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【關鍵詞】高中生;有機化學;思維障礙;解決策略
引言
對我們高中學生來說,對高中有機化學的認識還比較窄,我們一般運用比較、分析和歸納等思維方式,從而對高中有機化學知識及其問題進行推論和判斷,以提高高中生的有機化學知識水平。但是,我們對有機化學思維的形成一般是建立在學生對有機化學知識理解的基礎上的,進而提高我們運用有機化學思維解決實際問題的能力。然而,有機化學學生思維在形成的過程中存在很多障礙,這些思維障礙主要是來自教學方式不完善,進而就會影響我們知識結構和思維模式的建立。
1.高中生有機化學思維障礙的形成原因
在高中生形成對有機化學概念的認識過程中,他們一般是先通過已知的知識結構對外界吸收的知識進行信息加工,從而形成一種能夠掌握的知識體系,以便高中生能夠較好地掌握。這種情況下,已知的知識就會在高中生的思維中發揮積極作用,導致原有的知識結構不斷出現分化和進行重組等,使得高中生能夠獲得新的知識。高中生有機化學思維障礙形成的原因主要包括以下兩個方面:第一,在高中有機化學教學的過程中,高中化學教師一般不根據學生的實際情況進行有機化學思維教學,而是以教師自身的思維模式進行教學過程,這樣就會造成學生缺乏能力解決實際的有機化學問題;第二,當新接收的知識與學生已知的知識結構不相符合時,這些新的知識就會受到嚴重的排斥。因此,一旦教師的教學方式脫離了學生的實際情況,就會造成新舊知識無法形成系統化的統一,從而影響高中生形成較好的有機化學思維。
2.高中生有機化學思維障礙的突破策略
2.1因材施教,培養高中生良好的學習方法
在高中有機化學的教學過程中。高中化學教師應該根據學生的學習情況因材施教,以培養高中生良好的學習方法。尤其是在教師進行新知識的講解時,教師應該以學生的有機化學基礎為中心,認識到學生對有機化學知識認識的差異,以學生的主體意識為主,激發學生的主動學習精神,以培養學生良好的學習方法。同時,教師在進行有機化學教學時應該注重學生學習有機化學興趣的培養,進而在最大程度上防止學生形成有機化學思維障礙。當然,教學的目標應該針對學生學習的實際情況而制定,使得高中生明確有機化學學習的目標,從而提高高中生學習有機化學的信心。因此,提高高中生的有機化學意識是突破有機化學思維障礙的一個重要環節。
2.2突破高中生的常規思維,消除思維定勢
在高中有機化學的教學過程中,教師不僅僅重視有機化學知識的教授,培養高中生的思維能力應該是高中有機化學教學過程中的一個重要組成部分。教師應該主動發現學生的思維問題,突破學生的思維定勢,這對突破學生的思維障礙至關重要。同時,為了更好地消除高中生的有機化學思維障礙,教師可以主動與學生進行交流,提前了解學生的產生有機化學思維障礙的原因,從而幫助學生解決有機化學思維定勢。當然,有時教師也可以開展一些討論進行有機化學教學,通過對問題的討論,正確引導學生形成正規的有機化學思維。通過不斷暴露學生的思維問題,以消除消極的有機化學思維定勢對學生的影響。當然,教師還積極促進學生進行有機化學思維的培養,旨在培養學生獨立思考的能力,發展學生思維的創造性也是幫助學生突破有機化學思維障礙的有效途徑。
2.3結合高中有機化學教學的實際,積極滲透誘導
在進行高中有機化學教學時,教師應該結合學生的實際情況進行教育,使得高中有機化學的教學過程能夠反映出學生的實際能力。同時,教師還應該根據高中生的有機化學思維問題而改變教學方法,以幫助學生解決其有機化學思維定勢問題。尤其是針對一些灌輸式的教學方式,教師更加應該結合有機化學教學的實際情況,積極滲透誘導加強突破高中學生的有機化學思維障礙。同時,教師應該重視了解學生的基本情況,這樣使得教師在講解新的知識時能夠保證課程的設計能夠符合學生的實際情況。按照高中生的有機化學水平,以高中生為主體,培養高中生的有機化學思維。
3.結語
總而言之,隨著我國高中教育事業改革的不斷進行和發展,對高中有機化學的教學要求也就越來越高了。但是,在加強培養高中學生有機化學思維的培養過程之中,形成了一定的有機化學思維障礙,從而影響了高中有機化學教學的效果。所以,教師應該采取措施幫助學生突破有機化學思維障礙,以便于提高高中有機化學教學的質量。因此,現階段研究高中生有機化學學習的思維障礙及其解決策略具有非常重大的現實意義。
【參考文獻】
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[3]葉瀾主,黃書光.中國基礎教育改革的文化使命[J].北京教育科學出版社,2014(16):102
【作者簡介】
關鍵詞:有機化學實驗考核藥學專業
引言
藥學專業的有機化學實驗考核主要是針對學生進行學習的理論以及實驗動手能力的考核,是學生在學期間的學習內容的整體匯總評價,實驗考核的最終目標是考察學生是否具備了一定的實際操作能力,即對知識掌握能力是否達到了教學的要求,但是當前由于眾多的學校只是重視學生的最終考核成績分數,卻對實驗考核真正目的進行了選擇性忽略,導致當前出現了眾多考試過關但是自身能力不合格的學生大范圍出現的現象。本文即從有機化學實驗的考核改革方向出發,進行改革方式的探討,希望能夠使得有機化學的實驗考核更具有現實意義。
1藥學專業有機化學實驗考核的現狀
1.1考核方式簡單且實用性較低
當前的藥學專業有機化學的實驗考核模式存在著較為嚴重的問題,仍是以單純的考試為主要的方式,學生針對整個專業的學習的最終目的不是在于自己是否獲得了多少重要的知識,而是在于緊張自己是否能夠應付于考試,對于學習的內容死記硬背居多,大多數都是在進行考試完畢,獲得相應學分之后,所學的知識大部分全部忘記了。所以當前的考核方式造就了一批不精不專,沒有太多實用性的學員,這也是當前我國的教育方式存在的嚴重問題的主要表現之一。
1.2考核方式獲取的結果無法反應學員的真實情況
當前的藥學專業有機化學實驗考核中存在的問題,不單單是從實用上無法真正的掌握學生實際的動手操作能力,對于學生水平無法做出準確的判斷,而且由于這種考核模式的長期存在,也導致了當前的學生在進行學習的過程中無法提出更高的熱情進行學習,對于學習過程中的實驗課的參與性和積極性也無法得到有效的提高,所以,當前我國的重點的工作方向應該放在對于有機化學實驗考核的標準上,針對當前的問題做出相應的調整和改革,使得考核變得更具實際意義,對于學生和工作單位來說都有著重要的意義。
2藥學專業有機化學實驗考核的改革方向
2.1提高對化學實驗課的重視
要對于藥學專業的有機化學實驗考核進行改革,首先要做的就是要增強在平時教學中的對于化學實驗課的重視程度。任何的教學都是以理論為基礎,以實踐操縱能力為目的的教學,學生的動手能力以及實踐能力的增長和熟練掌握才是教學的的真正意義。這就要求在平常的教學過程中要做到實現獨立開課,并且相應的增加實驗課的學時和學分,是學生在學習的過程中提高重視,這樣一來,學生不但會增加對于實驗課的學習積極性,也會使得學生不得不對于基礎理論的學習投入更大的精力。
2.2實現考核方式的多元化
針對之前的考核方式的單一化,進行考核內容的多元化,我們要確定進行學生的有機化學的實驗考核是一項技能標準,而不是進行單一的學習能容的重復應用,之前的好多的考核的內容和方式多多相對簡單和容易,大都是曾經學生直接接觸或是操作過的實驗內容,那么針對這一現象,要實現學生的實際操作能力的增長,以及實現實驗考核的真正價值,就要進行考核方式的多元化,不是單單的題材準備好就行最終的考試,而是將學生的實驗的考核深入到每一次的學習過程中去,摒除“一錘子”通過式的考核方法。從學生開始學習開始做統計,將學生的每一次學習,都做以記錄,最后在臨畢業之時,將成績匯總,一方面可以得出學生的最終是否掌握了真正的化學實驗的相關知識和技巧,另一方面也能提高學生的積極性,以及對于每個學生的學習能力作出綜合評估。
2.3實現考核內容的多樣化
