在講到單環(huán)芳烴的來源時，學生了解到苯及其同系物主要來源于煤的干餾分解產(chǎn)物，為了讓學生更多地了解與之相關(guān)的行業(yè)發(fā)展動向，我們在此引入了目前研究最熱的課題之一——煤燃燒過程中的結(jié)焦與結(jié)渣問題，這是影響燃煤發(fā)電廠的經(jīng)濟效益和安全運行的嚴重問題，要求學生與課堂內(nèi)容相聯(lián)系，思考如何去研究，同時與前面章節(jié)講到的紅外光譜前后呼應去分析結(jié)焦與結(jié)渣與哪些因素尤其是哪些有機物質(zhì)有關(guān)，可以采取哪些研究方法去發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題。同樣的例子，我們在講到“羧酸及其衍生物”一章時，其中一部分有機化學反應學生在高中已經(jīng)學過且有些反應產(chǎn)物已經(jīng)被淘汰或過時，在此，在精簡課堂教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上我們適時地引入與羧酸衍生物相關(guān)的材料科學方面的最新研究動向，即一種新型的超塑化劑——聚羧酸系高性能減水劑(PCE)，它是一種新型建筑材料添加劑，以減水率高、保坍性能好、強度增長快等特點被廣泛用于配制超高強混凝土、高流動性及自密實混凝土，其分子結(jié)構(gòu)與合成路線與本章內(nèi)容息息相關(guān)。通過這些問題的引入，既能讓學生接觸到了學科發(fā)展的前沿，又能為學生的創(chuàng)新思維提供素材與源動力，同時教育學生要善于自己利用和創(chuàng)造條件，充分發(fā)揮自己的特長，把握本學科最新發(fā)展的動態(tài)和相關(guān)學科知識的橫向關(guān)系，由此學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力才能夠得到進一步發(fā)展。再者，創(chuàng)新能力培養(yǎng)光有創(chuàng)新靈感和熱情是遠遠不夠的，還必須學習、掌握并具備相應的創(chuàng)新技能以及持之以恒的信心。為此，我們?yōu)槌錆M創(chuàng)新意識又學生余力的學生提供了實驗平臺，培養(yǎng)學生的動手能力和運用創(chuàng)新科技的方法，比如上面所提到的“羧酸及其衍生物”部分，教學過程中摒棄了過時的和學生高中所學過的部分內(nèi)容，而將“聚羧酸減水劑的合成”作為這一章節(jié)內(nèi)容的拓展教學，鼓勵并指導大學生發(fā)揮其敏捷的思維與創(chuàng)新思想、大膽地去嘗試新的合成工藝路線，不怕失敗還是從失敗中總結(jié)規(guī)律和經(jīng)驗，通過學生堅持不懈的嘗試與創(chuàng)新，通過不斷失敗的合成路線的實驗摸索，綜合分析了各種合成工藝條件及對合成的產(chǎn)品的評價后，發(fā)現(xiàn)了一種新的合成工藝即低溫合成聚羧酸減水劑的方法。因此，在現(xiàn)有的高等教育體制與教學模式下，學生的創(chuàng)新能力是在學習基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，通過教師在教學過程中適當?shù)囊龑c啟發(fā)而培養(yǎng)起來的�？傊�，通過多年的有機化學教學經(jīng)驗體會，我們在教學內(nèi)容、教學方法、教學手段及教學目標的研究、探索與實踐，很好地結(jié)合了我校研究型大學培養(yǎng)工科技術(shù)人才的要求，優(yōu)化了教學內(nèi)容，改善了課堂教學效果，提高了有機化學的教學質(zhì)量。當然，有機化學的教學建設(shè)與改革仍在不斷地向前發(fā)展，需要我們不斷地提高教學水平，使課堂教學更加充滿活力，從而提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型合格化工專業(yè)人才。
參考文獻
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