国家一流专业建设背景下“合成实验”课程的教学改革与探索

2023-03-14朱逸伟

湖北理工学院学报 2023年4期

朱逸伟

(安徽工程大学化学与环境工程学院,安徽芜湖 241000)

“合成实验”是安徽工程大学应用化学专业必修的专业实践课程,结合了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等学科的理论基础内容,重点培养学生的实践动手能力,对无机及有机化合物的合成、提纯、分析等环节进行设计及综合性实验,强调培养学生的综合实验能力。安徽工程大学应用化学专业正处于国家一流专业建设期,这一背景对“合成实验”课程的开设效果和学生培养质量提出了更高的要求,需要进行教学改革和探索。

1 “合成实验”课程的现状及问题

1.1 课程定位模糊

“合成实验”课程的定位依然是之前的“地方特色高校”的培养标准,与目前国家一流专业建设期定位不符,无法贴近“六卓越一拔尖”的培养计划。同时,目前的课程大纲和培养计划陈旧,不能很好地执行习近平总书记“办好我国高校,办出世界一流大学,必须牢牢抓住全面提高人才培养能力这个核心点”的重要指示[1-2]。

1.2 教学方式落后

目前,“合成实验”课程授课教师要求的预习报告基本流于形式,学生并不重视预习报告。在教学过程中,教师的教学方法过于传统单一,只对实验原理进行机械地叙述,对实验步骤进行简单地重复,不能突出实验原理的重点和实验操作的难点[3]。这样导致学生只会“依葫芦画瓢”,没有在实验动手的过程中对实验原理做出思考。同时,学生的积极性不高,在实验过程中往往会出现一些低级的操作问题。这也是预习不充分,听讲不认真的具体表现。因此,在国家一流专业建设的背景下,“合成实验”课程的教学方式亟需改进,需要更好地调动学生参与实验的积极性[4]。

1.3 安全和绿色化学理念不强

实验过程中,很多学生无法贯彻安全、绿色化学观念,对“三废”处理缺乏意识,没有良好的实验习惯。如:课程实验中,很多学生不穿实验服,操作不规范,对浓硫酸、浓盐酸等腐蚀性试剂操作随意,实验习惯不好,形成了安全隐患。学生在实验过程中缺乏安全、绿色化学观念。如:在2-甲基-2-己醇的制备实验中,需要蒸馏除去萃取用的乙醚,很少有学生在实际操作中把蒸馏得到的乙醚进行回收,导致很多废液、废渣被丢弃在水池和垃圾桶中,鲜有同学注意到实验室的废液桶和固体废弃物桶。究其原因,还是学生缺乏对“三废”的处理意识,没有从心底形成安全、绿色的化学观念。

1.4 验证性实验较多,学生的自主设计意识不强

目前,应用化学专业开设的很多实验偏重验证性,如:邻苯二甲酸二丁酯的制备、铁酸锌的制备、苯亚甲基苯乙酮的制备和2-甲基-2-己醇的制备等。同时,这些实验更侧重现象和操作,对后续产品的检测和纯化要求并不高。很多学生在操作过程中追求实验速度,对合成产品的质量重视不足,养成了不好的习惯。此外,过多的验证性实验不能激发学生参与实验的兴趣,造成实验讲解和实验过程中部分学生的积极性不高,操作敷衍了事,不能达到“合成实验”课程开展的目的[5]。

1.5 过程管理单一落后,考核机制不科学

目前,“合成实验”课程的考核依据为预习报告、实验报告、平时出勤,忽略了学生的实验操作细节,没有覆盖实验设计环节以及产品的质量。很多“合成实验”课程教师忽略了对实验操作记录的评价,无法完全掌握各个小组的操作情况。因此,更需要授课教师加强“合成实验”课程的过程管理,强化安全意识,完善考核机制,优化评价体系[6-7]。

2 “合成化学”课程教学改革措施

通过走访兄弟院校,参考全国其他高校的先进做法,在建设国家一流专业的背景下,对安徽工程大学应用化学专业“合成实验”课程提出了一些改革措施和方案。

2.1 更新培养方式和课程大纲

“合成实验”课程需要按照国家一流专业的建设要求,以学生成长、成才作为出发点和落脚点,突出学生综合能力的培养,重新制定课程大纲,重新划定课程目标[8-10]。课程目标1:通过构建实验系统和实验方案,对实验结果分析和解释,获取各项信息,综合得到合理有效结论,完成实验报告;通过理论和实际相结合,使学生对所学的各项理论知识进行进一步巩固、加深和拓展,同时了解一定的合成分离过程,培养解决实际工程问题的能力。课程目标2:能够与同组其他成员有效沟通,听取并综合同组其他成员的意见与建议,结合所学知识形成自己的实验系统与实验设计方案,并能够协调同组成员工作。同时,扩大课程深度和广度,以学生为中心,重点突出综合能力的培养,设计和划定更具实施价值的“合成实验”课程教学内容,充分考虑绿色和安全的观念,制定更适配国家一流专业建设要求的培养方式和课程大纲[11]。

