研究型大学有机化学实验教学体系改革与创新＊

郑小琦查正根汪志勇

(1中国科学技术大学化学实验教学中心 安徽合肥 230026;2中国科学技术大学化学系 安徽合肥 230026)

研究型大学有机化学实验教学体系改革与创新＊

郑小琦1,2查正根1汪志勇1,2

(1中国科学技术大学化学实验教学中心 安徽合肥 230026;2中国科学技术大学化学系 安徽合肥 230026)

结合研究型大学有机化学实验教学体系创新实践,从“基础—综合—提高”的层次培养模式出发,构建有机化学实验教学课程体系、更新教学内容、加强基础研究与实验教学衔接、改进教学方法和手段、展示科学实验创新。

有机化学是化学领域最具活力的分支之一,新反应、新技术、新合成方法和新化合物不断涌现,对其他化学分支起到了重要的促进作用,并产生了分子生物学这样的交叉学科。进入21世纪,现代分析手段和技术如紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱等在有机化学领域中的广泛应用,使得该学科迅猛发展。目前国内的有机化学研究也取得了长足的进步,正在逼近国际先进水平。研究型大学建设工作中特别重要的任务之一是培养学生的创新能力,而提高有机化学实验教学水平对于学生创新能力的提高和该学科的整体发展具有重要的作用。随着社会的进步和时代的发展,“绿色化学”、“环境友好化学”和“人与自然协调发展”等理念对化学发展提出了更高的要求,“小、快、省”的实验模式成为实验技能训练的主导模式。化学实验教学仪器和设备更新换代为半微量、微量有机化学实验教学的广泛开展提供了有利条件。半微量、微量有机化学实验教学已成为有机实验教学中的重要环节之一。

1 中国科技大学的有机化学实验教学体系

从 1958年中国科学技术大学建校伊始,有机化学即作为化学专业本科生的主要基础课之一,其中包括实验课程。后来又将有机化学实验课程独立开设。目前,我们向本科生开设以下4个不同层次的有机化学实验类课程:有机化学基础实验 (上),有机化学基础实验 (下),中级有机化学实验,专业有机化学实验。其中有机化学基础实验 (上)向化学与材料科学学院和生命科学学院共 6个系的学生开课;有机化学基础实验(下)是化学与材料科学学院两个系学生的必修课;中级有机化学实验和专业有机化学实验是向化学与材料科学学院高年级本科生和研究生开设的选修课。

这些课程是立足于学校的实际,为满足师生的教学与科研需求而先后开设的,在中国科技大学有机化学学科的发展进程中发挥着重要的作用。

理论与实验课程可以起到相互促进的作用,但是实验课程没有必要附属于理论课程。尤其是在有机化学中,反应通常需要较长的时间,而实验课程是有时限的,要系统地观察和理解理论课上学到的规律并不容易。所以在设置教学内容时,我们关注的焦点并不是完整地涵盖有机反应,而是注重培养学生的操作技术和观察能力,特别是开拓学生的创新能力。

2 各门有机实验课程的分工

有机化学基础实验是有机化学教学的重要环节,是培养学生掌握实验基本技能和技术、提高动手能力的必修课。同时也是直接培养学生化学创新思维和创新能力,理论联系实际、细致严谨的科学态度和工作作风的重要课程。

有机化学基础实验的目的是让学生掌握实验基本技能,中级有机实验可以让他们“懂”和“熟”,专业实验则是更进一步让他们“精”而“专”。

2.1 有机化学基础实验的任务和目标

基础实验对学生的培养最为重要,所以我们在基础实验课程上做了很多工作,对实验项目进行了精心选择。

在我们所采用的教学内容中,基本操作技术占很大部分,包括蒸馏、分馏、重结晶、薄层色谱和柱色谱,这些技术在有机化学的教学和科研中都很重要。

尽量做到学以致用,即以操作技术练习和设计为主,尽可能表现出实验室工作的完整性。有机化学基础实验内容见表 1。

表1 有机化学基础实验内容

2.2 中级有机化学实验的任务和目标

中级有机化学课程不仅包括微量操作、无氧无水操作、高温高压、低温固相操作等各项技能训练,还涵盖了多种类型的有机化学反应。我们是按照以下思路对教学内容进行组织:打破专业限制,突出合成在化学实验教学中的中心地位;加快教学内容的更新,高压反应、高效催化剂的合成与应用、超声、光、电和微波等技术在合成中的应用都在教学中得到体现;在实验中推行双语教学,及时总结我们在教学工作中取得的经验,力争在教学工作方面在国内高校中扩大影响,起到一定的带动作用;探索新的实验教学模式,将过去的“一视同仁”式的模式逐步改进为以巩固基本操作为基础的个性化教学模式,加强能力培养;加强与各专业实验室的联系,实现研究与教学的良性互动。

