潘玲，周仕東

東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長春 130024

推進(jìn)“世界一流大學(xué)和一流學(xué)科”(簡稱“雙一流”)建設(shè)是為提高我國高等教育水平而做出的重大戰(zhàn)略決策。國際一流優(yōu)秀人才的培養(yǎng)、國際一流學(xué)科底蘊(yùn)的孕育是實(shí)現(xiàn)“雙一流”建設(shè)的重要組成部分。國內(nèi)有機(jī)化學(xué)教學(xué)圍繞一流人才培養(yǎng)進(jìn)行了大量的研究[1–8]。2017年，東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)科入選了雙一流建設(shè)學(xué)科，2019年入選國家一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。我們在人才培養(yǎng)過程中，著重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力。

跨學(xué)科思考問題的意識及能力的形成，不僅與個人擁有的知識量有關(guān)，而且還與其掌握知識的深度有關(guān)，廣度、深度的結(jié)合其實(shí)就是知識的結(jié)構(gòu)問題[9,10]。因此，我們提出了一級學(xué)科統(tǒng)整視角下的有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革。以一流學(xué)科建設(shè)中的全面教學(xué)改革為契機(jī)，圍繞培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力，進(jìn)行全面系統(tǒng)、層層深入的教學(xué)改革。

1 “以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的有機(jī)化學(xué)課程結(jié)構(gòu)改革

1.1 “以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的二級學(xué)科課程間的協(xié)作

化學(xué)研究通過對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認(rèn)識，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、合成或組裝新的物質(zhì)；通過深入研究反應(yīng)機(jī)理實(shí)現(xiàn)對化學(xué)微觀過程的控制；發(fā)展新的分析測試手段以深入認(rèn)識物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；并正在加強(qiáng)與其他學(xué)科的交叉合作，探索新發(fā)展。因此，化學(xué)的各二級學(xué)科間，如有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)等相互緊密聯(lián)系，相輔相成，組成了關(guān)系緊密的化學(xué)知識結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)有高等化學(xué)教育大部分仍停留在相對獨(dú)立的課程體系中，想改變原有課程體系，加強(qiáng)二級學(xué)科間的協(xié)作，難度很大。東北師范大學(xué)化學(xué)學(xué)科的人才培養(yǎng)方案中，在“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的課程體系的設(shè)置上進(jìn)行了一些嘗試。我們嘗試著打破大多數(shù)高?；咀裱囊詿o機(jī)化學(xué)為起點(diǎn)，以物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)為終極提升的課程設(shè)置順序，將化學(xué)概論通識課程設(shè)為大一新生的專業(yè)課程敲門磚，為有機(jī)化學(xué)等二級學(xué)科課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；將分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等課程提前，使相關(guān)理論盡早服務(wù)于其他二級學(xué)科課程；將無機(jī)化學(xué)設(shè)為大三下學(xué)期最后一門專業(yè)必修課，作為高階集成課程，對學(xué)生所學(xué)二級學(xué)科課程進(jìn)行高度匯總。有機(jī)化學(xué)課程也提前至大一下學(xué)期開課，既體現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)課程的基礎(chǔ)性，又充分發(fā)揮了有機(jī)化學(xué)課程的邏輯性，盡早訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力和綜合解決問題的能力。通過課程設(shè)置的調(diào)整，改變現(xiàn)有課程的孤立性，加強(qiáng)二級學(xué)科課程間的協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的知識結(jié)構(gòu)以及跨學(xué)科解決問題的能力。

