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有機化學實驗中最重要的部分就是有機合成實驗,它在有機合成相關理論的基礎上,通過實驗教學,訓練學生的實驗操作技能,并掌握有機化合物合成的步驟和技巧,強化理論知識.然而,在有機合成實驗中存在著諸多問題:常規型實驗需要大量溶劑導致開支大;合成產物量多給環保帶來負擔;實驗內容不成體系導致制備產物種類多,不便處理;實驗設備傳統老化,使得合成時間長,不利于培養學生對實驗的熟練程度.綠色化學遵循“減量化”、“循環使用”、“回收再利用”、“再生重復使用”、“拒絕危險化學品”的5R原則,以“原子經濟性”為核心內容,是改變有機合成實驗教學現狀的不二理念選擇.因此,如何更有效地減少有機化學實驗過程中對實驗環境所產生的污染,培養學生的綠色化意識是有機化學實驗教學改革的重點,實現有機化學實驗綠色化教學、培養“綠色化學”人才勢在必行.
一、實驗規模綠色化
常規的有機合成實驗量是經過長期實踐確定的工業化生產最基礎的實驗量,但是過多的實驗藥品量在加大教學經費的同時,也加重了對環境的污染.高中化學中有機合成實驗教學主要是為了驗證某一個理論或事實,培養學生的觀察、思考和動手能力,因此,采用微量型的有機合成實驗是符合綠色化學思想的.微量化學實驗縮小了實驗的規模,它使用的實驗儀器一般都偏小,如5 mL的圓底燒瓶、微型裝置、微型儀器,實驗試劑用量范圍控制在100~200 mg,這種縮小實驗儀器、減少實驗試劑的做法不僅節約了實驗時間,還減少了污染程度.例如,在合成對硝基苯甲酸時,常規實驗中把6.8 g的硝基苯甲放入250 mL的三口燒瓶中進行氧化反應,合成物為4~7 g,如果采用微量合成,把硝基苯甲的用量減少到2 g,再將其放入100 mL的三口燒瓶中氧化反應得出反應物為1~2 g,是不妨礙實驗結果的.
二、合成方法綠色化
現代有機合成正朝著高選擇性、原子經濟性和環境保護型三大趨勢發展,,重點在于開發綠色合成路線及新的合成工藝,尋找高選擇性、高效的催化劑,簡化反應步驟,開發和應用環境友好介質.合成方法對于實現現代有機合成來說非常重要,在教學過程中教師在選擇合成方法時要注重體現綠色化學的理念.例如,在制備乙酸乙酯時,為了防止濃硫酸造成不必要的實驗事故,減少空氣污染,我們可以選擇固體路易斯酸來取代它.現在的有機合成實驗中幾乎都會裝一個回流的裝置,這種做法雖然會降低合成物的產量,但是它會恰到好處的吸收合成反應中產生的一些有害物質,是值得提倡的行為.
三、合成原料綠色化
目前的有機合成實驗中用到的原料大多都是從石油中提煉的有毒化工原料,例如,有機合成時常常用到的甲酸會灼傷人體,刺激皮膚和粘膜;甲醇遇見明火容易引起爆炸,吸至體內易氧化成甲酸不利于人體健康;乙酸具有中等程度的腐蝕性和毒性;乙醇無色透明,殺菌效果強,容易誤食.合成原料一般包含三方面,即溶劑、催化劑和原料.首先,我們要選擇綠色的溶劑,雖然在有機合成實驗中都不會選擇水作為反應介質,其實水溶劑不僅有特殊的疏水效應,能夠有效地進行重要的有機轉化,而且它是低價、無毒無害的存在.有些化學家發現在水相加成反應中,選取水溶劑的反應比在有機溶劑中的反應產量高.其次,綠色催化劑的作用也不可忽視.縮酮目前的合成大都采用HCl催化,若用SnCl4/NaHSO4催化,則可以減少酸催化劑帶來的污染,并且還提高了產率.最后,選擇綠色的合成原料,阻止污染源,防止污染的發生.如果實驗定的原料含有毒性、易揮發性,教師應當想法設法用綠色原料進行替換,如果替換不了,就減少用量并警示學生.
四、合成路線綠色化
高中化學有機合成實驗內容基本都是相對獨立的,為了覆蓋所有有機合成實驗的操作內容,實驗過程往往造成資源浪費.把看似獨立的實驗內容組合起來設計出全新的實驗步驟,一方面促使學生認真對待實驗的每一步,細心操作,把有機合成知識融會貫通,另一方面減少了合成原料的使用,綜合利用了實驗產物,體現了綠色化學的原則.例如,我們可以用環己醇做原料設計一次組合式有機化學實驗方案,首先用催化劑FeCl3?6H2O催化環己醇脫水制備環己烯,再把合成物環己烯作為原料經過H2O的氧化和Na2WO4/H3PO4的催化制備出己二酸,這樣的做法深刻體現了綠色化學的思想,節約了成本,減輕環境污染,為學生樹立綠色化學的觀念做了一個良好的示范作用.
五、處理“三廢”綠色化
從本質上看,教師要在高中有機化學教學中提高學生的能力并引導學生掌握相應的學習方法,也就是要有意識有目的的培養學生,引導學生形成能力、掌握方法.因此,在高中有機化學教學過程中,教師應該充分利用多樣化的教學方法有針對性的開展教學,通過多樣化的教學方法提高學生的自我探究能力、創新能力、邏輯思維能力等多方面的綜合能力.例如,在學習乙烯的性質時,教師可以采用小組交流學習法,其目的在于完成基本的教學任務,引導學生通過實驗操作獲得更直觀的認識,同時顯著提高學生的實踐操作能力、團隊合作能力和探究能力.首先,教師按照一定的標準和條件對學生進行合理的分組,并要求學生根據所學的內容和乙烯的化學結構式推導乙烯所具備的化學性質.其次,教師組織學生以小組為單位設計化學實驗,通過化學實驗去驗證小組得出的推論,并得到最后的結果.最后,教師對學生交流和討論的結果進行總結和評價,完成課堂教學任務.在此過程中,學生在小組之間進行自我探究,發表自己的觀點和看法并借鑒其他學生的思維和意識.同時,小組中間的學生參與化學實驗的設計與操作過程,這就能夠有效提高學生的實踐操作能力和創新能力.通過小組交流學習法,教師進一步突出了學生在學習過程中的主體性,引導學生在實驗過程中提高了自身的實踐能力、創新能力等多方面的綜合能力,同時也讓學生掌握了探究物質化學性質的方法.
二、引導學生進行分享和交流
最后,教師必須明確的是,高中有機化學教學是一個互動交流的過程.其中,不僅僅教師能夠教導學生,某些時候學生之間的交流更能有效提高學生的能力.還是以對乙烯的學習為例,通過師生互動,生生互動,師生互動,教師可以引導大家一起歸納出學習有機物的一般規律與方法:結構性質(物理性質、化學性質)用途制法(工業制法、實驗室制法).有機物的結構:可以用模型(比例模型和球棒模型)來加深對其空間結構的認識;有機物的物理性質:可以從其顏色、狀態、氣味、熔點、沸點、密度、溶解性等來學習.有機物的化學性質:可以從其與單質、氧化物、氫化物、酸、堿、鹽、氧化劑、還原劑等不同類型物質的反應來探究和總結.因此,教師需要在高中有機化學教學中引導學生分享自己的學習方法,分享自己獲得的能力.換言之,教師需要為學生樹立榜樣,引導學生借鑒榜樣所掌握的先進學習方法,并有效提高自身的能力和素質.這就需要教師加強與學生的交流與互動,營造和諧輕松的課堂教學氛圍,進而組織學生在學習中分享自己的心得,使班級所有學生能夠掌握更有效率的方法,并提高自身能力.總的來說,在高中有機化學教學中引導學生掌握方法并提高能力是高中化學教學發展的必然要求,也是現代教育發展的必然趨勢.這就需要眾多教師在實踐教學中不斷總結和交流,對傳統教學的模式和方法進行改革,推動有機化學教學的發展與建設.。來的污染,并且還提高了產率.最后,選擇綠色的合成原料,阻止污染源,防止污染的發生.如果實驗定的原料含有毒性、易揮發性,教師應當想法設法用綠色原料進行替換,如果替換不了,就減少用量并警示學生.
