新發展理念背景下的有機化學實驗課程體系設計

王晚晴，武雙，華威，程艷玲

（北京聯合大學，北京 100023）

1 研究背景

化學是一門以實驗為手段、以實用性和創造性為特征的學科。然而隨著化工技術進步為人類帶來巨大益處，傳統化學工業也給我們的生態環境帶來了嚴重污染[1，2]。化工生產中的廢氣、廢水和固體廢棄物的排放量占國內工業行業排放總量的首位。2015年10月，黨的十八屆五中全會召開，提出了創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念[3]。2021年10月，國務院新聞辦公室發表《中國應對氣候變化的政策與行動》白皮書，著重強調了綠色發展是持續發展的必要條件，也是應對氣候變化問題的重要遵循[4]。在全球綠色低碳轉型背景下，開發新型綠色化工產品，設計新型綠色工藝流程，成為實現新發展理念的重要措施[5]。

有機化學是化學中極其重要的一個分支，是研究有機物的組成、結構、性質、合成以及與此相關的理論問題的科學。有機化學實驗是有機化學教學的重要一環，是培養學生實操能力，升華學生理論知識，啟發學生創新意識的重要途徑，也是培養學生踐行新發展理念的著陸點。在此次教學體系設計中，通過六個維度培養目標的設定和三個教學實驗模塊的設計，使學生在掌握有機化學實驗基本操作技術的基礎上，能整合運用所學知識和實驗方法完成基本的化學合成，并在新發展理念的引領下，以綜合創新實驗為平臺，著眼于現實問題，運用所學知識，有所見地的分析、解決有機化學化工生產中的問題，使學生勇于承擔化學化工行業綠色發展、低碳減污責任，進而促進實現化學化工行業可持續發展的目標[6]。

2 基于新發展理念的有機化學實驗課程教學體系的構建

2.1 六個維度培養目標的設定

在有機化學實驗課程的教學過程中，堅持價值性和知識性相統一、理論性和實踐性相統一，在傳授專業知識的同時能切實達到啟智育人的目的。為此我們設計了知識、應用、整合、情感、價值與學習六個維度的培養目標。

基礎層以掌握基本技能與相關理論知識為目的，通過基本單元操作的練習，使學生能夠獨立完成小規模的制備實驗和性質實驗，獲得分離和鑒定所得產品的能力。同時在此過程中，能夠理論聯系實際，理解化學加工過程需求的系統、單元工藝流程和工藝條件。

提升層聚焦應用、整合能力的培養。通過綜合性較強的合成實驗，學生應用基本操作來制備重要的化工原料和具有藥物活性的有機物，同時在對實驗結果的分析、判斷與歸納中提升整合能力，抽絲剝繭，通過信息綜合得到合理有效的結論。使學生能夠基于自然科學原理，采用科學方法對復雜工程問題進行研究，在實際操作過程中發現專業領域內的新問題、產生新想法、創新工藝技術。

升華層從情感、價值和學習能力的培養入手。所謂“知之者不如樂知者，樂知者不如好知者”，興趣是最好的老師。從情感的培養開始，使學生能對化學產生初步興趣，產生主動學習的意愿，樹立學習的自信心。價值層面的搭建，在“創新、協調”新發展理念背景下，要樹立學生嚴謹的科學作風，培養創新的探索精神，具備全局意識、大局觀。同時，面對當前社會的迅速發展，學習力成為一種核心競爭力，秉持“開放、共享”的新發展理念，要求學生具備終身學習的意識和自主學習的能力。

圖1 六個維度培養目標的設定

2.2 三個教學模塊的設計

為循序漸進培養學生學習興趣、激發學生自主探索和創新精神、提高學生科學實驗能力和應用能力，將有機化學實驗的教學內容劃分為基礎技能實驗、應用合成實驗和綜合創新實驗三個模塊，具體實驗項目如表1所示。

表1 教學實驗項目安排

在開展具體實驗之前，我們通過具體案例分析（化學實驗室及化工行業事故、化工廢水污染事件等），講解有機化學實驗的安全知識和操作規范，建立學生的規矩意識與責任心。有機化學實驗開展過程中，會產生較難處理的有毒有害廢渣、廢液、廢氣，也就是我們所說“三廢”。隨著環保意識的增強，實驗室也制訂了更加完善的有機實驗室廢液收集、處理規范。例如氯仿、乙酸乙酯、石油醚等，可通過蒸餾回收，收集餾出液，密封保存，再利用。學生在處理過程中既學到了“綠色化學”的理念又達到了節約資源的目的，并引發學生思考在新發展理念背景下化學合成領域發展的新要求。