為了實(shí)現(xiàn)“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的人才培養(yǎng)方案，有機(jī)化學(xué)課程在課程定位等方面進(jìn)行了改革。在課程定位方面，如圖1所示，有機(jī)化學(xué)課程以化學(xué)概論課程為基礎(chǔ)，以原子軌道雜化理論和分子軌道理論為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與化學(xué)概論課程的無縫銜接，使學(xué)生運(yùn)用化學(xué)概論所學(xué)知識自發(fā)地認(rèn)識“碳是四價(jià)的”等有機(jī)化合物的基本結(jié)構(gòu)知識，進(jìn)而在后續(xù)課程中逐漸體會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”等化學(xué)學(xué)科思想。分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等課程的提前，學(xué)生對相關(guān)知識儲備的增加，為有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)帶來了新的基礎(chǔ)與驅(qū)動力?！皯{數(shù)據(jù)說話”“憑儀器分析說話”不再是難題。例如，在周環(huán)反應(yīng)的教學(xué)中，不再需要在有機(jī)化學(xué)課堂上大篇幅講授π分子軌道的特點(diǎn)，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)知識，可以自己總結(jié)和解釋電環(huán)合反應(yīng)等的反應(yīng)規(guī)律和特點(diǎn)，既鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，又訓(xùn)練了學(xué)生綜合解決問題的能力，使物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、儀器分析課程成為了有機(jī)化學(xué)課程的“工具箱”。相應(yīng)的，有機(jī)化學(xué)課程中大量的客觀事實(shí)也為這些課程提供了豐富的“問題素材”，使“孤獨(dú)”的理論有了“應(yīng)用”的出口，深化了學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力。有機(jī)化學(xué)課程同樣可作為無機(jī)化學(xué)高分子化學(xué)等課程的“工具箱”，在高年級課程中得以不斷深化和應(yīng)用。因此，有機(jī)化學(xué)課程是我們“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的人才培養(yǎng)方案中的中堅(jiān)力量，在二級學(xué)科課程間的協(xié)作中發(fā)揮著重要的作用。

圖1 有機(jī)化學(xué)課程與其他課程間的協(xié)作關(guān)系

隨著線上教學(xué)和混合式教學(xué)的迅速發(fā)展，各二級學(xué)科課程的電子資源日漸豐富。加強(qiáng)二級學(xué)科課程間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)電子資源互通更可使教學(xué)效果事半功倍。在其他二級學(xué)科課程的協(xié)助下，有機(jī)化學(xué)課程將所涉及的其他二級學(xué)科課程中的重要知識以更專業(yè)的電子資源呈現(xiàn)給學(xué)生，不僅可以節(jié)省寶貴的課上時間進(jìn)行有機(jī)化學(xué)深入拓展訓(xùn)練，更可使學(xué)生建立立體多維的知識結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高學(xué)生綜合解決問題的能力。如，在“有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征”一章中涉及的核磁共振等重要表征手段的基本原理，不論是教師“教”還是學(xué)生“學(xué)”都是很難的。通過課前學(xué)習(xí)專門從事相應(yīng)測試工作的儀器分析課程教師為我們提供的微課視頻，師生不僅可以很容易抓住原理的關(guān)鍵點(diǎn)，更可在課堂上集中精力，進(jìn)行深入的有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)表征訓(xùn)練。

由此可見，“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的二級學(xué)科課程間的協(xié)作可將化學(xué)課程高效融合，使學(xué)生有效地養(yǎng)成科學(xué)的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力的形成。但由于二級學(xué)科課程間的協(xié)作涉及面較廣，較難付諸于實(shí)踐。而一流學(xué)科、一流專業(yè)的建設(shè)恰好為我們提供了“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的全面教學(xué)改革平臺。因此，“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的有機(jī)化學(xué)課程改革勢在必行。

1.2 二級學(xué)科統(tǒng)整下的有機(jī)化學(xué)課程群建設(shè)

一級學(xué)科統(tǒng)整視角下的有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革既要加強(qiáng)二級學(xué)科課程間的協(xié)作，也要注重有機(jī)化學(xué)課程群的建設(shè)，建設(shè)的重點(diǎn)圍繞著如何將二級學(xué)科課程間的協(xié)作逐層滲透到有機(jī)化學(xué)課程群(圖2)。在有機(jī)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課中，實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)與物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、儀器分析等課程的初階協(xié)作，從概念的理解等入手使學(xué)生初步形成跨學(xué)科思考問題的意識及能力；在有機(jī)化學(xué)選論、有機(jī)合成化學(xué)等專業(yè)知識擴(kuò)展課程[11]中，實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)專業(yè)知識擴(kuò)展課程與物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、儀器分析等課程的深入?yún)f(xié)作，從有機(jī)化學(xué)理論的理解等入手使學(xué)生熟練掌握跨學(xué)科思考問題的思維方式；在不對稱合成藥物化學(xué)等專業(yè)知識縱深課程中，實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)專業(yè)知識縱深課程與結(jié)構(gòu)化學(xué)、儀器分析、無機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)等課程的高階協(xié)作，從有機(jī)化學(xué)的綜合應(yīng)用入手使學(xué)生形成跨學(xué)科思考問題的能力。