三、合成路線綠色化
高中化學有機合成實驗內容基本都是相對獨立的,為了覆蓋所有有機合成實驗的操作內容,實驗過程往往造成資源浪費.把看似獨立的實驗內容組合起來設計出全新的實驗步驟,一方面促使學生認真對待實驗的每一步,細心操作,把有機合成知識融會貫通,另一方面減少了合成原料的使用,綜合利用了實驗產物,體現了綠色化學的原則.例如,我們可以用環己醇做原料設計一次組合式有機化學實驗方案,首先用催化劑FeCl3·6H2O催化環己醇脫水制備環己烯,再把合成物環己烯作為原料經過H2O的氧化和NaWO4/H3PO4的催化制備出己二酸,這樣的做法深刻體現了綠色化學的思想,節約了成本,減輕環境污染,為學生樹立綠色化學的觀念做了一個良好的示范作用.
四、處理三廢綠色化
關鍵詞 藥物合成 實驗教學 操作能力
中圖分類號:G712 文獻標識碼:C 文章編號:1006-1533(2013)15-0051-03
實驗教學是藥物合成教學的基礎,實驗教學可以很好地訓練、培養學生的動手操作能力、觀察查閱能力、思維想象能力以及語言表達能力等。通過實驗教學還會對學生的世界觀、思維方式以及道德修養等個人素質產生重要影響,這也是其他學科無法代替的[1]。筆者認為,在教學實踐中,應根據學校的特色以及實驗室條件,確定具體的實驗教學目標和基本要求,并以此為基礎建立合理的實驗教學體系。
在藥物合成實驗教學中,要做好基本教學環節內容的把握和不斷創新、改革藥物合成實驗教學這兩方面的工作。
1 基本教學環節內容的把握
藥物合成實驗教學相對于單純的理論教學來說具有一定的特殊性,它不僅需要理論知識,對動手操作能力以及實驗器材等條件都具有一定的要求,它是學生在學習專業基礎課后更進一步學習的專業實驗課。
1.1 實驗之前應做好充足的理論知識準備
在藥物合成實驗之前,應該讓學生具備充足的理論知識。只有掌握了基本的化學理論,才能更好地讓學生展開抽象思維,才能讓他們具備科學的實驗方法,使學生的知識更加系統化。
想要學生帶著充足的理論知識去做實驗,那么我們不妨在理論學習上下點功夫。比如,在學生學習理論知識時,首先將要學習內容的重點、難點以及注意點、安全知識等先告之學生,讓學生提前針對問題學習、對實驗內容進行預習。這樣學生知道了哪些是難點,哪些是已經學習了的,哪些是還需要繼續思考的,就能在上課時與老師共鳴,不僅可以大大提高課堂效率,而且能夠化繁為簡,降低學生學習的難度,此外,在一定程度上還能夠提高學生的求知欲望、學習積極性以及學習興趣。在教授理論知識的同時,可以在需要進行實驗驗證的地方加以說明,時間允許的話可以簡單地將實驗基本流程講述一下,讓學生做到心中有數,這樣學生在做實驗的時候就能夠效率倍增。
1.2 提高藥物合成實驗教學的效果
應不斷提高藥物合成實驗教學的強度和力度,加強對學生的動手能力和綜合實驗能力的培養。良好的動手能力和實驗操作能力其實不僅關系到學生的最后成績,也關系到學生日后參與工作的能力。為了更好地培養制藥人才,我們應該提高藥物合成實驗教學的強度和力度。如更新、充實實驗內容,在實驗項目選擇上使反應類型不重復,實驗內容結合行業需求、貼近工業化大生產實際,注重學科的發展、延伸,增加與其他學科的交叉,讓學生在有限的課堂教學上學到更多的技能,提高學生的綜合應用能力,使之能夠更好地適應未來的工作和現代制藥行業的發展需求[2]。
藥物合成實驗教學可分為驗證實驗教學、綜合實驗教學以及設計實驗教學。
1)驗證實驗教學。驗證實驗教學是在實驗方案已經成熟的條件下,只需要學生按照已定的操作步驟進行操作驗證即可,主要包括性質實驗和簡單的藥物制備實驗,并且會涉及到一些有機合成中的基本技能操作,學生按要求完成實驗操作沒有什么大問題。通過驗證實驗教學(如諾氟沙星、阿司匹林的定性鑒別實驗;維生素類和抗生素類藥物的性質實驗;乙酰苯胺制備實驗等),學生對所學的理論知識將有更直觀的感性認識,實踐技能、理論聯系實際的能力也能得到鍛煉[3]。
驗證實驗教學過程中要求學生在實驗前了解此次實驗的目的、原理、具體操作流程,以及在實驗過程中可能會遇到的突發性問題和其防范處理的方法等。在實驗中,學生一定要仔細觀察實驗現象,做好實驗記錄。實驗后要認真處理實驗數據,寫好實驗報告。
2)綜合實驗教學。綜合實驗教學和驗證實驗教學有相似之處,兩者的實驗方案都已經成熟,在實驗中都要嚴格遵循實驗要求。不同的是,綜合實驗的實驗過程比較復雜。綜合實驗包括多步反應(涉及多種單元反應)、多種操作技能的綜合應用,對學生理論知識的掌握程度要求和基本操作技能要求也比較高[4]。如新戊二醇的萃取實驗、磺胺醋酰鈉制備實驗及鹽酸普魯卡因制備實驗等,是從初始原料開始的多步驟合成實驗。
3)設計實驗教學。設計實驗教學相對于前兩者來說更復雜,要求也更高。設計實驗是指運用已經掌握的理論知識去解決一些實際問題。具體是指選擇一些實用性比較強的實驗課題或者科研課題中的一部分內容,但老師僅僅告訴學生實驗的題目和產品的用途,讓學生無法“照方抓藥”,必須自己去尋找相關的實驗原理、物理數據以及實驗方法和實驗步驟等資料,再去設計相關的實驗方案。在實驗方案設計完成后交給老師進行審閱,最后在老師的嚴格把關下,學生親自動手進行實驗驗證,然后發現問題,解決問題,完成實驗。
設計實驗中學生的自主參與性比較大,對學生理論知識的掌握以及實驗操作能力水平都有較高的要求。同時,這類實驗往往能夠激發學生的實驗興趣,而且能夠強化學生能力的培養和素質的提高。既能讓學生做到理論聯系實際,又能督促他們去學習綜合設計實驗的方法,也在一定程度上提高了他們分析問題、解決問題的能力,對他們的學習以及日后的工作都有著很大的幫助。
2 不斷創新改革藥物合成實驗教學
一名優秀的化學教育工作者,不僅要掌握豐富的教學理論,有著豐富的教學經驗,扎實的教學技藝,而且要有不斷改革創新的意識。我們在保證教學質量的前提下,不斷地探討新的教學內容、教學方法、教學手段等,以此來提高藥物合成實驗教學的成果。
2.1 善于觀察,不斷改革實驗方法,提高實驗效果
化學中涉及較多的化學物質的分子結構及各種物理化學性質,十分復雜,一種實驗方法或者實驗手段只能針對某種或某類有機化學分子現象,要想獲得更多的實驗結果,更優質的實驗效果,就必須針對不同的實驗目的或特定類別的化學成分,設計、選擇不同但行之有效的實驗方法。
以對硝基苯甲酸制備實驗為例,所用原材料均為對硝基甲苯,通過氧化反應得到對硝基苯甲酸。但我們選擇不同的氧化劑——高錳酸鉀和重鉻酸鈉來分別實驗。學生抱著好奇的心態完成了實驗,并認真討論了兩種實驗的相似點、不同點以及各自的優缺點。筆者認為,這就是教學過程中應側重之處,針對實驗目的,利用物質的物理化學性質,并且借助化學手段進行適當改變,從而完成實驗。
