鄭小琦查正根汪志勇

(1中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心 安徽合肥 230026;2中國科學技術(shù)大學化學系 安徽合肥 230026)

研究型大學有機化學實驗教學體系改革與創(chuàng)新＊

鄭小琦1,2查正根1汪志勇1,2

(1中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心 安徽合肥 230026;2中國科學技術(shù)大學化學系 安徽合肥 230026)

結(jié)合研究型大學有機化學實驗教學體系創(chuàng)新實踐,從“基礎—綜合—提高”的層次培養(yǎng)模式出發(fā),構(gòu)建有機化學實驗教學課程體系、更新教學內(nèi)容、加強基礎研究與實驗教學銜接、改進教學方法和手段、展示科學實驗創(chuàng)新。

有機化學是化學領域最具活力的分支之一,新反應、新技術(shù)、新合成方法和新化合物不斷涌現(xiàn),對其他化學分支起到了重要的促進作用,并產(chǎn)生了分子生物學這樣的交叉學科。進入21世紀,現(xiàn)代分析手段和技術(shù)如紫外光譜、紅外光譜、核磁共振譜等在有機化學領域中的廣泛應用,使得該學科迅猛發(fā)展。目前國內(nèi)的有機化學研究也取得了長足的進步,正在逼近國際先進水平。研究型大學建設工作中特別重要的任務之一是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,而提高有機化學實驗教學水平對于學生創(chuàng)新能力的提高和該學科的整體發(fā)展具有重要的作用。隨著社會的進步和時代的發(fā)展,“綠色化學”、“環(huán)境友好化學”和“人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”等理念對化學發(fā)展提出了更高的要求,“小、快、省”的實驗模式成為實驗技能訓練的主導模式。化學實驗教學儀器和設備更新?lián)Q代為半微量、微量有機化學實驗教學的廣泛開展提供了有利條件。半微量、微量有機化學實驗教學已成為有機實驗教學中的重要環(huán)節(jié)之一。

1 中國科技大學的有機化學實驗教學體系

從 1958年中國科學技術(shù)大學建校伊始,有機化學即作為化學專業(yè)本科生的主要基礎課之一,其中包括實驗課程。后來又將有機化學實驗課程獨立開設。目前,我們向本科生開設以下4個不同層次的有機化學實驗類課程:有機化學基礎實驗 (上),有機化學基礎實驗 (下),中級有機化學實驗,專業(yè)有機化學實驗。其中有機化學基礎實驗 (上)向化學與材料科學學院和生命科學學院共 6個系的學生開課;有機化學基礎實驗(下)是化學與材料科學學院兩個系學生的必修課;中級有機化學實驗和專業(yè)有機化學實驗是向化學與材料科學學院高年級本科生和研究生開設的選修課。

這些課程是立足于學校的實際,為滿足師生的教學與科研需求而先后開設的,在中國科技大學有機化學學科的發(fā)展進程中發(fā)揮著重要的作用。

理論與實驗課程可以起到相互促進的作用,但是實驗課程沒有必要附屬于理論課程。尤其是在有機化學中,反應通常需要較長的時間,而實驗課程是有時限的,要系統(tǒng)地觀察和理解理論課上學到的規(guī)律并不容易。所以在設置教學內(nèi)容時,我們關注的焦點并不是完整地涵蓋有機反應,而是注重培養(yǎng)學生的操作技術(shù)和觀察能力,特別是開拓學生的創(chuàng)新能力。

2 各門有機實驗課程的分工

有機化學基礎實驗是有機化學教學的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學生掌握實驗基本技能和技術(shù)、提高動手能力的必修課。同時也是直接培養(yǎng)學生化學創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力,理論聯(lián)系實際、細致嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和工作作風的重要課程。

有機化學基礎實驗的目的是讓學生掌握實驗基本技能,中級有機實驗可以讓他們“懂”和“熟”,專業(yè)實驗則是更進一步讓他們“精”而“?！薄?/p>

2.1 有機化學基礎實驗的任務和目標

基礎實驗對學生的培養(yǎng)最為重要,所以我們在基礎實驗課程上做了很多工作,對實驗項目進行了精心選擇。

在我們所采用的教學內(nèi)容中,基本操作技術(shù)占很大部分,包括蒸餾、分餾、重結(jié)晶、薄層色譜和柱色譜,這些技術(shù)在有機化學的教學和科研中都很重要。

