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關鍵詞:綠色有機合成 技術研究 化學
綠色有機化學的初衷是想從源頭上成功抵擋住污染。使人類在生活中,不使用、不生產有害物質,并且在后期也不用再處理產生的廢物。真正做到從原料到產品的每一個步驟,每一種物質都是安全無害的。
一、綠色有機過程中的溶劑綠色化
1.超臨界流體,這類流體的密度實際上是與液體相似的,但更確切的來說,這是一種擁有傳質速率快,本身具備的一些物理性質又對溫度等因素帶來的影響極為敏感,且粘度和擴散速度又與氣體相似的,溫度和壓力都在臨界點以上的這樣一種流體。這種流體在有機化學的應用方面能夠很好的控制反應過程中活性,調控選擇性,成功實現反應與分離能夠具有一體化的模式。
2.超臨界水作為超臨界流體中的代表被廣泛應用在反應中,因為超臨界水本身具有對一些氣體或是有機物的溶解能力,這是一般物質無可取代的。除此之外,超臨界水同樣具有通過改變一些物理性質來影響反應速率,提高選擇性。例如可以通過改變密度、粘度和介電常數,以及調控溫度和壓力。綠色有機化學中,關于超臨界水的反應有水解反應、氧化反應和重排反應。應用到現實中的有舊塑料的油化再降解。
3.離子液體,離子液體主要具有在熱的條件下仍然保持較高的穩定性,且不易揮發,通過調節組成它的陰離子和陽離子可以達到調控溶解性的效果,其次,其酸度也可以通過調節成為強酸的特點。而在概念上,離子液體被定義為由陰陽離子構成的,在接近室溫的環境中可以保持液態的液體。許多重要的有機化合反應都用到了離子液體這一介質。例如酯化反應、聚合反應、氧化還原反應和烷基化反應。將離子溶液作為反應中的介質,有利于加速反應的速率,使反應始終保持在一個溫和的環境中。
4.水溶劑,水溶劑顧名思義就是將水作為有機反應中的溶劑。因為其本身具有的疏水效應對有機轉化的整個過程是十分有利的。例如在經醛縮合反應、Michael加成反應、Diels-Alder反應和Mannish反應中,水溶劑就可以提高反應的速度和整體的選擇性。另一方面,水本身作為一種安全無害且環保的物質,逐漸的成為綠色有機化學研究中的熱點。水在化學反應的過程中,不僅作為一種溶液參與其中,它也會影響反應的進程。經過長期的研究和探索,我們發現水在某些極強的多元反應中具有加速反應的效果,并且具有易于分離的特點。
5.氯兩相體系,這種體系是由兩種溶劑構成的,它們分別是普通有機溶劑和全氟溶劑。通常的情況下,如果溫度較低,全氟溶劑與其他的普通有機溶劑就很難相溶,在這種情況下就會形成氟相和有機相的兩相體系。而此時如果外界的環境溫度上升,全氟溶劑則可以很好的與普通溶劑相溶,我們將這種溶解度隨著溫度急劇上升的情況稱為形成單一相。這種現象能夠更有利于為有機反應提供均相條件。同時,隨著反應的結束,溫度的降低,體系也會自然的恢復到兩相體系。
綠色化學中的氟兩相體系的應用也有許多,其中也分為兩種,作為有機反應介質和催化劑作用。作為催化劑參與的反應有,烯烴的氫甲酞化反應和硼氫化反應、Diels-Alder反應、烯丙位取代反應和氧化反應。而作為有機介質參與的反應有硝化反應、Swern氧化反應和Hosomic-Sakurai反應。
二、綠色有機合成中的催化劑綠色化
1.固體酸催化劑,固體酸催化劑是指金屬鹽催化劑,金屬氧化物催化劑和分子篩和雜多酸催化劑的總稱。并且其本身也具有活性高,選擇性強,反應后的產物易于分離而且也可以多次循環利用,這體現了綠色化學的主旨。
2.金屬催化劑,有機金屬配合物催化劑、金屬氧化物催化劑和金屬Pd催化劑同屬于金屬催化劑。我們通過實驗證明了金屬催化劑能夠提升催化的速率,使用浸漬法獲取1%的的Pd/Mgo,這將作為反應中的非均相催化劑,將不同性質的醇氧化,我們可以發現此催化劑具有使反應條件溫和的特點。
3.酶催化劑,酶曾被許多人認為是化學反應中一種快速且專一的催化劑,近年來,酶在有機化學中的應用日見廣泛,人們已經將它高效立體且具有靈活選擇性的性能應用在有機化合物的合成中了,此外,酶還具有水解活性高的特點。
三、綠色有機合成過程中的合成方法的綠色化
1.用物理方法來促進化學反應,物理中的光、電和熱這三種要素在化學有機反應中占有重要地位,也是我們在綠色有機合成方面的研究方向之一。例如利用微波爐的微波來促進反應速率的例子比比皆是。微波輻射條件不僅可以提升有機反應中的反應速率,也能夠提升產品的純度。在Diels-Alder反應中,微波輻射技術就被成功應用。除此之外,還有加成反應和雜環化合物的合成也作用了此項技術。例如在進行Diels-Alder成環反應實驗時,用100w的微波加熱五到二十五分鐘,產率可以高達79%到90%,而用普通的方式加熱,三個小時內僅可產生25%到60%,除了產率高這一特點外,微波方式還具有高選擇性和條件溫和的特點。另外,除了微波技術,超聲波的空化功能也可以減少廢物的排放,降低能量的損耗。
2.串聯反應,綠色化學提倡減少能耗,避免污染。但我們的實驗過程中經常會遇到提純或是分離一個分子的步驟過于繁瑣,不利于經濟和環保。因此,我們有必要考慮串聯反應在有機化學中的應用,當前串聯反應已經被應用在了不對稱合成和雜環化合物的合成過程之中,串聯效應針對光學效應的產物和分子具有特殊的優越性。
四、總結
綠色有機合成化學逐漸成為了人們生產、生活,化學學科理論和實際發展中的必然選擇。隨著時代的不斷進步,綠色有機合成化學也是我國工業化領域的大勢所趨,綠色化學除了要做到溶液綠色化,催化劑綠色化,合成方法綠色化之外,還行應用各項先進技術,將綠色化學發展到各個領域之中去,尤其是基因工程,細胞工程和微生物工程。同時引導一些新興技術的發展,例如微波技術和超聲波技術,達到綠色化學的多領域全面發展。
參考文獻
[1]劉雪暖,李玉秋.反應精餾技術的研究現狀及其應用[J].中國化工產業,2011(08).
