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有机化学实验中最重要的部分就是有机合成实验,它在有机合成相关理论的基础上,通过实验教学,训练学生的实验操作技能,并掌握有机化合物合成的步骤和技巧,强化理论知识.然而,在有机合成实验中存在着诸多问题:常规型实验需要大量溶剂导致开支大;合成产物量多给环保带来负担;实验内容不成体系导致制备产物种类多,不便处理;实验设备传统老化,使得合成时间长,不利于培养学生对实验的熟练程度.绿色化学遵循“减量化”、“循环使用”、“回收再利用”、“再生重复使用”、“拒绝危险化学品”的5R原则,以“原子经济性”为核心内容,是改变有机合成实验教学现状的不二理念选择.因此,如何更有效地减少有机化学实验过程中对实验环境所产生的污染,培养学生的绿色化意识是有机化学实验教学改革的重点,实现有机化学实验绿色化教学、培养“绿色化学”人才势在必行.
一、实验规模绿色化
常规的有机合成实验量是经过长期实践确定的工业化生产最基础的实验量,但是过多的实验药品量在加大教学经费的同时,也加重了对环境的污染.高中化学中有机合成实验教学主要是为了验证某一个理论或事实,培养学生的观察、思考和动手能力,因此,采用微量型的有机合成实验是符合绿色化学思想的.微量化学实验缩小了实验的规模,它使用的实验仪器一般都偏小,如5 mL的圆底烧瓶、微型装置、微型仪器,实验试剂用量范围控制在100~200 mg,这种缩小实验仪器、减少实验试剂的做法不仅节约了实验时间,还减少了污染程度.例如,在合成对硝基苯甲酸时,常规实验中把6.8 g的硝基苯甲放入250 mL的三口烧瓶中进行氧化反应,合成物为4~7 g,如果采用微量合成,把硝基苯甲的用量减少到2 g,再将其放入100 mL的三口烧瓶中氧化反应得出反应物为1~2 g,是不妨碍实验结果的.
二、合成方法绿色化
现代有机合成正朝着高选择性、原子经济性和环境保护型三大趋势发展,,重点在于开发绿色合成路线及新的合成工艺,寻找高选择性、高效的催化剂,简化反应步骤,开发和应用环境友好介质.合成方法对于实现现代有机合成来说非常重要,在教学过程中教师在选择合成方法时要注重体现绿色化学的理念.例如,在制备乙酸乙酯时,为了防止浓硫酸造成不必要的实验事故,减少空气污染,我们可以选择固体路易斯酸来取代它.现在的有机合成实验中几乎都会装一个回流的装置,这种做法虽然会降低合成物的产量,但是它会恰到好处的吸收合成反应中产生的一些有害物质,是值得提倡的行为.
三、合成原料绿色化
目前的有机合成实验中用到的原料大多都是从石油中提炼的有毒化工原料,例如,有机合成时常常用到的甲酸会灼伤人体,刺激皮肤和粘膜;甲醇遇见明火容易引起爆炸,吸至体内易氧化成甲酸不利于人体健康;乙酸具有中等程度的腐蚀性和毒性;乙醇无色透明,杀菌效果强,容易误食.合成原料一般包含三方面,即溶剂、催化剂和原料.首先,我们要选择绿色的溶剂,虽然在有机合成实验中都不会选择水作为反应介质,其实水溶剂不仅有特殊的疏水效应,能够有效地进行重要的有机转化,而且它是低价、无毒无害的存在.有些化学家发现在水相加成反应中,选取水溶剂的反应比在有机溶剂中的反应产量高.其次,绿色催化剂的作用也不可忽视.缩酮目前的合成大都采用HCl催化,若用SnCl4/NaHSO4催化,则可以减少酸催化剂带来的污染,并且还提高了产率.最后,选择绿色的合成原料,阻止污染源,防止污染的发生.如果实验定的原料含有毒性、易挥发性,教师应当想法设法用绿色原料进行替换,如果替换不了,就减少用量并警示学生.
四、合成路线绿色化
高中化学有机合成实验内容基本都是相对独立的,为了覆盖所有有机合成实验的操作内容,实验过程往往造成资源浪费.把看似独立的实验内容组合起来设计出全新的实验步骤,一方面促使学生认真对待实验的每一步,细心操作,把有机合成知识融会贯通,另一方面减少了合成原料的使用,综合利用了实验产物,体现了绿色化学的原则.例如,我们可以用环己醇做原料设计一次组合式有机化学实验方案,首先用催化剂FeCl3・6H2O催化环己醇脱水制备环己烯,再把合成物环己烯作为原料经过H2O的氧化和Na2WO4/H3PO4的催化制备出己二酸,这样的做法深刻体现了绿色化学的思想,节约了成本,减轻环境污染,为学生树立绿色化学的观念做了一个良好的示范作用.
五、处理“三废”绿色化
从本质上看,教师要在高中有机化学教学中提高学生的能力并引导学生掌握相应的学习方法,也就是要有意识有目的的培养学生,引导学生形成能力、掌握方法.因此,在高中有机化学教学过程中,教师应该充分利用多样化的教学方法有针对性的开展教学,通过多样化的教学方法提高学生的自我探究能力、创新能力、逻辑思维能力等多方面的综合能力.例如,在学习乙烯的性质时,教师可以采用小组交流学习法,其目的在于完成基本的教学任务,引导学生通过实验操作获得更直观的认识,同时显著提高学生的实践操作能力、团队合作能力和探究能力.首先,教师按照一定的标准和条件对学生进行合理的分组,并要求学生根据所学的内容和乙烯的化学结构式推导乙烯所具备的化学性质.其次,教师组织学生以小组为单位设计化学实验,通过化学实验去验证小组得出的推论,并得到最后的结果.最后,教师对学生交流和讨论的结果进行总结和评价,完成课堂教学任务.在此过程中,学生在小组之间进行自我探究,发表自己的观点和看法并借鉴其他学生的思维和意识.同时,小组中间的学生参与化学实验的设计与操作过程,这就能够有效提高学生的实践操作能力和创新能力.通过小组交流学习法,教师进一步突出了学生在学习过程中的主体性,引导学生在实验过程中提高了自身的实践能力、创新能力等多方面的综合能力,同时也让学生掌握了探究物质化学性质的方法.
二、引导学生进行分享和交流
最后,教师必须明确的是,高中有机化学教学是一个互动交流的过程.其中,不仅仅教师能够教导学生,某些时候学生之间的交流更能有效提高学生的能力.还是以对乙烯的学习为例,通过师生互动,生生互动,师生互动,教师可以引导大家一起归纳出学习有机物的一般规律与方法:结构性质(物理性质、化学性质)用途制法(工业制法、实验室制法).有机物的结构:可以用模型(比例模型和球棒模型)来加深对其空间结构的认识;有机物的物理性质:可以从其颜色、状态、气味、熔点、沸点、密度、溶解性等来学习.有机物的化学性质:可以从其与单质、氧化物、氢化物、酸、碱、盐、氧化剂、还原剂等不同类型物质的反应来探究和总结.因此,教师需要在高中有机化学教学中引导学生分享自己的学习方法,分享自己获得的能力.换言之,教师需要为学生树立榜样,引导学生借鉴榜样所掌握的先进学习方法,并有效提高自身的能力和素质.这就需要教师加强与学生的交流与互动,营造和谐轻松的课堂教学氛围,进而组织学生在学习中分享自己的心得,使班级所有学生能够掌握更有效率的方法,并提高自身能力.总的来说,在高中有机化学教学中引导学生掌握方法并提高能力是高中化学教学发展的必然要求,也是现代教育发展的必然趋势.这就需要众多教师在实践教学中不断总结和交流,对传统教学的模式和方法进行改革,推动有机化学教学的发展与建设.。来的污染,并且还提高了产率.最后,选择绿色的合成原料,阻止污染源,防止污染的发生.如果实验定的原料含有毒性、易挥发性,教师应当想法设法用绿色原料进行替换,如果替换不了,就减少用量并警示学生.
