新发展理念背景下的有机化学实验课程体系设计

王晚晴，武双，华威，程艳玲

（北京联合大学，北京 100023）

1 研究背景

化学是一门以实验为手段、以实用性和创造性为特征的学科。然而随着化工技术进步为人类带来巨大益处，传统化学工业也给我们的生态环境带来了严重污染[1，2]。化工生产中的废气、废水和固体废弃物的排放量占国内工业行业排放总量的首位。2015年10月，党的十八届五中全会召开，提出了创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念[3]。2021年10月，国务院新闻办公室发表《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书，着重强调了绿色发展是持续发展的必要条件，也是应对气候变化问题的重要遵循[4]。在全球绿色低碳转型背景下，开发新型绿色化工产品，设计新型绿色工艺流程，成为实现新发展理念的重要措施[5]。

有机化学是化学中极其重要的一个分支，是研究有机物的组成、结构、性质、合成以及与此相关的理论问题的科学。有机化学实验是有机化学教学的重要一环，是培养学生实操能力，升华学生理论知识，启发学生创新意识的重要途径，也是培养学生践行新发展理念的着陆点。在此次教学体系设计中，通过六个维度培养目标的设定和三个教学实验模块的设计，使学生在掌握有机化学实验基本操作技术的基础上，能整合运用所学知识和实验方法完成基本的化学合成，并在新发展理念的引领下，以综合创新实验为平台，着眼于现实问题，运用所学知识，有所见地的分析、解决有机化学化工生产中的问题，使学生勇于承担化学化工行业绿色发展、低碳减污责任，进而促进实现化学化工行业可持续发展的目标[6]。

2 基于新发展理念的有机化学实验课程教学体系的构建

2.1 六个维度培养目标的设定

在有机化学实验课程的教学过程中，坚持价值性和知识性相统一、理论性和实践性相统一，在传授专业知识的同时能切实达到启智育人的目的。为此我们设计了知识、应用、整合、情感、价值与学习六个维度的培养目标。

基础层以掌握基本技能与相关理论知识为目的，通过基本单元操作的练习，使学生能够独立完成小规模的制备实验和性质实验，获得分离和鉴定所得产品的能力。同时在此过程中，能够理论联系实际，理解化学加工过程需求的系统、单元工艺流程和工艺条件。

提升层聚焦应用、整合能力的培养。通过综合性较强的合成实验，学生应用基本操作来制备重要的化工原料和具有药物活性的有机物，同时在对实验结果的分析、判断与归纳中提升整合能力，抽丝剥茧，通过信息综合得到合理有效的结论。使学生能够基于自然科学原理，采用科学方法对复杂工程问题进行研究，在实际操作过程中发现专业领域内的新问题、产生新想法、创新工艺技术。

升华层从情感、价值和学习能力的培养入手。所谓“知之者不如乐知者，乐知者不如好知者”，兴趣是最好的老师。从情感的培养开始，使学生能对化学产生初步兴趣，产生主动学习的意愿，树立学习的自信心。价值层面的搭建，在“创新、协调”新发展理念背景下，要树立学生严谨的科学作风，培养创新的探索精神，具备全局意识、大局观。同时，面对当前社会的迅速发展，学习力成为一种核心竞争力，秉持“开放、共享”的新发展理念，要求学生具备终身学习的意识和自主学习的能力。

图1 六个维度培养目标的设定

2.2 三个教学模块的设计

为循序渐进培养学生学习兴趣、激发学生自主探索和创新精神、提高学生科学实验能力和应用能力，将有机化学实验的教学内容划分为基础技能实验、应用合成实验和综合创新实验三个模块，具体实验项目如表1所示。

表1 教学实验项目安排

在开展具体实验之前，我们通过具体案例分析（化学实验室及化工行业事故、化工废水污染事件等），讲解有机化学实验的安全知识和操作规范，建立学生的规矩意识与责任心。有机化学实验开展过程中，会产生较难处理的有毒有害废渣、废液、废气，也就是我们所说“三废”。随着环保意识的增强，实验室也制订了更加完善的有机实验室废液收集、处理规范。例如氯仿、乙酸乙酯、石油醚等，可通过蒸馏回收，收集馏出液，密封保存，再利用。学生在处理过程中既学到了“绿色化学”的理念又达到了节约资源的目的，并引发学生思考在新发展理念背景下化学合成领域发展的新要求。