對于有機化學實驗考核的內容,不應該只是簡單的題目的操作,最終決定或是考核學生的動手能力以及基本的知識理論的掌握,對于化學實驗的考核內容,應該更為全面化。要體現出考核的最高價值,就要體現其全面化,在學生的學習過程中,不應該只是進行單純的教育式學習,這就要求要提高學生的問題意識,使得學生在學習的過程中不斷的進行問題的提出與解答,這樣對于學生的創造性,有著極為重要的影響。所以在進行化學實驗的考核內容當中,不單單是進行基本手法和理論的考核,還要包含一部分的創新角度的考核內容。這樣對于學生個人的綜合的能力的評價將有著一個全新的認識和度量標準,對于優秀學員的提拔和錄選有著更為重要的意義。
2.4實現考核體系評價的客觀化
當前的考核的內容,更多的具有主觀色彩,因為進行考核的方向在基本確定之后,需要考核的不單單是對于學生自己掌握理論知識和實際操作能力,學生的應變能力以及自我調整能力的考核也相對重要,所以,這就要求在進行學生的有機化學實驗考核的過程中要做到:第一,教師的安排,為了更能體現評價的客觀性,應該挑選不了解學生給你平時成績的老師進行評判,這樣會去除一定的主觀意向,給學生的動手能力以相對公正的評價,第二,對于學生的實驗內容的考核,要選擇臨時選取式,學生在既定的考核內容中抽取進行實驗操作,這樣對于學生的實際能力與水平的要求相當于又有所提高,這樣得出來的分數偏高的學生,其真實的水平則具有了相當程度的可參考性。
3總結
藥學專業的有機化學的實驗考核的改革,還需要不斷的實踐經驗進行探索和總結,務必結合我國的具體國情以及教學現狀作出相對合理的模式變更,在這一過程中,最終的考核實際上并不是最終的目的,最終的目的是取得一個較好的方式來進行人才的培養,是相關的教育機構能夠更高效率的將專業知識進行有效的傳達,是學生的學習的內容能夠真正的快速掌握,并運用到實踐當中去。
參考文獻
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[2]方聽.陳之榮,陳建中.有機化學實驗模塊化教學的探索與實踐[J].化工高等教育,2013(3)
1我國有機化學的發展現狀
1.1我國有機化學所取得的良好成果
首先,經過幾十年的發展,我國有機化學領域的人才不斷增多,國際有機化學領域已經留有我國有機化學研究者聲譽,部分學者已經成為國際著名雜志的編委和副主編,如楊丹教授已經成為有機化學快報副主編,極大的增強了我國有機化學研究者的工作信心[1]。其次,我國很多高校和科研部門已擁有世界先進實驗設備,工作條件也與世界發達國家相差無幾。再者,有機合成化學與金屬有機化學已經走在世界有機化學研究前列,不對稱合成研究也取得了喜人成績,在國際中,我國學者充分展露頭角。最后,我國以北京大學為首的諸多高校開始重視有機化學的研究,并在化學期刊上發表了大量具有代表性的論文,其質量也在逐年上升。如北京大學僅在2010年就發表了55篇與有機化學相關的論文。
1.2其中存在的問題
在取得成績的同時,也存在一定問題,這也是相關研究者需要重視的方面。首先,帶有鮮明新穎的系統研究偏少,很多研究涉面較窄,通常以跟蹤熱點為主,通俗的說就是跟風現象嚴重,研究缺乏創新性,論文內容萬變不離其中。以有機合成化學研究為例,很多論文研究的都是合成方法,并不重視是否真的具有實用性。其次,很少有針對國家建設與社會發展的研究,對于有機化學長遠發展的研究更是寥寥無幾。再者,有機化學的研究隊伍還不夠壯大,各項研究都存在研究隊伍縮小的情況。最后,在研究上并不注重與其他學科的聯系,只是一味在自己領域進行研究,與發達國家相比,我國關于有機化學的研究還是很少,發表的論文質量也不如發達國家,同時,相應的評價機制還有待于提高。
2我國有機化學發展趨勢的展望
2.1發展趨勢
現階段,有機化學的發展異常迅猛,研究內容也在不斷變化,隨著時代的發展,綠色化學被提到日常研究中,受到全世界人民的關注,對其研究也就成為了有機化學的重點研究內容,同時,學科與學科之間的滲透逐漸增多,更是推動了有機化學進一步向前發展[2]。在未來有機化學研究將重視以下內容:首先,重點研究小分子活化與惰性化學鍵活化,綠色化學對原子提出了新型要求,尤其是不對稱催化的研究更是關鍵,對其研究以便降低污染。其次,注重對化學生物的研究,這項研究主要是將有機化學與生命科學聯系在一起,著重兩者之間存在的相互作用,并研究有機超分子的設計與合成。最后,研究具備獨特生理活性的各種有機分子,同時研究一切與能源開發與利用有關的各種有機化學,以及關注化學信息學的研究,進而充分發揮有機化學的作用。
2.2發展方法
首先,應遵從國家相關部門的領導,注意學科與學科之間的融合,實現優勢互補。有機化學是我國重要研究內容,作為有機化學研究者應具有良好的主動性,積極融入到各領域中,尤其是能源領域與環境保護領域,通過研究真正實現綠色化學目標,不斷擴寬有機化學研究領域,壯大有機化學研究隊伍,有機化學并不是完全獨立的學科,它需要與其他學科融合才能不斷發展,只有這樣才能創新有機化學研究。其次,由于有機化學的分支學科存在明顯的縮水情況,作為國家基金委應看到這一點,應加大對有機化各學科的資金投入,為其提供必要的資金支持。對于有機分析等熱門學科的研究應突破傳統,避免研究流于形式化,創新研究內容。同時,為其創設良好的評價機制,根據研究方向與內容的不同,設定不同的資助方式。最后,要突破研究傳統,進入新型研究領域最重要的就是具有創新思維與能力,根據國家現階段所重視的內容展開課題研究,對于挑戰性較大的研究要做好長期準備。在擬定研究課題時,應將推動國家經濟建設、促進社會發展融入其中,尤其是重點研究怎樣減少化學污染,真正發揮有機化學的作用。國家基金委應為有機化學研究創設良好的建設研究環境,提供先進的研究設備。整頓剽竊他人論文觀點等不正之風,使研究人員樹立良好的創新意識。
3結語
論文摘要:在有機化學課堂教學實踐中,運用形象生動的比喻進行講解,將較為抽象的有機化學理論通俗化、形象具體化。以深入淺出的形式幫助學生理解有機化學的內客,引起學生的學習興趁,提高課堂教學質量,達到事半功倍的效果。
有機化學是進入大學后,化學、化工、材料、藥學、醫學和生物學等相關專業的主干基礎課,是后續專業課程的奠基石。該課程具有較強的系統性、理論性和應用性,與許多專業課程(如藥物化學和藥物分析等)關系密切而又相對成獨立體系。其教學質量直接影響后續課程的學習,甚至影響系統專業知識構架和培養人才質量。有機化學其內容相對龐雜,理論抽象,如果按部就班講述教材,同學們會覺得枯燥無味。教師應注意適當活躍有機化學課堂教學,使教學變得生動、多樣、直觀,增強學生的學習興趣。筆者在有機化學課堂教學中有意識的使用一些形象生動的比喻,使抽象的理論內容形象具體化,降低了學生的理解難度,提高學生對于有機化學的興趣,收到了較好的效果陰。下面筆者簡羊介紹在課堂教學中的一些以比喻方法使學生深人理解有機化學知識的實例。
1以形象比喻講解氯和澳與烷烴取代的選擇性
有機化學的教學通常是從烷烴開始講解。烷烴與鹵素發生自由基取代生成鹵代烴的反應是十分重要的反應。與烷烴進行取代反應的鹵素通常是氯和澳,從反應活性來說,氯更容易與烷烴發生反應,反應總產率高可是主要產物比例比澳低;而從選擇性來說,澳的選擇性更高,產物中主要產物所占比例更高,副反應少。活性高的氯代主要產物比例反而比活性低的澳代少,這個問題有些同學一時難以理解。
為了使學生更好的理解這個問題,課堂教學中筆者利用CAI課件設計了動畫,將其比喻成果農摘樹上的果實的過程。把一個含有3個伯氫和2個仲氫的某烷烴分子畫為一棵果樹,氫原子畫為樹上的果實,不易反應的伯氫處在較高位置,容易反應的仲氫處在較低位置,向學生講明我們需要以取代仲氫的鹵代烴為主要產物。而進行反應的鹵素自由基則畫成果農,氯自由基活性高,則身高較高,澳自由基活性低,身高較矮,氯或澳取代氫的過程轉變為一個果農摘果實的動作過程。接下來播放動畫,當高個果農(氯自由基)經過樹下時,他的高度可以將5個果實(伯氫和仲氫)都摘下來;而矮個果農(澳自由基)經過樹下時,高度不夠,只能摘到較低位置的兩個果實(仲氫)。通過動畫過程使學生看到,氯的活性高,5個氫原子都可以反應,但取代伸氫的主要產物只占到所有產物的40%;而澳代雖然活性低,只反應了2個氫原子,但取代的都是仲氫,主要產物比例為100%。這樣一個形象比喻使該過程一目了然,學生在課堂教學中十分清楚的理解了反應性和選擇性為何會不一致的問題。在理解了該問題的基礎上,接下來再結合實際,從原料的反應活性、選擇性和原料成本等因素綜合考慮,介紹工業合成上如何更好的選擇反應物的內容,使學生對于有機反應在實際中的使用同樣有了更加深人的理解。
