多層次理工科本科生課程教學改革模式與實踐

彭曉春，伍建華，唐新平，彭志遠

(1.吉首大學化學化工學院 吉首大學化學國家級實驗教學示范中心，湖南 吉首 416000； 2.吉首大學物理與機電工程學院，湖南 吉首 416000；3.吉首大學商學院，湖南 吉首 416000)

0 引言

有機化學課程是大學化學、化工、材料、環境與能源、醫學和生命科學等專業的重要基礎課之一。有機化學內容所涉及的化合物種類繁多，化學性質豐富，有機反應形式各異，變化萬千，且與反應條件密切相關；盡管同系物的有機反應具有一定的規律，但例外情況普遍，常常顯得無規可循。同時，有機化學理論發展十分迅速，內容不斷拓展更新。所以，在講授有機化學課程時必須與學生培養目標相聯系。如何對不同專業不同層次理工科本科生進行教學改革，同行們進行了大量的探索，并取得了系列研究成果。楊小敏等認為，有機化學作為材料、化工等專業進行工程認證時是重要的畢業支撐課程，其教學質量對于完善學生知識結構，培養化學素質和創新能力有重要作用，并將直接影響后續專業課程的學習[1]。強根榮等基于對工科專業有機化學實驗教學改革的認識和教學內容建設的原則，著力推動了教學內容的改革、開發，增強實驗的綜合性、實踐性和應用性，從單一的驗證型、測量型實驗形成了多層次、“理工一體化”的化學實驗教學新模式[2]。熊非等以教學實驗內容設置為案例，應用參與式實驗教學法從源頭上調動學生在學習過程中的積極性[3]。廖小建等認為將仿真技術用于有機化學實驗預習環節，學生模擬實驗操作，加上有聲的畫面更加吸引學生的興趣，極大提高有機化學實驗課程教學質量等[4]。

多年來，筆者在為理工科大學本科生講授有機化學、有機化學實驗、有機化學專論、有機結構分析、醫用有機化學、藥物中間體、高分子化學和食品原料安全學等課程中，探索出知識交叉融合、融會貫通、觸類旁通的教學方法，取得了良好的效果。例如在講授有機化學基礎知識與原理時，有意引入食品原料安全學知識、藥物合成設計、高分子材料合成等范例進行知識點的銜接與拓展；在講授后續課程中注重強化基礎知識的訓練，將知識點遙相呼應、一脈相承，從而激發學生的求知欲望，培養學生的創新思維。同時，根據不同層次不同專業的學生實際情況進行因材施教[5-7]。通過多年來教學實踐，根據相關授課課程和授課對象將課程教學改革分為三大模塊，即有機化學課程模塊、有機化學實驗課程模塊和專業基礎知識拓展課程模塊，探索出多層次理工科本科生一體化教學改革新模式。

1 有機化學課程教學內容的改革與創新

有機化學是理工科本科生的專業基礎課程，對不同專業的本科生，應按照專業培養目標和授課學時，選擇相應的教學方法，進行合理的教學內容定位，力求做到精選課程內容，構建以學生為主體、教師重引導的教學模式。

1.1 課程分類與教材選用

根據不同專業、不同授課對象將有機化學課程教學分為三個層級：一級層次為化學(師范)、應用化學、化學工程與工藝等專業，授課總學時為80學時，教材采用李景寧主編的《有機化學》(第6版)上、下冊，對應課程為有機化學1，有機化學B2；二級層次為食品科學與工程、食品質量與安全、制藥工程、材料科學與工程、生物科學、生物工程、環境科學、環境工程、植物科學與技術、藥學等專業，對應課程為有機化學C，授課學時為48學時，教材采用汪小蘭主編的《有機化學》(第5版)；三級層次為臨床醫學、護理學、針灸推拿學等專業，對應課程為醫用有機化學，教材采用唐玉海主編的《醫用有機化學》(第3版)，授課學時為42(或32)學時。

1.2 課堂教學方法的探討

有機化學課程教學內容多，基礎理論抽象，傳統教學方法難以有效提高教學質量，加之主要授課對象為不同專業的大一和大二本科生，授課對象與授課學時不同，學生對相關前期基礎知識掌握程度迥異，同一個知識點使用同一種教學方法可能因學生的接受能力不同，難以取得較好的教學效果。為此，我們在精選課程內容的基礎上，改革與嘗試了適合不同類型不同層次大學生的課堂教學方法，如：知識點設計法、歸納總結法、多重導入法、問題探究法等，探索出了一種多層次理工科本科生有機化學課程教學的新模式[7]。

2 有機化學實驗教學內容的改革與創新

有機化學理論教學和實驗教學是相輔相成的。有效的有機化學實驗教學，一方面能提高學生對理論課的學習興趣，另一方面增強學生探究理論的動力。針對不同層次理工科本科生需要掌握的有機化學知識點，按照“基礎化學實驗III”和“有機化學實驗”的課程目標與要求，我們將有機化學實驗教學項目分為四級，實驗類型分為驗證、綜合和設計三類。同時，通過實驗室開放教學、網絡實驗教學以及數字共享資源庫的建設等手段，增強有機化學實驗教學方式的改革與創新，不斷提高學生獨立分析問題、解決問題的能力，培養高素質、創新型人才。