盡量做到學以致用,即以操作技術(shù)練習和設計為主,盡可能表現(xiàn)出實驗室工作的完整性。有機化學基礎實驗內(nèi)容見表 1。

表1 有機化學基礎實驗內(nèi)容

2.2 中級有機化學實驗的任務和目標

中級有機化學課程不僅包括微量操作、無氧無水操作、高溫高壓、低溫固相操作等各項技能訓練,還涵蓋了多種類型的有機化學反應。我們是按照以下思路對教學內(nèi)容進行組織:打破專業(yè)限制,突出合成在化學實驗教學中的中心地位;加快教學內(nèi)容的更新,高壓反應、高效催化劑的合成與應用、超聲、光、電和微波等技術(shù)在合成中的應用都在教學中得到體現(xiàn);在實驗中推行雙語教學,及時總結(jié)我們在教學工作中取得的經(jīng)驗,力爭在教學工作方面在國內(nèi)高校中擴大影響,起到一定的帶動作用;探索新的實驗教學模式,將過去的“一視同仁”式的模式逐步改進為以鞏固基本操作為基礎的個性化教學模式,加強能力培養(yǎng);加強與各專業(yè)實驗室的聯(lián)系,實現(xiàn)研究與教學的良性互動。

課程設計的基本思路是:強化基本操作訓練;提高難度以加強學生的實戰(zhàn)能力;綜合訓練,促進學生理論知識與實驗能力的同步增強;既體現(xiàn)各學科之間相互交叉、滲透的客觀情況和時代特色,又還實驗于本來面目,使教學更接近于科研和生產(chǎn)實際。

中級有機實驗教學內(nèi)容如表 2所示。其中必做實驗部分為 40%,選做實驗部分 (綜合性,部分設計)為 20%,文獻實驗(設計與創(chuàng)新性實驗)為 20%。

表2 中級有機實驗教學內(nèi)容

2.3 專業(yè)有機化學實驗的任務和目標

專業(yè)有機化學實驗是根據(jù)指導教師研究方向和承擔的國家重大項目及國家自然科學基金項目設置的專業(yè)實驗。

專業(yè)有機化學實驗由有機專業(yè)各研究實驗室負責安排實施,內(nèi)容如下:

(1)自由基化學,單電子轉(zhuǎn)移反應,輔酶NADH模型還原反應機理。

(2)有機合成方法學,不對稱催化和天然產(chǎn)物合成。

(3)化學中的分子識別,超分子結(jié)構(gòu)化學,生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)化學。

(4)有機材料,藥物設計與合成。

(5)水相有機反應和綠色有機合成。

(6)DNA光損傷與光修復,[2+2]光環(huán)加成反應,光誘導電子轉(zhuǎn)移反應,有機發(fā)光材料的合成設計和新型多組分反應。

(7)富勒烯化學。

(8)金屬有機化合物的合成和結(jié)構(gòu),烯烴聚合和環(huán)酯聚合催化劑研究,催化的碳-碳鍵及碳-雜原子鍵形成反應。

(9)C—H鍵的活化與 C—C鍵的形成。

3 有機化學實驗教學體系改革與創(chuàng)新的原則

3.1 科學性

在實驗項目的選擇上不盲目求新求難,而是參考國內(nèi)外同行的做法。大部分實驗都取材于發(fā)行量較大的教科書,有較強的典型性和代表性;所涉及的實驗技術(shù)不僅在有機化學實驗室是常用的,還對其他學科有輻射和帶動作用。這樣做的好處是師生雙方入手更快,見效明顯,而且有利于控制實驗成本和實驗室有序管理。剛進入有機化學實驗學習的學生絕大部分都已做過一年的無機化學實驗,對實驗室的基本要求都已了解,我們認為經(jīng)過學習可以完成我們安排的實驗訓練。事實也證明他們有這樣的能力。而且我們對實驗進行了比較,按照由易到難、由淺入深、由簡單到復雜、由單元到綜合的方式安排進度,學生可以循序漸進地掌握各種實驗室常用技術(shù)。在課程完成后,大多數(shù)學生能進入研究實驗室承擔部分工作。