圖2 一級學(xué)科統(tǒng)整視角下的有機(jī)化學(xué)課程群與其他課程間的關(guān)系圖

例如：關(guān)于碳正離子中間體的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，(1) 在有機(jī)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課中介紹碳正離子的概念及穩(wěn)定性影響因素。啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)化學(xué)的知識從軌道雜化方式等角度認(rèn)識碳正離子的結(jié)構(gòu)以及其對碳正離子穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用物理化學(xué)知識從能量的角度等進(jìn)一步認(rèn)識碳正離子的穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于對烯烴親電加成反應(yīng)的區(qū)域選擇性的理解；(2) 在有機(jī)化學(xué)選論專業(yè)知識擴(kuò)展課程中，針對碳正離子的特點(diǎn)及其穩(wěn)定性引導(dǎo)學(xué)生如何運(yùn)用儀器分析等手段檢測到碳正離子；(3) 在藥物化學(xué)專業(yè)知識縱深課程中，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用從無機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)等課程中學(xué)到的知識找出有用的碳正離子，通過控制碳正離子的穩(wěn)定性等尋找復(fù)雜藥物的實(shí)用合成方法。

2 教學(xué)團(tuán)隊(duì)與教學(xué)模式的改革

為了實(shí)現(xiàn)一級學(xué)科統(tǒng)整視角下的有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革，我們加強(qiáng)二級學(xué)科間的協(xié)作，跨學(xué)科組建了教學(xué)團(tuán)隊(duì)。邀請物理化學(xué)專業(yè)教師給予理論計(jì)算等方面的支持，從結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)視角解釋有機(jī)化學(xué)中的一些實(shí)驗(yàn)問題；邀請分析化學(xué)專業(yè)教師為學(xué)生分析有機(jī)化合物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)提供實(shí)踐平臺；邀請化學(xué)教學(xué)論專業(yè)教師給予教學(xué)論理論的支撐等。在有機(jī)化學(xué)學(xué)科內(nèi)加強(qiáng)科研型教學(xué)人才與教研型教學(xué)人才的融合與培養(yǎng)，加強(qiáng)科研與教學(xué)的融合，以加強(qiáng)有機(jī)化學(xué)課程體系的科學(xué)性與前沿性。在教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)中，著重提高教師的“跨學(xué)科教學(xué)”意識和“跨學(xué)科教學(xué)”素養(yǎng)。我們定期舉辦教學(xué)討論會，為二級學(xué)科課程教師間的交流提供有效平臺，促進(jìn)跨學(xué)科課程內(nèi)容的凝練。

“問題解決”教學(xué)模式(Problem-based learning，PBL)[12,13]強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為主，通過自主探究形成解決問題的能力，可以很好體現(xiàn)金課的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，也符合有機(jī)化學(xué)尤其獨(dú)特的知識體系和思維方式。因此，我們選擇了PBL教學(xué)模式，以一級學(xué)科建設(shè)為統(tǒng)整，以學(xué)科思想為指導(dǎo)，探索了PBL在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用。以學(xué)生現(xiàn)有的知識儲備量為基礎(chǔ)，選取重要性及實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)核心問題情境，選取有利于發(fā)揮學(xué)生主觀能動性、有利培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力的教學(xué)內(nèi)容將PBL教學(xué)模式付諸于實(shí)踐。

3 “以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的PBL教學(xué)改革案例——以環(huán)加成反應(yīng)的教學(xué)為例

