多層次理工科本科生課程教學(xué)改革模式與實踐

彭曉春，伍建華，唐新平，彭志遠(yuǎn)

(1.吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 吉首大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，湖南 吉首 416000； 2.吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000；3.吉首大學(xué)商學(xué)院，湖南 吉首 416000)

0 引言

有機(jī)化學(xué)課程是大學(xué)化學(xué)、化工、材料、環(huán)境與能源、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課之一。有機(jī)化學(xué)內(nèi)容所涉及的化合物種類繁多，化學(xué)性質(zhì)豐富，有機(jī)反應(yīng)形式各異，變化萬千，且與反應(yīng)條件密切相關(guān)；盡管同系物的有機(jī)反應(yīng)具有一定的規(guī)律，但例外情況普遍，常常顯得無規(guī)可循。同時，有機(jī)化學(xué)理論發(fā)展十分迅速，內(nèi)容不斷拓展更新。所以，在講授有機(jī)化學(xué)課程時必須與學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)相聯(lián)系。如何對不同專業(yè)不同層次理工科本科生進(jìn)行教學(xué)改革，同行們進(jìn)行了大量的探索，并取得了系列研究成果。楊小敏等認(rèn)為，有機(jī)化學(xué)作為材料、化工等專業(yè)進(jìn)行工程認(rèn)證時是重要的畢業(yè)支撐課程，其教學(xué)質(zhì)量對于完善學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)化學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力有重要作用，并將直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)[1]。強(qiáng)根榮等基于對工科專業(yè)有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)改革的認(rèn)識和教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的原則，著力推動了教學(xué)內(nèi)容的改革、開發(fā)，增強(qiáng)實驗的綜合性、實踐性和應(yīng)用性，從單一的驗證型、測量型實驗形成了多層次、“理工一體化”的化學(xué)實驗教學(xué)新模式[2]。熊非等以教學(xué)實驗內(nèi)容設(shè)置為案例，應(yīng)用參與式實驗教學(xué)法從源頭上調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的積極性[3]。廖小建等認(rèn)為將仿真技術(shù)用于有機(jī)化學(xué)實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生模擬實驗操作，加上有聲的畫面更加吸引學(xué)生的興趣，極大提高有機(jī)化學(xué)實驗課程教學(xué)質(zhì)量等[4]。

多年來，筆者在為理工科大學(xué)本科生講授有機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)實驗、有機(jī)化學(xué)專論、有機(jī)結(jié)構(gòu)分析、醫(yī)用有機(jī)化學(xué)、藥物中間體、高分子化學(xué)和食品原料安全學(xué)等課程中，探索出知識交叉融合、融會貫通、觸類旁通的教學(xué)方法，取得了良好的效果。例如在講授有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識與原理時，有意引入食品原料安全學(xué)知識、藥物合成設(shè)計、高分子材料合成等范例進(jìn)行知識點的銜接與拓展；在講授后續(xù)課程中注重強(qiáng)化基礎(chǔ)知識的訓(xùn)練，將知識點遙相呼應(yīng)、一脈相承，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。同時，根據(jù)不同層次不同專業(yè)的學(xué)生實際情況進(jìn)行因材施教[5-7]。通過多年來教學(xué)實踐，根據(jù)相關(guān)授課課程和授課對象將課程教學(xué)改革分為三大模塊，即有機(jī)化學(xué)課程模塊、有機(jī)化學(xué)實驗課程模塊和專業(yè)基礎(chǔ)知識拓展課程模塊，探索出多層次理工科本科生一體化教學(xué)改革新模式。

1 有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新

有機(jī)化學(xué)是理工科本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，對不同專業(yè)的本科生，應(yīng)按照專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和授課學(xué)時，選擇相應(yīng)的教學(xué)方法，進(jìn)行合理的教學(xué)內(nèi)容定位，力求做到精選課程內(nèi)容，構(gòu)建以學(xué)生為主體、教師重引導(dǎo)的教學(xué)模式。