對于基礎型實驗的選擇，我們摒棄了之前“單一”的操作訓練，將基本實驗技能訓練與天然產物的提取與分析相結合。選取生活中常見的物質為實驗材料，例如橙皮、菠菜、茶葉，能夠迅速拉近學生與有機化學實驗的距離，激發學生的研究熱情。例如，我們將“升華提純方法”的教學結合天然產物提取實驗“從茶葉中提取咖啡因”。以中國傳統茶文化作為切入點，引申到“茶”之功能組分咖啡因，激發學生學習興趣。再以有機化學專業知識為基礎，分析咖啡因的物理、化學性質，挖掘出其物理特性為針狀結晶物，178℃可升華為針狀晶體，分析出咖啡因的提純方法——“升華提取法”。循序漸進，培養學生從專業角度思考問題、解決問題的能力。同時在天然產物的提取中，啟發學生感受自然之妙，“萬物各得其何以生，各得其養以成”，人類應以自然為根，共同構建人與自然生命共同體，樹立“綠色、和諧”發展理念。

為了進一步培養學生的實踐動手能力和應用所學理論知識分析、解決實際問題的能力，對于應用合成實驗的教學，我們采用對比式的教學方法。例如，解熱鎮痛藥阿司匹林的合成實驗是通過水楊酸的酰基化來完成制備。我們首先向學生講解了乙酰水楊酸的傳統合成方式，以強酸硫酸為催化劑，以乙酐為乙酰化試劑，與水楊酸的酚羥基產生酰化作用形成酯。然后，引導學生分析其制備過程中的潛在問題：強酸的腐蝕性、加熱法反應速度慢、副產物多等。引發學生思考解決途徑和替代方法，如何取代強酸以降低污染物？如何提升加熱速度以節能？如何減少副產物聚水楊酸的生成以提高經濟價值？分析出可替代的綠色合成策略：微波輻射法合成乙酰水楊酸。以無水碳酸氫鈉為催化劑，采用微波輻射水解，由水楊酸和乙酸酐快速合成乙酰水楊酸。在完成實驗項目過程中引導學生建立綠色化學的基本理念，意識到在治理污染的過程中，最佳的環境保護方法是從源頭上防止污染的產生[7]；意識到開發新型綠色化工產品，設計新型綠色工藝流程是目前化學化工行業“綠色低碳”轉型的重要措施。

綜合設計型實驗的創建，旨在打開學生的創新性思維視野和加強對知識的綜合應用，并在設計與操作過程中貫徹“減碳降污”的思想。該部分實驗，我們采取小組考核方式，并將其作為本門課程的考核實驗?？己藢嶒炓晕蚁怠吧飶U棄物資源化利用開放實驗室”為平臺，選題方向為“廢棄物的資源化利用”，學生結合所學知識和操作技能與社會實際問題，根據平臺基礎，自擬實驗題目，查閱相關資料，設計實驗，進行可行性分析，撰寫開題報告，提交教師審核后，開展實驗。某一小組選題“廢飲料瓶為原料的微波輻射法制備對苯二甲酸”，學生通過查閱資料發現，我國在2019年生產了9 300 萬噸塑料，僅回收了590 萬噸，造成了環境污染的同時，也造成了資源的浪費。通過對塑料瓶材料進行分析，發現聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶子相對容易回收。那么，能否基于有機化學實驗，將廢舊PET 塑料瓶實現資源化處理，將塑料生產、利用和更新形成一個穩定的閉環？基于化學反應原理分析，對苯二甲酸乙二醇酯（PET）可經逆向解聚回收其初始原料對苯二甲酸（TPA）。實驗策略選擇：利用微波輻射取代傳統加熱法，縮短反應時間；添加乙二醇和碳酸氫鈉為解聚劑，提高回收效率。通過這種開放式小組綜合創新實驗的設計，一方面，學生真正成為實驗的設計者，將被動式學習轉變為主動發掘，能夠更好地理解、應用有機化學實驗的相關知識和操作；另一方面，“以廢棄物的資源化利用”為主題，既可借助實驗平臺的優勢，激發創新意識，也可在切實設計實驗過程中踐行“綠色、循環”新發展思想。同時，在小組協作的過程中，建立有效溝通機制，培養學生分工合作能力，共享成果。

3 結語

高等教育必須以新發展理念為統領，在遵循教育基本規律的基礎上，培養合格的接班人。有機化學實驗課程的教學改革實踐，從激發學生興趣出發，充分調動學生的學習積極性，以扎實的實驗技能和知識掌握為基礎，在對比式的應用合成實驗中，鍛煉了學生發現問題和解決問題的能力，激發了學生的創新能力。開放式的小組綜合實驗，讓學生直面現實問題，在以創新為驅動的綠色發展觀的引領下，運用所學技能和方法解決實際問題，學以致用，切實踐行新發展理念。