普通化學實驗課程引入ChemDraw軟件的教學探討

張婷婷，于常武，孔祥清，付 瑩

(1.遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001； 2.渤海大學 工學院，遼寧 錦州 121013)

普通化學是高等院校開設的一門平臺基礎必修課程，主要面向的是理工科非化學類專業學生，其內容主要包括無機化學、有機化學、物理化學、分析化學以及生物化學的一些基礎知識。為提高學生的工程實踐能力[1]，培養高素質應用型人才，許多院校針對理論課內容開設了普通化學實驗課程。在高素質應用型人才培養過程中，以傳統模式開展普通化學實驗課程顯然是不符合人才培養需要的，特別是在工程教育認證和新工科背景下[2,3]，對于人才的培養更注重理論知識與工程實踐能力這兩方面[4]。計算機軟件工具具有通用性強、可重復的特點，能夠為普通化學實驗課程教學提供重要技術補充。提出結合ChemDraw軟件的功能特點，將其引入普通化學實驗課程中，利用計算機技術提高教學質量、促進學生能力培養[5]。

1 普通化學實驗課程引入ChemDraw教學的意義

普通化學實驗課程對于非化學類專業學生來說，是其汲取基本化學知識和技能的一門重要課程，設置普通化學實驗課的目的是使學生在掌握基本化學理論的基礎上，提高動手能力，并學會能夠用于解決問題的技能[6]。

普通化學實驗課程的內容主要包括：基礎實驗，例如分析天平的使用、溶液的配置及標定等；綜合性實驗，例如鐵(Ⅲ)離子與磺基水楊酸配合物的組成和穩定常數的測定；創新性實驗，例如粗銅的提純及銅含量的測定。傳統實驗課模式中，教師首先講解實驗原理、進行演示實驗，再強調注意事項，然后學生獨立完成實驗過程并書寫實驗報告。這種教學模式的弊端主要表現在學生被動完成課程內容，不進行主動思考，不利于學生思維能力和創新能力的培養[7]。普通化學實驗課程跨院系、跨專業、學生量大，教學方式缺乏新意，學生對課程產生厭倦情緒，不能達到向學生傳播知識的目的。為此，在課程設置的實驗題目中增加新方法，采取新的實驗實踐手段，構筑一種學生積極主動參與并善于探索的實驗課程模式[8]。

ChemDraw是一種專業化學繪圖軟件，近年來在學術界和工業界被研究人員廣泛使用[9]。該軟件功能強大，可以建立和編輯與化學有關的所有化學式、方程式、結構式、3D圖形、對稱圖形及分子軌道等，該款軟件編輯功能涵蓋了復制、粘貼、旋轉、翻轉和存儲等多種基本功能，這些功能可以滿足對繪制圖形進行所需的編輯和操作[10]。最近，ChemDraw軟件拓展了ChemDraw云平臺，使其能夠廣泛應用于課堂教學[11]。

普通化學實驗課程中有很多演示性實驗，化學反應中涉及多種復雜化合物，學生很難分析復雜化合物參與化學反應的過程和產物的化學結構式。可引入ChemDraw軟件中的部分簡單應用，讓學生進行實際操作繪制化合物結構。學生通過上機操作提升學習興趣，在嘗試更改化合物結構的同時，可直觀分析出物質化學性質隨之變化的具體情況，對類似理論知識的認識和理解比被動接受深刻許多。通過引入ChemDraw軟件，不但能夠使學生開闊視野、拓展思路、加深學生對化合物結構的印象、提升學生的動手能力、培養學生邏輯思維能力，還能夠激發學生對化學的興趣，引導學生自主學習化學知識。

2 普通化學實驗課程引入ChemDraw教學目標

2.1 加深對化合物結構及其空間構型的掌握

化合物結構及其空間構型是普通化學課程的必講內容，由于該課程是面對眾多非化學專業學生，又是偏科普性課程，通常學生理解和掌握化合物結構及其空間構型比較困難，很難對其有直觀的認識。這就造成普通化學實驗課程中涉及復雜結構的化合物反應時，學生很難真正從原理上理解反應的本質，更不能分析反應后生成物的化學結構。ChemDraw軟件中的化合物結構繪制功能則克服了抽象概念的困難，能夠將化合物結構的三維信息直觀地呈現給使用者，有利于加深學生對化合物結構及其空間構型的認知。

2.2 改進實驗課程教學模式，開展互動式教學

普通化學實驗課程屬于跨專業基礎平臺課程，主要教學模式是學生課前進行實驗預習，課上教師對實驗儀器的操作、實驗原理及實驗步驟講解并演示，學生動手操作。這種教學模式的弊端在于，實施時學生對實驗原理理解不夠透徹，只是一味地模仿教師進行實驗，對于分析實驗中遇到的問題、解答實驗思考題毫無幫助。例如，由于學生缺乏對于磺基水楊酸結構的直觀認識和感知，所以在解答諸如“利用等摩爾法測定配合物組成時，當溶液中金屬離子與配位體的摩爾數之比正好與配離子組成相同時，配離子的濃度最大”這種實驗思考題時，對于學生來說存在一定困難。ChemDraw軟件中的化合物結構繪制功能，能夠直觀地展示配合物結構，配合物的配離子、配位體個數一目了然，對于實驗課程是一種很好的補充和擴展。