2以形象比喻講解手性分子的R,S構型判斷
手性分子在制藥工業、催化工業上具有十分重要的應用,手性分子的R,S構型判斷同樣是有機化學學習中的重點內容。正確判斷分子的R,S構型需要掌握兩方面的知識,一是正確判斷不同原子或取代基的優先順序,這是判斷R,S構型的基礎;二是將手性分子擺在正確的觀察位置上,再按照判定規則進行判斷其構型。一般判斷R,S構型按照如下步驟進行:首先排出手性碳原子上所連四個基團或原子的優先順序,選出優先次序最低的基團/原子;沿著手性碳與該基團/原子所形成的共價鍵方向看去,使得該基團/原子被擋在手性碳原子后面,該擺放方式即為判斷構型時正確的觀察位置;最后按照優先次序由高到低觀察其他三個基團/原子的排列方向,順時針則構型為R,逆時針則構型為S。
在實際授課時,為了學生能將上述判斷方法形象的加以記憶,筆者將判斷手性分子構型的規則以司機開車這件事進行形象比喻。將手性分子比喻成中心向下凹陷的方向盤,那么手性碳和它所連的四個基團都處在方向盤及其轉動軸上。手性碳原子處在方向盤與轉動軸所連接處,也就是方向盤的凹陷中心,次序最低的基團/原子所處位置是轉動軸的最下端,而另外三個基團/原子則均勻分布在方向盤上。這樣做比喻后,作為觀察者的學生就成了司機,司機坐在駕駛位上,俯視方向盤的方向恰好就是判斷構型時正確的觀察方向。這樣一來,由高到低方向盤順時針轉就是R構型,逆時針轉就是S構型。這樣一個容易理解且形象的比喻很好的引起了學生的學習興趣,使判斷構型的過程變得簡單明了。
筆者在課堂做比喻講解判斷構型時,一些思維敏捷的學生即意會到筆者比喻的含義,而先于筆者說出該比喻是如何進行判斷的。而大多數學生也在筆者做比喻后后很快理解和掌握了如何判斷構型的規則。
3以形象比喻講解小環烷烴易開環加成的性質
小環烷烴,尤其是三元環和四元環烷烴,具有類似于烯烴的性質,容易發生開瑋的加成反應。這主要是由于三、四元環由于形狀的原因,碳碳鍵鍵角與正常鍵角相差較大,使得環內部潛在有較大的角張力,因此容易開環。筆者在介紹三、四元環的開環的性質時,將其形象比作是用剛性很大的彈簧彎折而形成的環,彎折的邊數越少,其內角角度越小,則彈簧內部產生的彈力越大,越容易彈開,三元環像繃的最緊的彈簧,也最容易彈開,發生開環反應的條件也越容易,而四元環相對的內部張力比三元環要小,開環趨勢沒有三元環那么大,所以開環條件相應要比三元環高一些。而到了五元環、六元環,其碳碳鍵角已經接近或等于正常鍵角,隨著環的邊數逐漸增多,彈簧張力逐漸變小了,因此五、六元環以及更大的環烷烴不容易發生開環反應。學生通過將小環烷烴想象成彈簧,很好的了解了其容易開環的性質。
此外,在教學時還有其他一些用比喻加深理解的例子,如在介紹SN1和SN2取代時,筆者將其與公車上讓座進行聯系,介紹SN2反應的中心碳原子構型翻轉時,將其比喻成下雨時雨傘被風吹翻過去的現象等等,不一而足。這些比喻都有效的提高了學生理解知識的效果。
[關鍵詞] 高職院校;藥學專業;有機化學;虛擬實驗室
[中圖分類號] G423 [文獻標識碼] C [文章編號] 1673-7210(2012)05(c)-0163-03
虛擬實驗室是一種基于Web技術、虛擬仿真技術構建的開放式網絡化的虛擬實驗教學系統,是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化[1-2]。虛擬實驗室為開設各種虛擬實驗課程提供了全新的教學環境。學生通過點擊具體實驗,可直觀了解該實驗的內容、過程及其相關有機化學基礎知識。虛擬實驗室是未來實驗室建設的發展方向。
1 虛擬實驗室的概念及其研究背景
虛擬實驗室的概念最早由美國弗吉尼亞大學(University of Virginia)的教授威廉·沃爾夫(William Wolf)于1989年首先提出的,它描述了計算機網絡化的虛擬實驗室環境,在這個環境里,用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數據、信息、儀器設備及人力等資源。
虛擬實驗室概念的提出至今僅十余年,但因其誘人的應用前景,各國均在大力開發,己經取得了一些進展[3]。目前,虛擬實驗室的建設在發達國家己十分普及。美國作為當今的科技強國,繼續保持其在該領域的領先地位。國外的一些大學己組建了遠程虛擬實驗室。德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化工作平臺;意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室;新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗。
在國內,虛擬實驗室的建設起步較晚,但也得到了應用上的重視。目前,已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如:清華大學利用虛擬實驗儀器構建了汽車發動機檢測系統;華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示,供遠程教育使用;四川聯合大學基于虛擬儀器的設計思路,研制了航空電臺二線綜合測試儀,將八臺儀器集成于一體,組成虛擬儀器系統;北方交通大學的網上電工電子教學實驗系統;中國農大的虛擬土壤-作物系統實驗室。復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研。這些嘗試為虛擬實驗室在教學中的應用提供了初步的經驗和可供參考的模式[4]。
本文結合藥學專業有機化學虛擬實驗室構建和河南省十二五規劃課題的實施,探索了構建有機化學虛擬實驗室的必要性和可能性、構建方法、實施措施以及實施效果,為虛擬實驗室在各學科實驗教學中的應用提供可借鑒的經驗[5]。
2 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的必要性和可能性
高等職業院校培養目標的突出特點就是其實踐性和技術性,培養技術型實用型人才,這是我們國家已經明確了的高職高專院校培養人才的方向。實驗或實訓是高等職業教育教學活動中最重要的教學環節,實驗或實訓對于培養學生的實際操作能力和解決實際問題的能力是至關重要的,學生的大部分實踐能力都是通過實驗或實訓課程得到的,學生只有通過足夠的實驗或實訓和實習,才能具備理解和掌握該專業的理論知識,才能獲得足夠的實踐技能和動手能力。但是,隨著學生數量和實驗或實訓任務量的不斷增大,實驗或實訓設備的數量已經遠遠不能滿足要求。虛擬實驗或實訓室是改變這一現狀最有效的途徑。
現代信息技術的飛速發展和校園網絡的建設使虛擬實驗或實訓室的構建成為可能,并賦予虛擬實驗或實訓室的智能化特征,無論是學生還是教師,都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗或實訓室,進行各種實驗或實訓練習。
有機化學實驗在藥學教育中占有非常重要的地位,它是對學生進行素質教育的一個重要環節。實驗教學不僅是傳授知識和教會操作,更重要的是傳授獲取知識的方法和思想,培養學生的創新意識和科學品質,使學生具有潛在的發展能力和基礎。虛擬實驗是實驗教學的一個必要的有益補充,既能節約大量的教學經費,也使實驗在時間和空間上得到有效的延伸。它在教育、科研等領域中具有廣闊的應用前景,是實驗教學的一個新的發展方向。因此,虛擬實驗室的構建具有重要的現實意義,是改善傳統實驗或實訓教學條件不足的一種良好手段和一大趨勢。
3 藥學專業有機化學虛擬實驗室的特點
虛擬實驗或實訓室具有傳統實驗或實訓室無法比擬的功能特點,資源共享性、交互性、開放性、先進性、安全性等特點決定了它在科研和教育教學中的美好應用前景[6]。
3.1 資源共享性
網絡技術的迅猛發展,校園網的建立,使教學信息資源共享成為可能。建立虛擬實驗或實訓室的目的之一就是為了資源共享。不管是教師還是學生,無論何時何地只要網絡存在,都可以通過輸入給定的密碼進入虛擬實驗或實訓室進行學習,不受時間地點條件的限制。