三、合成路线绿色化
高中化学有机合成实验内容基本都是相对独立的,为了覆盖所有有机合成实验的操作内容,实验过程往往造成资源浪费.把看似独立的实验内容组合起来设计出全新的实验步骤,一方面促使学生认真对待实验的每一步,细心操作,把有机合成知识融会贯通,另一方面减少了合成原料的使用,综合利用了实验产物,体现了绿色化学的原则.例如,我们可以用环己醇做原料设计一次组合式有机化学实验方案,首先用催化剂FeCl3·6H2O催化环己醇脱水制备环己烯,再把合成物环己烯作为原料经过H2O的氧化和NaWO4/H3PO4的催化制备出己二酸,这样的做法深刻体现了绿色化学的思想,节约了成本,减轻环境污染,为学生树立绿色化学的观念做了一个良好的示范作用.
四、处理三废绿色化
关键词 药物合成 实验教学 操作能力
中图分类号:G712 文献标识码:C 文章编号:1006-1533(2013)15-0051-03
实验教学是药物合成教学的基础,实验教学可以很好地训练、培养学生的动手操作能力、观察查阅能力、思维想象能力以及语言表达能力等。通过实验教学还会对学生的世界观、思维方式以及道德修养等个人素质产生重要影响,这也是其他学科无法代替的[1]。笔者认为,在教学实践中,应根据学校的特色以及实验室条件,确定具体的实验教学目标和基本要求,并以此为基础建立合理的实验教学体系。
在药物合成实验教学中,要做好基本教学环节内容的把握和不断创新、改革药物合成实验教学这两方面的工作。
1 基本教学环节内容的把握
药物合成实验教学相对于单纯的理论教学来说具有一定的特殊性,它不仅需要理论知识,对动手操作能力以及实验器材等条件都具有一定的要求,它是学生在学习专业基础课后更进一步学习的专业实验课。
1.1 实验之前应做好充足的理论知识准备
在药物合成实验之前,应该让学生具备充足的理论知识。只有掌握了基本的化学理论,才能更好地让学生展开抽象思维,才能让他们具备科学的实验方法,使学生的知识更加系统化。
想要学生带着充足的理论知识去做实验,那么我们不妨在理论学习上下点功夫。比如,在学生学习理论知识时,首先将要学习内容的重点、难点以及注意点、安全知识等先告之学生,让学生提前针对问题学习、对实验内容进行预习。这样学生知道了哪些是难点,哪些是已经学习了的,哪些是还需要继续思考的,就能在上课时与老师共鸣,不仅可以大大提高课堂效率,而且能够化繁为简,降低学生学习的难度,此外,在一定程度上还能够提高学生的求知欲望、学习积极性以及学习兴趣。在教授理论知识的同时,可以在需要进行实验验证的地方加以说明,时间允许的话可以简单地将实验基本流程讲述一下,让学生做到心中有数,这样学生在做实验的时候就能够效率倍增。
1.2 提高药物合成实验教学的效果
应不断提高药物合成实验教学的强度和力度,加强对学生的动手能力和综合实验能力的培养。良好的动手能力和实验操作能力其实不仅关系到学生的最后成绩,也关系到学生日后参与工作的能力。为了更好地培养制药人才,我们应该提高药物合成实验教学的强度和力度。如更新、充实实验内容,在实验项目选择上使反应类型不重复,实验内容结合行业需求、贴近工业化大生产实际,注重学科的发展、延伸,增加与其他学科的交叉,让学生在有限的课堂教学上学到更多的技能,提高学生的综合应用能力,使之能够更好地适应未来的工作和现代制药行业的发展需求[2]。
药物合成实验教学可分为验证实验教学、综合实验教学以及设计实验教学。
1)验证实验教学。验证实验教学是在实验方案已经成熟的条件下,只需要学生按照已定的操作步骤进行操作验证即可,主要包括性质实验和简单的药物制备实验,并且会涉及到一些有机合成中的基本技能操作,学生按要求完成实验操作没有什么大问题。通过验证实验教学(如诺氟沙星、阿司匹林的定性鉴别实验;维生素类和抗生素类药物的性质实验;乙酰苯胺制备实验等),学生对所学的理论知识将有更直观的感性认识,实践技能、理论联系实际的能力也能得到锻炼[3]。
验证实验教学过程中要求学生在实验前了解此次实验的目的、原理、具体操作流程,以及在实验过程中可能会遇到的突发性问题和其防范处理的方法等。在实验中,学生一定要仔细观察实验现象,做好实验记录。实验后要认真处理实验数据,写好实验报告。
2)综合实验教学。综合实验教学和验证实验教学有相似之处,两者的实验方案都已经成熟,在实验中都要严格遵循实验要求。不同的是,综合实验的实验过程比较复杂。综合实验包括多步反应(涉及多种单元反应)、多种操作技能的综合应用,对学生理论知识的掌握程度要求和基本操作技能要求也比较高[4]。如新戊二醇的萃取实验、磺胺醋酰钠制备实验及盐酸普鲁卡因制备实验等,是从初始原料开始的多步骤合成实验。
3)设计实验教学。设计实验教学相对于前两者来说更复杂,要求也更高。设计实验是指运用已经掌握的理论知识去解决一些实际问题。具体是指选择一些实用性比较强的实验课题或者科研课题中的一部分内容,但老师仅仅告诉学生实验的题目和产品的用途,让学生无法“照方抓药”,必须自己去寻找相关的实验原理、物理数据以及实验方法和实验步骤等资料,再去设计相关的实验方案。在实验方案设计完成后交给老师进行审阅,最后在老师的严格把关下,学生亲自动手进行实验验证,然后发现问题,解决问题,完成实验。
设计实验中学生的自主参与性比较大,对学生理论知识的掌握以及实验操作能力水平都有较高的要求。同时,这类实验往往能够激发学生的实验兴趣,而且能够强化学生能力的培养和素质的提高。既能让学生做到理论联系实际,又能督促他们去学习综合设计实验的方法,也在一定程度上提高了他们分析问题、解决问题的能力,对他们的学习以及日后的工作都有着很大的帮助。
2 不断创新改革药物合成实验教学
一名优秀的化学教育工作者,不仅要掌握丰富的教学理论,有着丰富的教学经验,扎实的教学技艺,而且要有不断改革创新的意识。我们在保证教学质量的前提下,不断地探讨新的教学内容、教学方法、教学手段等,以此来提高药物合成实验教学的成果。
2.1 善于观察,不断改革实验方法,提高实验效果
化学中涉及较多的化学物质的分子结构及各种物理化学性质,十分复杂,一种实验方法或者实验手段只能针对某种或某类有机化学分子现象,要想获得更多的实验结果,更优质的实验效果,就必须针对不同的实验目的或特定类别的化学成分,设计、选择不同但行之有效的实验方法。
以对硝基苯甲酸制备实验为例,所用原材料均为对硝基甲苯,通过氧化反应得到对硝基苯甲酸。但我们选择不同的氧化剂——高锰酸钾和重铬酸钠来分别实验。学生抱着好奇的心态完成了实验,并认真讨论了两种实验的相似点、不同点以及各自的优缺点。笔者认为,这就是教学过程中应侧重之处,针对实验目的,利用物质的物理化学性质,并且借助化学手段进行适当改变,从而完成实验。