2.1 精選實驗項目與類型

為突出不同層次理工科本科生對有機化學基礎理論的掌握和創新能力的培養，我們將有機化學實驗課程內容設置為四級教學模式。初級對應于生物資源與環境科學學院各專業及醫學院臨床專業和護理學等專業，開設5～6個實驗項目共16～18學時，主要以基本操作和驗證實驗類型為主。中級對應于食品科學與工程和食品質量與安全等專業，開設7個實驗項目共24學時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設計，其中綜合和設計項目達到57%；高級對應于化學工程與工藝、材料科學與工程、制藥工程等專業，開設20個實驗項目共96學時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設計，其中綜合和設計項目達到85%；特級對應于化學(師范)、應用化學等專業，開設22個實驗項目共110學時，實驗類型分為基本操作和驗證、綜合與設計，其中綜合和設計項目達到85%以上。此外，為了應對省級大學生化學實驗技能競賽，在全校性初賽的基礎上，每年從不同層次理工科本科生中選拔20名參賽選手進行綜合實驗技能專項培訓，實施精英式實驗教學模式。

2.2 多手段實驗教學實踐

結合實驗室開放教學、網絡實驗教學以及數字共享資源庫的建設等手段，在傳統教學的基礎上，探索出參與式教學法、探究式教學法、仿真式教學法等方式。

2.2.1 參與式教學法

參與式教學是在任課教師引導的前提下，讓學生以主體身份參與到實驗教學全過程中，使其能夠有效地掌握實驗操作基本技能并靈活應用，是一種全新的體現團隊意識與協作精神的教學模式。這種模式讓師生在教與學的參與式互動過程中均以主體身份互相激勵、協調、促進和統一，從而實現教學質量的全面提升。如實驗項目“從茶葉中提取咖啡因”，從原材料的選取(各類茶葉)，實驗方案的設計(天然產物提取方法選取、熱提與冷浸的差別、不同溶劑提取產率差別)，基本技能的運用(蒸餾、抽濾、重結晶、升華)，實驗總結與數據處理，產品結果的展示等環節都激發了同學們學習的興趣，是被學生推崇最為有趣的實驗項目之一。又如實驗項目“芳樟精油的制取及其化學成分分析”，指導教師將同學們分成若干實驗小組，各小組成員共同設計實驗方案，自行采集不同季節樟樹的葉、莖、果實做原料，然后進行原材料的處理(如：清洗、晾干、粉碎至實驗所需粒度)，完成水蒸氣蒸餾整個實驗操作過程，以及產品成分的分析處理等流程，這樣不僅讓同學們掌握了相關的實驗教學內容，同時也培養了學生的團隊意識與協作精神。再如現已開設的 “單寧酸沉淀法提取煙堿及其GC/MS分析”“茵陳總黃酮的提取及其紫外光譜分析”“路邊青總多酚的超聲提取及紫外光譜分析”“八角茴香油的提取及檢測”等實驗項目，既提高了學生的實驗基本操作技能，又培養了學生參與整個實驗項目設計的綜合與創新能力。

2.2.2 探究式教學法

傳統實驗教學模式一般由指導教師先講解實驗原理、內容和注意事項，學生在預習的前提下按實驗步驟照方抓藥式進行實驗，實驗報告大同小異，討論部分一般也是在教材中找思考題答案的被動完成任務式的實驗課模式。而探究式實驗從預習開始就讓學生自主設計實驗步驟，提出優化和改進的實驗方案，在實驗操作過程中驗證實驗方法的可行性，亦可以分組對照實施優化方案，在傳承中創新，從源頭上調動學生學習的積極性。指導教師通過問題引導學生想象實驗過程，發現問題、預判實驗現象和結果、嘗試尋找解決方法。如在“乙酰苯胺重結晶”實驗項目中，對第一步操作是否采用熱過濾或是趁熱抽濾，學生可以自由選擇進行實驗，比較實驗結果。在晶體的析出操作中也可以選擇冷卻、玻璃棒摩擦器壁或投晶種等方法，通過不同的方式比較晶體的形成。又如在設計實驗“環糊精對高碳醇的分子識別與表征”項目中，同學們可以選擇不同的實驗方案，學生在查閱相應的文獻資料寫出具體實驗操作步驟，在指導老師審閱后獨立開展實驗。探究式實驗教學不僅可以激發學生自主學習的動力，培養學生運用理論指導實驗的思維習慣，提升學生分析問題、解決問題的能力，同時也可喚醒學生的創新潛質，培養學生的科研素養。