对于基础型实验的选择，我们摒弃了之前“单一”的操作训练，将基本实验技能训练与天然产物的提取与分析相结合。选取生活中常见的物质为实验材料，例如橙皮、菠菜、茶叶，能够迅速拉近学生与有机化学实验的距离，激发学生的研究热情。例如，我们将“升华提纯方法”的教学结合天然产物提取实验“从茶叶中提取咖啡因”。以中国传统茶文化作为切入点，引申到“茶”之功能组分咖啡因，激发学生学习兴趣。再以有机化学专业知识为基础，分析咖啡因的物理、化学性质，挖掘出其物理特性为针状结晶物，178℃可升华为针状晶体，分析出咖啡因的提纯方法——“升华提取法”。循序渐进，培养学生从专业角度思考问题、解决问题的能力。同时在天然产物的提取中，启发学生感受自然之妙，“万物各得其何以生，各得其养以成”，人类应以自然为根，共同构建人与自然生命共同体，树立“绿色、和谐”发展理念。

为了进一步培养学生的实践动手能力和应用所学理论知识分析、解决实际问题的能力，对于应用合成实验的教学，我们采用对比式的教学方法。例如，解热镇痛药阿司匹林的合成实验是通过水杨酸的酰基化来完成制备。我们首先向学生讲解了乙酰水杨酸的传统合成方式，以强酸硫酸为催化剂，以乙酐为乙酰化试剂，与水杨酸的酚羟基产生酰化作用形成酯。然后，引导学生分析其制备过程中的潜在问题：强酸的腐蚀性、加热法反应速度慢、副产物多等。引发学生思考解决途径和替代方法，如何取代强酸以降低污染物？如何提升加热速度以节能？如何减少副产物聚水杨酸的生成以提高经济价值？分析出可替代的绿色合成策略：微波辐射法合成乙酰水杨酸。以无水碳酸氢钠为催化剂，采用微波辐射水解，由水杨酸和乙酸酐快速合成乙酰水杨酸。在完成实验项目过程中引导学生建立绿色化学的基本理念，意识到在治理污染的过程中，最佳的环境保护方法是从源头上防止污染的产生[7]；意识到开发新型绿色化工产品，设计新型绿色工艺流程是目前化学化工行业“绿色低碳”转型的重要措施。

综合设计型实验的创建，旨在打开学生的创新性思维视野和加强对知识的综合应用，并在设计与操作过程中贯彻“减碳降污”的思想。该部分实验，我们采取小组考核方式，并将其作为本门课程的考核实验。考核实验以我系“生物废弃物资源化利用开放实验室”为平台，选题方向为“废弃物的资源化利用”，学生结合所学知识和操作技能与社会实际问题，根据平台基础，自拟实验题目，查阅相关资料，设计实验，进行可行性分析，撰写开题报告，提交教师审核后，开展实验。某一小组选题“废饮料瓶为原料的微波辐射法制备对苯二甲酸”，学生通过查阅资料发现，我国在2019年生产了9 300 万吨塑料，仅回收了590 万吨，造成了环境污染的同时，也造成了资源的浪费。通过对塑料瓶材料进行分析，发现聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶子相对容易回收。那么，能否基于有机化学实验，将废旧PET 塑料瓶实现资源化处理，将塑料生产、利用和更新形成一个稳定的闭环？基于化学反应原理分析，对苯二甲酸乙二醇酯（PET）可经逆向解聚回收其初始原料对苯二甲酸（TPA）。实验策略选择：利用微波辐射取代传统加热法，缩短反应时间；添加乙二醇和碳酸氢钠为解聚剂，提高回收效率。通过这种开放式小组综合创新实验的设计，一方面，学生真正成为实验的设计者，将被动式学习转变为主动发掘，能够更好地理解、应用有机化学实验的相关知识和操作；另一方面，“以废弃物的资源化利用”为主题，既可借助实验平台的优势，激发创新意识，也可在切实设计实验过程中践行“绿色、循环”新发展思想。同时，在小组协作的过程中，建立有效沟通机制，培养学生分工合作能力，共享成果。

3 结语

高等教育必须以新发展理念为统领，在遵循教育基本规律的基础上，培养合格的接班人。有机化学实验课程的教学改革实践，从激发学生兴趣出发，充分调动学生的学习积极性，以扎实的实验技能和知识掌握为基础，在对比式的应用合成实验中，锻炼了学生发现问题和解决问题的能力，激发了学生的创新能力。开放式的小组综合实验，让学生直面现实问题，在以创新为驱动的绿色发展观的引领下，运用所学技能和方法解决实际问题，学以致用，切实践行新发展理念。