3.2 開放性
虛擬實驗或實訓室提供在線教學視頻、在線實驗動畫演示等全方位立體化學習模式,保證了教師和學生在任何時間、任何地點都能得到實時指導,從而更好地完成實驗實訓項目,也可以自由地進入或退出實驗系統,毫無限制地進行基本操作練習,儀器組裝等,實現實驗教學的開放性。
3.3 交互性
虛擬實驗或實訓室以現有校園網絡硬件設備為基礎,有機化學虛擬實驗學習網站為平臺,僅僅通過鼠標點擊或拖拽就能完成實驗裝置的組裝、實驗基本操作、儀器使用的練習;通過按鈕控制實現實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數據的處理,具有學習的交互性。交互性是虛擬實驗室的顯著特點。
3.4 先進性
虛擬實驗室使用非常簡單,不需要復雜的設置與安裝,資源也可以隨著技術的發展,不斷充實完善,隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器,具有良好的可維護性、擴展性和先進性。
3.5 安全性
化學實驗試劑大多數具有易燃、易暴、劇毒、強腐蝕性,在實際操作過程中即使學生高度認真,也難免因為一時疏忽致事故發生。虛擬實驗室的構建可以為學生提供一個虛擬的實踐空間,可以無限制地重復練習,可以放心地去做各種危險的或危害人體的實驗,避免真實實驗或操作所帶來的各種危險。
4 藥學專業有機化學虛擬實驗室構建
4.1 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的方法
采用Web技術,使用圖形設計軟件Adobe Photoshop或Fireworks或Corel DRAW或Illustrator圖像處理,動畫設計軟件Macromedia Flash MX或Ulead GIF Animator或Image Ready或3D Max進行Flash虛擬實驗動畫制作,網頁設計軟件Macromedia Dreamweaver MX或Microsoft Front Page在本地磁盤上創建站點并編輯網頁,然后上傳到校園網Web服務器上,供全校師生使用[3]。
4.2 藥學專業有機化學虛擬實驗室的設計思想
根據職業教育的國家整體培養目標和藥學專業培養目標,體現職業教育的特色,樹立以技能帶動理論的思想,設計開發實用、交互、開放型的藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺。因此,以基本操作實驗為核心,以藥物有效成分的提取實驗為重點,以有機化學性質實驗為補充。構建基本操作虛擬實驗室、有效成分的提取虛擬實驗室和有機化學性質驗證實驗虛擬實驗室,體現虛擬實驗室學習平臺的“高交互性、高參與性、實用性強”的特點。
4.3 構建藥學專業有機化學虛擬實驗室的創新點
藥學專業有機化學虛擬實驗室以動畫為核心,通過鼠標拖拽完成實驗裝置的組裝、儀器使用的練習;通過按鈕控制,實現實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數據的處理等交互性學習,交互性、參與性和簡單實用性成為藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺的特色。
4.4 藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺的設計與內容
有機化學虛擬實驗室學習平臺網站設計包括:界面設計、動畫設計、文字排版與網頁制作。操作界面要求美觀簡潔、重點突出、操作便利、能適應各種不同的分辨率,目錄導航、各種按鈕和主窗口位置在整體界面中的比例協調美觀大方。
藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺內容由文字材料、實驗視頻、虛擬實驗三大模塊組成:①文字材料包括化學有機化學實驗課程標準、有機化學實驗常用儀器用途使用方法和注意事項、實驗基本操作、有機化學實驗基本操作技術、有機化學實驗講義、有機化學實驗裝置組裝練習;②實驗視頻的作用是,通過教師的講解與示范,提供給學生正確的操作過程,并指出基本操作需注意的關鍵點,使學生對于基本操作有完整的認識;③虛擬實驗以Flas為主,包括基本操作虛擬實驗、有效成分的提取虛擬實驗和有機化學性質驗證實驗虛擬實驗。其中,虛擬實驗是虛擬實驗室教學系統的重點,儀器基本操作虛擬實驗,主要是以動畫仿真的形式演示實驗裝置組裝或儀器使用的基本操作過程及要點,強化感知,增強學生的動手能力。該模塊主要由過濾、萃取、固液提取、熱濾、抽濾、重結晶、干燥、蒸餾、減壓蒸餾、分餾、水蒸氣蒸餾、回流、熔點測定、沸點測定、紙色譜、柱色譜、薄層色譜基本操作單元組成。有效成分的提取虛擬實驗由實驗原理、實驗裝置、實驗步驟、實驗演示、模擬實驗、注意事項等組成一個完整的實驗項目,它是多個基本操作單元的有機組合的整體。通過提取虛擬實驗的訓練,能進一步加深對實驗原理的再認識,強化實驗基本操作的能力。既是對基本操作實驗所獲得的知識和能力的綜合檢驗,亦是培養綜合實驗技能和應用能力的重要途徑。該模塊由蒸餾實驗、分餾實驗、重結晶提純實驗、茶葉中咖啡因的提取、八角茴香油的提取、植物色素柱層析分離等組成。
有機化學性質驗證實驗在藥學專業有機化學實驗中占有相當的份量,它對于豐富學生的感性認識以及鞏固理論課的知識內容有重要的作用。該模塊由醇的化學性質、醛酮化學性質、烯醇的性質、有機化合物溶解性比較組成。
4.5 藥學專業有機化學虛擬實驗室學習平臺
藥學專業有機化學虛擬實驗室教學平臺最大的特點在于與Web技術的結合,依托校園網服務器可以隨時到校園網上。亦可刻錄成光盤,在任何安裝有光驅的計算機上脫機使用。
5 藥學專業有機化學虛擬實驗室實施效果
基于校園網絡的有機化學虛擬實驗室建立,為學生提供一種嶄新的不受時間、地點、空間、儀器、試劑、師資、經費等條件限制的自由學習模式,緩解儀器缺乏、師資不足,學生動手操作機會少的普遍矛盾,學生可以隨時進入虛擬實驗室,進行各種實驗練習。實踐證明,經過虛擬實驗室的訓練,學生正式實驗時,實驗的自主性顯著增強、目的更加明確,實驗進度明顯加快;實驗一次性成功率有很大提高;儀器損壞率和試劑消耗率明顯下降;實驗操作熟練程度顯著提高。
因此有機化學虛擬實驗室的建立,在創新人才培養和教學質量提高中發揮重要作用,學生實驗動手能力和實踐能力會有效提高,學生的創新意識、創新精神和創新能力得到明顯提升,從而對提高學校辦學實力、辦學水平和教學質量起到有力的推動作用。
6 小結
有機化學實驗網絡虛擬學習系統——有機化學虛擬實驗室,并不能完全代替學生動手做實驗,它只是一種輔助的教學手段,只有將其與課堂教學或實驗教學有機地結合起來,找好切入點,才能最大程度地發揮作用,從而達到提高實驗教學效率的目的。
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結合教學實踐,針對醫學專業有機化學的特點,提出抓好幾個重要教學環節的具體方法,靈活運用各種教學手段,取得良好的教學效果。
【關鍵詞】 有機化學; 醫學 教學
20世紀下半葉,生命科學迅速發展的標志是分子生物學的興起。從分子水平上理解生物體和生命過程,實際上也就是從化學的觀點去從事現代生命科學的研究。這種發展趨勢不僅對有機化學提出了新的挑戰,也使得醫用有機化學在高等醫學院校公共基礎課中提到了更高的戰略地位。醫用有機化學所涉及的內容廣泛,概念比較抽象,分子結構復雜,化學反應多,但是由于課時的限制,不能深入展開講解,學生普遍感到難于理解,難于掌握。因此,作為授課教師,如何達到預期教學目的,取得良好的教學效果是筆者經常思索的問題。筆者近年來在承擔該門課的教學工作中,積累了一些經驗,認為如果能根據學生的實際水平,把握醫用有機課程的特點,處理好教學中的幾個重要環節,靈活運用各種教學手段,將會取得事半功倍的效果。
1 精心設計緒論課教學,激發學生學習興趣
