普通化学实验课程引入ChemDraw软件的教学探讨

张婷婷，于常武，孔祥清，付 莹

(1.辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121001； 2.渤海大学 工学院，辽宁 锦州 121013)

普通化学是高等院校开设的一门平台基础必修课程，主要面向的是理工科非化学类专业学生，其内容主要包括无机化学、有机化学、物理化学、分析化学以及生物化学的一些基础知识。为提高学生的工程实践能力[1]，培养高素质应用型人才，许多院校针对理论课内容开设了普通化学实验课程。在高素质应用型人才培养过程中，以传统模式开展普通化学实验课程显然是不符合人才培养需要的，特别是在工程教育认证和新工科背景下[2,3]，对于人才的培养更注重理论知识与工程实践能力这两方面[4]。计算机软件工具具有通用性强、可重复的特点，能够为普通化学实验课程教学提供重要技术补充。提出结合ChemDraw软件的功能特点，将其引入普通化学实验课程中，利用计算机技术提高教学质量、促进学生能力培养[5]。

1 普通化学实验课程引入ChemDraw教学的意义

普通化学实验课程对于非化学类专业学生来说，是其汲取基本化学知识和技能的一门重要课程，设置普通化学实验课的目的是使学生在掌握基本化学理论的基础上，提高动手能力，并学会能够用于解决问题的技能[6]。

普通化学实验课程的内容主要包括：基础实验，例如分析天平的使用、溶液的配置及标定等；综合性实验，例如铁(Ⅲ)离子与磺基水杨酸配合物的组成和稳定常数的测定；创新性实验，例如粗铜的提纯及铜含量的测定。传统实验课模式中，教师首先讲解实验原理、进行演示实验，再强调注意事项，然后学生独立完成实验过程并书写实验报告。这种教学模式的弊端主要表现在学生被动完成课程内容，不进行主动思考，不利于学生思维能力和创新能力的培养[7]。普通化学实验课程跨院系、跨专业、学生量大，教学方式缺乏新意，学生对课程产生厌倦情绪，不能达到向学生传播知识的目的。为此，在课程设置的实验题目中增加新方法，采取新的实验实践手段，构筑一种学生积极主动参与并善于探索的实验课程模式[8]。

ChemDraw是一种专业化学绘图软件，近年来在学术界和工业界被研究人员广泛使用[9]。该软件功能强大，可以建立和编辑与化学有关的所有化学式、方程式、结构式、3D图形、对称图形及分子轨道等，该款软件编辑功能涵盖了复制、粘贴、旋转、翻转和存储等多种基本功能，这些功能可以满足对绘制图形进行所需的编辑和操作[10]。最近，ChemDraw软件拓展了ChemDraw云平台，使其能够广泛应用于课堂教学[11]。

普通化学实验课程中有很多演示性实验，化学反应中涉及多种复杂化合物，学生很难分析复杂化合物参与化学反应的过程和产物的化学结构式。可引入ChemDraw软件中的部分简单应用，让学生进行实际操作绘制化合物结构。学生通过上机操作提升学习兴趣，在尝试更改化合物结构的同时，可直观分析出物质化学性质随之变化的具体情况，对类似理论知识的认识和理解比被动接受深刻许多。通过引入ChemDraw软件，不但能够使学生开阔视野、拓展思路、加深学生对化合物结构的印象、提升学生的动手能力、培养学生逻辑思维能力，还能够激发学生对化学的兴趣，引导学生自主学习化学知识。

2 普通化学实验课程引入ChemDraw教学目标

2.1 加深对化合物结构及其空间构型的掌握

化合物结构及其空间构型是普通化学课程的必讲内容，由于该课程是面对众多非化学专业学生，又是偏科普性课程，通常学生理解和掌握化合物结构及其空间构型比较困难，很难对其有直观的认识。这就造成普通化学实验课程中涉及复杂结构的化合物反应时，学生很难真正从原理上理解反应的本质，更不能分析反应后生成物的化学结构。ChemDraw软件中的化合物结构绘制功能则克服了抽象概念的困难，能够将化合物结构的三维信息直观地呈现给使用者，有利于加深学生对化合物结构及其空间构型的认知。

2.2 改进实验课程教学模式，开展互动式教学

普通化学实验课程属于跨专业基础平台课程，主要教学模式是学生课前进行实验预习，课上教师对实验仪器的操作、实验原理及实验步骤讲解并演示，学生动手操作。这种教学模式的弊端在于，实施时学生对实验原理理解不够透彻，只是一味地模仿教师进行实验，对于分析实验中遇到的问题、解答实验思考题毫无帮助。例如，由于学生缺乏对于磺基水杨酸结构的直观认识和感知，所以在解答诸如“利用等摩尔法测定配合物组成时，当溶液中金属离子与配位体的摩尔数之比正好与配离子组成相同时，配离子的浓度最大”这种实验思考题时，对于学生来说存在一定困难。ChemDraw软件中的化合物结构绘制功能，能够直观地展示配合物结构，配合物的配离子、配位体个数一目了然，对于实验课程是一种很好的补充和扩展。