课程设计的基本思路是:强化基本操作训练;提高难度以加强学生的实战能力;综合训练,促进学生理论知识与实验能力的同步增强;既体现各学科之间相互交叉、渗透的客观情况和时代特色,又还实验于本来面目,使教学更接近于科研和生产实际。

中级有机实验教学内容如表 2所示。其中必做实验部分为 40%,选做实验部分 (综合性,部分设计)为 20%,文献实验(设计与创新性实验)为 20%。

表2 中级有机实验教学内容

2.3 专业有机化学实验的任务和目标

专业有机化学实验是根据指导教师研究方向和承担的国家重大项目及国家自然科学基金项目设置的专业实验。

专业有机化学实验由有机专业各研究实验室负责安排实施,内容如下:

(1)自由基化学,单电子转移反应,辅酶NADH模型还原反应机理。

(2)有机合成方法学,不对称催化和天然产物合成。

(3)化学中的分子识别,超分子结构化学,生物质的结构化学。

(4)有机材料,药物设计与合成。

(5)水相有机反应和绿色有机合成。

(6)DNA光损伤与光修复,[2+2]光环加成反应,光诱导电子转移反应,有机发光材料的合成设计和新型多组分反应。

(7)富勒烯化学。

(8)金属有机化合物的合成和结构,烯烃聚合和环酯聚合催化剂研究,催化的碳-碳键及碳-杂原子键形成反应。

(9)C—H键的活化与 C—C键的形成。

3 有机化学实验教学体系改革与创新的原则

3.1 科学性

在实验项目的选择上不盲目求新求难,而是参考国内外同行的做法。大部分实验都取材于发行量较大的教科书,有较强的典型性和代表性;所涉及的实验技术不仅在有机化学实验室是常用的,还对其他学科有辐射和带动作用。这样做的好处是师生双方入手更快,见效明显,而且有利于控制实验成本和实验室有序管理。刚进入有机化学实验学习的学生绝大部分都已做过一年的无机化学实验,对实验室的基本要求都已了解,我们认为经过学习可以完成我们安排的实验训练。事实也证明他们有这样的能力。而且我们对实验进行了比较,按照由易到难、由浅入深、由简单到复杂、由单元到综合的方式安排进度,学生可以循序渐进地掌握各种实验室常用技术。在课程完成后,大多数学生能进入研究实验室承担部分工作。

随着工作的展开,我们也在逐步摸索,对一些内容重新考虑,加以变化和改进。例如基础实验中,重结晶的单元操作是很重要的教学内容,我们曾在几届学生中用萘的重结晶这个项目来训练学生,其操作流程很实用。但是我们发现学生大多不喜欢这个实验,原因是在实验室中往往是 50～60个学生同时做实验,这样即使是在通风良好的实验室中也会有很难闻的浓重气味。而且萘蒸气又有毒性,不仅操作者本人,周围实验室的人甚至过路人都反应强烈。所以我们做了调整,改用苯甲酸的重结晶,后来又将苯甲醛的 Cannizaro反应选入实验课程,而把重结晶的物质改为水杨酸。这些变动看上去很容易,实际上实验指导教师进行了相当细致的准备工作,例如试剂的用量控制必须有较为准确的把握,对活性炭的脱色效果要仔细观察。

我们的一个新理念是把基础操作训练逐步结合到综合性的合成实验中去进行,这主要是在色谱技术的训练项目上体现的。原有的色谱实验有菠菜色素的柱色谱分离和薄层色谱分离重氮类化合物两个实验,现在我们在基础实验中把柱色谱和薄层色谱实验全都放在乙酰二茂铁的合成实验中,这样做的好处是“实战”性强,让学生对色谱技术的实用性有更清楚的认识,同时,难度有所降低,有利于提高学习兴趣。

基础课分阶段进行可以更好地满足学生的需求:学生选择的专业和他们各自的兴趣都有差别,达到专业的基本要求和在自己学有余力时为他们创造机会多实践同样重要,这样也可以提高实验室的利用率。

3.2 系统性

有机化学基础实验(上)的主要作用是使学生见识和了解有机实验,要点在于“会”:会用常见仪器,会进行常规操作;有机化学基础实验 (上)的服务对象包括化学与材料科学学院和生命科学学院的全体学生,安排在二年级第一学期进行,内容以基本操作训练为主。回流、重结晶、蒸馏、提取、薄层和柱色谱技术是在很多专业研究工作中都会用到的,实验中还穿插进行波谱测试和分析。了解和掌握各种基本操作技术,有助于学生尽早融入研究工作。

有机化学基础实验(下)给学生更多的机会去“用”和“练”,要点是让学生能进行简单的合成;有机化学基础实验(下)主要面向化学系和高分子科学与工程系的学生开课,安排在有机化学基础实验(上)之后,特点是以合成为中心,符合本校相关学科的特点,也与国际国内同行的经验一致。