隨著工作的展開,我們也在逐步摸索,對一些內(nèi)容重新考慮,加以變化和改進。例如基礎實驗中,重結(jié)晶的單元操作是很重要的教學內(nèi)容,我們曾在幾屆學生中用萘的重結(jié)晶這個項目來訓練學生,其操作流程很實用。但是我們發(fā)現(xiàn)學生大多不喜歡這個實驗,原因是在實驗室中往往是 50～60個學生同時做實驗,這樣即使是在通風良好的實驗室中也會有很難聞的濃重氣味。而且萘蒸氣又有毒性,不僅操作者本人,周圍實驗室的人甚至過路人都反應強烈。所以我們做了調(diào)整,改用苯甲酸的重結(jié)晶,后來又將苯甲醛的 Cannizaro反應選入實驗課程,而把重結(jié)晶的物質(zhì)改為水楊酸。這些變動看上去很容易,實際上實驗指導教師進行了相當細致的準備工作,例如試劑的用量控制必須有較為準確的把握,對活性炭的脫色效果要仔細觀察。

我們的一個新理念是把基礎操作訓練逐步結(jié)合到綜合性的合成實驗中去進行,這主要是在色譜技術(shù)的訓練項目上體現(xiàn)的。原有的色譜實驗有菠菜色素的柱色譜分離和薄層色譜分離重氮類化合物兩個實驗,現(xiàn)在我們在基礎實驗中把柱色譜和薄層色譜實驗全都放在乙酰二茂鐵的合成實驗中,這樣做的好處是“實戰(zhàn)”性強,讓學生對色譜技術(shù)的實用性有更清楚的認識,同時,難度有所降低,有利于提高學習興趣。

基礎課分階段進行可以更好地滿足學生的需求:學生選擇的專業(yè)和他們各自的興趣都有差別,達到專業(yè)的基本要求和在自己學有余力時為他們創(chuàng)造機會多實踐同樣重要,這樣也可以提高實驗室的利用率。

3.2 系統(tǒng)性

有機化學基礎實驗(上)的主要作用是使學生見識和了解有機實驗,要點在于“會”:會用常見儀器,會進行常規(guī)操作;有機化學基礎實驗 (上)的服務對象包括化學與材料科學學院和生命科學學院的全體學生,安排在二年級第一學期進行,內(nèi)容以基本操作訓練為主?；亓?、重結(jié)晶、蒸餾、提取、薄層和柱色譜技術(shù)是在很多專業(yè)研究工作中都會用到的,實驗中還穿插進行波譜測試和分析。了解和掌握各種基本操作技術(shù),有助于學生盡早融入研究工作。

有機化學基礎實驗(下)給學生更多的機會去“用”和“練”,要點是讓學生能進行簡單的合成;有機化學基礎實驗(下)主要面向化學系和高分子科學與工程系的學生開課,安排在有機化學基礎實驗(上)之后,特點是以合成為中心,符合本校相關學科的特點,也與國際國內(nèi)同行的經(jīng)驗一致。

僅靠基礎課程對于有機化學專業(yè)和高分子專業(yè)的學生是不夠的,實驗能力的不足對研究工作的展開極為不利,而在研究實驗室進行訓練不僅影響工作效率,也不能保證效果。由此,中級和專業(yè)實驗課程陸續(xù)開展起來。我們的課程不僅包括微量操作、無氧無水操作、高溫高壓操作、低溫固相操作等各項技能訓練,還涵蓋了多種類型的有機化學反應。

在研究工作中,我們發(fā)現(xiàn)學生在實驗室的工作能力差別很大,除了本人的工作習慣和態(tài)度,知識結(jié)構(gòu)也有很大的影響。理論課成績好的學生往往有較寬的視野,但是在研究起步階段更需要工程師式的設計和執(zhí)行能力,這就需要實驗課程在這方面起到作用。我們對越高級別的實驗課越注重常識和基礎的教育。僅從中級有機化學實驗的內(nèi)容上看并沒有很多高精尖的實驗,但是有機實驗室工作的一般模式都有所考慮。例如,基礎實驗中的大部分準備工作都是教師做的,而在中級實驗中則要求學生自己完成;控溫加熱系統(tǒng)的組裝,真空系統(tǒng)的安裝調(diào)試等并沒有特別列出,但卻是要求學生學會的;文獻查閱,基本測試的準備等都結(jié)合在合成實驗中,這些都是著眼于提高學生的能力。我們的這些做法得到了學生和導師的肯定。