2.2 不斷設計創新,強調實驗流程的完整性以及個性實驗的開設
現有的藥物合成實驗教學,大多強調對學生的實驗操作技能的訓練,在這種情況下培養出來的學生,雖然操作能力能夠達標,但是對實驗的理解以及綜合性、靈活性就比較差,學生的綜合素質不是很好,為此,要進行一些嘗試性的改造,要強調實驗流程的完整性,要讓學生知道,一個完整的實驗不單純指某個步驟或者某個環節,它是由眾多環節、眾多步驟組成的。
2.3 改善考核方式,提高學生的自主思考意識和能力
考核是在學生學習過程中必不可少的一個環節,是對學生知識掌握情況的考察。考核會督促學生更加積極主動地去學習知識、理解知識、掌握知識。但是,如果考核方式不好,也會有一定的反作用,影響學生的學習成績。
與課堂理論知識的學習不同,實驗的學習從最初的預習到實驗的操作、實驗現象的觀察以及最后實驗報告的完成,耗費大量的人力、物力。所以,為了能夠讓學生提高實驗效率,在較短的時間內做出較多的成績,應該簡化考核方式,讓學生多花一些時間在實驗過程本身,讓學生能夠獲得更高的實驗技能,對實驗現象、實驗結果有一個更加深刻的理解。
比如實驗之前的預習報告,很多的預習報告都是照抄教材,根本就沒有什么創新之處,更多只是形式上的存在。但是,實驗報告就不一樣,實驗報告中的實驗原理以及實驗流程、實驗步驟不能照抄教材,都是實驗的真實描述,所以,為了提高效率,不如直接將其與實驗教材結合起來,簡化工作量,節省時間留給其他工作。
另一方面,在實驗結束之后,老師對學生進行評價,最后以一個分數和評語的形式體現學生的實驗操作水平。具體的分數可以對學生進行分類,評語則是進一步讓學生明白自己哪些方面做得比較好,哪些方面還 有差距,需要繼續努力。據日常教學的觀察和思考,學生其實更關注老師在實驗現場當場做出的實驗分數評比,這樣能夠很快地回憶起自己哪些方面沒有做好,甚至還有機會在考核之后再一次進行反思、實踐。其實,除了給予評比之外,老師還應該發揮學生的主動性,讓他們自己談一談實驗的感想,比如在實驗中收獲了什么,哪些地方有失誤,有沒有建設性的意見等。這不僅有利于激發他們的學習興趣,提高學習的積極性,而且能夠促進整個教學實驗環節的水平提升。
參考文獻
[1] 陳道杰. 加強化學實驗教學、培養學生的觀察能力[J]. 宿州教育學院學報, 2006, 9(4):106.
[2] 陳嬌嬌, 王兵, 張慧春, 等. 以培養創新能力為核心改革藥物化學實驗教學[J]. 藥學教育, 2012, 28(5): 50-52.
[3] 董艷萍, 田喜強, 喬秀麗, 等. 制藥工程專業藥物合成實驗教學改革與探索[J]. 廣東化工, 2012, 39(7): 23.
關鍵詞:2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸;溶解度;關聯;合成法
近年來含氟農藥的開發十分活躍,2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸是合成殺菌劑噻呋酰胺的重要中間體[1-2],但到目前為止, 2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在水相中溶解度數據很少且不系統,在有機溶劑中的溶解度數據更是未見報道。文章測定了2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中溶解度數據,并且依據相關模型進行擬合,為2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸結晶工藝提供理論依據。
1 實驗
1.1 試劑及儀器
2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸,aladdin,純度 99.75%;玻璃溶解釜,河南洛陽黎明化工研究院提供;CS501型超級恒溫水浴,上海圣欣科學儀器有限公司產;半導體激光檢測系統,鄭州大學激光研究所設計;
1.2 實驗方法
采用合成法對2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度進行測定。向帶夾套的玻璃溶解釜中加入一定量的溶劑,再加入準確稱量的溶質;向夾套內通入循環水,循環水來自超級恒溫水浴;開啟磁力攪拌器,使固液兩相充分混合。激光監視系統觀察固相的溶解情況,并由計算機采集信號。升溫由控制器來實現。隨著溶解的不斷進行,固相逐漸進入液相,信號增至最大值,工作站停止升溫。該溫度即為實驗給定體系溶解度所對應的溫度。擬合結果見表1。
2 結果與討論
2.1 經驗方程擬合結果
溶解度可以用溫度的多項式方程表示為
式中,T 為絕對溫度/K;a,b,c,d為參數。通過(1)式對2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定溫度范圍內所對應的所有體系中的溶解度數據進行了擬合(見圖1),通過擬合得2.2 理想溶液模型
溶解度可以用理想溶液模型
通過(2)式對2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定溫度范圍內所對應的所有體系中的溶解度數據進行擬合(見圖2),得到:A=-9061.40045, B= 22.21818, 擬合優度判定系數(R^2)為0.9980。
2.3 Apelblat 模型
Apelblat 溶解度模型假定溶液的熱焓隨溫度線性變化,從Clausius-Clapeyron 方程推得溶解度隨溫度的變化關系為:
通過(3)式對2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定溫度范圍內所對應的所有體系中的溶解度數據進行擬合(見圖3),得到:A=-95.86448, B=-3184.35343, C=17.28544 2,擬合優度判定系數(R^2)為0.99673。
3 結論
測定了一定溫度范圍內2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度。運用經驗方程、理想溶液模型方程和Apelblat 方程對實驗數據進行了關聯分析,顯示3種方程均能很好地關聯2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度數據, 擬合優度判定系數(R^2)分別為0.99787、0.9980和0.99673。
參考文獻
[1]劉安昌,周青,沈喬.新型殺菌劑噻呋菌胺的合成研究[J].世界農藥,2012,34(3):26-27.
