新發(fā)展理念背景下的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)

王晚晴，武雙，華威，程艷玲

（北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100023）

1 研究背景

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為手段、以實(shí)用性和創(chuàng)造性為特征的學(xué)科。然而隨著化工技術(shù)進(jìn)步為人類帶來巨大益處，傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)也給我們的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染[1，2]。化工生產(chǎn)中的廢氣、廢水和固體廢棄物的排放量占國(guó)內(nèi)工業(yè)行業(yè)排放總量的首位。2015年10月，黨的十八屆五中全會(huì)召開，提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念[3]。2021年10月，國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)表《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)》白皮書，著重強(qiáng)調(diào)了綠色發(fā)展是持續(xù)發(fā)展的必要條件，也是應(yīng)對(duì)氣候變化問題的重要遵循[4]。在全球綠色低碳轉(zhuǎn)型背景下，開發(fā)新型綠色化工產(chǎn)品，設(shè)計(jì)新型綠色工藝流程，成為實(shí)現(xiàn)新發(fā)展理念的重要措施[5]。

有機(jī)化學(xué)是化學(xué)中極其重要的一個(gè)分支，是研究有機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成以及與此相關(guān)的理論問題的科學(xué)。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是有機(jī)化學(xué)教學(xué)的重要一環(huán)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)操能力，升華學(xué)生理論知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生踐行新發(fā)展理念的著陸點(diǎn)。在此次教學(xué)體系設(shè)計(jì)中，通過六個(gè)維度培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定和三個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，使學(xué)生在掌握有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技術(shù)的基礎(chǔ)上，能整合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法完成基本的化學(xué)合成，并在新發(fā)展理念的引領(lǐng)下，以綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為平臺(tái)，著眼于現(xiàn)實(shí)問題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，有所見地的分析、解決有機(jī)化學(xué)化工生產(chǎn)中的問題，使學(xué)生勇于承擔(dān)化學(xué)化工行業(yè)綠色發(fā)展、低碳減污責(zé)任，進(jìn)而促進(jìn)實(shí)現(xiàn)化學(xué)化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[6]。

2 基于新發(fā)展理念的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系的構(gòu)建

2.1 六個(gè)維度培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定

在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，堅(jiān)持價(jià)值性和知識(shí)性相統(tǒng)一、理論性和實(shí)踐性相統(tǒng)一，在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)能切實(shí)達(dá)到啟智育人的目的。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了知識(shí)、應(yīng)用、整合、情感、價(jià)值與學(xué)習(xí)六個(gè)維度的培養(yǎng)目標(biāo)。

基礎(chǔ)層以掌握基本技能與相關(guān)理論知識(shí)為目的，通過基本單元操作的練習(xí)，使學(xué)生能夠獨(dú)立完成小規(guī)模的制備實(shí)驗(yàn)和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，獲得分離和鑒定所得產(chǎn)品的能力。同時(shí)在此過程中，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，理解化學(xué)加工過程需求的系統(tǒng)、單元工藝流程和工藝條件。

提升層聚焦應(yīng)用、整合能力的培養(yǎng)。通過綜合性較強(qiáng)的合成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)用基本操作來制備重要的化工原料和具有藥物活性的有機(jī)物，同時(shí)在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、判斷與歸納中提升整合能力，抽絲剝繭，通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。使學(xué)生能夠基于自然科學(xué)原理，采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的新問題、產(chǎn)生新想法、創(chuàng)新工藝技術(shù)。

升華層從情感、價(jià)值和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)入手。所謂“知之者不如樂知者，樂知者不如好知者”，興趣是最好的老師。從情感的培養(yǎng)開始，使學(xué)生能對(duì)化學(xué)產(chǎn)生初步興趣，產(chǎn)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿，樹立學(xué)習(xí)的自信心。價(jià)值層面的搭建，在“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)”新發(fā)展理念背景下，要樹立學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)創(chuàng)新的探索精神，具備全局意識(shí)、大局觀。同時(shí)，面對(duì)當(dāng)前社會(huì)的迅速發(fā)展，學(xué)習(xí)力成為一種核心競(jìng)爭(zhēng)力，秉持“開放、共享”的新發(fā)展理念，要求學(xué)生具備終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和自主學(xué)習(xí)的能力。

圖1 六個(gè)維度培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定

2.2 三個(gè)教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)

為循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生自主探索和創(chuàng)新精神、提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛻?yīng)用能力，將有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用合成實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排

在開展具體實(shí)驗(yàn)之前，我們通過具體案例分析（化學(xué)實(shí)驗(yàn)室及化工行業(yè)事故、化工廢水污染事件等），講解有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全知識(shí)和操作規(guī)范，建立學(xué)生的規(guī)矩意識(shí)與責(zé)任心。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展過程中，會(huì)產(chǎn)生較難處理的有毒有害廢渣、廢液、廢氣，也就是我們所說“三廢”。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室也制訂了更加完善的有機(jī)實(shí)驗(yàn)室廢液收集、處理規(guī)范。例如氯仿、乙酸乙酯、石油醚等，可通過蒸餾回收，收集餾出液，密封保存，再利用。學(xué)生在處理過程中既學(xué)到了“綠色化學(xué)”的理念又達(dá)到了節(jié)約資源的目的，并引發(fā)學(xué)生思考在新發(fā)展理念背景下化學(xué)合成領(lǐng)域發(fā)展的新要求。