【關鍵詞】Mannich反應 催化劑 中間體 氨烷基化反應 Mannich堿
【中圖分類號】O621 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810(2015)23-0125-02
Mannich反應為具有活性氫的化合物與甲醛(或其他醛)、胺進行縮合,生成氨甲基衍生物的反應,其通式為:
Mannich反應機理如下:
該反應通常是在Lewis酸或者質子酸的催化下進行的,但是這些傳統催化劑往往具有毒性和腐蝕性,并且很難回收利用,這就必然導致酸性廢物的排放和對環境的污染。因此,尋找一種對環境友好,并且易于回收利用的催化劑仍然是有機合成工作者關注的課題,本文對Mannich反應中不同催化劑的優缺點做了簡單總結。
一 離子液體作為催化劑
近年來,離子液體作為一種新興的綠色反應溶劑,越來越引起有機合成工作者的廣泛關注。這是由于離子液體與傳統有機溶劑相比,具有不易燃易爆,不揮發和較高的熱穩定性,以及對許多化合物有良好的溶解性等特點。
(1)芳香酮、甲醛、二甲胺鹽酸鹽三組分的Mannich反應:
NH(CH3)2?HC1
(2)芳香酮、芳香醛、芳香胺三組分的Mannich反應:
其中,X為:a.H;b.Cl;c.OCH3;d.NO2。
采用離子液體催化劑,反應不需要加入任何Lewis酸或質子酸催化劑即可發生,且離子液體至少可以循環使用5次。
二 對氨基苯磺酸鋁催化
有機金屬磺酸鹽具有耐水性和較高的催化活性,廣泛用于多種有機反應。在室溫條件下,對氨基苯磺酸鋁可有效催化苯乙酮、芳香醛和芳香胺的Mannich反應,三組分“一鍋法”合成了系列β-氨基酮衍生物,避免了傳統合成方法使用強酸作催化劑的不足,為β-氨基酮衍生物的合成提供了新途徑。
該方法操作簡單,條件溫和,收率高,催化劑活性好并且可以重復使用,符合綠色化學要求,對環境友好。
三 磷鎢酸為催化劑
以水為溶劑,磷鎢酸為催化劑催化芳香酮、芳香醛和芳香胺Mannich反應,合成了一系列的氨基酮衍生物。
該方法操作簡單,反應條件溫和,產率較高,催化劑價格低廉且用量少,對環境友好。
四 三氟甲磺酸銅催化
該反應以環己酮、芳香醛和芳香胺為原料,以三氟甲磺酸酮為催化劑,合成β-氨基酮衍生物。
三氟甲磺酸鹽與傳統的催化劑相比,它不需要添加濃鹽酸、Me3SiC1等任何輔助催化劑,穩定性較好,反應時間大大縮短僅需1.5h,其催化量只需化學劑量的10%~20%就能使反應順利完成,收率高且產物純凈。同時,由于反應結束后不需要經過水解,不會產生大量的“三廢”,所以反應的后處理也比較簡單,有利于環境的保護,反應結束后可再回收得到進行重復利用。
五 氨基磺酸催化
近年來,氨基磺酸由于具有不揮發、不易分解、廉價和弱酸性等性質,它在有機合成的許多領域取代了常規的酸催化劑。以下采用氨基磺酸作催化劑,芳香酮、環己酮、3-戊酮等酮類與芳香醛和芳香胺的三組分Mannich反應,反應式如下:
氨基磺酸廉價易得,催化活性高且用量少,穩定性好,其催化的Mannich反應對實驗要求不嚴格,且目標產物收率均不低,因其具有兩性離子的特性,使其易于回收再利用。
六 結束語
Mannich反應是合成藥物、天然產物和精細有機中間體的重要反應之一,在有機合成化學中占有十分重要的地位。它不僅在藥物、農藥、染料、涂料和炸藥等方面用途廣泛,而且是參與合成天然生物活性分子的重要中間體。但是Mannich反應使用的傳統催化劑如Y(OTf)3、Ln(OTf)3和Yb(OTf)3等往往具有毒性、腐蝕性、催化劑用量較大、催化效率不高、價格昂貴、污染環境等缺點,而目前研制的新型催化劑在某些方面有所突出,比如操作簡單、條件溫和、催化活性高、對環境友好等特點,然而也存在著制備較為復雜、產率不高等問題,因此,尋找一種更加高效、經濟、對環境友好且易于回收的催化劑仍然是目前重要的課題。
參考文獻
[1]惠斌、孟娜、陳鳳凰等.離子液體中的Mannich反應研究[J].化學試劑,2006(6):323~325、328
[2]劉寶友、許丹倩、羅書平等.Bronsted酸離子液體催化的醛、酮、胺三組分Mannich反應[J].化工學報,2004(12):2043~2046
[3]宋志國、梁艷、侯敏等.對氨基苯磺酸鋁催化苯乙酮、芳香醛和芳香胺的“一鍋法”Mannich反應[J].工業催化,2010(12):59~62
[4]馬杰、王學凱、姜恒等.有機磺酸鋅鹽催化合成氯乙酸酯的研究[J].化工科技,2005(1):49~52
[5]宋志國、王敏、宮紅等.鄰甲基苯磺酸銅催化“一鍋法”合成3,4-二氫嘧啶-2(1H)-酮[J].化學研究與應用,2009(11):1597~1600
[6]陳君麗、解正峰、邢燁.水相中磷鎢酸催化苯乙酮、芳香醛和芳香胺的Mannich反應[J].有機化學,2011(10):1714~1718
[7]張豪、黃云云、趙尖斌等.三氟甲磺酸銅催化的Mannich反應合成β-氨基酮的研究[J].廣東化工,2012(12):59~60
關鍵詞:高中化學;課堂教學;語言科學化
根據課程標準和學時要求,高一化學必修2第三章的有機化學中的內容,沒有完全考慮有機化學本身的內在邏輯體系,主要是選取典型代表物,介紹其基本的結構、主要性質以及在生產、生活中的應用,較少涉及有機物的概念和它們的性質。而選修5有機化學基礎建立在化學必修2中“重要的有機化合物”的基礎上,目的就是引導學生比較系統、深入地學習有機化學基礎知識。所以我們必須理清兩者的關系,調整與整合授課內容。
一、用官能團作為橋梁,用典型有機物作載體整合課本內容教學
1.烴的性質
我們還是先學習最熟悉的甲烷,從甲烷的性質入手,過渡到烷烴的性質,烷烴的命名,同系物,同分異構現象;再從乙烯開始,到乙炔,歸納出飽和烴和不飽和烴的性質。再過渡到苯的性質,苯的同系物命名,芳香烴的性質。因為苯的性質比較特殊,它的化學鍵是介于單鍵與雙鍵之間的一種獨特的鍵。所以它既有飽和烴的性質也有不飽和烴的性質。學生學完了烷烴與烯烴后再學苯的性質就相對容易掌握。
2.醇、酚、醛、羧酸、酯、鹵代烴的性質
醇、酚、醛、羧酸、酯、鹵代烴的性質主要是官能團的性質,也可以說是烴的一些衍生物的性質,學生剛學完烴的性質,現在再接著學習這些烴的衍生物,從結構上不會太陌生,教學內容上起到一個很好的過渡作用,學生自然就比較容易理解與掌握。
醇的性質以學生熟識的典型的乙醇(酒)入手,從乙醇的7個特殊性質引申到醇的同系物的性質也就是羥基鏈在鏈烴基上的性質,自然就過渡到羥基鏈在苯環上酚的性質。
按照醇的氧化得到醛,醛的氧化得到酸,酸與醇的反應得到酯,這一線索就把醇、酚、醛、羧酸、酯的知識連成了一條線。但要注意的是學到這里時,不要把油脂一并學習,讓它放到選修5的第四章“生命中的基礎有機化學物質”時與糖類,蛋白質三個一同學習,這樣既能分散難點,又能讓知識更有系統性。
在我們的實踐過程中,有些教師也提出為什么不把鹵代烴放在烴的性質后面馬上學習呢?烴與鹵代烴不是很自然過渡嗎?課本選修5第二章的標題也是烴和鹵代烴,它們兩者都是放在一起學習的。后來我們在科組活動上也提出了這個問題,最后大家還是認為不把鹵代烴放在烴的性質后面馬上學習的好。鹵代烴的性質最重要的是取代反應(水解反應)和消去反應,鹵代烴取代反應在氫氧化鈉的水溶液條件下得到了醇,消去反應在氫氧化鈉醇溶液條件下得到烯烴,這些反應的條件很容易讓學生混淆,如果接著下來又學習醇、酚、醛、羧酸、酯的話,讓學生感覺到有機化學太難,無規律,不容易掌握,從而降低了學習有機化學的興趣。鹵代烴取代反應得到醇,消去反應得到烯烴,這與前面學習的醇、烯烴起到一個首尾呼應的作用,我們在構建知識網絡時就不是一條線而是一個圓,一張網。在以后的實踐中也證實了我們這樣對教材的處理是恰當的。
二、添磚加瓦,查漏補缺,使有機化學的知識體系更完善
學完烴的性質與烴的衍生物的性質后,官能團的“功能”模塊知識就基本學完了,我們還必須把化學必修2第三章的有機化學與選修5有機化學基礎的一些枝節與遺漏的內容整合完畢。
1.命中的營養物質
化學必修2第三章的第四節基本營養物質與選修5第四章生命中的基礎有機化學物質,整合在一起學習,因為它們主要是生命中的營養物質:油脂、糖類、蛋白質、氨基酸等的知識,與前面學習的酯與羧酸有一定的聯系。
2.機物的結構特點
選修5有機化學基礎第一章認識有機化合物的第一節有機化合物的分類,第二節有機物的結構特點,我們就當成是前面學習的一個歸納與總結,不當做是一個新的內容來授課。
3.研究有機化合物的一般步驟和方法
選修5有機化學基礎第一章第四節的研究有機化合物的一般步驟和方法,主要是介紹有機物的一般研究步驟和方法,內容繁多,涉及的其他知識較廣、較新,學生比較難掌握,但在高考中的出現率不高,不宜拓展加深。
4.有機合成
我們把選修5有機化學基礎第三章第四節有機合成與選修5第五章進入合成有機高分子化合物的時代整合學習,這兩個部分分別對簡單的有機物合成和復雜的高分子化合物的合成方法作了詳細的介紹。這兩個部分其實是對有機化合物各種性質的綜合運用,也是對學生熟悉各種官能團性質程度的大檢閱。它能對全部所學的有機化學知識進行考查,所以高考中有機合成被放在化學科目的大題第一題,占有非常重要的地位。