關鍵詞:有機化學實驗;教學改革;實踐
中圖分類號:G642.423 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)22-0042-02
化學是一門實驗性的科學,而有機化學實驗是一門獨立的化學基礎課程,該課程目的在于訓練學生基本的有機化學實驗操作技能,讓學生掌握簡單有機化合物的合成、純化及結構測定方法;加深學生對化學基礎理論、基本知識的理解,提高觀察、分析和解決實際問題的能力,培養學生嚴謹和實事求是的科學態度。在高等師范院校化學專業教學計劃中,有機化學實驗所占的學時比重比較大,實驗教學對于培養化學專業人才的重要性是人所共知的,所以有機化學實驗的教學不容忽視。在過去的二十多年教學過程中,我們深刻體會到在有機化學實驗的教學中首先要強化技能訓練。下面談談我們在有機化學實驗教學改革與實踐的體會。
一、改革實驗教學內容,突出操作技能訓練
1.弱化性質實驗,增加制備及綜合性實驗。有機化學實驗一般由性質實驗、基本操作實驗、制備實驗所組成。而目前高師通常所用的教材為華南師大等五校合編的?有機化學實驗?(由高等教育出版社出版),此種實驗類型只是驗證了原先從教材中得知的結論,學習過程相對來說缺乏探索的樂趣。因此,在教學改革過程中增加設計性實驗成了當前教學改革的一個重要方向。通過這種改革,我們淡化了原有有機化學實驗教學的知識體系,而更注重于學生的基本操作、制備及綜合性實驗操作技能和產物的分離提純方法等能力的訓練上面。
2.增加開放性質實驗。我們在實際教學過程中,根據中學化學教師教學的實際需要,對有機化學實驗教材中的性質實驗由傳統的驗證型性質實驗改為設計型性質實驗,在實驗室的開放時間段,讓學生有所選擇地完成有機化合物性質實驗的操作。
3.規范實驗操作。高師化學專業是培養中學化學教師的搖籃,它要求學生有較強的動手能力。有機化學實驗作為培養優秀中學化學教師的一門重要課程,它直接和長久地影響著學生的素質和能力。因而在有機化學實驗操作過程中要求學生操作規范化,隨著實驗課程的進行,教師的指導重點也應有所改變。通過每次實驗對每一個基本實驗操作的反復訓練,結果表明這種做法確實加強了本科生的實驗操作能力,而且使他們養成了良好的規范實驗操作的習慣。
二、開設設計性實驗,培養學生科研素質
1.增設設計性實驗,可以培養學生科研素質。有機化學實驗的目的不僅僅是使學生獲取知識,更重要的是要在以后的實際工作中提高分析問題和解決問題的能力。因此,在有機化學實驗教學過程中,要設計有益于學生探究的環節。高師院校化學專業學生在大二階段普遍地學習勁頭較足,特別是那些有意向報考研究生的本科生,會強烈要求有機會自己設計一些實驗探究的項目。這種情況下,我們可以讓這些學有余力的本科生在周末或其他課余時間來完成自己設計的有機化學方向的實驗以補充專業基礎課時間和實驗設施的不足。在實施實驗前要求學生做好充足的準備,實驗設計要求首先進行同學間討論,寫成預習實驗報告后交給專任實驗教師檢查,并讓專任教師提出建議后再形成完善的思路。選擇讓在進入實驗室前有充足準備的本科生進行探究實驗,這樣不僅有利于達到預期效果,也能防止實驗安全方面不良事故的發生。例如針對我校有機化學專業研究生有糖化學的研究方向,我們特開設了設計性實驗“2,3,5,6-二-O-異丙叉基-α-D-呋喃甘露糖的制備”。實驗課前要求先查閱文獻,根據前面所學知識和所查閱的文獻確定合成2,3,5,6-二-O-異丙叉基-α-D-呋喃甘露糖的路線。實驗實施前教師先通過檢查,認為實驗路線及步驟可行后再開始實施。實驗過程中若出現某些問題先要求學生自己解決,若解決不了,可以同學間或師生間進行討論,實驗結束后小組間進行比較和總結。通過此類設計性的有機化學合成實驗,可以培養學生有機合成實驗路線與步驟的設計、操作、結果分析及獨立解決實際問題的能力,全面系統地訓練學生有機化學實驗操作技能和科學研究的素質,為本科生以后的工作及繼續深造打下堅實的基礎。有機化學(及實驗)的兩大支柱為有機合成與有機分析,在有機合成過程中所合成的產物的分離提取及結構鑒定也離不開有機分析。如何從天然產物中進行分離提取某一有機化合物大學有機化學實驗教材中只涉及了生物堿的提取,如黃連中提取黃連素和茶葉中提取咖啡因。這兩個實驗只涉及簡單的回流及升華法進行分離提取,以及薄層色譜技術,尚未涉及天然產物分離提取研究中普遍采用的柱層析(或稱為柱色譜)分離技術,而且如何進行產物的結構鑒定尚未涉及。因此,在有機化學實驗教學中開展生產實踐性實驗內容,是提高學生實踐能力、提高學生考研與就業競爭力亟待解決的一個關鍵問題。為此我們增加了一個以類胡蘿卜素的分離提取及結構鑒定的設計性實驗。以從蕃茄中分離提取蕃茄紅素或胡蘿卜中提取胡蘿卜素為研究目標,要求學生通過文獻查閱和優選實驗條件,尋找出一種適合于實驗室學生實驗的低成本、綠色環保的實驗方案。通過專職教師的檢查后再實施。通過本實驗,學生掌握了天然產物分離提取常用的柱層析技術,學會了用薄層色譜檢測有機化合物的技術,并學會用旋轉蒸發儀進行濃縮的技術,以及用波譜分析法測定有機化合物結構的方法。通過該實驗教學,也使本科生的有機化學實驗教學緊密與現代科學研究相結合,從而提高學生分析問題、解決問題的實踐能力。
2.高水平科研教師參與實驗教學。有機化學綜合性實驗和設計性實驗對高等院校培養創新人才是非常關鍵的,此類實驗具有所需專業知識多、需要綜合運用和實驗難度大等特點。開設此類實驗的目的是要提高本科生綜合運用多學科知識與實際工作中分析問題和解決問題的能力,培養學生的創新能力,鍛煉學生對專業知識綜合運用的能力,以及實事求是和嚴謹的科學態度。如果能充分利用現有的高校科研資源,將科研背景、專職的科研教師融入有機化學實驗教學中,可以幫助本科生在較短的時間內完成一些綜合性設計實驗,將對學生專業知識的運用及創新能力的提升起到非常大的幫助。高校科研教師參與有機化學實驗教學也能保證實驗教學隊伍的穩定和實驗教學水平的提升,也可為有機化學實驗教學注入新的研究方式和實驗教學思維,并有力地促進有機化學實驗課內容和教學思想的更新。在設計性實驗指導過程中如果能有較高水平的科研教師在有機化學實驗思路和實驗方法上給予適當地指導,對本科生的科研能力、創新能力的培養將有很大的幫助,這樣培養出來的學生才能滿足社會對創新型、實用型人才的需求。
總之,我們經過多年的有機化學實驗教學改革與實踐證明,高師有機化學實驗教學改革是今后高師化學教學中的一項長期而艱巨的任務,培養化學專業本科生的創新精神和創造能力是當前和今后的教學目標,是當今時代的需要,也是化學教育的新課題。因此,高校教師需要更新教育理念,當好主導,把握新的機遇,迎接新的挑戰,積極探索,努力實踐,為社會培養出具有綜合能力和創新能力的人才。
關鍵詞:綠色化學;有機化學實驗;教學改革
中圖分類號:G642.0?搖 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2013)48-0204-02
一、有機化學實驗教學綠色化的改革背景
近兩年,環境污染越來越嚴重,社會大眾逐漸開始重視生態環境,促使化工化學逐步向綠色化學轉變。綠色化學就是用化學技術消除環境污染,它主要包括五個方面,分別是原料綠色化、催化劑綠色化、溶劑綠色化、反應綠色化、產品綠色化。伴隨高等教育的蓬勃發展,高校實驗室的數量迅速增加,實驗室的教學和科研活動越來越頻繁。高校的材料、化學化工、環境、醫學等專業的基礎實驗課就是有機化學實驗,有機化學實驗離不開大量的有機藥品和試劑,其中許多試劑是有很大危害性的,比如有毒、易燃、易揮發等,而且很多實驗結束后會產生很多化學廢棄物,如果不妥善處理好這些化學廢棄物,將會給環境帶來很大危害,最終實驗室就發展成為一個嚴重的污染源。所以要將化工化學中的有機化學實驗教學向綠色化學教學轉變,加強學生的環保意識。傳統的有機化學實驗內容和實驗方法已不符合綠色化學提出的新要求,為此筆者在從事有機化學實驗的教學過程中進行了一些有益探索。