在高等醫學院校,一般將《醫用有機化學》放在大學一年級第二學期,與《醫用有機化學》同時開設的還有《解剖學》等專業基礎課程。許多學生只重視專業課,對學習化學興趣不大。針對這種現狀,筆者認為必須重視緒論課的教學,要認真鉆研教材,精心備課,用心安排好緒論課的內容,要使學生充分認識到醫學離不開化學,化學是醫學發展的基礎,學不好化學不可能成為一名合格的醫務工作者,更無法攀登醫學科技的高峰,激發學生學習有機化學的熱情。
為此,筆者認為在緒論課上除了介紹有機化學的發展簡史外,還要講授以下兩個方面內容:一是有機化學新的成就和貢獻以及有機化學與生命科學的關系。這就要求我們不能局限于教材,備課時應該查閱文獻,了解有機化學的前沿,激發學生學習興趣。例如,可以通過列舉上世紀80年代以來諾貝爾化學獎的主要工作來分析化學的發展方向。因為通常諾貝爾化學獎所表彰的工作是10年前甚至20年前完成的,但是這一評選則是以現代科學發展的眼光來進行的,一定程度上反映了對化學發展趨勢和方向的看法。[1]值得注意的是直接與生命科學有關的化學諾貝爾獎至少有10項之多。近年來,隨著人類的約80000條基因測序工作的完成,接下來的后基因工作就是尋找相應的小分子去調控這80000條基因,包括天然產物和它們的類似物去調控基因的表達過程或直接作用于基因本身。這些實例能夠激發學生科學地認識到化學在生理過程、疾病的防治、診斷、治療中的重要作用。人類全面揭開遺傳、變異繁殖、疾病、死亡等生命的奧秘必須依靠化學、醫學、分子生物學家們共同努力。二是有機化學學科的特點、自己對學生的具體要求、以及授課計劃等。使學生對教材知識結構有一個大概的了解,并且讓學生明白應如何學習該課程。有機化學教材一般是按有機化合物的官能團體系劃分章節,在每一章節,先學習命名,然后對其中一種或幾種典型物質進行結構、性質、應用等內容的學習,并掌握它們同系物的相似性和規律性,有很強的系統性。醫學專業學生要通過學習簡單有機分子的反應,掌握有機化學的普遍原理,并初步具備聯系體內復雜反應的能力。例如,醛與醇的親核加成反應是糖的環狀結構形成以及成苷反應的基礎;含氮化合物的性質是蛋白質和核酸中涉及的一些反應的基礎。這就要求我們要授予學生有機反應歷程的理論知識,而不是孤立地陳述一個個具體的反應。因此緒論課上有必要介紹有機化學反應幾大類型,使學生初步接觸自由基、親核試劑、親電試劑等概念,對有機化學反應過程形成初步認識。
2 以“性質結構”作為教學主線,提高學生學習效率
筆者在歷年的教學中發現學生在學習有機化學時覺得有機化學內容太多,頭緒太亂,難記難學。其實有機化學課程的中心內容就是有機化合物的結構和性質,因此學習有機化學的重點應該放在認識化學結構上,結構決定性質,性質反映結構,“結構性質”就是掌握有機化學的“金鑰匙”。
在各章的教學中, 講解化學性質之前, 以“結構決定性質”為出發點, 對各類官能團的結構特征, 反應特性作全面的剖析, 使學生在接觸具體性質之前, 對結構這一內因對化學性質的決定性影響先有一個輪廓認識。有了這種理論對實際的指導作用, 學生就會擺脫“不知其所以然”、“規律難尋”的狀況。以《醛酮》一章的教學為例。醛、酮的分子中都含有官能團羰基,羰基碳原子為sp2雜化,碳氧雙鍵由于碳氧的電負性不同而呈現較強的極性,電子云偏向氧原子一方,使氧原子上帶部分負電荷,碳原子上帶部分正電荷,親核試劑首先進攻碳原子,發生親核加成反應。由于羰基吸電子誘導效應的影響,使α氫活潑,能發生一系列反應。由于醛羰基的極性比酮羰基的極性大,空間阻礙也較小,因而在相同條件下醛比酮一般較易起反應。醛、酮的反應與結構關系一般描述如下:
這樣, 學生在學習醛酮的親核加成、氧化、碘仿、羥醛縮合等反應時, 不僅不會有凌亂無序的感覺, 反而產生了刨根問底的求知欲,帶著濃厚的興趣,更加牢固地掌握繁瑣的有機化學反應。
轉貼于
在講授有機物性質和結構的過程中,還應注意引導學生運用有機結構理論,從空間位阻效應和電子效應等方面綜合分析有機物結構特征,以及由此引起的化學性質的微妙差異。引導學生從更高層次上理解結構和性質的辯證關系,從而更加全面深刻地把握整個學科體系。例如, 在講不對稱烯烴與不對稱試劑的親電加成時, 如果不從電子效應來分析, 學生即使記住了馬氏規則, 遇到下列情況時, 做錯了題也不知為什么。CH3CH=CH2+HCl;CCl3CH=CH2+HCl;ClCH=CH2+HCl這三個反應都是單烯烴的加成反應,但是加成方式是一樣還是不一樣呢?影響上述加成反應的結果是共軛效應還是誘導效應?這時學生就可能就老師的提問,根據所學知識而給出種種可能的解釋。再經教師指導性釋疑,他們就會茅塞頓開,既明白了何種情況下是誘導效應或共軛效應在起作用,又提高了學生分析判斷問題的能力。
3 突出重點,分散難點,運用多種教學手段教好立體化學
立體化學是有機化學的一個重要組成部分,是有機化學課程教學中的一個難點,但立體化學知識對于醫學院校學生充分了解酶促反應、藥物療效等知識有著重大的基礎作用,不僅要講,還要把基本概念和關鍵問題講深講透。
適用醫學專業的有機化學教科書一般都設有專章進行討論,差異在于把這一章放在全書中的哪一部分,是否在其他章節提前介紹基本概念和理論。目前我們選用的是衛生部規劃教材呂以仙主編的《有機化學》,在討論烴類化合物之后便安排立體化學這一章,并且在烴的各章中就開始介紹一些有關的立體概念,例如烷烴和環烷烴的構象分析,烯烴和環烷烴的順反異構現象以及烯烴加成反應的立體化學等[2]。這種安排有利于教學,使學生在開始接觸簡單有機物的分子時就樹立一個正確的立體概念。在立體化學專章中是以旋光異構現象為重點,對這方面的基礎知識不僅要系統介紹,還要注意同其他章節或其他課程的配合。對已經學過的有關內容,可以扼要地再提一下,加深學生對這些基本概念和基本原理的印象;對需要留待以后章節中才討論的內容,有些也需要及時地予以指出,為后面的講授埋下一條伏線。例如在引出本章重點內容旋光異構現象之前扼要地小結一下烷烴、環烷烴及烯烴的構象及構型問題,就會有利于全面了解立體異構現象的概況,對問題的提出也感到比較自然,有利于引導學生進一步認識分子立體結構的重要性。
為了使醫學生能學好立體化學知識,我們使用了大量的分子模型,使學生能比較直觀地學習,同時我們充分利用多媒體教學手段,把化學結構繪圖軟件Chemwin與Powerpoint結合起來,將立體感極強的分子立體圖形展示給學生。通過這些手段,我們使學生較快較好地掌握了立體化學的基礎知識。我們在基礎課教學中主要使用球棍式模型(Kekule模型),這種模型代表價鍵的小棍可適當選擇其長度,便于觀察分子中各原子在空間的相對位置,學生可以獲得立體異構體的清晰表象,認識到立體異構體分子中各基團在空間的排列本質。但這種模型構成的分子與真實分子的形象相差甚大,因此在適當時機還需要用Stuart模型做一些典型化合物的分子結構進行示范和比較,使兩種模型取長補短,更有利于幫助學生認識分子結構的立體形象[3]。
理解概念力求準確,這是學好立體異構的關鍵。對于概念的模糊或誤解往往會導致錯誤的判斷。例如:“旋轉”和“翻轉”這兩個概念,順反異構體產生的條件之一是“分子中存在不能自由旋轉的因素”,如果誤解為“翻轉”,分子中各基團在空間的相對位置無任何變化,不能產生產生順反異構體。旋光異構體的費歇爾投影式不能離開紙平面“翻轉”,只能在紙平面上“旋轉”偶數倍構型保持不變。如果“翻轉”,使得費歇爾投影式表示旋光異構體的基團前后位置交換,其實質是改變了旋光異構體的構型,恰好變成它的對映體,所以不能“翻轉”。由此看來,準確理解概念至關重要,來不得半點馬虎。此外,本章中還要注意結構和構造、構型和構象、手性和手性碳、順/反和Z/E、D/L 和R/S等概念的區別和聯系。
誠然,在醫用有機化學的教學過程中,有許多方面的問題值得我們探索、研究、解決。而每位教師因各自的教學方式不同,對上述問題可能有不同的理解。因此在這里提出的幾個問題僅僅是筆者通過幾年的教學實踐總結出來的,供大家商討,它對提高學生的學習興趣,增強其學習主動性,改善教學效果均有一定作用。
【參考文獻】
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2 呂以仙,主編.有機化學.人民衛生出版社,2004,18~104.