必修模塊是選修模塊的基礎,選修模塊是在必修模塊基礎上的拓展與深化。我們選擇靈活機動的授課方式,大膽嘗試,大膽實踐,盡一切可能讓學生學得流暢、明白,最大限度地使兩部分的有機化學整合得更加完整、統一、嚴謹。同時,我們也會不斷地學習、思考與總結,不斷提高自身的思想素質和業務水平,使高中有機化學教學的目標和要求落到實處;深刻領會化學課程改革的意圖,確保高中有機化學教學的順利實施。
參考文獻:
有機基礎階段:包括,自然界較簡單的有機物——烴類化合物;生物體中重要的代謝中間物——醇、酚、醚、醛、酮、醌;重要的基本生物分子——羧酸及其衍生物;生物體內的高能化合物——含氮、含磷、含硫有機化合物等。以官能團教學為主線,掌握各類有機化合物結構、性質及反應等;以對生物體影響為紐帶,掌握應用,加強基礎學習。與藥學專業密切相關的有機化合物,生物次生物質——雜環、生物堿,萜類和甾體化合物等。體內有機物質反應的基礎,酶、生命必需物質——維生素、生物氧化等。生物體內四大物質。供能者——糖類化合物;儲能與供能者——脂類化合物;生命的表達者——蛋白質(氨基酸);生物遺傳的決定者——核酸(核苷酸)從結構,性質,功能,代謝意義以及代謝異常與疾病關系。生物代謝調節及器官生化(水,電解質代謝;肝臟生化)從水,鹽代謝方面理解、分析藥物的作用機理及肝臟在藥物代謝中的功能。以上整合加強了知識體系性,注重專業聯系,突出實際應用。
實驗教學的整合
遵循兩個原則:(1)層次要合理;(2)滿足崗位要求。①結合藥學,拓寬基礎實驗:如:一般的有機合成實驗可改為藥物阿斯匹林——乙酰水楊酸的制備。②重組兩門課程相關實驗,形成綜合性實驗。如:酮體的結構性質實驗與脂類代謝異常疾病的尿酮癥實驗合二為一:尿中酮體定性測定。既考察了結構性質,又掌握了疾病診斷方法。③結合學生就業方向以及職業技能等考試內容增設探究性、設計性實驗,提高創新思維。通過實驗把藥學中常用的兩門課程的知識如:分離、提純、識別、檢測、合成方法與原理,有機的聯系在一起,提高學生在藥學工作崗位的實踐技能。
整合優化過程注意的事項
兩門課程的整合優化不是簡單的疊加和重組,而是整合為一門新的課程體系《有機及生物化學》,所以應注意知識體系的連貫性、完整性和實用性。(1)連貫性:通過有機化合物在體外與體內反應基礎的對比,將有機化學與生物化學銜接起來。如有機化學(在體外)——化學催化劑,高溫、高壓的條件與氧化還原;生物化學(在體內)——酶,溫和的條件,生物氧化。雖有差異,但反應原理相同。(2)完整性:通過四大物質代謝過程將有機化學基礎知識聯系成一個整體,以揭示生命的本質規律。(3)實用性:運用有機化學知識解釋代謝異常與疾病產生,為用藥提供依據。
教學方法的優化
(1)結合臨床巧設案例,提高學生興趣,加深知識的理解和應用,學會用有機化學解釋生物現象的本質。如講解脂類時,通過案例:長期過量飲酒導致脂肪肝,引導學生分析為什么乙醇會在肝臟內合成脂肪且堆積。從而總結出乙醇在體內代謝反應的過程,將有機與生化結合起來。(2)采用多媒體輔助教學,整合后的課程教學注重實踐,并且信息量大,所以要充分利用多媒體教學的優點[3],如采用超文本結構即按照人的聯想思維方式和非線性地組織管理信息,實現了知識的橫向聯系。(3)依托咸陽步長醫院(校醫院)資源,以就業方向及崗位需求,設計開展多樣性實踐教學:實踐教學的目的在于提高學生動手能力,滿足就業崗位需求,故以就業方向和崗位把學生分組,遵循以學生實踐為主,教師指導為輔的原則。督促學生進行分工合作,設計并完成實驗。實驗結論以實驗報告形式匯報,報告內容以使用的化學結構,反應式,表格,圖像等為主,探討實驗所遇的問題及實踐意義。使學生在動手過程中加深知識的理解,具備分析、解決實際問題的能力,在合作中獨立完成工作。
建立綜合考評體系
整合以后,通過平時作業、達標測試、實驗報告、操作技能考核和考試等實行階段性綜合考評,使學生的知識水平和能力水平得到相應提高。
我校的“有機化學實驗”課程作為基礎化學實驗(Ⅱ),是國家精品課程(基礎化學實驗)的重要組成部分,其教學對象面向化學工程與材料學院、藥學院、生物與環境工程學院、健行學院、建工學院以及教科學院的20多個全日制本科專業,量大面廣。目前,有機化學實驗課程總學時64學時,教學內容主要包括“基本操作和基本技能實驗”、“有機合成實驗”、“基礎綜合實驗”三大塊,根據化合物的結構種類開設12個左右的實驗。有機化學實驗的教學采用實驗前指導教師講解、學生獨立實驗、教師糾正、規范實驗操作等方式,考核采用平時成績與期末考核相結合的方式,期末考核分筆試與操作考試兩部分。在日常教學過程中,我們也深刻地體會到現行的有機化學實驗教學模式和教學內容還存在許多不足之處,主要是以下3個方面:
(1)有機化學理論知識學習“僵化”。學生不能正確地運用所學理論知識來解釋實驗現象,解決實際問題,將學習有機化學的重點只放在記憶有機化學中的基本理論、基本概念和一些反應式,不能理論聯系實驗地深刻理解有機化學的反應規律,造成“有機化學理論空洞學,有機化學實驗盲目做”的被動局面。
(2)實驗內容零散,相互獨立分割,重點不突出。實驗的主要內容過多地局限于基本技能訓練、基本操作實驗和一些簡單的制備實驗,實驗與實驗之間無關聯,系統性不強,學生只能“零打碎敲”地做實驗,對實驗的“統籌性”、“整體性”把握能力較弱。
(3)實驗教學中創新能力培養的源動力不夠。教學效果背離有機化學實驗教學設計的初衷。在設計有機化學教學實驗時,本意是將有機合成的全過程,即“文獻查閱—原料提純—條件優化—實驗操作—產品表征”等環節貫穿其中,培養學生獨立完成一個完整的操作流程的能力,但由于教學時數的限制或其他課程的沖突,學生只能按課本作“機械式”的操作練習,大家同一步驟、同一進度,缺乏創造性的激勵機制。
2深化有機化學實驗教學改革的理念與思路
有機化學實驗教學應以“培養學生的思維能力、觀察能力、設計實驗的能力、動手操作能力、提出實驗中遇到的問題并設計方案來解決問題的能力、以實驗為基礎理解化學理論的能力”為重點,特別是要以培養具有基礎科研能力的人才為教學目標。在教學中,需要培養學生對有機化學的思維方式,對有機化學實驗現象的觀察、分析、比較、綜合、歸納、演繹、推理等能力,也必然地要求教師在教學過程中,積極轉變教學觀念,整合、深化教學內容,創新教學手段,以學生發展為中心,充分調動學生的學習主動性,對有機化學實驗教學進行大膽的探索與創新。我們的改革思路是首先對學生強化與實驗內容相關的理論知識,使學生全面了解實驗的基本原理和相關反應的機理,幫助學生從理論上分析實驗過程可能出現的現象和結果,再按化合物結構類型,采用理論與實踐貫通的專題式實驗教學方式,將某一化合物的“制備實驗、應用實驗、同類型拓展實驗”等組成一個專題,用“組合式”實驗替代原有教學體系中分散化的實驗。從以下3個方面入手:
(1)跟蹤學科發展,創新教學內容。堅持理論聯系實際的原則,把傳授知識與培養能力融為一體,引導學生用有機化學的理論知識去關注實驗中的一些基本問題,培養學生獲取、掌握、鞏固和運用知識的能力。在具體教學內容的安排上,除保留基本技能訓練、經典的合成實驗外,將一些新技術和教師的最新科研成果引入教學實驗中,加大文獻實驗、綜合實驗、設計實驗和研究型實驗的比重,使課程內容與創新教育密切結合,與學生課外科技活動有機結合。
(2)以學生為主體,改變教學方式。有機化學實驗屬于應用性、實踐性都很強的專業技術課程,因此,在教學方法設計上,應根據學生實驗基本技能訓練和分析、解決問題能力培養的要求進行,進一步體現學生的主體地位、教師的主導作用和以學生能力提高為本位、關注學生可持續發展的教學理念。在每一個專題實驗中,讓學生帶著明確的任務進行實驗操作,讓學生實驗前查閱相關資料,完成預習報告。教師要了解學生對整個實驗原理、步驟的理解,指導學生獨立進行實驗操作、觀察實驗現象、分析實驗結果,做好實驗報告,對實驗過程中出現的問題積極探討總結,引導學生把理論知識和實驗過程中獲得的感性知識結合起來,把整個實驗過程中所涉及的知識點連接起來,使學生對所學知識和實驗操作技能有系統的認識,把實驗過程推進到“理論—實踐—再理論”的過程,激發了學生獨立思考的積極性和主動性。
(3)加大實驗信息量,拓展學生知識面。根據有機化學學科的特點,通過查閱有機化學實驗文獻,了解、比較目標產物的各種合成方法,是實驗教學的一個重要環節。通過有針對性地查閱、收集和利用各種有價值的文獻信息資源,使學生清楚該化合物目前的研究進展、合成時的影響因素、表征方法、應用領域等知識,學生的知識面得到拓寬,改變傳統實驗中“一本教材、一種方法”,學生預習時不假思索地照抄照搬書本的不良現象。
3專題式有機化學實驗教學的實施方案
