模块式有机化学实验课程体系探索

(焦作师范高等专科学校生物与化学工程学院 河南焦作 454001)

高校有机化学实验是有机化学课程体系的重要组成部分[1]。与其他专业实验课相比,有机化学实验具有原料较贵、药品和溶剂易挥发、毒性大、反应时间长、产量低和实验结果重现性相对较差的特点[2]。传统有机化学实验教材注重课程体系的完整性,具有操作条件的选择和优化比较成熟、实验成功率相对较高、收率稳定等优点；但是各个实验单元之间缺乏相互联系,各自为独立的体系。由于每个实验分别使用独立的反应或检测原料、辅助原料、溶剂、催化剂等,实验结束后的产品大多都没有直接的应用价值,多数溶剂在使用后也难以回收,造成了浪费和环境污染。本文作者在有机化学实验的教学实践中,通过总结有机化学实验教学改革过程中的经验,结合本课题组的科研工作,探索了优化实验教学体系的方法与路径,提出了一套模块式有机化学实验课程体系。

1 有机化学实验模块的建立

模块式有机化学实验课程体系,主要是对课程体系进行整合,逐步加大课程实践的操作力度。经过整合后的实验教学模式是一种涵盖了原料的分离和纯化、应用型制备、产品检测和性质鉴定、综合性探索实验等操作的新模式(图1)。

图1 模块式有机化学实验课程体系设计的基本框架

图2 模块系统中的制备实验

模块实验的定位目标是：在学生基本技能操作训练的基础上,注重应用,突出和强化实践,以提高学生的综合素质。作者基于上述模块实验的构建目标,结合多年来的有机化学实验教学和科研实践,拟定了一套模块组建实例。该模块实验突破了实验教学依附于理论教学的传统框架,对实验内容纵向压缩、横向拓宽。具体做法是：减少性质实验及验证性实验的开设,将其穿插到若干个首尾相连、前后衔接的综合性探索性实验之间,在更新、重组、融合的基础上,使有机化学实验形成一个统一的整体。

2 有机化学实验模块中各实验单元的相互关系

图1所示的实验模块由两类共8个实验单元(3学时/单元)组成：(1) 3个有机制备反应实验：实验2(诺文葛耳反应)、实验3(还原反应)和实验6(Hunsdiecker反应+叠氮化反应)；(2) 5个基本实验操作训练：实验1(蒸馏和沸点的测定)、实验4(重结晶)、实验5(熔点的测定)、实验7(柱层析色谱)和实验8(IR和1H NMR的测定)。

3个制备实验单元前后搭接,构建出模块系统的核心(图2)。模块系统中没有随意弃掉任何一步产品,而是全部用作下游实验的原料,以体现绿色环保的设计理念。其中,实验2为实验3提供了反应原料(图2,化合物2)。实验6则以实验3的产品(图2,化合物3)为原料,制备出整个模块系统的终端产品(4-叠氮基-β-溴苯乙烯)——一种有价值的有机合成中间体[3-6](图2,化合物4)。实验6包含了叠氮化反应和微波促进下的立体选择脱羧-溴代反应(Hunsdiecker反应)两个反应类型,属于综合性制备实验。3个实验单元不仅前后链接、相互依赖,而且实验难度逐渐提高,在实验2和实验3的基础上,通过实验6的一锅法多步骤反应来拓展学生的视野，培养学生的创新精神和综合实践能力。

在制备实验的基础上,5个基本操作实验单元前后延伸,上下串联,丰富了模块系统的内涵。它们不仅涵盖了蒸馏和沸点测定、熔点测定、重结晶、柱层析色谱和波谱分析等有机化学实验教学大纲中要求的基本操作,还是制备实验之间互相联系的桥梁,可以保证模块系统的各单元成为一个完整的有机体。

3 模块式有机化学实验课程体系的优点3.1 降低污染排放

模块式有机化学实验课程体系原则上只为第1个单元实验提供原料。随后的实验模块中的各个单元则使用上一个实验单元制备或提纯的产品作为主要原料,只增加部分的辅助原料即可。每一个实验单元的产品都将成为下游实验单元的原料或检测对象,多个实验形成了绿色链。因此整个实验模块节约了大量的原料和试剂,避免了重复和浪费。由于终端产品既含有叠氮基,又有溴乙烯基,是一种有价值的双官能团有机中间体,所以整个模块几乎做到了零排放,有效解决了有机化学实验室环境污染和药品浪费的难题,充分发挥了实验产品的价值。

3.2 增加考核的客观性和公平性

模块式有机化学实验课程体系有利于实验课程的考核。多步骤实验的有机结合,增加了教师对学生实验操作能力评估的客观性。教师既可以按实验单元评估,也可根据最终环节的产率和产品质量(光谱质量,熔点,沸点,折射率等数据)进行评估,或将二者有机结合在一起。操作的规范性、良好的产率、准确的检测数据都可以在模块式实验体系完成之后得到体现。

3.3 实验产品和检测数据利用率高

波谱分析等仪器大多价值昂贵,在学生实验过程中,如果仅仅将这些仪器用于测定一些已知化合物的数据,难免造成科研资源的浪费。学生经过8周的模块式实验,最后不仅提交有价值的产品,还包括熔点、沸点和波谱数据等。学生的实验数据经过了多个小组的重复检测和验证,可靠性较高,可同时作为教师基础研究的数据。因此,模块式有机化学实验课程体系将实验教学和科研(甚至是学生的毕业设计)工作有效结合,降低了仪器的使用成本,提高了设备利用率。

3.4 提高学生的兴趣

模块实验教学可以提高学生对实验课的兴趣,增加他们的成就感和动力,减少缺课率。少做了实验或某个实验环节失败的学生会主动找老师补做,或利用开放实验室时间重做。随着模块式有机化学实验体系的开展,为了保证实验效果和成功率,学生会更加重视操作的规范性。

4 模块式有机化学实验课程体系的构建远景

本文介绍的依模块按层次进行实验教学的模式,既能满足有机化学实验教学大纲和课程标准对操作技能的要求,又能体现有机化学实验课程的特色。新构建的模块式有机化学实验课程体系主要是鼓励学生自主性学习,在培养学生实践能力方面的优点很明显。它有利于培养学生的创造性思维,提高学生的科学素质,提高高校有机化学实验的教学水平。通过在教学实践过程中不断完善的模块式有机化学实验课程体系,不仅可以突破传统教学模式,而且能够提高有机化学实验教学的质量,为培养创新人才提供一条新途径。

参 考 文 献

[1] 谷亨杰,吴泳,丁金昌.有机化学实验.第2版.北京:高等教育出版社,2006

[2] 曾昭琼.有机化学实验.第3版.北京:高等教育出版社,2003

[3] Zhang W S,Kuang C X,Yang Q.ZNaturforschB,2009,64b:292

[4] Zhang W S,Kuang C X,Yang Q.ChinChemLett,2009,20(1):48

[5] Zhang W S,Su C H,Jiang Y B,etal.ResChemIntermed,2009,35(5):589

[6] 张文生,匡春香.应用化学,2009,26(9):1120