關鍵詞:有機化學實驗;三廢;綠色化;微量化
有機化學實驗是理工類高等院校化工、材料、紡織、生物、食品相關專業的重要基礎實驗課程之一。有機化學實驗使用的藥品大多帶有毒性,我院做有機化學實驗每年的班級數大約在30~40個,每個班按照30人算,每人每次實驗用量按照30g算,那么每年每個實驗藥品的用量將在27~36kg之間,所有實驗都加到一起所產生的“三廢”,簡直是一個天文數字,對環境的污染不可估量。因此,如何使有機化學實驗綠色化、微量化是目前急需解決的問題,是環境保護的大勢所趨。
一、有機化學實驗的綠色化
1.實驗教材的綠色化。要想從源頭上降低有機化學實驗藥品對環境的污染,那么就必須編制出對環境污染相對較小的實驗,只有學生使用的實驗教材綠色化[1],才能從根本上解決實驗對環境造成的污染問題。傳統實驗教材中,有的實驗含有Pb2+或CrO42+等重金屬。我校自2010年出版了新編的《基礎化學實驗》[2]教材,對有機化學實驗進行了重大改革,藥品中含有重金屬的實驗均已被污染較小、更貼近生活的實驗所代替,例如:從茶葉中提取咖啡因,從菠菜中提取葉綠色等實驗。2.提前進行預習實驗,減少藥品的浪費。有機化學實驗,實驗過程很長,如果不在做實驗之前進行預習,那么實驗出錯率是很高的。從前,學生主要是通過實驗教材來進行預習。隨著多媒體教學手段的引入[3],實驗教師購買了虛擬實驗軟件,學生只要先預習一下實驗教材當中的實驗內容,然后在網上進行虛擬實驗操作,就能基本掌握即將要做的實驗的全部過程。這讓學生既透徹地預習了實驗,又像實際操作一樣,溫習了一遍實驗過程。等真正開始做實驗的時候,就可以起到事半功倍的效果。學生做虛擬實驗有如下優點:首先,降低了學生在實際實驗操作過程中出現的錯誤;其次,減少了做實驗時對實驗藥品的無謂消耗;最后,降低了對環境的污染,可謂一舉多得。3.實驗過程中的綠色化。(1)引入多媒體進行輔助教學。傳統的化學實驗教學,指導教師在實驗開始前只采用板書對實驗進行講解,既枯燥又不利于學生的理解。隨著計算機技術的不斷進步,現代有機化學實驗采用多媒體進行實驗授課。實驗教師利用動畫技術,生動地描述了整個實驗的操作過程,加深了學生的直觀認識(見圖1)。采用多媒體和實際操作相結合的教學方法,降低了學生實驗操作的出錯率,大大提高了學生的學習積極性。(2)實驗設備精密化,降低實驗誤差和危險。實驗儀器精密度提高,不僅可以降低由于儀器造成的實驗誤差,還能夠提高目標產物的收率,從而避免由于實驗數據不理想需重做實驗,而造成藥品的浪費,以及對環境的又一次污染。隨著科技的進步,電子天平的精確度也在不斷提高,我校購買用于有機化學實驗的電子天平,一般精確到小數點后三位到后四位,且有專門用于稱量的地方,每次用完電子天平也都有專人進行打掃,避免由于儀器不準而造成的稱量誤差。傳統有機化學實驗,用酒精燈進行加熱,容易引起火災或者是爆炸。隨著科技的進步,酒精燈被電加熱套所取代。我校學生現在進行有機化學實驗均采用電加熱套,避免了明火實驗帶來的危險。4.實驗產物處理綠色化。我校輕化工類的學生每一屆要做9個有機化學實驗,實驗內容見表1。其中有7個實驗的產物都或多或少帶有一些毒性,由于班級多,人數多,這些在實驗過程中產生的有毒“三廢”該如何處理,是必須要解決的問題。首先,所有的有機實驗盡量都在有通風櫥的實驗室當中進行,如果不能保證每臺實驗裝置都設置在通風櫥內,那么在做實驗的過程中必須保證開門開窗,保持通風良好。其次,對于實驗產物統一放置在固定的廢物回收瓶當中,然后由專門的部門進行回收。最后,讓學生養成環保意識[3],藥品不要隨便往水池里面傾倒,要統一放到廢液瓶當中。能用多少藥品就稱取多少藥品,不將多余的藥品放在實驗臺或者是玻璃容器當中。
二、有機化學實驗的微量化
常量有機化學實驗所產生的“三廢”每年都有很多,隨著環保意識的增強,如何減少“三廢”的產生,將是大家不得不重視的問題。因此,有機化學實驗微量化將是未來的發展趨勢。我校已經有幾個有機化學實驗采用了微量化,如乙酰苯胺的制備等。由于資金、實驗條件等原因,我校還未將所有有機化學實驗改成微量化。目前,正處于儀器、設備使用的探索期,但有機化學實驗均采用微量化指日可待。隨著科技的進步,人類文明的發展,解決有機化學實驗對環境造成的污染,已經是迫在眉睫的問題。有機化學實驗的綠色化、微量化是未來高校有機化學課程內容設置的發展方向,也是環境保護的必然趨勢。
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關鍵詞:有機化學實驗;教學效果;教學改革;優勢學科
中圖分類號:G642.4 ?搖文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)19-0217-02
提高工科學生的綜合素質、實踐能力和創新能力是目前高等學校教育改革中最根本的指導思想,實驗教學是高校實踐教學中最重要的環節之一,是對理論教學內容的驗證,加深學生對理論知識的理解。有機化學是一門實踐性和應用性很強的學科,是化學、化學工程與工藝、材料科學等眾多學科的非常重要的基礎理論課程,由于有機化合物種類多和有機反應變化多的原因,有機化學實驗的實驗教學顯得尤為重要,而且化合物的結構直接影響和決定有機反應方向。常州大學每年工科專業招生的本科生和研究生(如化學工程和技術、高分子材料、環境工程、輕化工、制藥工程、生物工程和應用化學等)達一千多人,人數和班級多,而實驗學時相對較少,如何充分使用現有學時培養學生的實驗動手操作能力和應用創新能力等問題逐一突顯,為了解決這一難題,常州大學基礎化學實驗中心依托江蘇省首批基礎課實驗教學示范中心和省高校優勢學科的建設,對有機化學實驗的設置、安排和管理進行了相應的改革,實施開設綜合性實驗,為培養具卓越工程技術人才打下堅實的基礎。
一、開設有機化學綜合性實驗的必要性
隨著經濟的發展和社會的進步,現代科學技術的快速發展使得各學科相互滲透、廣泛交叉,不斷產生新興學科、交叉學科和邊緣學科,學科之間的界限也越來越被消除。現代科學技術綜合性和整體化發展的趨勢越來越強,傳統的基礎化學實驗教學已經無法滿足現代科技的快速發展,因此,一些相對陳舊的實驗內容、較傳統的實驗教學方法等傳統的實驗教學已經無法滿足現代學生的需要,也無法進一步提高學生的研究意識、應用能力和創新能力,因為基礎化學教學方法和內容的改革迫在眉睫。而有機化學由于其本身的獨特性,如化合物種類和反應多且復雜,反應機制復雜等。培養出具有綜合科研能力和工程能力的高素質和應用創新型人才,如何設置有機化學的實驗內容和改革實驗教學方法顯得尤為重要。隨著目前高校素質教育和卓越工程技術人才培養的戰略措施的實施,我校工科學生在保障其基本實驗知識和操作技能熟練的條件下,強化學生有機化學綜合性實驗才能培養出具高素質和應用創新能力的學生,培養學生如何發現、分析和解決問題的能力。
二、有機綜合性實驗的教學內容至關重要