2.2 不断设计创新,强调实验流程的完整性以及个性实验的开设
现有的药物合成实验教学,大多强调对学生的实验操作技能的训练,在这种情况下培养出来的学生,虽然操作能力能够达标,但是对实验的理解以及综合性、灵活性就比较差,学生的综合素质不是很好,为此,要进行一些尝试性的改造,要强调实验流程的完整性,要让学生知道,一个完整的实验不单纯指某个步骤或者某个环节,它是由众多环节、众多步骤组成的。
2.3 改善考核方式,提高学生的自主思考意识和能力
考核是在学生学习过程中必不可少的一个环节,是对学生知识掌握情况的考察。考核会督促学生更加积极主动地去学习知识、理解知识、掌握知识。但是,如果考核方式不好,也会有一定的反作用,影响学生的学习成绩。
与课堂理论知识的学习不同,实验的学习从最初的预习到实验的操作、实验现象的观察以及最后实验报告的完成,耗费大量的人力、物力。所以,为了能够让学生提高实验效率,在较短的时间内做出较多的成绩,应该简化考核方式,让学生多花一些时间在实验过程本身,让学生能够获得更高的实验技能,对实验现象、实验结果有一个更加深刻的理解。
比如实验之前的预习报告,很多的预习报告都是照抄教材,根本就没有什么创新之处,更多只是形式上的存在。但是,实验报告就不一样,实验报告中的实验原理以及实验流程、实验步骤不能照抄教材,都是实验的真实描述,所以,为了提高效率,不如直接将其与实验教材结合起来,简化工作量,节省时间留给其他工作。
另一方面,在实验结束之后,老师对学生进行评价,最后以一个分数和评语的形式体现学生的实验操作水平。具体的分数可以对学生进行分类,评语则是进一步让学生明白自己哪些方面做得比较好,哪些方面还 有差距,需要继续努力。据日常教学的观察和思考,学生其实更关注老师在实验现场当场做出的实验分数评比,这样能够很快地回忆起自己哪些方面没有做好,甚至还有机会在考核之后再一次进行反思、实践。其实,除了给予评比之外,老师还应该发挥学生的主动性,让他们自己谈一谈实验的感想,比如在实验中收获了什么,哪些地方有失误,有没有建设性的意见等。这不仅有利于激发他们的学习兴趣,提高学习的积极性,而且能够促进整个教学实验环节的水平提升。
参考文献
[1] 陈道杰. 加强化学实验教学、培养学生的观察能力[J]. 宿州教育学院学报, 2006, 9(4):106.
[2] 陈娇娇, 王兵, 张慧春, 等. 以培养创新能力为核心改革药物化学实验教学[J]. 药学教育, 2012, 28(5): 50-52.
[3] 董艳萍, 田喜强, 乔秀丽, 等. 制药工程专业药物合成实验教学改革与探索[J]. 广东化工, 2012, 39(7): 23.
关键词:2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸;溶解度;关联;合成法
近年来含氟农药的开发十分活跃,2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸是合成杀菌剂噻呋酰胺的重要中间体[1-2],但到目前为止, 2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在水相中溶解度数据很少且不系统,在有机溶剂中的溶解度数据更是未见报道。文章测定了2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中溶解度数据,并且依据相关模型进行拟合,为2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸结晶工艺提供理论依据。
1 实验
1.1 试剂及仪器
2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸,aladdin,纯度 99.75%;玻璃溶解釜,河南洛阳黎明化工研究院提供;CS501型超级恒温水浴,上海圣欣科学仪器有限公司产;半导体激光检测系统,郑州大学激光研究所设计;
1.2 实验方法
采用合成法对2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度进行测定。向带夹套的玻璃溶解釜中加入一定量的溶剂,再加入准确称量的溶质;向夹套内通入循环水,循环水来自超级恒温水浴;开启磁力搅拌器,使固液两相充分混合。激光监视系统观察固相的溶解情况,并由计算机采集信号。升温由控制器来实现。随着溶解的不断进行,固相逐渐进入液相,信号增至最大值,工作站停止升温。该温度即为实验给定体系溶解度所对应的温度。拟合结果见表1。
2 结果与讨论
2.1 经验方程拟合结果
溶解度可以用温度的多项式方程表示为
式中,T 为绝对温度/K;a,b,c,d为参数。通过(1)式对2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定温度范围内所对应的所有体系中的溶解度数据进行了拟合(见图1),通过拟合得2.2 理想溶液模型
溶解度可以用理想溶液模型
通过(2)式对2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定温度范围内所对应的所有体系中的溶解度数据进行拟合(见图2),得到:A=-9061.40045, B= 22.21818, 拟合优度判定系数(R^2)为0.9980。
2.3 Apelblat 模型
Apelblat 溶解度模型假定溶液的热焓随温度线性变化,从Clausius-Clapeyron 方程推得溶解度随温度的变化关系为:
通过(3)式对2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在一定温度范围内所对应的所有体系中的溶解度数据进行拟合(见图3),得到:A=-95.86448, B=-3184.35343, C=17.28544 2,拟合优度判定系数(R^2)为0.99673。
3 结论
测定了一定温度范围内2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度。运用经验方程、理想溶液模型方程和Apelblat 方程对实验数据进行了关联分析,显示3种方程均能很好地关联2-甲基-4-三氟甲基-5-噻唑甲酸在DMF水溶液中的溶解度数据, 拟合优度判定系数(R^2)分别为0.99787、0.9980和0.99673。
参考文献
[1]刘安昌,周青,沈乔.新型杀菌剂噻呋菌胺的合成研究[J].世界农药,2012,34(3):26-27.
