有機合成及設計多年來一直是我校應用化學專業油田化學、精細化學品化學兩個專業方向的學生開設的重要專業基礎課,是繼無機化學、分析化學、有機化學、物理化學等基礎課后開設的一門理論與實踐緊密結合的專業課程。作為應用化學專業的專業主干課程,這門課程經歷了幾代教師的努力和積累,教學上已具有堅實的基礎。
然而隨著我國教育事業的不斷發展,以及社會對當代大學畢業生能力要求的逐步提高,教學也要在傳統的基礎上有所前進。作為高等院校的教師,我們也應該與時俱進,充分認識教學研究及改革在人才培養和深化教學改革中的重要作用,積極進行教學改革與實踐,促進素質教育和教學質量的全面提高。
針對我校應用化學專業為石油行業培養應用型人才的培養目標,結合該課程的特點,在多年的教學實踐中,我們不斷地對本課程教學內容進行改革,并取得了預期的效果。
一、理論教學改革與實踐
\\(一\\)切實抓好基礎教學
重視基礎是我國本科教育的優良傳統,大學本科教育就是為學生打下良好基礎的。教學實踐中重視學生的基礎理論、基礎知識、基本技能、基本思維和基本能力的學習,一直是我們教學改革的指導原則和發展方向。有機合成及設計是在有機化學基礎上系統介紹有機化合物合成的常用重要反應和常用合成路線設計技巧的一門學科。有人形容它為“分子水平上的建筑藝術”。即有機合成是科學與藝術的融合體,既體現了科學的嚴謹性和邏輯性,又具有藝術的想象力和創造性。
要充分發揮有機合成的魅力,學生必須熟悉基礎合成反應和方法,學習有機合成基本思路和思維方式。在教學實踐中,我院有機合成及設計課程理論教學由原來的36學時調整為54學時,主要講授五個章節:有機合成的發展與基本概念、分子骨架的構建、官能團的轉換、逆合成分析、有機合成新技術新方法。有機合成及設計課程教學重點內容仍然集中在兩個方面:一有機合成反應基礎知識的系統和熟練;二利用創新性思維進行設計合成。這兩個方面都要求我們扎扎實實地做好基礎內容教學。我們將五分之四的學時放在分子骨架的構建、官能團的轉換和逆合成分析等基礎知識上。其中,分子骨架的構建和官能團的轉換系統介紹了形成分子化學鍵的反應類型和反應方法。學生只有切實掌握這些基本內容,才能系統地總結出構建有機分子骨架的方法、途徑;逆合成分析則是在熟練運用分子骨架的構建和官能團的轉換方法的基礎上進行逆向邏輯分析,有計劃有目的地合成復雜分子。這部分理論訓練學生有機合成的思路和思維方式。因此,切實抓好基礎教學不僅使學生能夠從本課程中獲得有機合成的基本方法,在后續的課程中體現出扎實的基本功,而且提升了學生解決實際問題的科學思維能力,這也和我國本科教育的指導思想高度一致。
\\(二\\)理論聯系實際,與時俱進
科學技術的發展日新月異,有機合成技術也在同步發展。而本課程就是一門緊密聯系實際的基礎課程。新的合成路線有的用于科研開發,如已知具有活性的新化合物的合成、醫藥、農藥、染料、香料等精細化工的合成,也有的已經用于生產實踐。
我們在教學中利用各種信息渠道,把新知識、新觀念、新方法、新技術及自己的科研經驗適時地補充進去。例如,本課程的第一章緒論中介紹了2010年諾貝爾化學獎,美國科學家理查德·赫克\\(RichardF.Heck\\)、日本科學家根岸英一\\(Ei-ichiNegishi\\)和鈴木章\\(AkiraSuzuki\\)三位科學家研究“鈀催化的交叉偶聯方法”是今天的化學家所擁有的最為先進的工具,使人們能夠模仿大自然,利用碳能力來為能發揮作用的分子提供一個穩定的框架,使人類獲得了新的藥物和諸如塑料這樣的革命性材料。這樣的教學內容設置從一開始就展現出有機合成的巨大魅力,激發起學生對本課程的學習興趣和熱情。在其后的教學內容上,我們適當安排了課程理論在科研和生產實踐中廣為應用的合成反應\\(如Heck反應、Suzuki偶聯、Robinson環化、Stille偶聯和Sharpless環氧化反應等\\)的有關內容;介紹了從立體選擇性合成、新型金屬催化劑在合成中的應用,到綠色化學和組合化學在生產實踐中的應用;補充了分子篩、離子液體、綠色化學、固體酸堿等環境友好綠色催化劑的研究應用情況;介紹了一些有機合成的新技術,如微波合成、超聲化學合成、組合化學等研究。最后專門用一個學時介紹學科的發展趨勢。