有機化學綜合性實驗與其他實驗的區別在于它的綜合性、應用性和相對獨立性。其綜合性表現在能體現出2至3個知識點,可以讓學生站在較高的位置去思考和探索各個知識點之間的有機結合,有助于學生對知識的理解,有機化學反應原理能夠在實驗中得到印證,實驗教學與理論教學相銜接,培養學生在實驗中運用綜合知識的能力。應用性主要表現在綜合性實驗內容主要來自我校教師的科研項目和工廠生產,通過有機化學的綜合訓練熟練掌握了含酚環己烷的提純、1-溴丁烷的合成、正丁基苯和苯甲酸正丁酯的合成、苯甲酸的精制及熔點測定、乙酰苯胺的合成、肉桂酸的制備和阿司匹林的合成等等。通過有機化學綜合性實驗的開展使學生,特別是研究生掌握了基本的化學文獻檢索、資料查詢的基本方法、掌握現代儀器分析方法(如紅外、HPLC、GC、HPLC-MS和核磁共振)等,具有較高的科學素養,具備最基本的運用所學理論和實驗技能進行研發和經營管理能力。國際化學界的綠色5R原則,作為有機化學綠色化和綜合化實驗改革的指導思想。基于上述考慮,有機化學實驗教學引入了多個綜合性和設計性實驗,并由學生自由選擇和設計,由多名有經驗的教師指導學生設計實驗,進行實驗可行性分析。此外,每年我校還定期舉行基礎化學實驗技能大賽、設計實驗競賽,多方面、多層次培養和引導學生以主人翁的身份參加科學研究,培養學生的創新能力和科研能力。另外為了使課堂所授有機化學反應原理能夠在實驗中得到印證,實驗教學與理論教學相銜接,石油化工學院、基礎化學驗中心組織有機化學教研室教學名師和經驗豐富的老教師,從實際出發,結合我校學生的特點和具體要求,結合我校石油化工大工程觀和科研特色,精編實驗內容,編寫適合我校理工科學生使用的教材《有機化學實驗指導》(化學工業出版社出版)。
三、改進教學方式和方法提高實驗教學效率
傳統的教學是以實驗教師為核心主導實驗課程的進展。有機化學綜合性實驗是以學生為主體,教師為輔的方式,這樣可以充分發揮學生的積極主動性,又可以發揮教師的引導作用。在正式進行實驗課程之前,必需考察學生所學的理論知識和對該實驗的理解,讓學生提前做好各方面的準備,讓他們在實驗過程中去思考問題、解決問題和分析問題,通過這種自主學習,極大地提高學生的實驗主動性和積極性,同時又收到事半功倍的效果。綜合性實驗教學方式主要分兩大類型:啟發式教學模式和開放式教學模式。
另外,多媒體技術和網絡發展十分迅速,目前已經廣泛應用在實驗教學上。我校自制的有機化學CAI課件和網絡教學可以對有機化學反應過程進行微觀的模擬,表現內容和方式不僅非常豐富,而且將有機化學課堂教學中非常抽象的原理、反應等表現更加直觀、易懂,簡化復雜的有機化學反應和原理,所以有機化學實驗網絡教學和CAI課件可以將復雜、抽象的有機化學原理和和反應、有機化學實驗中難操作、有一定危險性的實驗過程,以更加直觀、易懂的方式呈現在學生眼前,讓學生在做實驗之前對這些有一定的了解,在實驗過程中更加容易控制實驗時間,達到預期的實驗效果。另外,網絡教學和多媒體課件可以在實驗教學過程中增加學生的信息量,并且可以針對部分學生的需要,對部分實驗內容進行動態的修改,而不是以一成不變的實驗內容和方式去培訓學生,根據學生的需求進行定做實驗,大大提高有機化學實驗教學的效果,達到培養創新型應用型理工人才的目的。
通過以上教學方法、教學內容等幾方面的改革,能夠最大程度上調動學生學習的興趣,我校工科專業的畢業生受益非淺,近5年來就業率一直達100%,我校化工相關專業工科學生考研錄取率穩步上升,并在歷屆江蘇省大學生化學實驗技能競賽中均獲得優秀成績。全校多屆理工科學生在畢業論文(設計)環節和在以后的社會工作崗位上的表現,畢業論文指導教師反映學生的動手能力和實驗設計能力都比較好,用人單位反饋我們理工科畢業生在工作崗位上工作能力、動手操作能力都很強。由此可見開設有機化學綜合性實驗的必要性和重要性,我們要以江蘇省化學工程與技術優勢學科建設為契機,對提高有機化學綜合性實驗,提高學生應用和創新能力進行較全面、系統的探索與改革,有效的提高有機化學實驗課堂教學效果,為培養面向21世紀高素質的具創新能力的應用型人才打下堅實的基礎。
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[關鍵詞]有機化學;哲學原理;運用
有機化合物是含碳的化合物(碳本身和簡單的碳化合物除外)。有機化學是研究有機化合物的組成、結構、性質及其變化規律的科學。早在遠古時代,人們就開始接觸和使用有機化合物。在漫長的歷史長河中,人類逐漸發現并制備出大量新的有機化合物,積累了浩如煙海的有機化學知識,其中無不處處閃爍著哲學的光芒。如果我們在學習和研究有機化學的過程中,能從哲學的角度來思考,會給我們的學習和研究帶來意想不到的收獲,收到事半功倍的效果。
一、對立統一規律在有機化學學習中的運用
唯物辯證法認為,矛盾存在于一切事物中并貫穿于事物發展的始終,矛盾的雙方既對立又統一,相互依存,互為條件,共同處于事物的統一體中,并依據一定的條件各自向相反的方面轉化。事物的發展變化主要是其內部矛盾發展變化的結果。對立統一規律是唯物辯證法的精髓。
(一)同一性和斗爭性
同一性和斗爭性是矛盾同時具有的兩種重要特性,相互聯系又不可分離,共同處于一個統一體中。同一性離不開斗爭性,斗爭性寓于同一性之中,是同一性的基礎,沒有斗爭性也就沒有同一性。
在有機化學中,兩種異構體在室溫下能相互轉變并達成平衡的現象稱互變異構現象,具有互變異構現象的兩個異構體稱為互變異構體。互變異構體之間的關系就是對立統一的關系。如酮與烯醇、對亞硝基苯酚對苯醌肟、硝基烷烴與酸式硝基烴、烯胺與亞胺等均為互變異構體,它們之間能相互轉變并在一定的條件下達成平衡,往往很難分離出某個純的異構體。互變異構體的分子具有不同的結構,是不同種類的化合物,表現為相互對立的關系。但是,雙方之間又相互依存,任何一方都不能脫離對方而孤立存在。并且,二者在一定的條件下可相互轉化,形成你中有我、我中有你的局面,表現了矛盾雙方相互滲透的特性。當然,它們之間的依存和轉換是有一定條件的,這就是矛盾同一性的相對性。
(二)矛盾是事物發展的動力
1 內因與外因
內因是事物內部諸要素之間的對立統一。外因是該事物與其他事物之間的對立統一。在推動事物發展的過程中,內因與外因是相互聯系、不可分割、缺一不可的。但二者在事物發展中的地位和作用是不同的。內因是事物發展變化的根據,外因是事物發展變化的條件,外因通過內因起作用,內因在外因的作用下發揮作用。
我們在學習醇的性質時,知道醇既有一定的弱酸性,又呈弱堿性;既可發生親核取代反應,又可發生消除反應,還可發生α-氫的脫氫和氧化反應,這都是由其分子內部結構決定的。至于到底發生何種反應,體現何種性質,則需視外部條件而定。當醇與活性金屬作用時,表現出弱酸性,而與強酸作用時則體現出弱堿性;與氫鹵酸、無機酸酰鹵或含氧酸在溫熱條件下發生親核取代反應,而與含氧強酸在較高溫度下則發生消除反應;與氧化劑作用則易發生氧化反應。這些反應都是外因通過內因起作用的。具有α-氫的烯烴與溴到底是發生雙鍵上的加成反應,還發生α-氫的取代反應;鹵代烴究竟發生親核取代反應,抑或是發生消除反應,同樣要視外部條件而定。