二、有機化學實驗教學綠色化的具體措施
1.優選實驗項目,體現綠色化學思想。在安排傳統的有機化學實驗項目時,教師首先考慮的就是實驗中能被學生掌握的、實驗現象明顯的基礎操作技能實驗。而對實驗的危害性、試劑的毒性、實驗產生的污染性并沒有足夠重視,只是簡單地告訴學生需要怎樣防護。想要實現有機化學實驗“綠色化”,要從教師的思維方式入手,首先樹立教師的“綠色化”思想,篩選實驗項目時首先考慮保護環境,在不影響實驗教學目的的前提下,選擇毒性危害小,環境污染輕的實驗項目。如利用苯和液溴反應制備溴苯的實驗中,苯會損害人類的造血系統,液溴的腐蝕性很大,現在已用正丁醇和溴化鈉反應制備正溴丁烷來替代以上實驗。
2.控制反應用量,推行使用微型化或半微型實驗。試驗中的試劑大部分都是易燃、易揮發的,并且一部分存在一定的毒性,在實驗中除了儲存試劑的安全隱患外,還存在環境污染等問題。為了減少這些危害,保證實驗教學效果,我們把實驗裝置向小量、半微量和微型實驗方向改進。這樣就可以從根本上減少環境污染。通常把實驗試劑用量減為常用量的1/2~1/5的改進定為微型化,減為常量的1/5~1/10的定為半微量,減為常量的1/10以下的定為徽量。這樣大量減少了實驗試劑量,減少了環境污染。另外,實驗微型化后相應的試管夾、酒精燈、洗瓶也隨之小型化,這樣大大縮短了實驗時間,降低了實驗成本。另外,在進行小量化實驗時,投入的實驗用料減少,如果稍有不慎就可能造成實驗失敗。因此,在實驗中要讓學生充分重視起來,認真操作,這樣也可以提高學生的實驗技能,提高他們分析、解決問題的綜合能力。
3.設計連續化的實驗項目。安排實驗時,用連續性實驗的思路改革現行的有機化學實驗。傳統的有機化學實驗都是相對獨立的,它是以反應類型為出發點來設置的。所合成的產物不能得到合理應用,一部分在實驗室統一處理,有的甚至直接倒掉,嚴重污染了環境。所以,我們要調整實驗項目,實現連續化合成實驗。連續化合成實驗是根據實驗內容和要求把一系列合成實驗聯系起來,將幾個原本獨立單一的實驗合成一個連續實驗。例如在“工業乙醇的蒸餾”實驗中,得到的乙醇產品可留待“萘的重結晶”做溶劑,重結晶的母液能在下一個實驗“簡單分餾”中分離出來,回收的乙醇產品還能“從茶葉中提取咖啡因”,提取咖啡因后回收的乙醇由實驗室統一保管,等下一屆學生做實驗時重復利用。這樣不僅減少了廢棄物的產生,更加節省了資源,保護了環境。
4.改進實驗方法,加強超聲波、微波等新的實驗技術應用。最近幾年,我國的微波、超聲等合成技術得到了極大發展,主要體現在有機合成方面。微波是現在的一種新能量形式,它具有多方面的優點,如操作方便、設備簡單、反應條件溫和等。利用微波進行的實驗具有反應時間短,產率高,試劑用量少,對環境友好等優點。如利用微波進行甲苯的硝化反應,大大提高了其對鄰位比和產率,同時,反應速度也提高了10倍以上。
5.改進教學方法,充分發揮學生的主觀能動性。從近幾年有機化學實驗教學的實際情況來看,存在很多學生重理論、輕實踐的現象。常規的實驗教學是進了實驗室之后,指導教師會針對實驗存在的潛在危險性盡可能詳細地講解實驗中可能出現的問題和應對方法。長期以往就會淡化學生的預習意識,而只是被動地接受知識,缺少了獨立思考的積極性。要讓學生在課前,除了認真預習實驗的原理、目的、步驟和方法外,還要了解實驗所用藥品、試劑的物化性質、污染機制及污染防治等知識,要讓學生意識到化學藥品、試劑使用不當會對自身以及周圍環境造成危害。
6.加強實驗廢棄物的循環利用與管理。對于實驗結束后無法再次利用的廢棄物,應引導學生運用所學知識對其進行恰當地處理。①固體廢棄物的處理。對于不能回收的廢棄物,應該集中、統一進行掩埋、焚燒處理。②廢液的處理。廢液應倒入廢液桶,對于一些大量使用的苯、乙醇和乙醚等有機溶劑,可以將溶劑重新蒸餾回收后循環使用。③廢氣的處理。實驗過程中產生的廢氣,可以用物理方法或化學方法進行處理,如HCl氣體可以用水吸收,溴蒸汽可以用四氯化碳吸收。學生通過自己對廢棄物處理的研究,既可以提高他們將理論知識運用到實際中的能力,又能減少污染物進入環境中,從而保護環境。
總之,強化師生的環保意識和培養學生良好的實驗習慣,是保證綠色化教學效果的前提。我們發現實驗結束后實驗臺上會灑落很多試劑,很多學生在量取試劑時會多取,浪費的現象普遍存在。通過經常性的綠色化教育,這些問題已得到明顯改善。要將綠色化學教學思想切實融入到有機化學實驗教學的過程中,就必須遵循防止污染優于治理污染的原則,從點滴入手,自始至終做到合理安排、充分利用,不斷探索,才能從源頭上減少污染物的生成,有機化學實驗教學綠色化才能真正實現。
參考文獻:
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葛國文等[1]在對醫學專業畢業質量追蹤調查中發現,畢業生有明顯的科研后勁不足的跡象,其中動手操作能力、綜合分析能力最為欠缺,這與醫學院校的實驗教學有著直接的關系,其中實驗教材的內容絕大多數為驗證性的內容,從根本上限制了學生潛能的發揮。潘慧娟等[2]及我們多年的實驗教學中的調查中得到如下結論:有較多的學生希望教師能作一些實驗教學改革,增加一些綜合性、設計性和開創性的實驗,給學生一個探索實踐的空間,以充分培養和發掘他們探索創新的興趣和科研能力。乙酰水楊酸對從事化學的人來說是一個較為熟悉的有機產品,在有機實驗教材中是經典的有機合成實驗[3,4]。本實驗的改進是,將其合成微量化和成組實驗,用離心沉淀代替了抽濾分離,使實驗時間大為縮短;乙酸酐和水楊酸的用量比例較教科書中大大減少;催化劑用碳酸氫鈉等對環境友好的試劑代替了濃硫酸,實現了安全化、經濟化、綠色環保化,并在操作手續和裝置上作了簡化,使實驗能快速完成,全部實驗內容在3~4h內很容易完成,為學生開展探索性實驗創造條件。由于微型化學實驗可以大量節約化學原料,減少環境污染,并能適當減少實驗時間,還有利于培養學生嚴謹的科學態度,因此受到人們的廣泛重視。
1 主要實驗儀器和試劑
1.1 主要儀器
10ml的小試管;15ml的離心管;2.5ml的注射器;恒溫水箱(±1℃);離心機; XT-4顯微熔點測定儀。
1.2 實驗試劑
水楊酸(C.P);乙酸酐(C.P,新蒸);無水碳酸鈉(C.P);無水碳酸氫鈉(C.P);無水硫酸氫鈉(C.P);無水硫酸鈉(C.P);磷酸氫二鈉(C.P);磷酸二氫鈉(C.P);磷酸三鈉(C.P);濃硫酸(C.P);95%乙醇(C.P);FeCl3水溶液(1%);HCl(1∶3) (C.P)。
2 實驗操作部分
2.1 乙酰水楊酸的合成方法及探索性實驗方案
2.1.1 合成方法
向10ml干燥的小試管中加入約0.20g干燥的水楊酸和20mg無水碳酸氫鈉作催化劑,用干燥的注射器加入0.3ml的乙酸酐。輕輕搖動后,放70℃的水浴中反應10min后取出,趁熱加入5ml的冷蒸餾水和1滴HCl(1∶3)溶液并不斷攪拌,然后置于冰水浴中冷卻30min,小心用玻棒壓碎結晶倒入15ml的離心管中,在離心機中離心分離,棄去上清液,并用冷水洗滌產品(3次,每次約0.5ml)后在離心機中離心分離,棄去上清液,得白色產品粗乙酰水楊酸0.22g,產率84%。
2.2 粗產品的精制
在2.1步驟中制得的上述各種粗產品加入約1.0ml乙醇(65%)水溶液,在熱水浴加熱至產品溶解完全,得到無色透明溶液,停止加熱后趁熱加入4.0ml溫熱的蒸餾水,如有結晶析出則在水浴中加熱至結晶完全溶解后移出水浴,讓溶液冷卻至室溫后,放入冰水浴中冷卻30min。冷卻結晶后,小心用玻棒壓碎結晶,使析出的結晶沉于離心管底部,在離心機中離心分離,棄去上清液,滴入10滴蒸餾水洗滌結晶,再離心分離出水分,取出晶體并在濾紙上擠壓、烘干。得白色結晶即乙酰水楊酸產品。產品在電子天平上稱量約得0.16g。