仅靠基础课程对于有机化学专业和高分子专业的学生是不够的,实验能力的不足对研究工作的展开极为不利,而在研究实验室进行训练不仅影响工作效率,也不能保证效果。由此,中级和专业实验课程陆续开展起来。我们的课程不仅包括微量操作、无氧无水操作、高温高压操作、低温固相操作等各项技能训练,还涵盖了多种类型的有机化学反应。

在研究工作中,我们发现学生在实验室的工作能力差别很大,除了本人的工作习惯和态度,知识结构也有很大的影响。理论课成绩好的学生往往有较宽的视野,但是在研究起步阶段更需要工程师式的设计和执行能力,这就需要实验课程在这方面起到作用。我们对越高级别的实验课越注重常识和基础的教育。仅从中级有机化学实验的内容上看并没有很多高精尖的实验,但是有机实验室工作的一般模式都有所考虑。例如,基础实验中的大部分准备工作都是教师做的,而在中级实验中则要求学生自己完成;控温加热系统的组装,真空系统的安装调试等并没有特别列出,但却是要求学生学会的;文献查阅,基本测试的准备等都结合在合成实验中,这些都是着眼于提高学生的能力。我们的这些做法得到了学生和导师的肯定。

3.3 先进性

我们从基础课程开始,逐渐引入了一些新方法和新技术,强调安全规范和绿色环保的理念。经过学习,学生可以掌握常量到微量操作,在中级和专业实验中还能学习无氧无水操作、高温高压操作、低温固相操作等技能,并可通过文献调研,实验准备等工作了解科研工作实际运行的基本程序,这些都是从事科学研究所应必备的能力。我们对国内外同行做了调查,发现我们的课程是实用而先进的。其中部分工作可能产生辐射性影响。

绿色、微型化学实验可使试剂用量得以节省,实验时间得以缩短,实验教学成本明显降低,同时能给学生留下更多的思维空间,实验操作显得更加从容,学生创新思维和能力以及认真细致的实验作风得到培养。特别是实验污染大幅度减少,有机废液易于回收,学生的环保意识、实验积极性和兴趣都能得到培养和提高。绿色、微型有机化学实验在我校教学中已采用了多年,我们还将继续采用这种新的实验教学模式,并不断进行改进和完善。

在取得绿色、微型化改革成效的情况下,本课程现又在进行新的探索。根据对我校出国学生的回访,普遍反映由于对实验中的一些专业英语不熟悉,导致在深造过程中出现意想不到的困难。我们经过多年的教学研究和实践,在不断总结、不断改进的有机化学实验讲义基础上,编写出《有机化学实验双语教程》教材。通过有机化学实验双语教程建设,使本科生在完成有机化学实验学习的同时,也得到了相关有机专业的英语阅读和表达的训练,通过这样培养的学生,相关专业英语的水平较高,能更好地适应以后出国深造、科研和工作的需要。

4 实验教学体系的特色和优势

(1)特别注重双语教学。在教材建设和教学中,注意运用英语、汉语,尤其让学生掌握对专业词汇的运用和掌握。

(2)加强网络教学平台的建设。在有机实验精品课程建设中,将教学大纲、教案、教学计划上网,并时常更新。将实验装置做成 flash动画,生动地展示实验装置的安装过程。该网站还增加了很多链接,可直接检索各种化学资源以及各图书馆的有机化学实验中英文参考书。

(3)注重实验内容更新和优化,及时将本校有机化学研究的最新成果转化为实验教学内容。

(4)授课教师都有理论课教学与研究工作的经验,不仅传授书本知识和实验技能,同时还启发学生的科学思维,力争解决教学与科研脱节的问题,培养学生的创新能力。

(5)既注意满足大部分同学的需要,又能实现个性化教学。

5 实验教学的组织和管理

实验课程组由教授 2人、副教授 2人、讲师 2人、助教 1人、实验员 2人组成。其中 3人有博士学位。教师都独立承担过有机化学学科的本科和研究生理论课教学,并进行各自的科研工作。

教授进行全面指导,并承担课程讲座和主讲;主要的课程工作由副教授、讲师和助教带领实验员和研究生开展。

高职教学人员具有丰富的理论和实验教学经验,有指导学生进行科学研究的能力和经验,能很好地指导学生将理论、实验和科学研究紧密地结合起来。教师都独立承担过有机化学学科的本科和研究生理论课或实验课教学,参与人员年终考核均为优秀或合格。

采取分工明确、共同参与的原则组织实验教学和实验室管理。实验室由主任负责,教师共同参与实验室建设与管理工作,实验准备工作由实验员负责。

[1] 石枫,屠树江,李胜利,等.大学化学,2009,24(5):38

[2] 肖凤娟,王育华,杨晋辉,等.实验室研究与探索,2009,28(2):120

[3] 黄涛,艾军.化工高等教育,2005,86(4):96

国家级实验教学示范中心建设项目