1.1 課程分類與教材選用

根據(jù)不同專業(yè)、不同授課對象將有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)分為三個層級：一級層次為化學(xué)(師范)、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)，授課總學(xué)時為80學(xué)時，教材采用李景寧主編的《有機(jī)化學(xué)》(第6版)上、下冊，對應(yīng)課程為有機(jī)化學(xué)1，有機(jī)化學(xué)B2；二級層次為食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全、制藥工程、材料科學(xué)與工程、生物科學(xué)、生物工程、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、植物科學(xué)與技術(shù)、藥學(xué)等專業(yè)，對應(yīng)課程為有機(jī)化學(xué)C，授課學(xué)時為48學(xué)時，教材采用汪小蘭主編的《有機(jī)化學(xué)》(第5版)；三級層次為臨床醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)、針灸推拿學(xué)等專業(yè)，對應(yīng)課程為醫(yī)用有機(jī)化學(xué)，教材采用唐玉海主編的《醫(yī)用有機(jī)化學(xué)》(第3版)，授課學(xué)時為42(或32)學(xué)時。

1.2 課堂教學(xué)方法的探討

有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容多，基礎(chǔ)理論抽象，傳統(tǒng)教學(xué)方法難以有效提高教學(xué)質(zhì)量，加之主要授課對象為不同專業(yè)的大一和大二本科生，授課對象與授課學(xué)時不同，學(xué)生對相關(guān)前期基礎(chǔ)知識掌握程度迥異，同一個知識點使用同一種教學(xué)方法可能因?qū)W生的接受能力不同，難以取得較好的教學(xué)效果。為此，我們在精選課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，改革與嘗試了適合不同類型不同層次大學(xué)生的課堂教學(xué)方法，如：知識點設(shè)計法、歸納總結(jié)法、多重導(dǎo)入法、問題探究法等，探索出了一種多層次理工科本科生有機(jī)化學(xué)課程教學(xué)的新模式[7]。

2 有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新

有機(jī)化學(xué)理論教學(xué)和實驗教學(xué)是相輔相成的。有效的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)，一方面能提高學(xué)生對理論課的學(xué)習(xí)興趣，另一方面增強(qiáng)學(xué)生探究理論的動力。針對不同層次理工科本科生需要掌握的有機(jī)化學(xué)知識點，按照“基礎(chǔ)化學(xué)實驗III”和“有機(jī)化學(xué)實驗”的課程目標(biāo)與要求，我們將有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)項目分為四級，實驗類型分為驗證、綜合和設(shè)計三類。同時，通過實驗室開放教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)以及數(shù)字共享資源庫的建設(shè)等手段，增強(qiáng)有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)方式的改革與創(chuàng)新，不斷提高學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才。

2.1 精選實驗項目與類型

為突出不同層次理工科本科生對有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論的掌握和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，我們將有機(jī)化學(xué)實驗課程內(nèi)容設(shè)置為四級教學(xué)模式。初級對應(yīng)于生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院各專業(yè)及醫(yī)學(xué)院臨床專業(yè)和護(hù)理學(xué)等專業(yè)，開設(shè)5～6個實驗項目共16～18學(xué)時，主要以基本操作和驗證實驗類型為主。中級對應(yīng)于食品科學(xué)與工程和食品質(zhì)量與安全等專業(yè)，開設(shè)7個實驗項目共24學(xué)時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設(shè)計，其中綜合和設(shè)計項目達(dá)到57%；高級對應(yīng)于化學(xué)工程與工藝、材料科學(xué)與工程、制藥工程等專業(yè)，開設(shè)20個實驗項目共96學(xué)時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設(shè)計，其中綜合和設(shè)計項目達(dá)到85%；特級對應(yīng)于化學(xué)(師范)、應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)，開設(shè)22個實驗項目共110學(xué)時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設(shè)計，其中綜合和設(shè)計項目達(dá)到85%以上。此外，為了應(yīng)對省級大學(xué)生化學(xué)實驗技能競賽，在全校性初賽的基礎(chǔ)上，每年從不同層次理工科本科生中選拔20名參賽選手進(jìn)行綜合實驗技能專項培訓(xùn)，實施精英式實驗教學(xué)模式。