2.2 教学内容与专业教师科研相结合

“合成实验”课程的教材内容较为陈旧、浅显,不能紧跟时代,很多化合物的合成技术也停留在十多年前。面对合成技术日新月异的今天,尤其是在建设国家一流专业的背景下,现有教材里的合成方法不能完全满足高质量实验教学的要求[12]。结合安徽工程大学应用化学专业本科生导师制的优良传统,将每个学生从大一就分配给专门的本科生导师。如果本科生导师让所负责的学生及时进入到自己的科研实验室进行科研训练,不仅能提高学生对于专业的理解,也能使学生更好地了解什么是科研、什么是实验,能更好地知晓应用化学专业科研工作的特点、就业的前景,必然能培养更高的实验素质和更强的绿色化学意识,不仅能改善“合成实验”课程的教学效果,更能为学生的就业和将来更高层次的学习带来助益[13-14]。对于实验内容,“合成实验”课程的授课教师可以做开放性教学内容,让学生结合本科生导师的科研主题,自主设计实验,在保证安全可靠的前提下,让“合成实验”课程与科研项目内容结合,如:学生可以将科研项目中可见光催化合成的内容引入到课程实验里面,利用不同波长、温度、催化剂及碱,通过仪器分析的手段来判断催化反应的性能,对反应的机理进行思考,既能提高学生的参与度和自主性,也能使“合成实验”课程的教学内容融入新的血液。

2.3 设计多步骤合成实验

单元反应简单易操作,但为了培养学生更高的实验技能,教师应该设计制定多步骤连续合成的实验,让目标分子经历多个步骤完成转变。多步骤反应中有些中间体并不一定需要每步都纯化,可以放到最后一步或者最后几步来做,这有助于培养学生对实验方案的制定和实验经济性的考量。如苯频哪醇的重排反应,考察的是光化还原的原理,先由二苯甲酮在光作用下均裂形成自由基,再经过自由基转移、耦合形成苯频哪醇,再由苯频哪醇在碘的催化下在冰醋酸中发生频哪醇重排,生成苯频哪酮。再如苯佐卡因的制备实验中,有多条路线可供选择,选择其中锡粉还原的路线,反应操作较多,第一步将硝基还原为胺基:HOOC—Ar—NO2+Sn+HCl→HOOC—Ar—NH2·HCl+SnCl4,随后在碱性条件下去除四氯化锡:SnCl4+4NH3·H2O→Sn(OH)4+4NH4Cl,再通过对胺的纯化以及后续的酯化反应得到纯品:COOH—Ar—NH2+C2H5OH+H2SO4→C2H5OOC—Ar—NH2·H2SO4。实验步骤紧凑,操作较多,能充分考验学生搭建反应装置、萃取、抽滤等操作能力,对于学生实验能力的培养有着很大的助益。

2.4 强调实验过程的绿色、安全

授课教师在“合成实验”课程教授过程中应当遵循“绿色化学”的原则,尽量选用无毒无害的原料或者催化剂,从源头进行绿色化[15];尽量设计绿色合成反应路线,避免实验过程中产生危害实验者和环境的物质;提高实验绿色经济性,在保证实验结果准确的基础上,通过计算尽量减少原料的过量消耗,提高原子经济性[16];强调对废水、废液、废气的处理,灌输学生对环境的保护意识,让学生养成安全和环保的意识。

“合成实验”课程可以借助虚拟仿真平台来设计完成反应条件苛刻或试剂操作较为危险的实验。现代虚拟仿真技术不仅能提供较为真实的实验场景,同时具有反应现象明显、安全无害和方便快捷的特点,对于需要无水无氧等苛刻操作条件的实验可以让学生尝试进行,既保证了学生的安全,也让学生体验了实验的操作过程[17]。虚拟仿真既能提高学生的动手能力,也是实验绿色化的一个重要体现[18-19]。

2.5 强调过程管理,优化考核形式

对于“合成实验”课程的考核更应结合过程管理的形式,提高平时成绩的比重,细化实验操作过程的评分。“合成实验”课程考核的改进方法见表1。课程教师需对学生在每一个实验中的具体表现与各个实验得到的产品质量进行记录。这也要求教师对实验过程进行全程掌控,更加强调学生在实验环节中的操作规范。这样更能让同学们注意培养动手能力,养成良好的实验习惯,对于“合成实验”课程有着更好的监督促进作用。