“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的PBL有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革必須充分利用二級學(xué)科間的協(xié)作，分層次進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐。如，環(huán)加成反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)重要且基本的反應(yīng)類型之一。從概念的引出、機(jī)理的證明到其在碳/雜環(huán)化合物合成中的應(yīng)用，貫穿于整個有機(jī)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)中，具有鮮明的層層深入的特點(diǎn)。因此，我們結(jié)合當(dāng)代有機(jī)化學(xué)發(fā)展前沿，以“不對稱[2+2]環(huán)加成反應(yīng)的方案設(shè)計(jì)”為問題切入點(diǎn)進(jìn)行了PBL式教學(xué)改革嘗試。

該問題需要學(xué)生將已學(xué)的對映異構(gòu)和少量環(huán)加成反應(yīng)的知識應(yīng)用于解決實(shí)際環(huán)加成問題，屬于較難的綜合性問題(圖3)。在教學(xué)過程中，啟發(fā)學(xué)生從概念的回顧、機(jī)理的分析和反應(yīng)的具體應(yīng)用為主線，結(jié)合其他二級學(xué)科課程所學(xué)知識，跨學(xué)科思考有機(jī)化學(xué)問題。教學(xué)實(shí)踐前期側(cè)重于對[2+2]環(huán)加成反應(yīng)的基本理解和分析，引導(dǎo)學(xué)生利用結(jié)構(gòu)化學(xué)中的前線軌道理論等進(jìn)行機(jī)理分析，形成初步的[2+2]環(huán)加成反應(yīng)知識結(jié)構(gòu)。教學(xué)實(shí)踐后期發(fā)揮學(xué)生的主體作用，以小組討論的形式從“反應(yīng)條件的選擇”“反應(yīng)結(jié)果的分析”和“機(jī)理的驗(yàn)證”三個方面啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行綜合知識應(yīng)用，并鼓勵學(xué)生參閱科學(xué)前沿文獻(xiàn)[14]多角度分析問題。通過小組討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)原來解決有機(jī)化學(xué)問題可以用到如此多的物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和分析化學(xué)知識，從而建立起較完整、立體的有機(jī)化學(xué)知識結(jié)構(gòu)。通過“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的PBL教學(xué)實(shí)踐，有效地培養(yǎng)和提高了學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力。

圖3 以“不對稱[2+2]環(huán)加成反應(yīng)”為例的PBL教學(xué)改革實(shí)踐

4 教學(xué)評價(jià)體系的改革

如何將“以一級學(xué)科為統(tǒng)整”的有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革融入到現(xiàn)有教學(xué)評價(jià)體系中是教學(xué)評價(jià)體系改革的重要問題。在過程性評價(jià)與考核性評價(jià)中都應(yīng)加入評價(jià)學(xué)生“從不同二級學(xué)科角度思考有機(jī)化學(xué)問題的意識及能力”。通過增加過程性評價(jià)的比例以及在考核性評價(jià)中增加主觀性試題份額等使師生均意識到跨學(xué)科思考問題的重要性。進(jìn)而通過評價(jià)反饋促進(jìn)與完善一級學(xué)科統(tǒng)整視角下的有機(jī)化學(xué)教學(xué)改革。

5 結(jié)語

綜上所述，我們以一級學(xué)科為統(tǒng)整，加強(qiáng)了二級學(xué)科課程間的協(xié)作，基于PBL教學(xué)模式進(jìn)行了有機(jī)化學(xué)課程群的建設(shè)以及教學(xué)改革嘗試。培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思考問題的意識及能力，其前提是教師要具備跨學(xué)科思考問題的專業(yè)素養(yǎng)。但對于長期處于二級學(xué)科獨(dú)立教學(xué)封閉體系的高校教師而言，這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)。在學(xué)科交叉、學(xué)科融合勢在必行的大背景下，高校教師更應(yīng)放寬眼界，提高跨學(xué)科進(jìn)行教學(xué)的意識，增進(jìn)與其他二級學(xué)科教師間的交流，尋找二級學(xué)科課程間協(xié)作的突破口，不斷突破自我，不斷踐行跨學(xué)科教學(xué)改革。提高教師的跨學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)是未來金課建設(shè)、一流學(xué)科、一流專業(yè)建設(shè)的必經(jīng)之路。