2.3 帮助学生树立深入专研意识，培养创新思维

利用ChemDraw软件绘制化合物结构，要正确地选择化学键和空间构型条件，正确地选择模型，判断空间构型是否符合理论数据，如有出入需进行必要的调整。这就要求学生形成独立思考的习惯，需要对化学键、化合物的空间结构以及化合物反应前后的变化认真分析，树立深入专研的意识。另外，可以通过改变反应的条件，得到不同的反应产物。将ChemDraw软件引入普通化学实验课程，有助于学生多角度地分析问题，有利于学生养成勇于尝试和探索规律的学习习惯，从而建立创新意识。

2.4 为学生参与创新实验、工程实践提供实用工具

应用型本科高校的创新性实验和工程实践工作中，需要学生在掌握基本原理的基础上，应用必要的手段或工具来解决问题。近年来，ChemDraw软件功能日趋强大，在科研和工程上的应用越来越广。软件的基础功能简单明了易于掌握，学生通过短时间学习就能掌握软件的使用方法。ChemDraw软件的应用对于培养学生的探索精神和工程概念认知具有重要意义。

3 普通化学实验课程引入ChemDraw软件教学的实施方法

将ChemDraw软件引入普通化学实验课程时，既要考虑实验课程的动手操作性质，又要反映计算机软件解决普通化学问题方面的特色，普通化学实验课程的教学方法是在实验课程传统上课方法的基础上，增加部分ChemDraw软件应用，合理改变教学计划，在实验部分中增加上机软件操作内容。为让学生能够在较短时间内对ChemDraw软件中的部分功能进行简单应用，教师在进行软件功能操作讲解和演示后，设计简单的软件使用训练，让学生上机绘制简单化合物结构，如让学生以甲苯为例，利用ChemDraw软件绘制其结构图，如图1所示。

在面向不同专业的普通化学实验课程中，可根据专业培养目标，对具体的实验项目进行修改，突出基础实验课程专业化。例如，面向生物工程专业，在使用ChemDraw软件时，可针对性地绘制学生较熟悉的生物大分子结构，教师讲解后，学生动手绘制DNA碱基结构如图2所示。面向材料工程专业，经教师讲解后，学生动手绘制石墨烯化学结构如图3所示。总之，可以根据不同专业特点进行不同的内容设计和分析。

图1 ChemDraw软件绘制的甲苯化学结构式

图2 ChemDraw软件绘制的DNA碱基化学结构式

图3 ChemDraw软件绘制的石墨烯简单结构

将ChemDraw软件引入普通化学实验课程，以“铁(Ⅲ)离子与磺基水杨酸配合物的组成和稳定常数的测定”实验为例，进行具体说明。在普通化学课程中的化学键与物质结构基础部分，课堂理论讲解了化合物组成中的化学键类型以及结合方式，所以在实验课上教师在讲解完实验原理和ChemDraw软件绘制化合物结构后，可让学生上机绘制简单的化合物结构作为练习，绘制出磺基水杨酸的化学结构式，此过程在10 min内完成，再根据理论知识和反应原理分析，利用软件绘制其设置的反应产物，此过程在10 min内完成。学生绘制的磺基水杨酸化学结构式(见图4)能够通过软件直观展现。磺基水杨酸可与铁(Ⅲ)离子形成稳定的配合物，pH值条件不同，配合物的组成随之不同，pH值在2-3范围内时，磺基水杨酸与铁离子以1∶1配位，产物为紫红色螯合物；pH值在4-9范围内时，磺基水杨酸和铁离子以2∶1配位，产物为红色螯合物；pH值在9-11.5范围内时，磺基水杨酸和铁离子以3∶1配位，产物为黄色螯合物；pH值大于12时，所产生的有色螯合物被破坏，最终产物为Fe(OH)3沉淀。学生可根据实验条件，经分析预测出反应产物，并利用软件绘制出推测产物的化学结构式。例如，如果学生所考察的反应条件是pH值在2-3范围内时，产物即为磺基水杨酸与铁离子以1∶1配位生成的紫红色螯合物，则可利用软件绘制产物的化学结构式，并写出整个反应的化学反应式，绘制结果如图5所示。经过几次操作后，有经验的同学能够使用箭头工具栏和多种选择工具、克隆工具等，绘制正确的分子结构式并添加箭头类型的注释，有助于学生在将特定实验中学到的知识应用于课堂之外，建立学生的实践工作信心。

图4 ChemDraw软件绘制的磺基水杨酸化学结构式

图5 ChemDraw软件绘制磺基水杨酸与铁离子反应产物的化学结构式以及化学反应式

实践表明，通过在普通化学实验课程中引入ChemDraw软件，结合其绘制化合物化学结构的功能，不但改革了传统的实验教学模式，使普通化学实验教学手段不再单一化，还有助于学生掌握实验原理、理解化学反应本质。学生在实验课程中，主动投入思考的时间明显增加，对课程的兴趣也更浓厚。

4 结语

在普通化学实验课程的教学过程中，引入ChemDraw软件作为工具，通过让学生自己动手上机绘制化合物结构式，结合理论知识推测反应产物，既能让学生对实验课内容有深刻的认识和理解，又能增加实际操作时间，提高学生的动手能力。学生在增强了切身体验感后，更能够激发其学习热情、促进学生顺利完成普通化学实验课程的学习，扎实地掌握普通化学知识，为化学知识应用于专业领域工程实践打下坚实基础。