2.3 產品的檢驗
取少許乙酰水楊酸產品,用約1ml 95%乙醇溶解,加FeCl3(1%)溶液1滴,溶液不顯紫紅色,說明產品中已無水楊酸。
在XT-4顯微熔點測定儀中測定產品的熔點為136℃,達熔點時分解。
2.4 探索性實驗方案的設計
讓學生在其它反應條件不變的情況下分別使用不同的催化劑(如無水碳酸鈉、無水碳酸氫鈉、無水硫酸鈉、無水硫酸氫鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、磷酸三鈉、濃硫酸和磷酸等)、不同的乙酸酐的用量、不同的反應溫度及反應時間等,這些反應條件由學生通過實驗結果分析來確定最佳的反應條件。
3 討論
3.1 本實驗的優點
一是用離心分離的方法代替了抽濾分離,比文獻[3,4]中的正常實驗減少了反應步驟,縮短了實驗時間,達到快速完成的目的;避免了產品在多個步驟中的損失,如粘在濾紙等,使產率大為提高,為實現微型化實驗提供有利條件;可進行成組實驗,為實現學生進行探索性研究的目標創造了條件。二是實驗采用微型化,藥品、試劑的使用量比正常的實驗減少10余倍,能養成學生勤儉節約的良好習慣。三是用碳酸氫鈉、碳酸鈉等作催化劑對環境友好的化學試劑代替濃硫酸等試劑,對操作的學生而言安全性大為提高,同時對環境保護起到積極作用,使綠色化學的觀念深入學生的心中;四是用注射器量取乙酸酐可提高準確性,也使實驗的速度大大加快,保證整個實驗能在預定時間里完成。
3.2 精減課時,提高學生動手能力
隨著醫學教育改革的不斷深入,減少醫學基礎課程的教學課時數是大勢所趨,如何利用有限的教學時間讓學生完成更多的實驗,掌握更多的知識,提高他們的實驗技能和科研素質是我們亟待解決的問題。改革實驗教材增加綜合性、設計性和探索性的實驗內容是提高醫學生的實驗動手能力和培養他們的科研素質的最有效的途徑。本實驗由于使用快速微型化的實驗方法,使乙酰水楊酸的合成的時間大大縮短,為實現探索性實驗創造了條件,以往最少要兩次實驗課如今僅一次實驗課就可完成,達到了減少教學時數而教學內容不減少的目標。
3.3 指導學生將實驗報告寫成小論文
大學生在做醫學實驗時均應書寫實驗報告,這是因為實驗報告既是實驗課的重要內容,又是科學研究的一個重要部分,同時還是科研論文的第一手資料。小論文是一種新的模式,它介于實驗報告和畢業論文專題之間,其新穎、簡化、便于保存的特點更能激發學生的實驗熱情,有助于提高學生的興趣、自信和寫作能力。
乙酰水楊酸的制備是有機化學合成實驗中重要的內容,其合成方法也有多種。在實驗教學中以教材提供的合成路線為主進行合成,學生在實驗前查閱其他教材、相關文獻或數據手冊,在對反應物、目標產物、中間物質的物理性質充分了解的基礎上,選擇合理的實驗條件、設計實驗細節,以提高產率、減少副反應為目的,也可嘗試新的合成方法如微波合成等,也可就如何減少實驗誤差、及實驗室污染方面進行討論,形式多樣。在合成實驗中可以找到很多論文的題目。
參考文獻
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有機化學實驗課程是化學及相關專業的重要必修課程.在教學方法和教學內容方面,傳統有機化學實驗教學存在一定的弊端.為了適應新形勢下創新創業人才培養需要,從有機化學實驗教學方法和教學內容方面,提出了一些改革意見和建議,以提高實驗教學效率,培養學生創新創業能力.
關鍵詞:
有機化學實驗;教學改革;創新創業人才培養
2014年9月,總理在夏季達沃斯論壇上首次提出“大眾創業,萬眾創新”的號召,要在全國掀起“大眾創業”、“草根創業”的新浪潮,形成“萬眾創新”、“人人創新”的新態勢.[1]2010年5月,教育部在《關于大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業工作的意見》中指出:“在高等學校開展創新創業教育,積極鼓勵高校學生自主創業”.[2]四川文理學院實施四年遞進式創新創業教育計劃,提出了“三新四能五復合”的人才培養目標,將學生培養成為具有高素質應用型、復合型人才.因此,開展基于學生創新創業人才培養的有機化學實驗教學改革符合時展的要求.有機化學實驗課程是化學及相關專業的重要必修課程,在基礎化學實驗教學中具有十分重要的作用.[3-4]隨著高校教學改革力度的不斷深入和創新創業型人才培養的不斷加強,有機化學實驗教學模式的改革也在逐漸推進.傳統有機化學實驗的基本功能是讓學生掌握實驗基本原理和基本技能,學會觀察實驗現象、正確記錄處理實驗數據和撰寫實驗報告.新形勢下,隨著應用性、復合性和創新性人才培養目標的確立,更加注重學生創新精神的培育和創業能力的培養.[5]傳統有機化學實驗教學已經不能滿足人才培養的需要,因此推進有機化學實驗教學改革具有十分重要的意義.本文主要針對地方應用型本科院校,基于創新創業型人才的培養,在有機化學實驗教學方法和教學內容方面進行了積極的探索和總結,提出了一些改進的意見和建議.
1改革實驗教學方法,培育創新創業精神
1.1傳統教學方法主要存在的問題
傳統有機化學實驗教學方法一般按固定模式進行,課前學生預習,寫出預習報告,課間教師先詳細講解實驗中的關鍵技術問題,然后學生順利的完成實驗,課后學生按固定模式寫出實驗報告.這種教學方法完全是一種灌輸式的教學方法,教師只注重實驗結果,對實驗過程漠不關心,學生不用開動腦筋,只需照方抓藥,完成任務了事.導致實驗過程枯燥,缺乏實驗激情,容易造成思維定勢,降低了學生的學習興趣,不利于學生實驗技能和創新創業精神的培育.[6]
1.2教學方法改革的舉措
傳統實驗教學方法,不能體現“教為主導,學為主體”的教學理念.[7]因此有必要改變有機化學實驗教學方法,處理好教師和學生之間的教學地位以及教和學之間的教學關系,才能使教師的教由主動變主導,使學生的學由被動變主動,有效的培育學生創新創業精神。
1.2.1開展啟發式教學,培育學生創新創業觀念
開展啟發式教育,讓學生通過實驗預習提出本實驗需要解決的問題,通過問題分析和查閱資料,提出問題解決方案,通過實驗操作,最終達到問題的解決,將實驗過程和實驗數據進行整理,結合實驗討論和實驗展望,寫出實驗報告.這種教學方法,讓學生自己提出問題或帶著問題主動去學習,著重于改變學生學習觀念.例如苯胺制備乙酰苯胺實驗,教師可以通過創設問題的形式啟發學生思維:為什么要合成乙酰苯胺?從理論上怎么合成乙酰苯胺?實驗過程怎樣操作來合成乙酰苯胺?學生通過對這些問題的思考,逐漸認識合成乙酰苯胺的作用,逐漸了解合成乙酰苯胺所涉及的理論知識和逐漸解決合成乙酰苯胺的具體實驗操作.引導學生建立正確的有機合成實驗觀念,即提出問題、分析問題和解決問題.創設實驗問題情境,使學生對有機化學實驗產生濃厚的興趣,有利于培育學生的創新創業觀念.[8]
1.2.2開展討論式教學,培育學生創新創業思維
開展討論式教學,讓學生通過實驗關鍵問題的討論,解決實驗過程中存在的疑問,達到理解實驗原理,認識實驗現象,掌握實驗關鍵操作的目的.在做好實驗的基礎上,培育學生的創新創業思維.例如在有機合成實驗中,開展實驗原理部分的討論,使學生弄清反應機理,認識反應過程中存在的副反應,有助于實現理論與實踐的深度結合;開展實驗步驟的討論,使學生掌握實驗合成方法和技術手段,有助于學生選擇合理的實驗方法和技術手段,有助于學生知識的積累和發散思維的培養;開展實驗關鍵及注意事項的討論,可以有效減少副反應的發生,提高實驗操作技能和成功率;同時在實驗報告中開展“反常”實驗現象和實驗結果的討論,總結實驗失敗的教訓和介紹實驗成功的關鍵,供其他同學學習和參考.