2.3 幫助學生樹立深入專研意識，培養創新思維

利用ChemDraw軟件繪制化合物結構，要正確地選擇化學鍵和空間構型條件，正確地選擇模型，判斷空間構型是否符合理論數據，如有出入需進行必要的調整。這就要求學生形成獨立思考的習慣，需要對化學鍵、化合物的空間結構以及化合物反應前后的變化認真分析，樹立深入專研的意識。另外，可以通過改變反應的條件，得到不同的反應產物。將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程，有助于學生多角度地分析問題，有利于學生養成勇于嘗試和探索規律的學習習慣，從而建立創新意識。

2.4 為學生參與創新實驗、工程實踐提供實用工具

應用型本科高校的創新性實驗和工程實踐工作中，需要學生在掌握基本原理的基礎上，應用必要的手段或工具來解決問題。近年來，ChemDraw軟件功能日趨強大，在科研和工程上的應用越來越廣。軟件的基礎功能簡單明了易于掌握，學生通過短時間學習就能掌握軟件的使用方法。ChemDraw軟件的應用對于培養學生的探索精神和工程概念認知具有重要意義。

3 普通化學實驗課程引入ChemDraw軟件教學的實施方法

將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程時，既要考慮實驗課程的動手操作性質，又要反映計算機軟件解決普通化學問題方面的特色，普通化學實驗課程的教學方法是在實驗課程傳統上課方法的基礎上，增加部分ChemDraw軟件應用，合理改變教學計劃，在實驗部分中增加上機軟件操作內容。為讓學生能夠在較短時間內對ChemDraw軟件中的部分功能進行簡單應用，教師在進行軟件功能操作講解和演示后，設計簡單的軟件使用訓練，讓學生上機繪制簡單化合物結構，如讓學生以甲苯為例，利用ChemDraw軟件繪制其結構圖，如圖1所示。

在面向不同專業的普通化學實驗課程中，可根據專業培養目標，對具體的實驗項目進行修改，突出基礎實驗課程專業化。例如，面向生物工程專業，在使用ChemDraw軟件時，可針對性地繪制學生較熟悉的生物大分子結構，教師講解后，學生動手繪制DNA堿基結構如圖2所示。面向材料工程專業，經教師講解后，學生動手繪制石墨烯化學結構如圖3所示。總之，可以根據不同專業特點進行不同的內容設計和分析。

圖1 ChemDraw軟件繪制的甲苯化學結構式

圖2 ChemDraw軟件繪制的DNA堿基化學結構式

圖3 ChemDraw軟件繪制的石墨烯簡單結構

將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程，以“鐵(Ⅲ)離子與磺基水楊酸配合物的組成和穩定常數的測定”實驗為例，進行具體說明。在普通化學課程中的化學鍵與物質結構基礎部分，課堂理論講解了化合物組成中的化學鍵類型以及結合方式，所以在實驗課上教師在講解完實驗原理和ChemDraw軟件繪制化合物結構后，可讓學生上機繪制簡單的化合物結構作為練習，繪制出磺基水楊酸的化學結構式，此過程在10 min內完成，再根據理論知識和反應原理分析，利用軟件繪制其設置的反應產物，此過程在10 min內完成。學生繪制的磺基水楊酸化學結構式(見圖4)能夠通過軟件直觀展現。磺基水楊酸可與鐵(Ⅲ)離子形成穩定的配合物，pH值條件不同，配合物的組成隨之不同，pH值在2-3范圍內時，磺基水楊酸與鐵離子以1∶1配位，產物為紫紅色螯合物；pH值在4-9范圍內時，磺基水楊酸和鐵離子以2∶1配位，產物為紅色螯合物；pH值在9-11.5范圍內時，磺基水楊酸和鐵離子以3∶1配位，產物為黃色螯合物；pH值大于12時，所產生的有色螯合物被破壞，最終產物為Fe(OH)3沉淀。學生可根據實驗條件，經分析預測出反應產物，并利用軟件繪制出推測產物的化學結構式。例如，如果學生所考察的反應條件是pH值在2-3范圍內時，產物即為磺基水楊酸與鐵離子以1∶1配位生成的紫紅色螯合物，則可利用軟件繪制產物的化學結構式，并寫出整個反應的化學反應式，繪制結果如圖5所示。經過幾次操作后，有經驗的同學能夠使用箭頭工具欄和多種選擇工具、克隆工具等，繪制正確的分子結構式并添加箭頭類型的注釋，有助于學生在將特定實驗中學到的知識應用于課堂之外，建立學生的實踐工作信心。

圖4 ChemDraw軟件繪制的磺基水楊酸化學結構式

圖5 ChemDraw軟件繪制磺基水楊酸與鐵離子反應產物的化學結構式以及化學反應式

實踐表明，通過在普通化學實驗課程中引入ChemDraw軟件，結合其繪制化合物化學結構的功能，不但改革了傳統的實驗教學模式，使普通化學實驗教學手段不再單一化，還有助于學生掌握實驗原理、理解化學反應本質。學生在實驗課程中，主動投入思考的時間明顯增加，對課程的興趣也更濃厚。

4 結語

在普通化學實驗課程的教學過程中，引入ChemDraw軟件作為工具，通過讓學生自己動手上機繪制化合物結構式，結合理論知識推測反應產物，既能讓學生對實驗課內容有深刻的認識和理解，又能增加實際操作時間，提高學生的動手能力。學生在增強了切身體驗感后，更能夠激發其學習熱情、促進學生順利完成普通化學實驗課程的學習，扎實地掌握普通化學知識，為化學知識應用于專業領域工程實踐打下堅實基礎。