影響實驗教學效果的最重要因素是實驗內容和實驗方法,實驗內容應該具有先進性和綜合性,實驗方法則應以新技術、新方法和新手段為主。在現有有機化學實驗教學內容的基礎上,按化合物種類劃分若干專題,如鹵代烴、醇、酮、酸、酯、胺等,每一個專題中包含該類化合物的“制備實驗”、“應用實驗”、“拓展實驗”等。實驗反應機理、實驗條件、實驗中出現的相關問題等要求學生從理論的高度給予正確解釋。在“應用實驗”、“拓展實驗”中進一步增大實驗的信息量,將相關的新技術、新方法引入實驗教學中。實驗前要求學生預習專題實驗內容所涉及的理論知識和實驗基本操作。實驗技能方面要求學生根據合成的目標化合物的不同選用不同的反應裝置,學會各種裝置的使用方法和應用范圍,并且明確各個反應裝置的作用,安裝反應裝置時應注意的事項等。在實驗過程中必須利用基礎理論知識解決一些常見的問題。實驗結束后,根據文獻查閱、實驗情況進行討論,比較實驗方案的利弊,解釋實驗結果,并對實驗結果進行比較和評價。在專題的拓展實驗和應用實驗中,可以采取項目組的形式,按實驗產品的不同分成若干小組,分工合作,歸納總結,從而加深對有機化學理論的理解。這就不僅要求學生統盤考慮實驗進程,更重要的是要讓學生在理論指導下學會創新和創造,在實驗訓練中學會設計實驗,利用理論知識去分析實驗過程中出現的現象和結果,啟發和激勵創新意識,鍛煉實際的綜合創新能力,最終達到學會初步科研的能力。
4結語
關鍵詞:復習有機推斷與合成 夯實基礎 培養能力
內蒙古從2009年實行人教版新課程,新課程實施后,高考理綜考試中化學選考題中選修5《有機化學基礎》的出題形式主要是有機推斷與合成題。復習選修5《有機推斷與合成》之前,我已將人教版新課標2010~2011年的高考題認真做過,發現選考題中的有機推斷與合成這個題目既注重檢查學生對基礎知識的掌握情況,又考查學生靈活運用知識的能力,更考查學生的分析問題和邏輯推理的能力以及學生的臨場模仿能力。比起課改前的有機推斷高考題,少了些偏、難、怪題,多出了很多新課程的新考點,如通過核磁共振氫譜讀出信息、會識別鍵線式結構等。下面是我學習新課標高考大綱,理解有機推斷與合成題后的一些心得。
一、教師要理解有機推斷與合成題的特點,讓學生領悟有機化學學什么
1. 有機推斷與合成題出題的主流形式是通過框圖的形式,以有機合成為主線,推斷有機物的分子結構。新課程實行后,加大了以重要工業原料為反應物,結合農藥和樹脂的合成為背景,從“綠色化學”理念出發,選取從原料到中間產物、目標產物的合成以及副產物的分離和循環利用的生產流程的素材,圍繞合成路線設計有一定梯度的問題。主要考查常見官能團和新引入官能團(羰基、酯基、醚鍵)的名稱和性質、有機反應類型、結構簡式的書寫、分子式的計算和分子結構的確定、有機反應方程式的書寫、同分異構體種類的判斷及書寫、有機實驗操作和現象、合成有機高分子的方法——逆合成方法等。
2. 主流題型提供的條件一般有兩類,一類是有機物的性質、特征反應條件及相互關系,另一類則通過化學計算進行推斷。
3. 很多試題還提供大學有機化學中的陌生信息,讓學生現場學習再遷移應用,即所謂信息給予試題,這就要求學生除了要有臨時模仿能力外,還要有獲取、應用信息解決化學問題的能力。
4. 經常圍繞乙烯、苯及其同系物、乙醇等這些常見物質,考察以碳碳雙鍵、三鍵、苯環、鹵代烴、醇、酚、醛、羧酸、酯為中心的相互轉化和性質。
二、教師在教學生解有機推斷與合成題時,要明確不同階段訓練學生什么
1.第一階段教學中必須重視主干核心基礎知識的夯實、梳理 新課程實施后,由于有機推斷與合成這個題目要凸顯高中有機化學的所有主干核心知識的考查,所考內容雖都是較為基本、較為典型的知識,但突出考查學生獲取、加工和應用信息的能力和分析、推理能力以及自學能力,較課改前,加大了對思維的整體性、有序性、縝密性的考查力度。所以有機推斷與合成應是教學的重點,也是難點之一。
首先,在學生答題中,我們要讓學生高度重視規范表達,如官能團名稱、符號的書寫是否正確,書寫方程式時要注意規范書寫反應物和生成物的結構簡式,反應條件不能漏寫,以及小分子物質水等不能寫丟。
其次,教師要做到不同階段從不同角度分不同小專題梳理有機知識,使核心知識結構化,實現有效的知識運用。最低起點是學完《烴的含氧衍生物》后教師要讓學生抓住“一官一代一衍變”,做各類烴及烴的衍生物代表物的結構、性質及反應類型的表格總結,即各類有機物通式、代表物官能團結構、性質,奠定研究有機化學反應的思路及體系。
再次,幫助學生做涉及銜接機化學反應的幾種無機物的重要反應辨析小專題并熟練應用。另外,我還從同分異構體的書寫、“解密”官能團、點析三類羥基、有機推斷“題眼”等多個小專題進行了整合教學,我認為不要因時間緊而忽略這部分的訓練。
2. 第二階段要善于抓住有機推斷中的核心問題
問題1:尋找推斷題的突破口——典型現象、典型條件
問題2:同分異構體的書寫方法整合教學
同分異構體的書寫方法整合教學可從(1)烷基異構法:丙基(2)、丁基(4)、戊基(8)異構體書寫反復訓練、檢測;(2)加加減減(殘基)法;(3)基團靈動翻轉、插入、拆分法:凡是書寫、判斷多氧烴的含氧衍生物要想到用“靈動翻轉、插入”法書寫,有酯的結構的同分異構體要想到“拆分法”。一定結合典型例題重點練好C3H6O2、C4H8O2、C5H10O2、C7H6O2、C7H6O3、C7H8O、C8H8OX、C9H10OX (x=2、3)等含有-COO-、-COOH、-OH、-CHO等官能團的類別、位置、碳鏈、限制性條件的同分異構體書寫與判斷。
同分異構體的復習技巧,要能從實際情境中剝離出同分異構體的高考考點并以此設計問題突破難點,再放回到綜合情境題中去訓練學生。
問題3:強調能形成環狀有機物的反應
能形成環狀有機物的反應有二元醇和二元羧酸酯化反應、羥基羧酸分子間或分子內酯化反應、氨基酸分子間或分子內脫水、多元醇分子內或分子間脫水。
在這些成環反應考查中,往往都會在起始時給個分子式或最后給個分子式,解決這類題的最好方法是熟練應用不飽和度,在教學中根據分子式的不飽和度,來推算成環前和成環后的結構。
問題4:充分利用不飽和度
在解題中,往往會在推斷框架圖中會出現有機物的分子式,這時,我們不僅要通過該物質的連續反應來判斷存在的官能團,還要充分利用不飽和度,來確定該物質的具體結構。
3.第三階段要不斷訓練學生明確有機推斷題的解題思路
解有機推斷與合成題,主要是確定官能團的種類和數目,從而確定物質的結構。所以,必須在全面掌握有機物代表物的性質及相互轉化關系及官能團的性質與反應的前提下,把握以下三個推斷的關鍵:審清題意、用足信息、積極思考。
A.審題 (四看):通讀整個題目,信息與設問
(1)分子式:求不飽和度—預測官能團
(2)結構簡式:觀察官能團種類、位置、碳鏈—從分類想性質
(3)框圖: 找特征反應試劑、條件、新信息標志;分子式、結構式的變化—想轉化
(4)文字:可以轉化為框圖
B.解題:記錄局部—界定、拆解問題—尋找突破口、上下求索—接受、吸收、整合信息
C.答題(四會):分子式、結構簡式、化學方程式、中文字(名稱、數字、文字、答題)
D.解題方法與策略應用—從不同角度用好每一道典題,例如2010年北京高考題28(解題方法、策略、題型特征見下面表格):
28.鎮痙藥物C、化合物N以及高分子樹脂( )
(1)A的含氧官能團的名稱是 。
(1)A的含氧官能團的名稱是 。
(2)A在催化劑作用下可與H2 反應生成B。該反應的反應類型是 。
(3)酯類化合物C的分子式是C15H14O3 ,其結構簡式是 。
(4)A發生銀鏡反應的化學方程式是 。
(5)扁桃酸( )有多種同分異構體。屬于甲酸酯且含酚羥基的同分異構體共有 種,寫出其中一種含亞甲基(-CH2-)的同分異構體的結構簡式 。
(6)F與M合成高分子樹脂的化學方程式是 。
(7)N在NaOH溶液中發生水解反應的化學方程式是 。
關鍵詞:有機化學及實驗;精品資源共享課;建設;共享;協同創新
“有機化學及實驗”課程從2003年國家精品課程建設開始[1],經過有機化學教學團隊近十年的建設,順利實現轉型升級[2],入選國家級精品資源共享課立項項目,上線接受社會的評價。總結近十年的建設體會主要包括下面三方面。
一、深化精品資源建設是關鍵
建設精品資源共享課的關鍵是結合課程的特點建設精品資源。包括深化教學內容和改革課程體系,研究教學方法,探索考核方式和考核內容,研制課程教學的新資源。
1.深化教學內容建設
(1)引入學科發展的新內容。“有機化學及實驗”是技術基礎課,在引進學科發展新內容時要有選擇,既要保證課程的基礎性,又不能增加課程的教學學時數。
有機化學課程引進了下述新內容:①有機化合物旋光性的螺旋理論――結構與旋光性的關系。國內外的有機化學教材中都沒有解決有機化合物產生旋光性的原因,我國化學工作者提出有機化合物分子的螺旋結構使分子產生旋光性[3]。將這一觀點引入教學,填補了有機化合物結構與旋光性的空白。②鄰基參與反應――某些反應分子構型保持。鄰基參與反應是1942年提出[4]、近年被有機化學工作者所共識,把這個反應引入教學,糾正了對某些反應的構型、構型保持的錯誤解釋。③LDA低溫反應――實現羰基化合物交叉縮合反應。一直認為兩種羰基化合物交叉縮合是沒有合成意義的,近年發現強堿LDA在低溫下先與一種羰基化合物反應,然后加入第二種羰基化合物,實現了兩種羰基化合物選擇性地交叉縮合[5],變成了一種重要的合成方法。④科研新成果――酚羥基快速醚化。筆者科研專利成果,酚羥基在適當的溶劑中,可以在室溫下,高轉化率、高選擇性、快速地被醚化[6],增添了教學新案例。⑤室溫離子液體――多用途的新化合物。室溫離子液體的概念很早就被提出來,一直沒有引起化學工作者的注意,近年來其合成、反應、應用都發展很快,是有機化學教學的新案例。⑥有機氟化合物――有特殊性能的鹵化物。有機氟化合物是近年有機化學研究的熱點領域[7],其性能特殊,有特殊用途,引進教學拓展了鹵烴的性質。⑦雙氧水――綠色氧化劑。隨著綠色化學的發展,發現雙氧水能氧化多種官能團化合物,有的已實現工業應用。因此引入用雙氧水替代污染嚴重的重鉻酸鉀作為氧化劑的教學案例。諸如這些內容的引入保持了教學內容鮮活性,又沒有增加學時數。