关键词:有机化学实验;教学改革;实践
中图分类号:G642.423 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)22-0042-02
化学是一门实验性的科学,而有机化学实验是一门独立的化学基础课程,该课程目的在于训练学生基本的有机化学实验操作技能,让学生掌握简单有机化合物的合成、纯化及结构测定方法;加深学生对化学基础理论、基本知识的理解,提高观察、分析和解决实际问题的能力,培养学生严谨和实事求是的科学态度。在高等师范院校化学专业教学计划中,有机化学实验所占的学时比重比较大,实验教学对于培养化学专业人才的重要性是人所共知的,所以有机化学实验的教学不容忽视。在过去的二十多年教学过程中,我们深刻体会到在有机化学实验的教学中首先要强化技能训练。下面谈谈我们在有机化学实验教学改革与实践的体会。
一、改革实验教学内容,突出操作技能训练
1.弱化性质实验,增加制备及综合性实验。有机化学实验一般由性质实验、基本操作实验、制备实验所组成。而目前高师通常所用的教材为华南师大等五校合编的?有机化学实验?(由高等教育出版社出版),此种实验类型只是验证了原先从教材中得知的结论,学习过程相对来说缺乏探索的乐趣。因此,在教学改革过程中增加设计性实验成了当前教学改革的一个重要方向。通过这种改革,我们淡化了原有有机化学实验教学的知识体系,而更注重于学生的基本操作、制备及综合性实验操作技能和产物的分离提纯方法等能力的训练上面。
2.增加开放性质实验。我们在实际教学过程中,根据中学化学教师教学的实际需要,对有机化学实验教材中的性质实验由传统的验证型性质实验改为设计型性质实验,在实验室的开放时间段,让学生有所选择地完成有机化合物性质实验的操作。
3.规范实验操作。高师化学专业是培养中学化学教师的摇篮,它要求学生有较强的动手能力。有机化学实验作为培养优秀中学化学教师的一门重要课程,它直接和长久地影响着学生的素质和能力。因而在有机化学实验操作过程中要求学生操作规范化,随着实验课程的进行,教师的指导重点也应有所改变。通过每次实验对每一个基本实验操作的反复训练,结果表明这种做法确实加强了本科生的实验操作能力,而且使他们养成了良好的规范实验操作的习惯。
二、开设设计性实验,培养学生科研素质
1.增设设计性实验,可以培养学生科研素质。有机化学实验的目的不仅仅是使学生获取知识,更重要的是要在以后的实际工作中提高分析问题和解决问题的能力。因此,在有机化学实验教学过程中,要设计有益于学生探究的环节。高师院校化学专业学生在大二阶段普遍地学习劲头较足,特别是那些有意向报考研究生的本科生,会强烈要求有机会自己设计一些实验探究的项目。这种情况下,我们可以让这些学有余力的本科生在周末或其他课余时间来完成自己设计的有机化学方向的实验以补充专业基础课时间和实验设施的不足。在实施实验前要求学生做好充足的准备,实验设计要求首先进行同学间讨论,写成预习实验报告后交给专任实验教师检查,并让专任教师提出建议后再形成完善的思路。选择让在进入实验室前有充足准备的本科生进行探究实验,这样不仅有利于达到预期效果,也能防止实验安全方面不良事故的发生。例如针对我校有机化学专业研究生有糖化学的研究方向,我们特开设了设计性实验“2,3,5,6-二-O-异丙叉基-α-D-呋喃甘露糖的制备”。实验课前要求先查阅文献,根据前面所学知识和所查阅的文献确定合成2,3,5,6-二-O-异丙叉基-α-D-呋喃甘露糖的路线。实验实施前教师先通过检查,认为实验路线及步骤可行后再开始实施。实验过程中若出现某些问题先要求学生自己解决,若解决不了,可以同学间或师生间进行讨论,实验结束后小组间进行比较和总结。通过此类设计性的有机化学合成实验,可以培养学生有机合成实验路线与步骤的设计、操作、结果分析及独立解决实际问题的能力,全面系统地训练学生有机化学实验操作技能和科学研究的素质,为本科生以后的工作及继续深造打下坚实的基础。有机化学(及实验)的两大支柱为有机合成与有机分析,在有机合成过程中所合成的产物的分离提取及结构鉴定也离不开有机分析。如何从天然产物中进行分离提取某一有机化合物大学有机化学实验教材中只涉及了生物碱的提取,如黄连中提取黄连素和茶叶中提取咖啡因。这两个实验只涉及简单的回流及升华法进行分离提取,以及薄层色谱技术,尚未涉及天然产物分离提取研究中普遍采用的柱层析(或称为柱色谱)分离技术,而且如何进行产物的结构鉴定尚未涉及。因此,在有机化学实验教学中开展生产实践性实验内容,是提高学生实践能力、提高学生考研与就业竞争力亟待解决的一个关键问题。为此我们增加了一个以类胡萝卜素的分离提取及结构鉴定的设计性实验。以从蕃茄中分离提取蕃茄红素或胡萝卜中提取胡萝卜素为研究目标,要求学生通过文献查阅和优选实验条件,寻找出一种适合于实验室学生实验的低成本、绿色环保的实验方案。通过专职教师的检查后再实施。通过本实验,学生掌握了天然产物分离提取常用的柱层析技术,学会了用薄层色谱检测有机化合物的技术,并学会用旋转蒸发仪进行浓缩的技术,以及用波谱分析法测定有机化合物结构的方法。通过该实验教学,也使本科生的有机化学实验教学紧密与现代科学研究相结合,从而提高学生分析问题、解决问题的实践能力。
2.高水平科研教师参与实验教学。有机化学综合性实验和设计性实验对高等院校培养创新人才是非常关键的,此类实验具有所需专业知识多、需要综合运用和实验难度大等特点。开设此类实验的目的是要提高本科生综合运用多学科知识与实际工作中分析问题和解决问题的能力,培养学生的创新能力,锻炼学生对专业知识综合运用的能力,以及实事求是和严谨的科学态度。如果能充分利用现有的高校科研资源,将科研背景、专职的科研教师融入有机化学实验教学中,可以帮助本科生在较短的时间内完成一些综合性设计实验,将对学生专业知识的运用及创新能力的提升起到非常大的帮助。高校科研教师参与有机化学实验教学也能保证实验教学队伍的稳定和实验教学水平的提升,也可为有机化学实验教学注入新的研究方式和实验教学思维,并有力地促进有机化学实验课内容和教学思想的更新。在设计性实验指导过程中如果能有较高水平的科研教师在有机化学实验思路和实验方法上给予适当地指导,对本科生的科研能力、创新能力的培养将有很大的帮助,这样培养出来的学生才能满足社会对创新型、实用型人才的需求。
总之,我们经过多年的有机化学实验教学改革与实践证明,高师有机化学实验教学改革是今后高师化学教学中的一项长期而艰巨的任务,培养化学专业本科生的创新精神和创造能力是当前和今后的教学目标,是当今时代的需要,也是化学教育的新课题。因此,高校教师需要更新教育理念,当好主导,把握新的机遇,迎接新的挑战,积极探索,努力实践,为社会培养出具有综合能力和创新能力的人才。
关键词:绿色化学;有机化学实验;教学改革
中图分类号:G642.0?摇 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)48-0204-02
一、有机化学实验教学绿色化的改革背景
近两年,环境污染越来越严重,社会大众逐渐开始重视生态环境,促使化工化学逐步向绿色化学转变。绿色化学就是用化学技术消除环境污染,它主要包括五个方面,分别是原料绿色化、催化剂绿色化、溶剂绿色化、反应绿色化、产品绿色化。伴随高等教育的蓬勃发展,高校实验室的数量迅速增加,实验室的教学和科研活动越来越频繁。高校的材料、化学化工、环境、医学等专业的基础实验课就是有机化学实验,有机化学实验离不开大量的有机药品和试剂,其中许多试剂是有很大危害性的,比如有毒、易燃、易挥发等,而且很多实验结束后会产生很多化学废弃物,如果不妥善处理好这些化学废弃物,将会给环境带来很大危害,最终实验室就发展成为一个严重的污染源。所以要将化工化学中的有机化学实验教学向绿色化学教学转变,加强学生的环保意识。传统的有机化学实验内容和实验方法已不符合绿色化学提出的新要求,为此笔者在从事有机化学实验的教学过程中进行了一些有益探索。