同時,我們力圖在課程教學中發揮文獻資源和網絡信息的作用,通過對最新文獻的綜合,滿足學生求知欲。這些與實踐相結合的知識豐富了教學內容,拓寬了學生的知識面,增強了學生學習化學的優越感與自信心,激發了學生探求前沿知識的濃厚興趣。
\\(三\\)體現石油特色
我校應用化學專業的學生畢業后大都為油田服務,或是從事與石油相關的科研工作。有機合成及設計作為應用化學專業的專業主干課程,既要區別于理科院校的課程要求,又要區別于其他工科院校的行業特點。在課程內容設置上,我們適當融入油田化學品或精細化學品的合成等內容,力圖使課程教學體現專業特色。例如,在分子骨架的構建碳碳雙鍵與NaHSO3加成反應教學內容中,加入了油田常用表面活性劑脂肪醇醚磺酸鹽類表面活性劑的合成。脂肪醇醚磺酸鹽類表面活性劑具有很好的乳化性、潤濕性,是廣泛地應用于油田開采的驅油劑。把關于脂肪醇醚磺酸鹽類表面活性劑的合成與性能的內容串聯起來,學生就可以切實地認識到有機合成與專業密不可分。再如,筆者以一種曼尼希堿酸化緩蝕劑的合成為例介紹了構建分子骨架的Mannich反應。
大家知道,在石油工業中為了抑制和減緩酸液對金屬設備及金屬管線的腐蝕,在進行酸化作業時,曼尼希堿是常用的一種在酸液中添加的緩蝕劑。而在有機合成中以甲醛、芳香酮和有機胺為原料,經Mannich反應能夠巧妙地合成了曼尼希堿。結合專業實際應用,教學既體現了有機合成的意義又能激發學生的學習興趣。此外,教學在保證厚基礎、寬專業的同時,原課程體系中還組織專門的教學法活動,對課程的內容進行優化和精簡,避免交叉課程的內容重疊。
\\(四\\)融入雙語教學
國際化是當今教育發展的一個重要特征和趨勢,高校教育教學改革要重視學生國際視野和國際競爭能力的培養,從而造就一批面向世界、面向未來的新型高素質人才。而有機合成領域在發達國家異?；钴S,新成果、新理論不斷涌現。要使學生接觸本學科世界先進理論和技術,掌握學科領域的最新研究成果,教學則必須采用英語。我校有機合成及設計課程目前還沒有開展雙語教學,因此很有必要在課程內容中融入英語專業詞匯及相關的專業英語知識。例如,本課程中將有機合成專業術語、化合物名稱、合成反應的名稱等用英語來表述。另一方面,把Science、J.Am.Chem.Soc.、Org.Lett.等國外著名的雜志中有關有機合成的新成果原汁原味地摻入到教學內容中。通過這些內容的教學,學生不僅能夠使用規范的英語語言來表達專業內容,而且能夠查閱國內外的相關文獻,了解有機合成的設計思想、實驗方法、結構確定方法,以及最新的科研成果、發展動態等,接觸專業知識的前沿,提高了科研能力,激發了學習興趣。
二、實驗教學改革與實踐
\\(一\\)扎實基本功,強化基本技能
化學是一門實驗科學。作為當代化學專業的大學生,除了要有廣博的知識和良好的創新意識外,還必須有扎實的實驗基本功、良好的實驗技能、熟練應用現代測試儀器及技術開展科學研究和生產實踐活動的能力。