(2)全面介紹有機化合物的內容。有機化學一直重視石油加工及其化學,而忽視煤、生物質加工及其化學。我國煤儲量多于石油,近年來,煤加工生產有機化學品發展很快;生物質是綠色化學品來源,生物質煉制工程包括生物柴油、天然有機化合物的轉化等。增加這兩方面的內容,體現了《21世紀有機化學發展戰略》所提出的有機化學的定義[8],也體現了有機化學發展方向。
(3)引入反應控制的基本概念。動力學控制/熱力學控制是高等有機化學的內容,將這一概念引入有機化學,既提升了教學內容,又簡化了一些繁瑣的解釋,如共軛二烯的1,2-加成與1,4-加成、芳烴的定位規律、邁克爾加成反應規律等的解釋。
(4)數字化模擬分子模型的使用。過去用鮑林提出的抽象的共振雜化體表示離域體系,如烯醇負離子的結構和性質,學生很難理解;現在使用可視化的數字化模擬分子模型表示,很容易理解離域體系的穩定性和反應性。
(5)簡化一些敘述性的內容。如各類官能團化合物的物理性質不再講解,而是讓學生自己去查找資料,不僅加深了對物理性質的理解,還培養了學生自學的能力。
2.研究課程新體系
新體系把有機化學課程分成三部分,基礎知識(或稱概論)篇,主干內容篇,前沿交叉知識運用篇。
將分散在整個課程的各章節的化合物的結構與基本性質、命名、同分異構體、結構表征(四大譜)等內容集中,構成課程的基礎知識篇。好處是提高了課程的基礎,為后續課程內容學習做鋪墊,節省學時,集成了知識模塊。飽和烴、不飽和烴、芳香烴、鹵代烴、含氧化合物、含氮化合物構成有機化學的主干篇,主要介紹各類官能團化合物的結構與反應。其中通過(2n+2)個π電子規律將具有芳香性的芳烴和雜環化合物組合成一章,由加成-消除反應機理將羧酸及羧酸衍生物融合成一章,鹵烴/金屬有機、含氧/含硫化合物、含氮/含磷化合物分別組合成一章,天然化合物分散到相應的章節中。組合結果強化了課程內涵聯系,縮減了篇幅,節省了學時。糖、氨基酸蛋白質、類脂核酸、有機合成基礎為前沿交叉知識應用篇,改用反應原理為主線組織課程,知識連貫順暢,內容容易理解,前兩篇的基本理論和基本反應得到了鞏固、應用和深化。
改革后的課程體系,體現有機化學是研究有機化合物的來源、制備、結構、性能、應用及有關理論和方法的科學。課程的起點提高,內容深化,學時減少,體現課程的基礎性,符合認知規律,為自主學習留有空間。
3.研究式教學方法的探索與實踐
研究式教學方法起源于問題式教學的方法(PBL),是以學生為本的教學方法。筆者認為只要是實現以教師為中心向以學生為中心轉變,以課堂單一教學形式向以圖書館、實驗室、科學實踐多種教學形式轉變,以灌輸的方法向以啟發、引導、研究等多種方法轉變,以“一次成才”為目標向培養“終身學習能力”為目標轉變的教學都屬于研究式教學方法范疇。不同的課程會衍生出多種形式,有機化學教學團隊探索實踐了多種教學模式,其中包括:
(1)研究式討論課。基本做法分六個步驟:教學設計、提煉問題、公布問題、集中討論、教師總結和提煉新問題等。多數學生對研究式教學模式是積極參與和支持的,學生由知識的被動接受者變為知識的主動構建者,教師由知識的傳授者變為知識構建的引導者。不僅訓練學生解決技術問題的能力,還要培養學生適應環境、與人溝通合作及協調各方面關系的綜合能力。
(2)對比遷移式教學方法。對比遷移式教學方法是引導學生將已學的知識在變化的情景中對比分析并加以運用,以實現掌握新知識的教學方法。這一方法特別適合有機化學課程,例如:以反應規律為主線將烯烴的知識遷移到二烯、炔、小環烷烴,芳烴的知識遷移到雜環化合物、酚、芳胺、芳酸等,鹵烴的知識遷移到醇、醚、環氧化合物,醛酮的知識遷移到羧酸及其衍生物,醇醛酮的知識遷移到糖等。每組前面的內容精講、細學、討論深透,后面的內容粗講、引導討論,給學生充分的自主學習空間。探索出“重點講解-對比討論-提高終身學習、知識應用能力”的有機化學教學新路子。
4.探索與教學模式相適應的考核方式和考核內容
依據課程體系的特點和當代大學生學習的特點,本課程實施大課化小課的考核方式,采用閉卷和開卷兩種考核形式。大課化小課考核也可以期中考核50分,期末考核50分,考過的內容不再特意考核,促使學生把精力放在平時知識積累上,減輕學生的負擔。閉卷考核增加主觀題目,引導學生自主學習主動思考,展示知識運用能力,幫助學生弄清概念,從課程整體高度掌握知識體系。開卷式考核是一個包含所學過大部分內容的合成題目,給學生較長的時間,查閱資料,相互討論,寫出報告,完成考核。組織集中交流典型的試卷,相互借鑒,是一次復習深化過程。
5.研制課程教學新資源
配合研究式教學,有機化學教學團隊研制出版了一批體現現代信息技術和教學手段的教材和教學輔助資料。
(1)在高等教育出版社出版四套立體化教材:“十一五”國家規劃有機化學立體化教材(《有機化學》第2版、《有機化學學習指導》、《有機化學課堂教學軟件》2.0版和《有機化學電子講義》,共四部),其中《有機化學》第2版被評為2008年精品教材、“十二五”規劃教材;“十一五”國家規劃有機化學實驗立體化教材(《有機化學實驗》第4版、《有機化學實驗助教性課件》2.0版、《有機化學實驗助學性課件》附在書后,共三部),其中《有機化學實驗》第4版獲得大連市優秀科技著作一等獎;雙語教學示范課用書立體化教材(Organic Chemistry、Organic Chemistry Experiments,共二部);校際聯合編寫工科基礎化學系列課教材中有機化學立體化教材(《有機化學簡明教程》、《有機化學簡明教程學習指南》、《有機化學簡明教程電子教案》,共三部)。
(2)研制新世紀“有機化學網絡課程”,獲國家優秀網絡課程榮譽稱號。這是精品課程之前的工作,“有機化學網絡課程”是一種新的教學模式,又是一種新的教學手段,也是精品課程順利轉型升級為精品資源共享課的基礎。
二、共享是精品資源共享課的特點
1.建設精品資源共享課,教學隊伍是關鍵
有機化學及實驗現有教學師資隊伍包括六名教授、四名副教授、兩名講師和實驗室工作人員。其中一人為高等學校教學名師獎獲獎者,兩人為遼寧省教學名師;一人在國外教學進修過一年,負責電子資源建設和網上傳輸技術處理;一人負責國家雙語示范課教學;五人在教育部高等學校教師網絡培訓中心授過課,直接學習的有機化學教師上千人,錄制了一批授課實況。優秀的教學隊伍保證了課程能夠實現共享。
2.基本資源系統豐富,適合網絡傳播
課程介紹、教學日歷、教學大綱、課程結構、重點難點解析、習題作業、課程總結、試卷、重要參考資料(網絡鏈接,紙質資料目錄)、講課錄像等資料齊全,網上傳輸流暢。除此之外,還提供了有機化學及實驗課程特有的基本資源:實驗教學錄像,實驗整體安排要求講課錄像(在高校教師網絡培訓中心授課錄像),數字化模擬分子模型的制備與應用授課錄像(在高校教師網絡培訓中心授課錄像),有機化學雙語教學部分錄像(在高校教師網絡培訓中心授課錄像),2005年、2008年二次出版的電子講義(高教出版社免費贈送)和開放實驗教學等資源介紹。
三、協同創新建設教學資源
協同創新是指按照精品資源共享課的要求,研制拓展資源。有機化學教學團隊研制了下述新資源。
1.研制數字化模擬分子模型庫
研制了有機化學教學常用的近500個化合物的數字化模擬分子模型,每個化合物有8種分子模型,并用于教學,既是教學新內容又是教學新手段。在國外,數字化模擬分子模型用于教材編寫僅限于近十年幾本流行的優秀教科書,用于教學也僅是幾所名校。將靜電勢能圖模型的彩色標改成黑白色標,用于紙質教材可降低印刷成本。
2.研制模擬計算實驗
隨著教育教學信息化技術的發展,現代化學教育發展趨勢是從單純動手實驗轉向動手實驗和模擬計算實驗兩方面培養學生解決實際問題的能力和創新研究能力。為此,有機化學教學團隊研制了一批模擬計算實驗,經少數學生試用效果較好。
3.校際聯合編寫工科基礎化學系列教材
參考“化工類工程教育專業認證標準”(試用)和“化學工程與工藝專業指導性培養規范”(草案)的要求,大連理工大學(有機化學)、天津大學(無機化學)、浙江大學(分析化學)和北京化工大學(物理化學)聯合研究編寫了工科基礎化學系列教材。高等教育出版社出版后,經過2年使用,反映很好。有機化學教學團隊負責編寫有機化學立體化教材(共三部)。其中《有機化學簡明教程》是按精品課程研究的新課程體系編寫(學時數為60左右),數字化模擬分子模型貫穿全書。
參考資料:
[1] 教育部關于啟動高等學校教學質量與教學改革工程精品課程建設工作的通知[Z]. 教高[2003]1號.