此外,具有不同官能團的化合物的化學性質往往不同,聚集二烯烴、共軛二烯烴和孤立二烯烴,鹵乙烯型鹵代烯烴、烯丙基型鹵代烯烴和隔離型鹵代烯烴以及芳鹵型鹵代芳烴、芐基型鹵代芳烴和隔離型鹵代芳烴化學性質間的差異,均是由其內部分子結構的不同而決定。
2 矛盾是事物發展的源泉和動力
唯物辯證法認為,矛盾是事物發展的原因與動力,事物發展是矛盾同一性與斗爭性緊密結合、共同推動的結果。
不對稱烯烴與質子酸的加成反應,氫離子有可能加在雙鍵兩個碳原子的任何一個上,產生兩種加成方向,從而形成兩種不同的加成產物。這兩種加成方向是相互競爭的,究竟以哪個加成方向為主,這就是矛盾同一性和斗爭性相互作用的結果。這兩種不同的加成方向,會形成兩種不同的碳正離子中間體,但它們的穩定性存在很大差異。若氫離子加在含氫比較多的雙鍵碳原子上,形成的中間體更加穩定,由此生成的產物也就是主要產物。反之,得到的產物就是次要產物。這就是馬氏加成規則的實質。從矛盾的觀點看,這一反應實際就是矛盾雙方地位、作用不斷轉化的結果。同理,當具有兩種以上β-氫原子的鹵代烴或醇發生消除反應生成烯烴時,究竟是以札依采夫取向的產物還是以霍夫曼取向的產物為主,也是矛盾斗爭性作用的結果。
(三)矛盾的普遍性和特殊性
唯物辯證法指出,矛盾的普遍性即矛盾的共性、一般,矛盾的特殊性即矛盾的個性、個別。一般寓于個別之中,共性存在于個性之中;另一方面,個別、特殊又同一般、普遍聯系著。任何一般都是個別的一部分,或一方面,或本質。任何事物都是普遍性和特殊性、共性和個性、一般和個別、絕對和相對的辯證統一。
據美國化學文摘統計,截至20世紀90年代初,有機化合物的數目已愈1000萬種。要對數目如此龐大的有機化合物逐一學習和研究是不可能的,也是完全沒有必要的。我們可根據有機化合物中所含的官能團的不同,將它分成不同的種類。具有同種官能團的化合物,往往具有相似的化學性質。由于某一類化合物所具有的普遍性質寓于各個具體的化合物之中,因此,我們對同類化合物中有代表性個體的性質進行研究后,就可以歸納、抽象出同類化合物具有的普遍性質,也就無需對同類的個體進行逐一研究。
眾所周知,不對稱與溴化氫加成時,根據馬氏加成規則,氫將加在含氫較多的雙鍵碳原子上。這是一個普遍適用的規律。但如果反應體系中存在過氧化物,或是當烯烴分子中存在較強的吸電子基團時,則加成的方向恰恰相反,這是馬氏加成規則的一個特例,也是一事物區別于他事物的特殊本質。因此,我們在分析問題時必須做到具體事物具體分析,不能生搬硬套。
二、質量互變規律在有機化學學習中的運用
(一)質、量和度
質是一事物成為其自身并區別于他事物的內在規定性。量是表示事物存在和發展的規模、程度、速度等的數量的規定性。任何事物都有其質的規定性和量的規定性,是質和量的統一。度是事物自己質的量的幅度、限度和范圍,是與事物的質相統一的數量界限。丙烯與氯反應,在低于200℃時,主要發生的雙鍵加成反應,生成1,2-二氯丙烷;若高于300℃時,主要發生α-氫的氯代反應,生成3-氯丙烯。低于200℃,就是發生加成反應的度。在低于200℃這個量的范圍內,發生加成反應的質不變;高于200℃這個量的范圍(尤其是超過300℃時),這個反應就會失去自身的質,而發生
α-氫的氯代反應。在度中,質與量這兩種不同的規定性達到了高度的統一。
(二)質量互變規律
量變和質變是事物變化的兩種形式或狀態,量變引起質變,而質變鞏固著量變的成果,又引起新的量變,如此循環往復,以至無窮,推動著事物的不斷發展。質量互變的具體實現形式是復雜多變的,表現為二者之間的相互滲透、相互包含,量變中有質變,質變中包含了量變。
在有機化學中,有關質量互變規律的例子比比皆是,最典型的例子莫過于同系物的物理性質的變化了。正構烷烴的沸點、熔點隨著相對分子質量增加而有規律地升高,折射率隨著碳鏈長度的增加而增大;烯烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醚等同系物的沸點、熔點隨著分子量的增加而升高的現象;在鹵代烷中的親核取代反應中,其活性順序為:氟代烷酰胺,莫不都是量變引起質變的例子。
醇類隨著分子中羥基數目的增多,沸點升高、相對密度增加、酸性變強。酰胺分子中氮原子上連一個酰基,呈中性;而酰亞胺類化合物由于氮原子上相連的二個酰基的作用,呈弱酸性。在碳原子的sp3、sp2和sp三種雜化形式中,由于雜化軌道所含的s和p成分的不同,使得雜化軌道的空間形狀和性質不同,均表明量變是質變的必要準備,質變是量變的必然結果。
三、否定之否定規律在有機化學學習中的運用
唯物辯證法認為,世界上任何事物的內部都包含著肯定與否定兩個方面、兩類因素和兩種力量。肯定是事物中維持自身存在的方面,否定是事物中促使自身趨向滅亡并轉化為他物的方面。自1883年合成出含三元環和四元環的碳環化合物后,人們發現三元環的化學活性比四元環大,而四元環的活性又要大于五元環。為了解釋這一實驗事實,1885年德國化學家拜爾(Baeyer A von)提出了“張力學說”,認為環烷烴中構成環的碳原子是處于同一平面內,排列成正多邊形,其Z_CCC的鍵角與碳四面體正常鍵角109度28分的偏差將產生“角張力”,張力愈大,環就愈不穩定。這一理論較好地解釋了三元環、四元環和五元環的穩定性,這是該理論的肯定方面。但由于其假設成環碳原子共面的觀點與實際不合,這是其內部孕育的否定方面,因無法解釋六元環的穩定性而被近代雜化理論所否定。這樣,對于環烷烴穩定性解釋的理論就從一個階段發展到另一階段。當然,這種否定是“揚棄”。
在有機化學發展史上,由于從動植物體內得到的這些化合物有許多共同的性質,明顯地不同于當時從礦物來源的無機化合物。當時的化學家把有機物和無機物絕對劃分開。1806年瑞典化學大師貝采利烏斯(Berzelius J J)把有機化合物和有機化學定義為“從有生命的動植物體內得到的化合物稱為有機化合物,研究這些化合物的化學稱作有機化學”,并認為“在動植物體內的生命力影響下才能形成有機化合物,在實驗室內是無法合成有機化合物的”。這種學說被稱為“生命力”學說,曾一度牢固地統治著有機化學界,使人們放棄了用人工合成有機物的想法。
直到1828年德國青年化學家維勒(w?hler F)發現無機物氰酸銨加熱很容易轉變為有機物尿素。他把這一重要發現告訴了貝采利烏斯。他說:“我應當告訴您,我制造出尿素,而且不求助于腎或動物――無論是人或犬。”但是這個重要的發現,并未馬上得到貝采利烏斯和其他一些化學家的承認,就是維勒本人也認為這個合成不能算作一個完全的合成,因為氰酸和氨還不能從無機物制備。因此,在它們里面還有一些是屬于有機界的東西,是這些物質使尿素的合成得以成功。還有人為了維護“生命力”學說,認為尿素是動物機體的排泄物,而且易于分解為氨和二氧化碳,因此可以把尿素看作是有機物和礦物質之間的聯系環節,盡管這種處于分界線的物質可以人工制成,但要人工制備結構較為復雜的有機物質還是無能為力。
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