2.2 多手段實驗教學(xué)實踐

結(jié)合實驗室開放教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)以及數(shù)字共享資源庫的建設(shè)等手段，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，探索出參與式教學(xué)法、探究式教學(xué)法、仿真式教學(xué)法等方式。

2.2.1 參與式教學(xué)法

參與式教學(xué)是在任課教師引導(dǎo)的前提下，讓學(xué)生以主體身份參與到實驗教學(xué)全過程中，使其能夠有效地掌握實驗操作基本技能并靈活應(yīng)用，是一種全新的體現(xiàn)團(tuán)隊意識與協(xié)作精神的教學(xué)模式。這種模式讓師生在教與學(xué)的參與式互動過程中均以主體身份互相激勵、協(xié)調(diào)、促進(jìn)和統(tǒng)一，從而實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的全面提升。如實驗項目“從茶葉中提取咖啡因”，從原材料的選取(各類茶葉)，實驗方案的設(shè)計(天然產(chǎn)物提取方法選取、熱提與冷浸的差別、不同溶劑提取產(chǎn)率差別)，基本技能的運用(蒸餾、抽濾、重結(jié)晶、升華)，實驗總結(jié)與數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)品結(jié)果的展示等環(huán)節(jié)都激發(fā)了同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣，是被學(xué)生推崇最為有趣的實驗項目之一。又如實驗項目“芳樟精油的制取及其化學(xué)成分分析”，指導(dǎo)教師將同學(xué)們分成若干實驗小組，各小組成員共同設(shè)計實驗方案，自行采集不同季節(jié)樟樹的葉、莖、果實做原料，然后進(jìn)行原材料的處理(如：清洗、晾干、粉碎至實驗所需粒度)，完成水蒸氣蒸餾整個實驗操作過程，以及產(chǎn)品成分的分析處理等流程，這樣不僅讓同學(xué)們掌握了相關(guān)的實驗教學(xué)內(nèi)容，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊意識與協(xié)作精神。再如現(xiàn)已開設(shè)的 “單寧酸沉淀法提取煙堿及其GC/MS分析”“茵陳總黃酮的提取及其紫外光譜分析”“路邊青總多酚的超聲提取及紫外光譜分析”“八角茴香油的提取及檢測”等實驗項目，既提高了學(xué)生的實驗基本操作技能，又培養(yǎng)了學(xué)生參與整個實驗項目設(shè)計的綜合與創(chuàng)新能力。

2.2.2 探究式教學(xué)法

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式一般由指導(dǎo)教師先講解實驗原理、內(nèi)容和注意事項，學(xué)生在預(yù)習(xí)的前提下按實驗步驟照方抓藥式進(jìn)行實驗，實驗報告大同小異，討論部分一般也是在教材中找思考題答案的被動完成任務(wù)式的實驗課模式。而探究式實驗從預(yù)習(xí)開始就讓學(xué)生自主設(shè)計實驗步驟，提出優(yōu)化和改進(jìn)的實驗方案，在實驗操作過程中驗證實驗方法的可行性，亦可以分組對照實施優(yōu)化方案，在傳承中創(chuàng)新，從源頭上調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。指導(dǎo)教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生想象實驗過程，發(fā)現(xiàn)問題、預(yù)判實驗現(xiàn)象和結(jié)果、嘗試尋找解決方法。如在“乙酰苯胺重結(jié)晶”實驗項目中，對第一步操作是否采用熱過濾或是趁熱抽濾，學(xué)生可以自由選擇進(jìn)行實驗，比較實驗結(jié)果。在晶體的析出操作中也可以選擇冷卻、玻璃棒摩擦器壁或投晶種等方法，通過不同的方式比較晶體的形成。又如在設(shè)計實驗“環(huán)糊精對高碳醇的分子識別與表征”項目中，同學(xué)們可以選擇不同的實驗方案，學(xué)生在查閱相應(yīng)的文獻(xiàn)資料寫出具體實驗操作步驟，在指導(dǎo)老師審閱后獨立開展實驗。探究式實驗教學(xué)不僅可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力，培養(yǎng)學(xué)生運用理論指導(dǎo)實驗的思維習(xí)慣，提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力，同時也可喚醒學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