二、有机化学实验教学绿色化的具体措施
1.优选实验项目,体现绿色化学思想。在安排传统的有机化学实验项目时,教师首先考虑的就是实验中能被学生掌握的、实验现象明显的基础操作技能实验。而对实验的危害性、试剂的毒性、实验产生的污染性并没有足够重视,只是简单地告诉学生需要怎样防护。想要实现有机化学实验“绿色化”,要从教师的思维方式入手,首先树立教师的“绿色化”思想,筛选实验项目时首先考虑保护环境,在不影响实验教学目的的前提下,选择毒性危害小,环境污染轻的实验项目。如利用苯和液溴反应制备溴苯的实验中,苯会损害人类的造血系统,液溴的腐蚀性很大,现在已用正丁醇和溴化钠反应制备正溴丁烷来替代以上实验。
2.控制反应用量,推行使用微型化或半微型实验。试验中的试剂大部分都是易燃、易挥发的,并且一部分存在一定的毒性,在实验中除了储存试剂的安全隐患外,还存在环境污染等问题。为了减少这些危害,保证实验教学效果,我们把实验装置向小量、半微量和微型实验方向改进。这样就可以从根本上减少环境污染。通常把实验试剂用量减为常用量的1/2~1/5的改进定为微型化,减为常量的1/5~1/10的定为半微量,减为常量的1/10以下的定为徽量。这样大量减少了实验试剂量,减少了环境污染。另外,实验微型化后相应的试管夹、酒精灯、洗瓶也随之小型化,这样大大缩短了实验时间,降低了实验成本。另外,在进行小量化实验时,投入的实验用料减少,如果稍有不慎就可能造成实验失败。因此,在实验中要让学生充分重视起来,认真操作,这样也可以提高学生的实验技能,提高他们分析、解决问题的综合能力。
3.设计连续化的实验项目。安排实验时,用连续性实验的思路改革现行的有机化学实验。传统的有机化学实验都是相对独立的,它是以反应类型为出发点来设置的。所合成的产物不能得到合理应用,一部分在实验室统一处理,有的甚至直接倒掉,严重污染了环境。所以,我们要调整实验项目,实现连续化合成实验。连续化合成实验是根据实验内容和要求把一系列合成实验联系起来,将几个原本独立单一的实验合成一个连续实验。例如在“工业乙醇的蒸馏”实验中,得到的乙醇产品可留待“萘的重结晶”做溶剂,重结晶的母液能在下一个实验“简单分馏”中分离出来,回收的乙醇产品还能“从茶叶中提取咖啡因”,提取咖啡因后回收的乙醇由实验室统一保管,等下一届学生做实验时重复利用。这样不仅减少了废弃物的产生,更加节省了资源,保护了环境。
4.改进实验方法,加强超声波、微波等新的实验技术应用。最近几年,我国的微波、超声等合成技术得到了极大发展,主要体现在有机合成方面。微波是现在的一种新能量形式,它具有多方面的优点,如操作方便、设备简单、反应条件温和等。利用微波进行的实验具有反应时间短,产率高,试剂用量少,对环境友好等优点。如利用微波进行甲苯的硝化反应,大大提高了其对邻位比和产率,同时,反应速度也提高了10倍以上。
5.改进教学方法,充分发挥学生的主观能动性。从近几年有机化学实验教学的实际情况来看,存在很多学生重理论、轻实践的现象。常规的实验教学是进了实验室之后,指导教师会针对实验存在的潜在危险性尽可能详细地讲解实验中可能出现的问题和应对方法。长期以往就会淡化学生的预习意识,而只是被动地接受知识,缺少了独立思考的积极性。要让学生在课前,除了认真预习实验的原理、目的、步骤和方法外,还要了解实验所用药品、试剂的物化性质、污染机制及污染防治等知识,要让学生意识到化学药品、试剂使用不当会对自身以及周围环境造成危害。
6.加强实验废弃物的循环利用与管理。对于实验结束后无法再次利用的废弃物,应引导学生运用所学知识对其进行恰当地处理。①固体废弃物的处理。对于不能回收的废弃物,应该集中、统一进行掩埋、焚烧处理。②废液的处理。废液应倒入废液桶,对于一些大量使用的苯、乙醇和乙醚等有机溶剂,可以将溶剂重新蒸馏回收后循环使用。③废气的处理。实验过程中产生的废气,可以用物理方法或化学方法进行处理,如HCl气体可以用水吸收,溴蒸汽可以用四氯化碳吸收。学生通过自己对废弃物处理的研究,既可以提高他们将理论知识运用到实际中的能力,又能减少污染物进入环境中,从而保护环境。
总之,强化师生的环保意识和培养学生良好的实验习惯,是保证绿色化教学效果的前提。我们发现实验结束后实验台上会洒落很多试剂,很多学生在量取试剂时会多取,浪费的现象普遍存在。通过经常性的绿色化教育,这些问题已得到明显改善。要将绿色化学教学思想切实融入到有机化学实验教学的过程中,就必须遵循防止污染优于治理污染的原则,从点滴入手,自始至终做到合理安排、充分利用,不断探索,才能从源头上减少污染物的生成,有机化学实验教学绿色化才能真正实现。
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葛国文等[1]在对医学专业毕业质量追踪调查中发现,毕业生有明显的科研后劲不足的迹象,其中动手操作能力、综合分析能力最为欠缺,这与医学院校的实验教学有着直接的关系,其中实验教材的内容绝大多数为验证性的内容,从根本上限制了学生潜能的发挥。潘慧娟等[2]及我们多年的实验教学中的调查中得到如下结论:有较多的学生希望教师能作一些实验教学改革,增加一些综合性、设计性和开创性的实验,给学生一个探索实践的空间,以充分培养和发掘他们探索创新的兴趣和科研能力。乙酰水杨酸对从事化学的人来说是一个较为熟悉的有机产品,在有机实验教材中是经典的有机合成实验[3,4]。本实验的改进是,将其合成微量化和成组实验,用离心沉淀代替了抽滤分离,使实验时间大为缩短;乙酸酐和水杨酸的用量比例较教科书中大大减少;催化剂用碳酸氢钠等对环境友好的试剂代替了浓硫酸,实现了安全化、经济化、绿色环保化,并在操作手续和装置上作了简化,使实验能快速完成,全部实验内容在3~4h内很容易完成,为学生开展探索性实验创造条件。由于微型化学实验可以大量节约化学原料,减少环境污染,并能适当减少实验时间,还有利于培养学生严谨的科学态度,因此受到人们的广泛重视。
1 主要实验仪器和试剂
1.1 主要仪器
10ml的小试管;15ml的离心管;2.5ml的注射器;恒温水箱(±1℃);离心机; XT-4显微熔点测定仪。
1.2 实验试剂
水杨酸(C.P);乙酸酐(C.P,新蒸);无水碳酸钠(C.P);无水碳酸氢钠(C.P);无水硫酸氢钠(C.P);无水硫酸钠(C.P);磷酸氢二钠(C.P);磷酸二氢钠(C.P);磷酸三钠(C.P);浓硫酸(C.P);95%乙醇(C.P);FeCl3水溶液(1%);HCl(1∶3) (C.P)。
2 实验操作部分
2.1 乙酰水杨酸的合成方法及探索性实验方案
2.1.1 合成方法
向10ml干燥的小试管中加入约0.20g干燥的水杨酸和20mg无水碳酸氢钠作催化剂,用干燥的注射器加入0.3ml的乙酸酐。轻轻摇动后,放70℃的水浴中反应10min后取出,趁热加入5ml的冷蒸馏水和1滴HCl(1∶3)溶液并不断搅拌,然后置于冰水浴中冷却30min,小心用玻棒压碎结晶倒入15ml的离心管中,在离心机中离心分离,弃去上清液,并用冷水洗涤产品(3次,每次约0.5ml)后在离心机中离心分离,弃去上清液,得白色产品粗乙酰水杨酸0.22g,产率84%。
2.2 粗产品的精制
在2.1步骤中制得的上述各种粗产品加入约1.0ml乙醇(65%)水溶液,在热水浴加热至产品溶解完全,得到无色透明溶液,停止加热后趁热加入4.0ml温热的蒸馏水,如有结晶析出则在水浴中加热至结晶完全溶解后移出水浴,让溶液冷却至室温后,放入冰水浴中冷却30min。冷却结晶后,小心用玻棒压碎结晶,使析出的结晶沉于离心管底部,在离心机中离心分离,弃去上清液,滴入10滴蒸馏水洗涤结晶,再离心分离出水分,取出晶体并在滤纸上挤压、烘干。得白色结晶即乙酰水杨酸产品。产品在电子天平上称量约得0.16g。