與有機合成及設計相配套的實驗教學通常以傳統的驗證性、綜合性實驗為主。實驗教學中強調基本實驗技能的規范化、與實驗相關的擴展性科研技能的熟練化仍是本科生學習階段實驗的基本要求。在多年的教學改革實踐中,我們將工藝陳舊落后、不利于提高科研主觀能動性和創造力的實驗項目進行刪減,增加了一些易于培養學生創新性和綜合解決實際問題能力又符合綠色化學發展趨勢的實驗項目。實驗內容包括香豆素-3-羧酸的合成、非那西汀的合成、阿司匹林的合成、己二酸的綠色合成\\(微波加熱\\)、二苯酮的制備———TLC技術控制加入反應物的量\\(微量合成\\)。本課程實驗安排30學時。
其中香豆素-3-羧酸的合成和非那西汀的合成是多步驟合成實驗。在實驗過程中,學生自制原料進行下一步合成,最后分離提純產物并進行結構鑒定。通過多步驟合成,蒸餾、重結晶、抽濾等多種基本操作訓練,以及熔點測定儀、紅外光譜儀的使用,學生強化了基本實驗技能,培養獨立完成科研的能力和解決實際問題的能力,為后期畢業論文的開展及就業工作奠定了良好的基礎。
\\(二\\)融入有機合成新技術、新方法,順應綠色化學發展趨勢
人與自然的可持續發展必須要解決環境污染問題?；瘜W實驗是環境污染的源頭之一。教師在化學實驗教學中,應有意識地將綠色化學的理念傳遞給學生,使學生在潛移默化中受到綠色化學的教育。對有機合成實驗實施綠色化已在各個學校普遍展開,這主要通過合理選擇實驗內容、進行多步驟合成實驗、采用微量及半微量實驗、利用先進的合成技術與合成方法、合理收集及排放“三廢”等方法實現的有機合成實驗的“綠色化”。
在我校實驗教學改革實踐中,筆者將原有的扁桃酸的制備試驗項目刪除\\(扁桃酸的制備實驗中用到對空氣污染嚴重的氯化芐\\),增加己二酸的綠色合成\\(微波加熱\\)。本實驗項目使用先進的微波加熱技術,固體超強酸催化進行兩相體系的反應,同時使用過氧化氫綠色氧化劑,將新方法與常規方法進行比較,將綠色化學理念傳遞給學生。阿司匹林的合成選擇酸性的離子液體做催化劑,并將離子液體循環使用,學生從中可以深刻體會離子液體催化反應的新方法代替硫酸的優點。另外,將電化學制備聚苯胺置于高分子化學與物理實驗中,換成二苯酮的制備———TLC技術控制加入反應物的量\\(微量合成\\)。本實驗項目讓學生熟悉有機合成中最基本、最重要的柱色譜分離的原理和方法,而且微量合成又符合綠色化學的理念。實踐證明,實驗內容的改革利于調動學生的積極主動性,培養學生的創新性,活躍其科研思維能力。
三、結語
有機合成及設計是一門隨著科技發展和社會進步不斷創新和完善的自然學科。筆者在教學實踐中,總結教學改革的最新經驗,不斷完善教學內容,強化基礎教學,理論與實際更多結合,融入專業特色,及時汲取科研的最新研究成果,同時順應綠色化學的趨勢,合理地安排實驗教學內容,不斷實現教學工作的創新,提高了教學質量。
參考文獻:
[1]徐家業編.高等有機合成[M].北京:化學工業出版社,2004.
[2]喬艷輝,滕俊江,張慶等.精細有機合成化學及工藝學課程教學改革與實踐[J].化工高等教育,2010,\\(5\\):84-86.
[3]施開良,陳令梅,姚天揚等.培養創新型人才要重視基礎抓好“五基”教學[J].大學化學,2004,19\\(3\\):16-18.
[4]黃憲有機合成\\(上冊\\)[M].北京:高等教育出版社,1992.
[5]高興文.有機合成課程改革與實踐[J].化學試劑,2010,32\\(2\\):189-192.
[6]張衛民.有機合成化學課程雙語教學探索[J].高教論壇,2010,\\(10\\):71-73.
[7]紀明慧,舒火明,郭飛燕等.有機化學實驗的綠色化路線設計[J].化學教育,2009,\\(3\\):61-63.
[8]樂傳俊,顧黎萍.綠色化學與創造性教學[J].化學教育,2009,\\(3\\):11-12.