2.2.3 仿真式教學法

教高函〔2018〕5號指出：虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。近年來，我們將仿真技術應用于有機化學實驗教學，構建了虛擬仿真實驗平臺，它與以前任何人機交互形式相比，有希望徹底實現“和諧的、擬人化的”人機界面。其作用主要表現為：輔助實驗教學、彌補實驗儀器缺少；降低試劑消耗；降低儀器損壞率；進行開放實驗前的預習、考核，準入門檻低；大型精密儀器的輔助實驗手段仿真模擬；危險實驗仿真；長時間的實驗；實現虛擬設計實驗”等優勢。

目前，有機化學虛擬仿真實驗平臺有相應的實驗儀器與實驗裝置介紹、實驗基本操作流程，以及環己烯制備、肉桂酸的合成、無水乙醇制備，乙酸正丁酯制備、乙酸異戊酯制備、正丁酯制備、環戊酮的制備、苯甲酸的制備、丁二酸的制備、丁二酸酐的制備、熔點測定、蒸餾等10多個虛擬實驗。同學們在虛擬實驗室里進行實驗，既滿足了學生對同一個實驗項目可以進行反復模擬訓練的要求，又具有安全、有效、節省實際實驗中的經費開支，以及開放學生自主參與學習的好處。與此同時，我們正在逐步建立和完善虛擬仿真實驗平臺網絡預約、預習、測試、成績評定查詢、管理一體化的輔導實驗教學新體系。

3 專業基礎知識拓展課程的改革與創新

多年來，筆者在主講有機化學和有機化學實驗課程基礎上，分別在不同專業和不同年級中開設了專業基礎知識拓展課程，如：有機化學專論、有機結構分析、有機合成設計、精細有機合成單元反應、高分子化學、藥物化學、藥物中間體、藥物合成原理、生物化學、環境化學及基礎化學實驗等，將有機化學的基本理論應用于實踐并延伸至邊緣學科，構建出多層次理工科本科生以有機化學、有機化學實驗及相關后續專業基礎選修課程一體化教學的新體系。圖1為有機化學課程與知識拓展課程關系示意圖。

圖1 有機化學課程與知識拓展課程關系示意圖

在課程講授過程中，針對不同專業、不同年級的學生精選內容、各有偏重，將最初的有機化學基本理論和機理的知識點由淺入深傳授給學生，既鞏固了基礎知識又拓展了知識面。如在講授有機化學緒論時增添高分子功能材料的應用介紹，闡明日常生活中的高分子材料、航空航天開發的高分子新材料、高分子生物仿生材料等都離不開有機化學知識作為支撐，從而激發同學們在后續選擇高分子化學課程的興趣。

在教學過程中把有機化學知識與社會事件結合起來并加以合理解釋，不但可以吸引學生的注意力，提高聽課效率，同時也可增強同學們學以致用的觀念。如面向食品相關專業講授有機化合物結構性能時有意穿插后續食品質量與安全課程知識點，以2008年我國三鹿奶粉中含有三聚氰胺導致嬰兒中毒事件作為例證，提出為什么不良商家要在奶粉中添加有機化合物三聚氰胺呢? 原因是與蛋白質含量的測定有關。三聚氰胺屬于三嗪類含氮雜環有機化合物，是一種重要的氮雜環有機化工原料，食用后對人身體有害，不能作為食品添加劑。蛋白質主要由氨基酸組成，其含氮量一般不超過30%，而三聚氰胺的含氮量為66%左右，常用蛋白質測試方法“凱氏定氮法”是通過測出含氮量來估算蛋白質含量。因此，添加三聚氰胺會使食品的蛋白質測試含量偏高，從而導致不能達標的劣質食品能通過食品檢驗機構的測試。事實上，雖然大多數學生對毒奶粉事件有所關注，但并不明白其中的原委。

在對藥學和醫學相關專業學生授課時多舉例說明一些常見的與藥物相關的知識點，使學生能快速、深入理解后續課程內容，達到對所學知識相互融合的效果。如為什么布洛芬藥物有兩個異構體，卻只有S-異構體有鎮痛作用？氯霉素有四個旋光異構體，而具有抗菌作用的只有其中之一的(1R, 2R)-蘇型氯霉素？怎樣以N-氧化吡啶為主要原料合成治療結核病藥物異煙肼？這些問題的提出與解釋就會增強同學們對有機化合物屬性的理解和掌握。又如在講授藥物化學、藥物中間體等課程時，從學生已熟悉的基礎知識點切入，將雜環化合物相關的知識點進行歸納、融通、深化，不斷激發學生的學習興趣。

幾年來，在有機化學教學過程中，通過強調課程間知識點的相互聯系，把學生先期課程中涉及到的知識快速、深入地融入到后續課程中，把基礎理論和知識拓寬結合起來，促進了由點到線、由線及面的一體化教學體系的形成。

4 結語

通過對多層次理工科本科生專業基礎課程的教學與實踐活動的深入研究和探索，以有機化學、有機化學實驗及后續專業基礎選修課程的教學內容為改革與創新主體，以理工科不同層次的本科生為授課對象，構建出一種多層次理工科本科生專業基礎課程與相關后續選修課程一體化教學改革的新模式，取得了比較明顯的效果，也促進了多層次理工科本科生教學質量的不斷提高。