2.3 产品的检验
取少许乙酰水杨酸产品,用约1ml 95%乙醇溶解,加FeCl3(1%)溶液1滴,溶液不显紫红色,说明产品中已无水杨酸。
在XT-4显微熔点测定仪中测定产品的熔点为136℃,达熔点时分解。
2.4 探索性实验方案的设计
让学生在其它反应条件不变的情况下分别使用不同的催化剂(如无水碳酸钠、无水碳酸氢钠、无水硫酸钠、无水硫酸氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸三钠、浓硫酸和磷酸等)、不同的乙酸酐的用量、不同的反应温度及反应时间等,这些反应条件由学生通过实验结果分析来确定最佳的反应条件。
3 讨论
3.1 本实验的优点
一是用离心分离的方法代替了抽滤分离,比文献[3,4]中的正常实验减少了反应步骤,缩短了实验时间,达到快速完成的目的;避免了产品在多个步骤中的损失,如粘在滤纸等,使产率大为提高,为实现微型化实验提供有利条件;可进行成组实验,为实现学生进行探索性研究的目标创造了条件。二是实验采用微型化,药品、试剂的使用量比正常的实验减少10余倍,能养成学生勤俭节约的良好习惯。三是用碳酸氢钠、碳酸钠等作催化剂对环境友好的化学试剂代替浓硫酸等试剂,对操作的学生而言安全性大为提高,同时对环境保护起到积极作用,使绿色化学的观念深入学生的心中;四是用注射器量取乙酸酐可提高准确性,也使实验的速度大大加快,保证整个实验能在预定时间里完成。
3.2 精减课时,提高学生动手能力
随着医学教育改革的不断深入,减少医学基础课程的教学课时数是大势所趋,如何利用有限的教学时间让学生完成更多的实验,掌握更多的知识,提高他们的实验技能和科研素质是我们亟待解决的问题。改革实验教材增加综合性、设计性和探索性的实验内容是提高医学生的实验动手能力和培养他们的科研素质的最有效的途径。本实验由于使用快速微型化的实验方法,使乙酰水杨酸的合成的时间大大缩短,为实现探索性实验创造了条件,以往最少要两次实验课如今仅一次实验课就可完成,达到了减少教学时数而教学内容不减少的目标。
3.3 指导学生将实验报告写成小论文
大学生在做医学实验时均应书写实验报告,这是因为实验报告既是实验课的重要内容,又是科学研究的一个重要部分,同时还是科研论文的第一手资料。小论文是一种新的模式,它介于实验报告和毕业论文专题之间,其新颖、简化、便于保存的特点更能激发学生的实验热情,有助于提高学生的兴趣、自信和写作能力。
乙酰水杨酸的制备是有机化学合成实验中重要的内容,其合成方法也有多种。在实验教学中以教材提供的合成路线为主进行合成,学生在实验前查阅其他教材、相关文献或数据手册,在对反应物、目标产物、中间物质的物理性质充分了解的基础上,选择合理的实验条件、设计实验细节,以提高产率、减少副反应为目的,也可尝试新的合成方法如微波合成等,也可就如何减少实验误差、及实验室污染方面进行讨论,形式多样。在合成实验中可以找到很多论文的题目。
参考文献
[1]葛国文,刘军,良.九0~九五届医学毕业生质量调查分析[J].中国高等医学教育杂志,2001(2):20-21.
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[3]伍琨贤.有机化学实验[M].北京:中国医药科技出版社,2004.
有机化学实验课程是化学及相关专业的重要必修课程.在教学方法和教学内容方面,传统有机化学实验教学存在一定的弊端.为了适应新形势下创新创业人才培养需要,从有机化学实验教学方法和教学内容方面,提出了一些改革意见和建议,以提高实验教学效率,培养学生创新创业能力.
关键词:
有机化学实验;教学改革;创新创业人才培养
2014年9月,总理在夏季达沃斯论坛上首次提出“大众创业,万众创新”的号召,要在全国掀起“大众创业”、“草根创业”的新浪潮,形成“万众创新”、“人人创新”的新态势.[1]2010年5月,教育部在《关于大力推进高等学校创新创业教育和大学生自主创业工作的意见》中指出:“在高等学校开展创新创业教育,积极鼓励高校学生自主创业”.[2]四川文理学院实施四年递进式创新创业教育计划,提出了“三新四能五复合”的人才培养目标,将学生培养成为具有高素质应用型、复合型人才.因此,开展基于学生创新创业人才培养的有机化学实验教学改革符合时展的要求.有机化学实验课程是化学及相关专业的重要必修课程,在基础化学实验教学中具有十分重要的作用.[3-4]随着高校教学改革力度的不断深入和创新创业型人才培养的不断加强,有机化学实验教学模式的改革也在逐渐推进.传统有机化学实验的基本功能是让学生掌握实验基本原理和基本技能,学会观察实验现象、正确记录处理实验数据和撰写实验报告.新形势下,随着应用性、复合性和创新性人才培养目标的确立,更加注重学生创新精神的培育和创业能力的培养.[5]传统有机化学实验教学已经不能满足人才培养的需要,因此推进有机化学实验教学改革具有十分重要的意义.本文主要针对地方应用型本科院校,基于创新创业型人才的培养,在有机化学实验教学方法和教学内容方面进行了积极的探索和总结,提出了一些改进的意见和建议.
1改革实验教学方法,培育创新创业精神
1.1传统教学方法主要存在的问题
传统有机化学实验教学方法一般按固定模式进行,课前学生预习,写出预习报告,课间教师先详细讲解实验中的关键技术问题,然后学生顺利的完成实验,课后学生按固定模式写出实验报告.这种教学方法完全是一种灌输式的教学方法,教师只注重实验结果,对实验过程漠不关心,学生不用开动脑筋,只需照方抓药,完成任务了事.导致实验过程枯燥,缺乏实验激情,容易造成思维定势,降低了学生的学习兴趣,不利于学生实验技能和创新创业精神的培育.[6]
1.2教学方法改革的举措
传统实验教学方法,不能体现“教为主导,学为主体”的教学理念.[7]因此有必要改变有机化学实验教学方法,处理好教师和学生之间的教学地位以及教和学之间的教学关系,才能使教师的教由主动变主导,使学生的学由被动变主动,有效的培育学生创新创业精神。
1.2.1开展启发式教学,培育学生创新创业观念
开展启发式教育,让学生通过实验预习提出本实验需要解决的问题,通过问题分析和查阅资料,提出问题解决方案,通过实验操作,最终达到问题的解决,将实验过程和实验数据进行整理,结合实验讨论和实验展望,写出实验报告.这种教学方法,让学生自己提出问题或带着问题主动去学习,着重于改变学生学习观念.例如苯胺制备乙酰苯胺实验,教师可以通过创设问题的形式启发学生思维:为什么要合成乙酰苯胺?从理论上怎么合成乙酰苯胺?实验过程怎样操作来合成乙酰苯胺?学生通过对这些问题的思考,逐渐认识合成乙酰苯胺的作用,逐渐了解合成乙酰苯胺所涉及的理论知识和逐渐解决合成乙酰苯胺的具体实验操作.引导学生建立正确的有机合成实验观念,即提出问题、分析问题和解决问题.创设实验问题情境,使学生对有机化学实验产生浓厚的兴趣,有利于培育学生的创新创业观念.[8]
1.2.2开展讨论式教学,培育学生创新创业思维
开展讨论式教学,让学生通过实验关键问题的讨论,解决实验过程中存在的疑问,达到理解实验原理,认识实验现象,掌握实验关键操作的目的.在做好实验的基础上,培育学生的创新创业思维.例如在有机合成实验中,开展实验原理部分的讨论,使学生弄清反应机理,认识反应过程中存在的副反应,有助于实现理论与实践的深度结合;开展实验步骤的讨论,使学生掌握实验合成方法和技术手段,有助于学生选择合理的实验方法和技术手段,有助于学生知识的积累和发散思维的培养;开展实验关键及注意事项的讨论,可以有效减少副反应的发生,提高实验操作技能和成功率;同时在实验报告中开展“反常”实验现象和实验结果的讨论,总结实验失败的教训和介绍实验成功的关键,供其他同学学习和参考.