3.3 先進性

我們從基礎課程開始,逐漸引入了一些新方法和新技術(shù),強調(diào)安全規(guī)范和綠色環(huán)保的理念。經(jīng)過學習,學生可以掌握常量到微量操作,在中級和專業(yè)實驗中還能學習無氧無水操作、高溫高壓操作、低溫固相操作等技能,并可通過文獻調(diào)研,實驗準備等工作了解科研工作實際運行的基本程序,這些都是從事科學研究所應必備的能力。我們對國內(nèi)外同行做了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)我們的課程是實用而先進的。其中部分工作可能產(chǎn)生輻射性影響。

綠色、微型化學實驗可使試劑用量得以節(jié)省,實驗時間得以縮短,實驗教學成本明顯降低,同時能給學生留下更多的思維空間,實驗操作顯得更加從容,學生創(chuàng)新思維和能力以及認真細致的實驗作風得到培養(yǎng)。特別是實驗污染大幅度減少,有機廢液易于回收,學生的環(huán)保意識、實驗積極性和興趣都能得到培養(yǎng)和提高。綠色、微型有機化學實驗在我校教學中已采用了多年,我們還將繼續(xù)采用這種新的實驗教學模式,并不斷進行改進和完善。

在取得綠色、微型化改革成效的情況下,本課程現(xiàn)又在進行新的探索。根據(jù)對我校出國學生的回訪,普遍反映由于對實驗中的一些專業(yè)英語不熟悉,導致在深造過程中出現(xiàn)意想不到的困難。我們經(jīng)過多年的教學研究和實踐,在不斷總結(jié)、不斷改進的有機化學實驗講義基礎上,編寫出《有機化學實驗雙語教程》教材。通過有機化學實驗雙語教程建設,使本科生在完成有機化學實驗學習的同時,也得到了相關有機專業(yè)的英語閱讀和表達的訓練,通過這樣培養(yǎng)的學生,相關專業(yè)英語的水平較高,能更好地適應以后出國深造、科研和工作的需要。

4 實驗教學體系的特色和優(yōu)勢

(1)特別注重雙語教學。在教材建設和教學中,注意運用英語、漢語,尤其讓學生掌握對專業(yè)詞匯的運用和掌握。

(2)加強網(wǎng)絡教學平臺的建設。在有機實驗精品課程建設中,將教學大綱、教案、教學計劃上網(wǎng),并時常更新。將實驗裝置做成 flash動畫,生動地展示實驗裝置的安裝過程。該網(wǎng)站還增加了很多鏈接,可直接檢索各種化學資源以及各圖書館的有機化學實驗中英文參考書。

(3)注重實驗內(nèi)容更新和優(yōu)化,及時將本校有機化學研究的最新成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容。

(4)授課教師都有理論課教學與研究工作的經(jīng)驗,不僅傳授書本知識和實驗技能,同時還啟發(fā)學生的科學思維,力爭解決教學與科研脫節(jié)的問題,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

(5)既注意滿足大部分同學的需要,又能實現(xiàn)個性化教學。

5 實驗教學的組織和管理

實驗課程組由教授 2人、副教授 2人、講師 2人、助教 1人、實驗員 2人組成。其中 3人有博士學位。教師都獨立承擔過有機化學學科的本科和研究生理論課教學,并進行各自的科研工作。

教授進行全面指導,并承擔課程講座和主講;主要的課程工作由副教授、講師和助教帶領實驗員和研究生開展。

高職教學人員具有豐富的理論和實驗教學經(jīng)驗,有指導學生進行科學研究的能力和經(jīng)驗,能很好地指導學生將理論、實驗和科學研究緊密地結(jié)合起來。教師都獨立承擔過有機化學學科的本科和研究生理論課或?qū)嶒炚n教學,參與人員年終考核均為優(yōu)秀或合格。

采取分工明確、共同參與的原則組織實驗教學和實驗室管理。實驗室由主任負責,教師共同參與實驗室建設與管理工作,實驗準備工作由實驗員負責。

[1] 石楓,屠樹江,李勝利,等.大學化學,2009,24(5):38

[2] 肖鳳娟,王育華,楊晉輝,等.實驗室研究與探索,2009,28(2):120

[3] 黃濤,艾軍.化工高等教育,2005,86(4):96

國家級實驗教學示范中心建設項目