[2] 教育部關于國家精品開放課程建設的實施意見[Z]. 教高[2011]8號.
[3] 尹玉英,劉春蘊. 有機化合物分子旋光性的螺旋理論[M]. 北京:化學工業出版社,2000.
[4] S. Winstein et al. J. Amer. Chem. Soc. 1942, 64: 2780.
[5] Graham Solomons T W. Organic Chemistry,9th Ed[M]. John Wiley and Sons, Inc. 2008.
[6] 高占先等. ZL 2007 1 0158795.9(2008),申請號201110097447.1(2011),申請號201110233332.0(2012)[Z].
[關鍵詞]應用化學;實驗教改;三大模塊;多層次
[中圖分類號]G424 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3712(2014)13-0055-03[作者簡介]吳靜(1978―),天津人,碩士,鹽城工學院化學與生物工程學院講師,研究方向:化工分離技術。
應用化學專業是在應用化學二級學科基礎上建立起來的,具有理科、工科結合的特點。其目標定位是培養具有厚實理論基礎知識的、扎實實驗基礎技能的、富有創新精神的理工結合型應用化學專業技術人才。
根據創新型人才的培養要求,筆者以我校應用化學專業為研究對象,從專業實驗課程的設置出發,圍繞基礎性實驗、綜合性實驗和創新型設計性實驗三大模塊,合理劃分應用化學專業的實驗內容,初步探索如何提高學生的綜合素質及增強其創新能力。
一、應用化學專業實驗課程設置的主體思想
應用化學專業是理科與工科相結合的寬口徑多交叉學科,應重點培養學生對化學化工類學科相關知識的應用能力,需要學生具備扎實的理論基礎,以及提出問題、分析問題和解決問題的能力。因此本專業不單需要開設基礎性實驗課程,更需要加強綜合性、創新型設計性實驗的開放性教學。一方面對于實驗室中常用的儀器設備應保證學生可以熟練使用,通過創新型設計性實驗的設立,培養學生自主查閱文獻的能力,從而掌握實驗原理、實驗方案設計方面的知識,并能對實驗結果展開討論;另一方面培養學生運用理論知識解決實際問題的能力,在解決綜合實驗中出現的問題時需要結合多方面的知識加以討論,從而拓展學生思維,提高學生獨立分析和解決問題的能力。
二、設置應用化學專業實驗課程的具體方法及實施方案
筆者多年從事應用化學專業實驗的一線教學,發現傳統的實驗模式多以驗證性實驗為主,這使得教學方法單一,對學生綜合能力的培養極為不利。應根據學生實際情況,考慮我校本專業學生對知識的接受理解能力及循序漸進的理論原則,從基礎性實驗即驗證性實驗開始,逐步開展綜合性實驗,在這兩者的基礎上嘗試讓學生做創新型設計性實驗。
(一)開設基礎性實驗
應用化學專業隸屬于化學化工類學科,在學生大一大二時已開設化學類的基礎性實驗。專業實驗不同于基礎性實驗,但在教學方法上仍以四大化學基本操作訓練為主,須對實驗原理和操作技術要領詳細講解。某些實驗操作是學生第一次接觸的,應由指導教師認真示范,在實驗過程中適時指導,對實驗的要求以完成基本技能訓練為依據,幫助學生進一步加強對理論課程的學習及思考。
可根據我校應用化學專業課程設置的特點,安排相關實驗。我校應用化學專業有兩個專業方向,其一側重于工業分析,基礎實驗課程設置主要包括光化學分析、色譜分析等;其二側重于電化學專業,基礎實驗課程設置主要包括化學電源、環境電化學技術等。可通過針對本專業開設的基礎實驗課,使學生掌握基礎專業實驗的全過程。
(二)發展綜合性實驗
綜合性實驗是本科生實驗教學改革的特色項目,它對原有實驗進行精選并且加以完善更新。這類實驗強調采用啟發式教學法,重點培養學生對問題的分析、解決能力,在已經達到一定基本實驗技能的基礎上,指導學生通過對原料的合成、對成分的分析及對物質性能的測定,提高學生綜合運用化學實驗的基本理論的能力。如我校開設的綜合實驗有機化工產品分析,這門實驗課程將工業上常見的有機化工產品,如癸二酸、甲醛、尿素、味精等進行了綜合分析,包括熔點的測定、水分的測定,以及其中某一成分的確定,運用了多種實驗方法,如化學分析法、儀器分析法,使用的儀器包括顯微熔點測定儀、紫外可見分光光度計、旋光儀等。再如有機合成綜合實驗這門課程,通過讓學生查閱文獻資料,找出最佳合成方法,對合成出來的產品進行精制、提純,并測定其物性,對其結構進行表征。在整個實驗教學過程中,加大綜合實驗的配比,將原有的簡單化合物的測定及合成更新為化合物合成并對其產品性能進行測定的綜合實驗,可提高學生綜合運用化學知識的能力。
(三)設立創新型設計性實驗
創新型設計性實驗又稱為探索性實驗,即通過基礎性化學實驗及綜合性化學實驗的學習、訓練,應用化學專業的學生應該在掌握理論知識的同時完全掌握基本的實驗操作技能。從文獻的查閱到實驗方案設計、實驗方法和條件的選擇,最終完成數據處理分析等一系列完整的實驗過程,由此將學生的知識能力轉變為研究能力,培養學生的獨立思考能力及創新能力。
借助前人的工作經驗是開設創新型設計性實驗的基礎,積極思考與歸納研究對象,大膽設計與探索未知因素,可以發展學生獨立研究工作的能力。如我校開設的化學創新型設計性實驗中合成一種物質的方法有許多,可要求學生查閱不同的文獻資料,然后根據所查資料分組實驗,最后比較考察通過不同方法合成出的產品的得率有何不同。
三、應用化學專業實驗教學改革的作用與特點
通過上述實驗教學的改革,系統地設計了實驗教學體系,科學地安排了實驗的教學內容。摒棄過去實驗教學簡單、分散、缺乏創新的特點,得到有利于培養應用化學專業應用型本科創新人才的一套完整、合理、科學的實驗教學體系,使學生扎實地掌握了本專業的學習特點,并實現下列目的和創新要求。
(一)進一步整合資源,構建高質量的實驗教學平臺,達到培養創新型、應用型人才的目的
一是培養了學生的動手能力并形成科學的工作作風,依賴于基礎性實驗,使學生具有扎實的基礎;二是培養學生綜合分析、解決問題的能力,依靠綜合性實驗的設立,可以使學生構建完整的知識體系;三是培養學生發現、解決問題并以此設計解決方案的能力。將現有實驗資源進行整合,從認知規律出發,由構建理論作為指導,從而實現了教學目標,培養了適合現今社會發展需要的具備創新能力、應用能力的人才。
(二)重點建設實驗室功能和實驗教學過程重組,完成建設和應用網絡資源的實踐教學體系
圍繞實驗教學管理和示范中心的示范作用進行資源的配置與優化,開展實驗教學改革,構建基礎實驗教學平臺和綜合設計型實驗教學平臺,實現實驗教學軟、硬件教學資源合理共享和購置。
在實驗教學內容的調整上,我校應用化學專業與實驗中心聯手,堅持理論教學與實驗教學相結合,利用學校的產學研中心將校內的課堂教學與校外的實踐教學相結合,利用科學研究、學術交流、社會實踐等各種不同渠道追蹤學科發展的最新特點、趨勢,由此不斷更新教學內容并且對不同類型實驗教學的規律進行總結。
四、結束語
經過多年的探索,以應用化學專業學生為主要實踐對象,采用三大模塊的實驗教學體系,以及三個層次的實驗教學方法,使得學生的基礎實驗能力得到加強,培養了學生的創新能力,又滿足了現代企業對大學畢業生的實際要求。
從今后的發展方向來看,任課教師應不斷提高自身的學術修養,提高自身素質,了解當代科學研究的前沿信息,從而開闊學生視野、拓寬學生知識面,充分發揮學生的主動性和創造性,培養具有良好創新意識和實踐能力的應用化學專業人才。
參考文獻:
[1] 梁紅,等.研究創新性實驗教學開展的探索與實踐[J].化工高等教育,2010(5):53-56.