1.2.3開展互動式教學,培育學生創新創業意識
為了改變傳統實驗教學中教師講,學生聽,然后按部就班的完成實驗操作的灌輸式教學方法.[9]我們在有機化學實驗教學中開展了互動式教學,主要體現在以下兩個方面,一是,學生參與講課,教師和學生角色互換.每學期教師拿出2~3個實驗項目讓學生進行講解,為了講好一堂課,學生可以充分利用課余時間查閱相關資料,并可以到實驗室做準備實驗,親身體驗實驗前的準備工作;講課結束后,教師和學生都可以提出相關問題,講課的學生能對提出的問題給予解答,最后老師可以補充并幫助回答問題,讓學生正真感受到講好一堂課的艱辛,使學生感受一堂完整實驗課不僅需要豐富的知識,還需要較強的實驗動手能力.二是,學生參與實驗改進.其實實驗方法都不是唯一的,并且教材上的這些方法也并不一定是最好的,很多實驗我們都不一定要按照書上來做,可以進行實驗改進.例如:環己酮的制備實驗,教材用鉻酸氧化環己醇,實驗過程中經過多步萃取分離,最后得到產品.我們對實驗進行了改進,待氧化反應進行完全后改成蒸餾裝置,根據環己酮和水形成共沸點,將環己酮從反應物中分離出來,改進以后,實驗操作簡單,實驗產率提高了10%~15%.可見,開展互動式教學可以留給學生更多的探索空間,讓學生主動去學習,主動去嘗試,主動去創新,發掘實驗中存在的問題,提出改進意見或建議,增強學生創新創業意識.
1.2.4開展研究式教學,培育學生創新創業精神
有機化學實驗不僅可以驗證理論,更重要的是通過有機化學實驗的學習可以提高實驗技能,從而達到開展實驗創新和科學研究的目的,因此開展研究式教學在有機化學實驗教學中尤為重要.可以從以下幾個方面進行實施:一方面,開放實驗室.實驗室在滿足正常教學的情況下,應該向學生開放,學生可以根據自己的興趣或實驗任務,在教師的指導下,完成一定的課外實驗.開放實驗的開設有效避免了學生相互依賴的現象,學生的積極性和主動性明顯提高,有利于培育學生獨立思考問題、自主決策、科學研究和創新創業精神.另一方面,加大大學生科研立項和創新創業訓練計劃項目的力度.學校或二級學院應鼓勵大學生開展創新創業項目或應用研究,激發學生開展研究或創新創業熱情,培育學生適應社會、敢于挑戰和創新創業的精神.要使科研項目成功立項,必須查閱大量文獻資料,了解本學科最新動態和知識前沿,要順利完成科研項目,必須具備較好的實驗能力和良好的實驗素養.學生的研究成果將成為他們不斷前進的無限動力.最后,開展實驗競賽活動.學校或二級學院應當加大實驗競賽活動力度,籌辦或參加各級各類實驗競賽活動.實驗競賽活動的開展,有利于培養學生的團隊合作精神,有利于培育學生的創新創業精神,更有利于推動有機化學實驗教學的提高和發展.開展實驗競賽活動,給學生一個發揮技能的舞臺,為優秀學生脫穎而出創造條件.
2改革實驗教學內容,培養創新創業能力
2.1傳統教學內容主要存在的問題
傳統有機化學實驗在教學內容的編排上,主要注重了學生對基本原理和基本技能的掌握,而忽視了學生的創新發展和創業驅動.實驗內容分為五部分:有機化學實驗的一般知識、基本操作和實驗技術、有機化合物的制備、有機化合物的性質實驗和理論部分.其中基本操作和性質驗證實驗占有相當大的比重,并且實驗內容與生產實踐沒有太大聯系,內容相對陳舊,技術相對落后,對學生的實驗認知性教育具有一定作用,對學生的創新發展實在沒有太多的體現,對學生的創業需求沒有指導意義.按現在實驗內容教學,學生只需“照方抓藥”,無需思考問題,更不需要查找資料,缺乏自主學習的積極性.不利于實驗基本功能的發揮,不利于學生創新創業能力的培養.
2.2教學內容改革的舉措
針對有機化學實驗教學內容上存在的弊端,建議對有機化學實驗內容進行重新整合和編排,其內容主要分為有機化學實驗的一般知識、基本操作和實驗技術、綜合性實驗、設計性實驗和創新性實驗五大部分.實驗過程中注重基本操作訓練,加強綜合性實驗,加大設計性實驗,增設創新性實驗,從而增加實驗的實用性.達到增強學生學習興趣,培養學生創新創業能力的效果.[10]
2.2.1注重基本操作訓練,培養學生基本操作能力
基本操作和實驗技術是有機化學實驗的基礎,學好基本操作訓練,是培養相關創新創業人才的前提條件.只有在練好基本操作的基礎上,才能出色的完成后繼的實驗任務.例如:重結晶實驗,蒸餾實驗,萃取實驗和色譜實驗等都是基本操作訓練的核心內容,是有機化學實驗中最基本、最重要的實驗技術,若不能熟練掌握這些基本技能,在以后的合成綜合實驗中卻無法完成相應的實驗任務,產品的提取和純化就不可能實現.因此只有注重學生基本操作訓練,才能達到熟練掌握,實現學生基本操作能力的培養.
2.2.2加強綜合性實驗教學,培養學生綜合運用能力
綜合性實驗是指將原有有機化學實驗中的合成實驗和性質實驗,甚至部分基本操作實驗進行有效的整合后,形成的一種新的實驗形式.其表現形式包含下列幾個方面:一是,性質實驗與合成實驗相互融合.例如:在開設環己烯的合成實驗時,可以將烯烴的性質實驗融合其中;溴乙烷的合成實驗,可以將鹵代烴的性質融合其中等.以往單列的實驗進行從新融合之后,節省了時間,增加了知識之間的相互聯系,提高了實驗效率.二是,多個實驗串聯整合.例如:實驗教材中苯胺的合成和乙酰苯胺的合成實驗,我們可以在教學過程中將實驗進行整合,首先用硝基苯合成苯胺,再通過產品苯胺,進行酰基化反應合成乙酰苯胺,而乙酰苯胺正是我們重結晶實驗的原料,因此我們將合成的乙酰苯胺收集起來,用于學生的重結晶實驗.這樣不僅達到了產物的再利用,而且減少了苯胺對環境的污染,提高了學生保護環境的意識.三是合成實驗與物質表征相結合.例如:溴乙烷的制備實驗中,讓學生使用紅外光譜等儀器設備對所合成的溴乙烷進行表征.通過物質的合成和表征,將有機合成和儀器分析結合起來,有利于培養學生綜合運用知識的能力.
2.2.3加大設計性實驗教學,培養學生發現創造能力
通過基本操作和實驗技術、綜合性實驗的開設,學生已經基本熟練掌握了實驗技能和具備了一定綜合實驗運用能力,基本具備獨立完成簡單設計實驗的能力,這時可以加大簡單設計性實驗的教學,讓學生自主設計實驗,擬定實驗方案,獨立完成實驗.例如:從茶葉中提取咖啡因實驗,教材中采用索氏提取法,我們叫學生自己設計實驗提取方法,他們通過查閱資料、提出想法和設計方案,自己完成實驗.實驗中,同學們,分別采用了溶劑浸提法、微波提取法和超聲波提取法等,最終都順利完成了實驗任務,通過茶葉中提取咖啡因設計實驗教學,收到了預期的效果.因此,開展適當的設計性實驗,學生積極主動的完成整個實驗過程,有利于學生在實驗中發現新事物,有利于培養學生創造能力.