2.2.3 仿真式教學(xué)法

教高函〔2018〕5號指出：虛擬仿真實驗教學(xué)項目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。近年來，我們將仿真技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)，構(gòu)建了虛擬仿真實驗平臺，它與以前任何人機(jī)交互形式相比，有希望徹底實現(xiàn)“和諧的、擬人化的”人機(jī)界面。其作用主要表現(xiàn)為：輔助實驗教學(xué)、彌補(bǔ)實驗儀器缺少；降低試劑消耗；降低儀器損壞率；進(jìn)行開放實驗前的預(yù)習(xí)、考核，準(zhǔn)入門檻低；大型精密儀器的輔助實驗手段仿真模擬；危險實驗仿真；長時間的實驗；實現(xiàn)虛擬設(shè)計實驗”等優(yōu)勢。

目前，有機(jī)化學(xué)虛擬仿真實驗平臺有相應(yīng)的實驗儀器與實驗裝置介紹、實驗基本操作流程，以及環(huán)己烯制備、肉桂酸的合成、無水乙醇制備，乙酸正丁酯制備、乙酸異戊酯制備、正丁酯制備、環(huán)戊酮的制備、苯甲酸的制備、丁二酸的制備、丁二酸酐的制備、熔點測定、蒸餾等10多個虛擬實驗。同學(xué)們在虛擬實驗室里進(jìn)行實驗，既滿足了學(xué)生對同一個實驗項目可以進(jìn)行反復(fù)模擬訓(xùn)練的要求，又具有安全、有效、節(jié)省實際實驗中的經(jīng)費開支，以及開放學(xué)生自主參與學(xué)習(xí)的好處。與此同時，我們正在逐步建立和完善虛擬仿真實驗平臺網(wǎng)絡(luò)預(yù)約、預(yù)習(xí)、測試、成績評定查詢、管理一體化的輔導(dǎo)實驗教學(xué)新體系。

3 專業(yè)基礎(chǔ)知識拓展課程的改革與創(chuàng)新

多年來，筆者在主講有機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)實驗課程基礎(chǔ)上，分別在不同專業(yè)和不同年級中開設(shè)了專業(yè)基礎(chǔ)知識拓展課程，如：有機(jī)化學(xué)專論、有機(jī)結(jié)構(gòu)分析、有機(jī)合成設(shè)計、精細(xì)有機(jī)合成單元反應(yīng)、高分子化學(xué)、藥物化學(xué)、藥物中間體、藥物合成原理、生物化學(xué)、環(huán)境化學(xué)及基礎(chǔ)化學(xué)實驗等，將有機(jī)化學(xué)的基本理論應(yīng)用于實踐并延伸至邊緣學(xué)科，構(gòu)建出多層次理工科本科生以有機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)實驗及相關(guān)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)選修課程一體化教學(xué)的新體系。圖1為有機(jī)化學(xué)課程與知識拓展課程關(guān)系示意圖。