[2] 孫希明,郭紅宇,陳艷英,等. 化工專業實驗教學改革和創新人才培養[J]. 實驗技術與管理,2005(7).
[3] 李沅,曹亞峰,王大鷙.高校應用化學專業實驗教學的探索[J].科教導刊,2013(4).
[4] 郝志峰,余林,李永峰,等.構建應用化學專業實驗教學新體系的探索[J].廣東化工,2009(2).
[5] 鐘東臣,盧偉.化學實驗探究的教學模式及其應用[J].實驗教學與儀器,2007(4).
[6] 包錦淵,梁永欣.談應用化學實驗課結構的改革[J].青海師專學報:自然科學版,2001(6).
[7] 曾坤偉,何錫輝,等.應用化學實驗改革探索與實踐[J].高等理科教育,2006(6).
關鍵詞:鑄型材料基礎;教學研究;教學實踐;有效教學方法
中圖分類號:G642.0 文獻標識碼:A 文章編號:1671-1580(2017)02-0114-05
“鑄型材料基礎”是我校材料科學與工程學院和京江學院為材料成型及控制工程專業四年級本科生開設的一門專業選修課程。眾所周知,鑄造是材料成型的主要方法之一,是機械行業最基A的產業,而鑄型材料又是鑄造工藝中最基礎的內容。因此,對材料成型專業的學生來說,努力學好“鑄型材料基礎”課程、增加相關知識儲備顯得尤為重要。近幾年來,在“鑄型材料基礎”課程的教學過程中,筆者以學生為主體,以多媒體教學為手段,配合本科教學改革工作,進行了一系列教學理念和方法的探索和實踐。本文將系統總結該課程在教學內容、教學方法和考核方式等方面的研究和實踐,從而達到及時吸取教學經驗、鞏固教學成效的目的,為傳統教學模式的改革和有效教學方法的引進奠定一定的基礎。
一、課程教學特點、目標及存在的問題
對“鑄型材料基礎”課程的講授和學習應特別注意理論聯系實際。為此,在實際教學安排中除了課堂授課外,還設置了專門的實驗教學環節。教材采用李遠才編寫的《鑄型材料基礎》一書。通過對本課程的學習,要使學生了解鑄型材料的類別、特點和發展趨勢,熟悉鑄造用硅砂的基本性質和性能、技術指標以及預處理方法,掌握典型黏土黏結劑砂、無機化學黏結劑砂和有機化學黏結劑砂的原材料及其配方、性能、制備工藝以及常見鑄造缺陷的產生機理和防止措施。
值得注意的是,該課程的內容涉及到硅酸鹽學、礦物學、陶瓷學、無機化學、高分子材料、有機合成、精細化工和鑄造工藝等諸多學科,遠遠超出了單純鑄造專業的知識范圍,是多學科結合的產物,理論性和實踐性較強,需要學習者具有較寬的知識面和扎實的理論基礎。其次,課程主要內容是以造型和制芯工藝的不同為依據進行分類介紹,如黏土黏結劑砂分為濕型砂、干型砂和表干型砂,有機化學黏結劑砂分為熱硬砂(包括覆膜砂、熱芯盒法砂和冷芯盒法砂)、自硬砂和氣硬砂,不同類型的工藝中鑄型材料的選用、配方等也完全不同,知識點分散,難以把握重點。此外,教學內容的安排上偏重于理論知識的講解,較少有具體實例,而實驗教學環節則主要針對個別的造型工藝進行實際操作和觀察,使學生的整體感性認識較為缺乏,對理論知識的理解和掌握也有較大難度。以上這些可能是造成學生對本課程學習興趣不強、學習效果差的根本原因。近5年來,對江蘇大學京江學院材料成型專業的145名學生進行了“鑄型材料基礎”課程學習難度和興趣的調查,結果顯示,認為課程學習困難的學生占55.17%,對課程學習不感興趣的學生比例高達75.86%,如圖1所示。
因此,為了充分調動學生對本課程學習的興趣,有效降低學生學習的難度,幫助學生鞏固和加強對本課程理論知識的認識和理解,對現有教學內容和模式的改革刻不容緩。在近幾年來本課程的教學中,筆者針對上述問題,就教學內容優化、教學手段改進、考核方式調整等方面一直在進行一些有益的教學研究和教學實踐,取得了初步的效果。
二、課程教學內容優化
要充分調動學生學習的興趣和積極性,使他們由被動學習、被動接受轉變為主動學習、主動思考,首先必須要有實用性和趣味性強、特色鮮明、重點突出的教學內容。“鑄型材料基礎”課程具有理論與實踐緊密結合的特點,如果和其他基礎理論課程一樣只注重對教材中理論知識內容照本宣科式的講授,而忽視結合實際問題或實例進行深入的探討和剖析,就難以獲得理想的教學效果,學生對知識的運用能力和實踐能力也難以得到充分的鍛煉。另一方面,單純就課程的核心教學內容來說,其涉及面非常廣泛,知識點較為分散,鑄型材料的類型及規格很多,且應用于多種不同的造型和制芯工藝,工藝條件不同,對鑄型材料成分、配比和性能的要求也大不相同,如果簡單地按照教材提綱講解,不僅會很枯燥,而且很難抓住重點。為此,經過幾年的教學研究和實踐,以教材內容為基礎,結合專業培養需要和課程特色,對本課程的教學內容進行了系統梳理和優化。總的來說,主要包括以下幾個方面:
(一)突出重點內容,提高效率
由于課程內容很多,而課時又很有限,因此教學時應當將每一章節中基礎性的內容和學生難于理解的部分作為重點講解,以便提高講授和學習的效率。例如,第一章緒論中將“砂芯的分級”、“砂芯黏結劑的分類與選用”作為重點,第二章型(芯)砂用骨干耐火材料中確定“鑄造用硅砂的性能”和“原砂的預處理”為重點內容。講解時的側重更容易集中學生的注意力,使學生獲得深刻印象,能很快抓住學習的重心,達到事半功倍的效果。
(二)強調理論基礎,促進理解
課程中理論基礎部分往往是學生難于理解的內容,也是與相應造型工藝和質量控制直接相關的內容,不能弱化,而應當作為難點深入講解。例如,第三章黏土黏結劑型(芯)砂中“黏土的結晶特征”作為理論基礎部分,涉及到晶體結構理論,而且直接決定著普通黏土和膨潤土不同的黏結機理、性能和應用場合,因此在教學中根據晶層結構和鍵合方式等進行化學式的推導和結構特點的剖析,幫助學生明確普通黏土和膨潤土的結構和性能之間的區別和聯系,使他們更加容易理解和融會貫通。
(三)適當增補內容,拓展思維
鑒于教材中有些重要內容遺漏或闡述不夠透徹,導致教學內容組織上出現不連貫性,教學時思維容易受到局限,因此適當地增加補充了一些內容。例如,教材第四章無機化學黏結劑型(芯)砂中對鈉水玻璃砂的硬化機理僅略有提及,學生難以抓住其本質,因此在教學內容上補充了“鈉水玻璃中的平衡反應”,從化學反應和基團形成的角度進行講解;第五章熱硬樹脂黏結劑型(芯)砂中對熱塑性酚醛樹脂黏結劑的性能一筆帶過,學生對如何評價其性能感到很迷茫,因此在教學內容上增加了“酚醛樹脂的主要宏觀性能”,從定義、要求和測定方法方面向學生介紹酚醛樹脂的聚合速度、軟化點和流動性等性能評價指標。
(四)做好階段總結,幫助記憶
由于每一章節包含的教學內容很多,課堂信息量大,容易導致學生一邊學一邊忘,因此采用階段性總結的方法,幫助學生重復性記憶所學過的知識內容。具體來說,在多媒體課件上按照每一小節講課的內容列出總結清單,每一階段講課結束時空出5分鐘對清單進行總結說明,強調其中的重點和難點;下一階段講課開始時再用5分鐘對前一階段的講課內容進行回顧,結合對重難點部分提問的方式來加強學生的記憶。
三、課堂教學方法改進