1.2.3开展互动式教学,培育学生创新创业意识
为了改变传统实验教学中教师讲,学生听,然后按部就班的完成实验操作的灌输式教学方法.[9]我们在有机化学实验教学中开展了互动式教学,主要体现在以下两个方面,一是,学生参与讲课,教师和学生角色互换.每学期教师拿出2~3个实验项目让学生进行讲解,为了讲好一堂课,学生可以充分利用课余时间查阅相关资料,并可以到实验室做准备实验,亲身体验实验前的准备工作;讲课结束后,教师和学生都可以提出相关问题,讲课的学生能对提出的问题给予解答,最后老师可以补充并帮助回答问题,让学生正真感受到讲好一堂课的艰辛,使学生感受一堂完整实验课不仅需要丰富的知识,还需要较强的实验动手能力.二是,学生参与实验改进.其实实验方法都不是唯一的,并且教材上的这些方法也并不一定是最好的,很多实验我们都不一定要按照书上来做,可以进行实验改进.例如:环己酮的制备实验,教材用铬酸氧化环己醇,实验过程中经过多步萃取分离,最后得到产品.我们对实验进行了改进,待氧化反应进行完全后改成蒸馏装置,根据环己酮和水形成共沸点,将环己酮从反应物中分离出来,改进以后,实验操作简单,实验产率提高了10%~15%.可见,开展互动式教学可以留给学生更多的探索空间,让学生主动去学习,主动去尝试,主动去创新,发掘实验中存在的问题,提出改进意见或建议,增强学生创新创业意识.
1.2.4开展研究式教学,培育学生创新创业精神
有机化学实验不仅可以验证理论,更重要的是通过有机化学实验的学习可以提高实验技能,从而达到开展实验创新和科学研究的目的,因此开展研究式教学在有机化学实验教学中尤为重要.可以从以下几个方面进行实施:一方面,开放实验室.实验室在满足正常教学的情况下,应该向学生开放,学生可以根据自己的兴趣或实验任务,在教师的指导下,完成一定的课外实验.开放实验的开设有效避免了学生相互依赖的现象,学生的积极性和主动性明显提高,有利于培育学生独立思考问题、自主决策、科学研究和创新创业精神.另一方面,加大大学生科研立项和创新创业训练计划项目的力度.学校或二级学院应鼓励大学生开展创新创业项目或应用研究,激发学生开展研究或创新创业热情,培育学生适应社会、敢于挑战和创新创业的精神.要使科研项目成功立项,必须查阅大量文献资料,了解本学科最新动态和知识前沿,要顺利完成科研项目,必须具备较好的实验能力和良好的实验素养.学生的研究成果将成为他们不断前进的无限动力.最后,开展实验竞赛活动.学校或二级学院应当加大实验竞赛活动力度,筹办或参加各级各类实验竞赛活动.实验竞赛活动的开展,有利于培养学生的团队合作精神,有利于培育学生的创新创业精神,更有利于推动有机化学实验教学的提高和发展.开展实验竞赛活动,给学生一个发挥技能的舞台,为优秀学生脱颖而出创造条件.
2改革实验教学内容,培养创新创业能力
2.1传统教学内容主要存在的问题
传统有机化学实验在教学内容的编排上,主要注重了学生对基本原理和基本技能的掌握,而忽视了学生的创新发展和创业驱动.实验内容分为五部分:有机化学实验的一般知识、基本操作和实验技术、有机化合物的制备、有机化合物的性质实验和理论部分.其中基本操作和性质验证实验占有相当大的比重,并且实验内容与生产实践没有太大联系,内容相对陈旧,技术相对落后,对学生的实验认知性教育具有一定作用,对学生的创新发展实在没有太多的体现,对学生的创业需求没有指导意义.按现在实验内容教学,学生只需“照方抓药”,无需思考问题,更不需要查找资料,缺乏自主学习的积极性.不利于实验基本功能的发挥,不利于学生创新创业能力的培养.
2.2教学内容改革的举措
针对有机化学实验教学内容上存在的弊端,建议对有机化学实验内容进行重新整合和编排,其内容主要分为有机化学实验的一般知识、基本操作和实验技术、综合性实验、设计性实验和创新性实验五大部分.实验过程中注重基本操作训练,加强综合性实验,加大设计性实验,增设创新性实验,从而增加实验的实用性.达到增强学生学习兴趣,培养学生创新创业能力的效果.[10]
2.2.1注重基本操作训练,培养学生基本操作能力
基本操作和实验技术是有机化学实验的基础,学好基本操作训练,是培养相关创新创业人才的前提条件.只有在练好基本操作的基础上,才能出色的完成后继的实验任务.例如:重结晶实验,蒸馏实验,萃取实验和色谱实验等都是基本操作训练的核心内容,是有机化学实验中最基本、最重要的实验技术,若不能熟练掌握这些基本技能,在以后的合成综合实验中却无法完成相应的实验任务,产品的提取和纯化就不可能实现.因此只有注重学生基本操作训练,才能达到熟练掌握,实现学生基本操作能力的培养.
2.2.2加强综合性实验教学,培养学生综合运用能力
综合性实验是指将原有有机化学实验中的合成实验和性质实验,甚至部分基本操作实验进行有效的整合后,形成的一种新的实验形式.其表现形式包含下列几个方面:一是,性质实验与合成实验相互融合.例如:在开设环己烯的合成实验时,可以将烯烃的性质实验融合其中;溴乙烷的合成实验,可以将卤代烃的性质融合其中等.以往单列的实验进行从新融合之后,节省了时间,增加了知识之间的相互联系,提高了实验效率.二是,多个实验串联整合.例如:实验教材中苯胺的合成和乙酰苯胺的合成实验,我们可以在教学过程中将实验进行整合,首先用硝基苯合成苯胺,再通过产品苯胺,进行酰基化反应合成乙酰苯胺,而乙酰苯胺正是我们重结晶实验的原料,因此我们将合成的乙酰苯胺收集起来,用于学生的重结晶实验.这样不仅达到了产物的再利用,而且减少了苯胺对环境的污染,提高了学生保护环境的意识.三是合成实验与物质表征相结合.例如:溴乙烷的制备实验中,让学生使用红外光谱等仪器设备对所合成的溴乙烷进行表征.通过物质的合成和表征,将有机合成和仪器分析结合起来,有利于培养学生综合运用知识的能力.
2.2.3加大设计性实验教学,培养学生发现创造能力
通过基本操作和实验技术、综合性实验的开设,学生已经基本熟练掌握了实验技能和具备了一定综合实验运用能力,基本具备独立完成简单设计实验的能力,这时可以加大简单设计性实验的教学,让学生自主设计实验,拟定实验方案,独立完成实验.例如:从茶叶中提取咖啡因实验,教材中采用索氏提取法,我们叫学生自己设计实验提取方法,他们通过查阅资料、提出想法和设计方案,自己完成实验.实验中,同学们,分别采用了溶剂浸提法、微波提取法和超声波提取法等,最终都顺利完成了实验任务,通过茶叶中提取咖啡因设计实验教学,收到了预期的效果.因此,开展适当的设计性实验,学生积极主动的完成整个实验过程,有利于学生在实验中发现新事物,有利于培养学生创造能力.