圖1 有機(jī)化學(xué)課程與知識拓展課程關(guān)系示意圖

在課程講授過程中，針對不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生精選內(nèi)容、各有偏重，將最初的有機(jī)化學(xué)基本理論和機(jī)理的知識點由淺入深傳授給學(xué)生，既鞏固了基礎(chǔ)知識又拓展了知識面。如在講授有機(jī)化學(xué)緒論時增添高分子功能材料的應(yīng)用介紹，闡明日常生活中的高分子材料、航空航天開發(fā)的高分子新材料、高分子生物仿生材料等都離不開有機(jī)化學(xué)知識作為支撐，從而激發(fā)同學(xué)們在后續(xù)選擇高分子化學(xué)課程的興趣。

在教學(xué)過程中把有機(jī)化學(xué)知識與社會事件結(jié)合起來并加以合理解釋，不但可以吸引學(xué)生的注意力，提高聽課效率，同時也可增強(qiáng)同學(xué)們學(xué)以致用的觀念。如面向食品相關(guān)專業(yè)講授有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)性能時有意穿插后續(xù)食品質(zhì)量與安全課程知識點，以2008年我國三鹿奶粉中含有三聚氰胺導(dǎo)致嬰兒中毒事件作為例證，提出為什么不良商家要在奶粉中添加有機(jī)化合物三聚氰胺呢? 原因是與蛋白質(zhì)含量的測定有關(guān)。三聚氰胺屬于三嗪類含氮雜環(huán)有機(jī)化合物，是一種重要的氮雜環(huán)有機(jī)化工原料，食用后對人身體有害，不能作為食品添加劑。蛋白質(zhì)主要由氨基酸組成，其含氮量一般不超過30%，而三聚氰胺的含氮量為66%左右，常用蛋白質(zhì)測試方法“凱氏定氮法”是通過測出含氮量來估算蛋白質(zhì)含量。因此，添加三聚氰胺會使食品的蛋白質(zhì)測試含量偏高，從而導(dǎo)致不能達(dá)標(biāo)的劣質(zhì)食品能通過食品檢驗機(jī)構(gòu)的測試。事實上，雖然大多數(shù)學(xué)生對毒奶粉事件有所關(guān)注，但并不明白其中的原委。

在對藥學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生授課時多舉例說明一些常見的與藥物相關(guān)的知識點，使學(xué)生能快速、深入理解后續(xù)課程內(nèi)容，達(dá)到對所學(xué)知識相互融合的效果。如為什么布洛芬藥物有兩個異構(gòu)體，卻只有S-異構(gòu)體有鎮(zhèn)痛作用？氯霉素有四個旋光異構(gòu)體，而具有抗菌作用的只有其中之一的(1R, 2R)-蘇型氯霉素？怎樣以N-氧化吡啶為主要原料合成治療結(jié)核病藥物異煙肼？這些問題的提出與解釋就會增強(qiáng)同學(xué)們對有機(jī)化合物屬性的理解和掌握。又如在講授藥物化學(xué)、藥物中間體等課程時，從學(xué)生已熟悉的基礎(chǔ)知識點切入，將雜環(huán)化合物相關(guān)的知識點進(jìn)行歸納、融通、深化，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

幾年來，在有機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中，通過強(qiáng)調(diào)課程間知識點的相互聯(lián)系，把學(xué)生先期課程中涉及到的知識快速、深入地融入到后續(xù)課程中，把基礎(chǔ)理論和知識拓寬結(jié)合起來，促進(jìn)了由點到線、由線及面的一體化教學(xué)體系的形成。

4 結(jié)語

通過對多層次理工科本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)與實踐活動的深入研究和探索，以有機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)實驗及后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)選修課程的教學(xué)內(nèi)容為改革與創(chuàng)新主體，以理工科不同層次的本科生為授課對象，構(gòu)建出一種多層次理工科本科生專業(yè)基礎(chǔ)課程與相關(guān)后續(xù)選修課程一體化教學(xué)改革的新模式，取得了比較明顯的效果，也促進(jìn)了多層次理工科本科生教學(xué)質(zhì)量的不斷提高。