對(duì)于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的選擇，我們摒棄了之前“單一”的操作訓(xùn)練，將基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練與天然產(chǎn)物的提取與分析相結(jié)合。選取生活中常見的物質(zhì)為實(shí)驗(yàn)材料，例如橙皮、菠菜、茶葉，能夠迅速拉近學(xué)生與有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的距離，激發(fā)學(xué)生的研究熱情。例如，我們將“升華提純方法”的教學(xué)結(jié)合天然產(chǎn)物提取實(shí)驗(yàn)“從茶葉中提取咖啡因”。以中國(guó)傳統(tǒng)茶文化作為切入點(diǎn)，引申到“茶”之功能組分咖啡因，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。再以有機(jī)化學(xué)專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，分析咖啡因的物理、化學(xué)性質(zhì)，挖掘出其物理特性為針狀結(jié)晶物，178℃可升華為針狀晶體，分析出咖啡因的提純方法——“升華提取法”。循序漸進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生從專業(yè)角度思考問題、解決問題的能力。同時(shí)在天然產(chǎn)物的提取中，啟發(fā)學(xué)生感受自然之妙，“萬物各得其何以生，各得其養(yǎng)以成”，人類應(yīng)以自然為根，共同構(gòu)建人與自然生命共同體，樹立“綠色、和諧”發(fā)展理念。

為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力，對(duì)于應(yīng)用合成實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，我們采用對(duì)比式的教學(xué)方法。例如，解熱鎮(zhèn)痛藥阿司匹林的合成實(shí)驗(yàn)是通過水楊酸的酰基化來完成制備。我們首先向?qū)W生講解了乙酰水楊酸的傳統(tǒng)合成方式，以強(qiáng)酸硫酸為催化劑，以乙酐為乙酰化試劑，與水楊酸的酚羥基產(chǎn)生酰化作用形成酯。然后，引導(dǎo)學(xué)生分析其制備過程中的潛在問題：強(qiáng)酸的腐蝕性、加熱法反應(yīng)速度慢、副產(chǎn)物多等。引發(fā)學(xué)生思考解決途徑和替代方法，如何取代強(qiáng)酸以降低污染物？如何提升加熱速度以節(jié)能？如何減少副產(chǎn)物聚水楊酸的生成以提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值？分析出可替代的綠色合成策略：微波輻射法合成乙酰水楊酸。以無水碳酸氫鈉為催化劑，采用微波輻射水解，由水楊酸和乙酸酐快速合成乙酰水楊酸。在完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過程中引導(dǎo)學(xué)生建立綠色化學(xué)的基本理念，意識(shí)到在治理污染的過程中，最佳的環(huán)境保護(hù)方法是從源頭上防止污染的產(chǎn)生[7]；意識(shí)到開發(fā)新型綠色化工產(chǎn)品，設(shè)計(jì)新型綠色工藝流程是目前化學(xué)化工行業(yè)“綠色低碳”轉(zhuǎn)型的重要措施。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)建，旨在打開學(xué)生的創(chuàng)新性思維視野和加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用，并在設(shè)計(jì)與操作過程中貫徹“減碳降污”的思想。該部分實(shí)驗(yàn)，我們采取小組考核方式，并將其作為本門課程的考核實(shí)驗(yàn)。考核實(shí)驗(yàn)以我系“生物廢棄物資源化利用開放實(shí)驗(yàn)室”為平臺(tái)，選題方向?yàn)椤皬U棄物的資源化利用”，學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)和操作技能與社會(huì)實(shí)際問題，根據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)，自擬實(shí)驗(yàn)題目，查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行可行性分析，撰寫開題報(bào)告，提交教師審核后，開展實(shí)驗(yàn)。某一小組選題“廢飲料瓶為原料的微波輻射法制備對(duì)苯二甲酸”，學(xué)生通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，我國(guó)在2019年生產(chǎn)了9 300 萬噸塑料，僅回收了590 萬噸，造成了環(huán)境污染的同時(shí)，也造成了資源的浪費(fèi)。通過對(duì)塑料瓶材料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶子相對(duì)容易回收。那么，能否基于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，將廢舊PET 塑料瓶實(shí)現(xiàn)資源化處理，將塑料生產(chǎn)、利用和更新形成一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)？基于化學(xué)反應(yīng)原理分析，對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）可經(jīng)逆向解聚回收其初始原料對(duì)苯二甲酸（TPA）。實(shí)驗(yàn)策略選擇：利用微波輻射取代傳統(tǒng)加熱法，縮短反應(yīng)時(shí)間；添加乙二醇和碳酸氫鈉為解聚劑，提高回收效率。通過這種開放式小組綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，一方面，學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，將被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)發(fā)掘，能夠更好地理解、應(yīng)用有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)和操作；另一方面，“以廢棄物的資源化利用”為主題，既可借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，也可在切實(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中踐行“綠色、循環(huán)”新發(fā)展思想。同時(shí)，在小組協(xié)作的過程中，建立有效溝通機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生分工合作能力，共享成果。

3 結(jié)語(yǔ)

高等教育必須以新發(fā)展理念為統(tǒng)領(lǐng)，在遵循教育基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)合格的接班人。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革實(shí)踐，從激發(fā)學(xué)生興趣出發(fā)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能和知識(shí)掌握為基礎(chǔ)，在對(duì)比式的應(yīng)用合成實(shí)驗(yàn)中，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。開放式的小組綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直面現(xiàn)實(shí)問題，在以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)的綠色發(fā)展觀的引領(lǐng)下，運(yùn)用所學(xué)技能和方法解決實(shí)際問題，學(xué)以致用，切實(shí)踐行新發(fā)展理念。