多媒體教學已成為一種常規的現代化教學手段,具有直觀性、交互性、可重復性、針對性等特點。實踐表明,通過多媒體課件授課既可以調動學生的學習興趣,也能夠提高課堂教學效率。自2008年以來,筆者根據教材和教學內容自行制作了“鑄型材料基礎”課程的多媒體課件,其后又經過了多次的修改、調整、補充和完善,力求使其外觀精美,并具有較強的系統性、實用性、趣味性和針對性。在課堂教學上,充分發揮多媒體課件的優勢,激發學生的學習熱情,調動學生學習的主觀能動性。例如,在進行第一章緒論的學習時,并沒有直接按教材內容講解砂型和砂芯的制造方法,而是先通過圖片展示鑄造生產車間的實際操作過程,幫助學生增強感性認識,也擺脫了單純文字描述枯燥無味的感覺,極大地激發了學生的學習興趣。以多媒體課件為道具,還必須采用合理的教學方法,才能@得最佳的教學效果。這就需要在課前認真組織教案、規劃授課方式。傳統的講授式教學方法雖然被普遍采用,但其“灌輸”性容易使學生產生依賴心理,形成被動學習的習慣,因此還應適當配合一些其他的有效教學方法。近幾年來筆者在有效教學方法的運用方面也進行過一些探索和實踐,積累了一定的經驗。
(一)啟發式教學法
啟發式教學是指根據教學目標和學習的客觀規律,從學生的實際出發,采用多種方式,以啟發學生的思維為核心,引導他們自覺地、積極地學習和思考的一種教學方法。它強調以“教師為主導,學生為主體”,由授課教師提出問題開始,這些問題以學生已有的經驗或知識為基礎,引發學生生疑和思考,最后教師根據學生的回答進行點撥講解,以解除學生的疑惑。“鑄型材料基礎”課程內容雖然專業性強,但也是以物理、化學等理論為基礎的,因此在課堂教學中需要教師為學生創設基于理論的啟示性問題,引導學生運用所學知識和經驗來分析問題,獲得新知。例如,在第一章緒論中講解“型砂的結構”時,引導學生結合物理學中毛細現象思考型砂具有的毛細管,多孔隙特色有何好處和不足,結合潤濕理論考慮如何彌補其不足,并配合彩色示意圖實時給予點撥;在第六章自硬冷芯盒樹脂型(芯)砂中講解“自硬呋喃樹脂用催化劑”時,引導學生根據催化劑酸性的強弱判斷其催化效果,根據催化劑與水親和力的大小分析其適用范圍。由于有已學知識或經驗作為基礎,因此在好奇心和求知欲的驅使下,學生學習和思考的積極性很容易被調動起來,思維能力也能得到充分的鍛煉。
(二)探究式教學法
探究式教學也是始于問題,是指以學生獨立自主學習或合作討論為前提,圍繞教學內容,在教師的啟示誘導下,使學生能充分自由地表達、質疑、探究和討論問題,從而將所學知識用于解決實際問題的一種教學方法。它同樣重視學生的主體地位,強調親身體驗和合作探究,鼓勵學生發散思維、大膽懷疑,從而找到解決問題的方法。探究式教學中的關鍵是如何設置問題情境,幫助學生主動投入教學活動,為學生進行自主探究學習做好準備。在本課程第三章黏土黏結劑型(芯)砂中介紹“黏土屬型的鑒別方法”時,先列舉生活中不同材料吸水性不同的實例,學生會很自然地提出“能否通過觀察普通黏土和膨潤土與水混合后的黏度差別來鑒別它們?”由此就引導他們進入了自學探究環節。在第四章無機化學黏結劑型(芯)砂中介紹“鈉水玻璃膠凝時間的測定”時,先以化學中溶液配制為例說明加料順序的重要性,引導學生自主思考“配制鈉水玻璃與酸液的混合液時應當如何考慮加料順序?”學生在進入自覺學習和探究的同時進一步加深了對前面學習的“鈉水玻璃中的平衡反應”等理論知識的理解。適時采用這種探究式教學方法,可以很好地實現“以傳授知識為主”向“以培養能力為主”的轉變,使學生的自主學習能力、科學探究能力和創新能力均得到培養。
(三)對比式教學法
對比式教學是指潛移默化地引導學生將相近或相似的教學內容進行歸納和比較,使學生更好地理解和掌握各內容的共性和個性的一種教學方法。具體而言,它是將一些既有聯系又有區別的教學內容放在一起進行對比分析,明確其中的相同和不同之處,使學生能將各部分內容關聯起來,舉一反三,達到自行理解和掌握所學知識的目的。對比式教學要求授課教師在知識的廣度和深度上下功夫,以全面掌控課程的教學內容為前提來實現。筆者在教學內容優化和教學經驗積累的基礎上,將“鑄型材料基礎”課程中具有相似性和對比性的內容整理出來,在課堂教學時通過比較,加深學生對所學內容的印象,幫助他們抓住本質和重點,降低學生學習難度的同時還調動了學生學習的自覺性和主動性。例如,“緊實率”和“緊實度”都是黏土濕型砂的性能指標,字面上學生很容易混淆,但其含義和測定方法上有極大的不同,可以通過對比的方式來介紹;有機黏結劑中“熱塑性酚醛樹脂”和“熱固性酚醛樹脂”都是由甲醛和苯酚合成的,但其特性和應用場合完全不同,可以從合成條件和固化條件的區別上進行對比講解;“胺自硬酚脲烷樹脂砂工藝”和“酚脲烷/胺法工藝”采用相同的原材料,同屬于冷芯盒法,硬化反應機理相似,但前者為自硬法,采用液態催化劑,而后者為氣硬法,采用氣霧態催化劑,因此在具體工藝方面又有較大的差別,可據此進行系統性的比較。總的來說,這種對比式教學法有效增強了學生學習的興趣,幫助他們擺脫了面對新知識時的陌生感,提高了學習效率,使他們能在輕松的氛圍中更牢固地掌握這些專業知識。
(四)習題討論式教學法
習題討論式教學與通常的主題討論式教學有所區別,它是由教師將教學內容中各章節的重要知識點(包括基礎理論、疑難問題等)精心設計成練習題,指導學生在獨立思考的基礎上,參與課堂討論和解答,從而鞏固所學知識的一種教學方法。習題討論式教學具有系統性和針對性,在加深學生對所學知識內容理解和掌握的同時,能夠真正提高他們分析問題和解決問題的能力。通過幾年的教學實踐,筆者在2013年根據“鑄型材料基礎”課程中各章節的教學內容精心設計了一套題庫,包括了200余道不同類型的習題,涵蓋了各個章節的重要知識點。在習題討論時,根據課堂掌握情況和學生作業反饋,明確學生錯誤的共性問題后,從題庫中精選部分針對性和關聯性強的習題,供學生討論和解答。例如,在講解原砂顆粒組成的符號表示和平均細度計算時,學生普遍感覺文字表述枯燥且抽象,理解起來困難,在習題討論時通過給出不同符號表示和平均細度計算的實例,將其趣味化和具體化,學生學習的自覺性和積極性大大提高,通過參與解答和討論,既糾正了他們以前理解上的偏差,促進了他們對知識的理解、應用和擴展,還使他們的自學能力和獨立思考能力得到了實際的鍛煉。
四、課程考核方式調整
課程考核應當避免應試教育的傾向,不能偏離“以素質教育為核心”的目標。為了達到良好的教學效果,努力實現學生知識、能力、素質的協調發展,順應當前社會對人才素質的高要求,對課程考核方式的改革也不容忽視。在近幾年的教學實踐中,筆者對考核成績構成、期末考試題型等方面進行了一些調整。考核成績構成方面,除了平時考核(包括上課出勤率、課后作業)和期末考試外,還增加了實驗考核,突出了對學生知識運用能力和動手能力培養的重視,也符合本課程“理論與實踐相結合”的特點。期末考試題型方面,2013年以來以教案的完善和教學方法的改進(尤其是習題討論課的增設)為依據,在原來只有簡答題和分析論述題的基礎上,增加了填空題、判斷題和名詞解釋題三類題型,使考核的知識點覆蓋面更廣、分布更科學合理,更容易貫穿于整個教學過程中,學生也更樂于接受這樣的題型。
近幾年的教學實踐證實,教學內容上的優化、教學方法上的改進以及考核方式上的調整確實帶來了很好的教學效果。圖2為對江蘇大學京江學院材料成型專業的學生近5年來“鑄型材料基礎”課程考核成績分布情況進行統計得到的結果。可以看到,2011-2015年考核成績為良好和優秀的學生所占比例之和分別為31.82%、46.43%、50%、74.19%、58.83%,表明教學內容和教學模式的改革促進了學生學習的積極性,也一定程度上提高了教學質量。