2.2.4增設創新性實驗教學,培養學生創新創業能力
在有機化學實驗本科教學任務完成之后,我們可以讓有興趣或有任務的同學開展有目的的創新性實驗.例如:我們到某公司去見習,公司給同學們一個任務,怎么判明引種玄參和本地玄參的優劣?同學們對公司提出的問題很感興趣,于是針對公司提出的問題,查閱資料,進行大量的試驗和研究,最終解決了公司的難題.在有機化學實驗教學中,增設少量的創新性實驗,開展一些解決企業實際問題的項目.學生將所學知識應用于解決生產實際,有利于加強校企合作研究,實現產學研一體化,培養學生創新創業能力.
3結語
有機化學實驗是化學及相關專業教學計劃的重要組成部分,也是一門重要的必修課程.本文指出了傳統有機化學實驗教學中存在的弊端,提出了有機化學實驗教學方法和教學內容的改革建議.教學方法方面,主要嘗試和開展了啟發式、討論式、互動式和研究式教學方法的改革和實踐;教學內容方面,主要嘗試和開展了基本操作訓練、綜合性實驗、設計性實驗和創新性實驗教學內容的改革和實踐,并提出了一些個人的看法和建議.總之,通過有機化學實驗教學改革研究,希望構建實驗教學新體系,促使學生創新創業能力的培養.
作者:黃小梅 單位:四川文理學院化學化工學院
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2012年是廣東省實施理科綜合考試的第三年,今年廣東高考理科綜合化學科命題遵循《普通高中化學課程標準(實驗)》和《2012年普通高等學校招生全國統一考試(廣東卷)考試大綱的說明》,在題型結構、試卷模式、試題難度等方面保持了廣東卷的風格和特色,在試題的呈現方式和命題情景方面有新的突破和創新。2012年的化學試題考點分布合理,具有較好的區分度,很好地體現了試題的選拔功能,其主要的特點如下:
1. 重視對化學基礎知識和基本技能的考查。
6道單項選擇題和2道雙項選擇題仍然注重考查了考生對化學學科基礎知識、基本技能的掌握程度,知識點覆蓋率約占整個考試內容的85%。第7題結合化學與生活考查了化學反應、電化學反應、常見的有機物以及高分子材料的相關知識。第8題考離子共存,主要考查了亞鐵與次氯酸跟發生氧化還原反應、沉淀(氫氧化銅、硫酸鎂、硅酸)問題。第9題考查物質和離子鑒別、除雜以及氣體的制備等化學實驗問題。第10題考查了氧化還原反應的判斷。第11題考查阿伏伽德羅常數,考點包括物質中化學鍵數目,轉移電子數、強堿弱酸電離后溶液中的粒子數、混合氣體中某原子的原子數目。第12題考查無機化合物的性質及用途。第22題元素推斷及元素周期律、物質結構、物質性質等知識。第23題考查的是電解質溶液中離子濃度大小比較、水的電離等問題。
4道非選擇題注重能力和素養考查的同時,也注意化學基礎知識和基本技能的考查。如第30題的有機題涉及有機分子式、結構簡式和有機反應方程式的書寫問題,以及碳碳雙鍵、鹵代烴、醇的重要性質問題。第31題考查蓋斯定律的應用和電極判斷的基礎知識。第32題考查溶解平衡、離子除雜的基礎知識。第33題考查分離提純的實驗基本操作、甲苯的檢驗等基礎知識。
2. 關注化學與科學、技術、社會、環境的關系社會的聯系。
2012年高考廣東卷化學試題立意高遠,選材考究,強調化學在生產、生活中的實際應用,試題內容涉及生活、化工、環保、醫藥、能源、科研等各個方面,充分體現化學的實際應用價值。非選擇題中選材大量來自實際應用的情景,既為考生提供了豐富多彩的化學世界,又為考生提供了一個公平競爭的環境。以非選擇題為例,第30題以有機合成的研究熱點——過渡金屬催化的新型碳—碳偶聯反應為背景,引導學生關注有機合成的最新研究方向。第31題碘在科研與生活中的重要應用為背景,滲透新材料在醫療方面的重要應用。第32題以難溶性雜鹵石制備硫酸鉀的工藝流程為背景,引導學生關注資源的合理開發和綜合利用問題。第33題以制藥和化工行業中的重要試劑苯甲酸為背景,實驗方法和實驗內容真實可信,強化學生重視知識在實際生產和科研中的應用問題。
3. 以能力為核心考查知識運用的能力。
以能力立意考查化學的科學思想和學科能力仍然是2012年廣東高考化學試題的一個主旋律。今年廣東高考化學試題對考生來講陌生度較高,在陌生的情境中考查熟悉的問題,在熟悉的情境下采用新穎的設問,強化了對接受、吸收、整合化學信息的能力,分析問題和解決(解答)化學問題的能力,化學實驗的探究能力信息獲取與加工能力、分析解決問題能力的考查。第22題采用圖的形式來對已知元素的原子序數變化趨勢和化合價,考查學生從圖形中獲取信息的能力。第30(4)、(5)題的有機化學題,以新型碳—碳偶聯有機反應為情境,考查考生整合有機化學基礎知識能力、知識遷移能力,以及運用已有知識解決新問題的能力。第31(2)題主要考查探究實驗控制實驗變量的問題,第31(3)考查運用影響化學反應的因素繪制圖像的能力,第32題為工藝流程圖題,以考生熟悉的硫酸鹽制備為背景,以化學平衡移動原理為解決問題的基本思路,考查考生基本實驗及提取信息并綜合分析信息的能力。第33題仍為具有廣東特色的實驗題,該題一改往年以無機內容作為素材背景的習慣,采用了有機化合物的分離提純作為素材背景,很好地考查了學生實驗與探究能力、化學信息處理與整合能力。
4. 突出化學實驗和強化定量計算的考查。
化學是一門以實驗為基礎的學科,化學實驗與探究能力是理科考生應具備的基本能力。試題特別注重對實驗和探究能力的考查,選擇題中的第9題考查化學實驗基礎知識,非選擇題除第30題的有機題以外均涉及化學實驗的問題,試題中化學實驗內容分值占到了總分值的三分之一以上。試題考查內容包括常見化學儀器使用、常見氣體制備、實驗基本操作、常見物質的檢驗及分離提純等化學實驗基礎知識與基本技能,同時著重考查考生設計、評價實驗方案、進行實驗探究等較高層次的能力。
廣東新課程實施的高考試題(包括高中水平測試試題)以來,化學定量計算的試題明顯減少,在高中化學教學中曾進入淡化化學計算的誤區,導致學生化學定量計算的能力特別薄弱。2010年廣東化學高考試題只在第30題考查有機反應消耗氧氣的計算問題和第31題考查化學平衡常數的基本計算問題,2011年廣東高考化學試題強化了化學的定量計算問題,第30題考查有機加成反應消耗氫氣的計算問題,第31題考查平衡常數的計算問題,第33題考查溶質質量分數和溶液濃度的計算問題,2012年廣東高考化學試題在定量計算上保持了去年的風格,在3道非選擇題中涉及到定量計算問題,第31(1)題考查化學反應方程式的計算問題,第32(5)題考查溶度積和化學平衡常數的計算問題,第33(4)題考查物質純度的計算問題。
二、2012年廣東高考理科綜合化學試題對高三備考復習的導向
高考試題對高中化學教學特別是高三備考復習有很強的導向作用,準確理解高考命題的方向、特點和趨勢,對于把握好高三化學備考教學的方向、策略和節奏具有重要的現實意義,從2012年廣東高考理科綜合化學試題的特點看,建議在高三備考復習中注意以下幾個方面問題。