2.2.4增设创新性实验教学,培养学生创新创业能力
在有机化学实验本科教学任务完成之后,我们可以让有兴趣或有任务的同学开展有目的的创新性实验.例如:我们到某公司去见习,公司给同学们一个任务,怎么判明引种玄参和本地玄参的优劣?同学们对公司提出的问题很感兴趣,于是针对公司提出的问题,查阅资料,进行大量的试验和研究,最终解决了公司的难题.在有机化学实验教学中,增设少量的创新性实验,开展一些解决企业实际问题的项目.学生将所学知识应用于解决生产实际,有利于加强校企合作研究,实现产学研一体化,培养学生创新创业能力.
3结语
有机化学实验是化学及相关专业教学计划的重要组成部分,也是一门重要的必修课程.本文指出了传统有机化学实验教学中存在的弊端,提出了有机化学实验教学方法和教学内容的改革建议.教学方法方面,主要尝试和开展了启发式、讨论式、互动式和研究式教学方法的改革和实践;教学内容方面,主要尝试和开展了基本操作训练、综合性实验、设计性实验和创新性实验教学内容的改革和实践,并提出了一些个人的看法和建议.总之,通过有机化学实验教学改革研究,希望构建实验教学新体系,促使学生创新创业能力的培养.
作者:黄小梅 单位:四川文理学院化学化工学院
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2012年是广东省实施理科综合考试的第三年,今年广东高考理科综合化学科命题遵循《普通高中化学课程标准(实验)》和《2012年普通高等学校招生全国统一考试(广东卷)考试大纲的说明》,在题型结构、试卷模式、试题难度等方面保持了广东卷的风格和特色,在试题的呈现方式和命题情景方面有新的突破和创新。2012年的化学试题考点分布合理,具有较好的区分度,很好地体现了试题的选拔功能,其主要的特点如下:
1. 重视对化学基础知识和基本技能的考查。
6道单项选择题和2道双项选择题仍然注重考查了考生对化学学科基础知识、基本技能的掌握程度,知识点覆盖率约占整个考试内容的85%。第7题结合化学与生活考查了化学反应、电化学反应、常见的有机物以及高分子材料的相关知识。第8题考离子共存,主要考查了亚铁与次氯酸跟发生氧化还原反应、沉淀(氢氧化铜、硫酸镁、硅酸)问题。第9题考查物质和离子鉴别、除杂以及气体的制备等化学实验问题。第10题考查了氧化还原反应的判断。第11题考查阿伏伽德罗常数,考点包括物质中化学键数目,转移电子数、强碱弱酸电离后溶液中的粒子数、混合气体中某原子的原子数目。第12题考查无机化合物的性质及用途。第22题元素推断及元素周期律、物质结构、物质性质等知识。第23题考查的是电解质溶液中离子浓度大小比较、水的电离等问题。
4道非选择题注重能力和素养考查的同时,也注意化学基础知识和基本技能的考查。如第30题的有机题涉及有机分子式、结构简式和有机反应方程式的书写问题,以及碳碳双键、卤代烃、醇的重要性质问题。第31题考查盖斯定律的应用和电极判断的基础知识。第32题考查溶解平衡、离子除杂的基础知识。第33题考查分离提纯的实验基本操作、甲苯的检验等基础知识。
2. 关注化学与科学、技术、社会、环境的关系社会的联系。
2012年高考广东卷化学试题立意高远,选材考究,强调化学在生产、生活中的实际应用,试题内容涉及生活、化工、环保、医药、能源、科研等各个方面,充分体现化学的实际应用价值。非选择题中选材大量来自实际应用的情景,既为考生提供了丰富多彩的化学世界,又为考生提供了一个公平竞争的环境。以非选择题为例,第30题以有机合成的研究热点——过渡金属催化的新型碳—碳偶联反应为背景,引导学生关注有机合成的最新研究方向。第31题碘在科研与生活中的重要应用为背景,渗透新材料在医疗方面的重要应用。第32题以难溶性杂卤石制备硫酸钾的工艺流程为背景,引导学生关注资源的合理开发和综合利用问题。第33题以制药和化工行业中的重要试剂苯甲酸为背景,实验方法和实验内容真实可信,强化学生重视知识在实际生产和科研中的应用问题。
3. 以能力为核心考查知识运用的能力。
以能力立意考查化学的科学思想和学科能力仍然是2012年广东高考化学试题的一个主旋律。今年广东高考化学试题对考生来讲陌生度较高,在陌生的情境中考查熟悉的问题,在熟悉的情境下采用新颖的设问,强化了对接受、吸收、整合化学信息的能力,分析问题和解决(解答)化学问题的能力,化学实验的探究能力信息获取与加工能力、分析解决问题能力的考查。第22题采用图的形式来对已知元素的原子序数变化趋势和化合价,考查学生从图形中获取信息的能力。第30(4)、(5)题的有机化学题,以新型碳—碳偶联有机反应为情境,考查考生整合有机化学基础知识能力、知识迁移能力,以及运用已有知识解决新问题的能力。第31(2)题主要考查探究实验控制实验变量的问题,第31(3)考查运用影响化学反应的因素绘制图像的能力,第32题为工艺流程图题,以考生熟悉的硫酸盐制备为背景,以化学平衡移动原理为解决问题的基本思路,考查考生基本实验及提取信息并综合分析信息的能力。第33题仍为具有广东特色的实验题,该题一改往年以无机内容作为素材背景的习惯,采用了有机化合物的分离提纯作为素材背景,很好地考查了学生实验与探究能力、化学信息处理与整合能力。
4. 突出化学实验和强化定量计算的考查。
化学是一门以实验为基础的学科,化学实验与探究能力是理科考生应具备的基本能力。试题特别注重对实验和探究能力的考查,选择题中的第9题考查化学实验基础知识,非选择题除第30题的有机题以外均涉及化学实验的问题,试题中化学实验内容分值占到了总分值的三分之一以上。试题考查内容包括常见化学仪器使用、常见气体制备、实验基本操作、常见物质的检验及分离提纯等化学实验基础知识与基本技能,同时着重考查考生设计、评价实验方案、进行实验探究等较高层次的能力。
广东新课程实施的高考试题(包括高中水平测试试题)以来,化学定量计算的试题明显减少,在高中化学教学中曾进入淡化化学计算的误区,导致学生化学定量计算的能力特别薄弱。2010年广东化学高考试题只在第30题考查有机反应消耗氧气的计算问题和第31题考查化学平衡常数的基本计算问题,2011年广东高考化学试题强化了化学的定量计算问题,第30题考查有机加成反应消耗氢气的计算问题,第31题考查平衡常数的计算问题,第33题考查溶质质量分数和溶液浓度的计算问题,2012年广东高考化学试题在定量计算上保持了去年的风格,在3道非选择题中涉及到定量计算问题,第31(1)题考查化学反应方程式的计算问题,第32(5)题考查溶度积和化学平衡常数的计算问题,第33(4)题考查物质纯度的计算问题。
二、2012年广东高考理科综合化学试题对高三备考复习的导向
高考试题对高中化学教学特别是高三备考复习有很强的导向作用,准确理解高考命题的方向、特点和趋势,对于把握好高三化学备考教学的方向、策略和节奏具有重要的现实意义,从2012年广东高考理科综合化学试题的特点看,建议在高三备考复习中注意以下几个方面问题。