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(-)知識脈絡
有機物是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎,它們的開發(fā)利用大大的提高了人類的生活質(zhì)量并且改變了人類的生活方式。在初中已有的個別有機化合物的初步概念的基礎上,本節(jié)進一步了解有機化學的研究范疇、發(fā)展過程以及對科研、生產(chǎn)、生活、環(huán)境的重要作用。進一步掌握有機化合物的典型性質(zhì)和有機化合物基礎知識利用已有的原子結構和化學鍵的知識了解有機化合物的性質(zhì)與結構的關系,了解有機化合物多樣性的原因。認識生活中接觸到的高分子材料以及環(huán)境與化學的關系
(二)知識框架
(三)新教材的主要特點:
本節(jié)教材體現(xiàn)了“從生活到化學,從化學到社會”的認識逐步深入的過程。從
培養(yǎng)學生終身發(fā)展所必備的知識和能力出發(fā),新教材較舊教材更符合知識的邏
輯關系,同時注重學生的能力培養(yǎng)。
二教學目標
(一)知識與技能目標
了解有機化合物的性質(zhì)特征、結構特征與多樣性的關系
通過觀察實驗掌握甲烷的性質(zhì)、取代反應。
掌握同分異構現(xiàn)象以及簡單的命名規(guī)律
初步培養(yǎng)學生空間想像能力
(二)過程與方法目標
1、通過引導學生對自己熟悉的種類不同的有機物的分析,讓他們學會怎樣從中歸納、總結有機化合物性質(zhì)的一般規(guī)律。
2、通過“遷移?應用”、“交流?研討”、“活動?探究”等活動,提高學生分析、聯(lián)想、類比、遷移以及概括的能力。
(三)情感態(tài)度與價值觀目的
1、通過“遷移?應用”、“交流?研討”、“活動?探究”活動,激發(fā)學生探索未知知識的興趣,讓他們享受到探究未知世界的樂趣。
2、通過用模型組裝有機分子的實踐活動,培養(yǎng)學生嚴謹認真的科學態(tài)度和探索精神。
三教學重點和難點
甲烷的性質(zhì)、有機物結構的多樣性
四、教學準備
教師準備
3、教學媒體、課件;
4、編制“活動?探究”活動報告及評價表。
五、教學方法
問題推進法、實驗探究法
六、課時安排
3課時
七、教學過程
第一課時認識有機化合物
教學準備
學生:預習教材第一節(jié)第一部分(60頁---62頁);
要求提前準備一種有機材料了解它的性質(zhì)、用途并向同學做介紹。
教師:要求對學生可能找到的材料做到充分考慮;適當?shù)难a充實驗,例如溶解性、受熱
時狀態(tài)變化等,有利于學生進行歸納、總結。
教學過程
(一)學生活動“聯(lián)想……質(zhì)疑”
問題:你認識的有機物是什么?它有什么性質(zhì)?什么用途?
這個問題由學生充分討論、發(fā)言;介紹生活中接觸到的有機物
討論:1、哪些是有機物的共同性質(zhì)?
2、從溶解性、耐熱性、可燃性、電離性等五個方面比較無機物有哪些區(qū)別?
3、研究有機物的性質(zhì)用到哪些方法?
演示實驗:
歸納:有機物性質(zhì)特征
大多數(shù)有機物:1、難溶于水易溶于有機溶劑。
2、易燃燒。
3、大多數(shù)是非電解質(zhì),難電離。
4、熔點低,易熔化。
5、反應慢、反應復雜、副反應多。
(二)師生共同活動“觀察……思考”(能進行學生探究實驗更好)
以甲烷為例進一步研究有機物的性質(zhì)
1、完成書中實驗1、實驗2;
2、按小組討論、記錄實驗現(xiàn)象。
3、歸納甲烷的性質(zhì)。(1)可燃性
(2)取代反應
甲烷的結構特點:閱讀63頁知識點擊
第二課時有機化合物的結構特點
教學準備
學生:預習教材第一節(jié)第二部分(63頁---65頁);
用球棍模型組合丁烷分子,體會有機物的樣性。
教師:教學媒體、課件;
教學過程
(一)閱讀63頁工具欄,由學生寫出甲烷的結構式、甲烷的結構簡式。
(二)進行“活動與探究”
(1)動手組合乙烷、丙烷、丁烷的結構模型,寫出它們的結構式、結構簡式。
給烷烴的概念,找烷烴的通式。
(2)閱讀64頁知識支持,讓學生發(fā)現(xiàn)問題,當碳原子數(shù)較多時組合方式不只一種,碳原子數(shù)越多,可能的結構越多;帶著疑問進入下面的討論。
(三)有機物的命名和同分異構現(xiàn)象
可以根據(jù)學生情況,控制深度。
總結有機化合物的結構特點:(1)原子之間共價鍵相連。
(2)碳原子之間可以連成鏈狀或環(huán)狀。
(3)碳原子與碳原子之間可以是單鍵、雙鍵、三鍵。
(4)分子式相同時,可以出現(xiàn)多種結構。
第三課時概括與整合
教學準備
關鍵詞:工程教育;有機化學;課程改革
20世紀90年代初,以波音公司為首的大型跨國公司對各工程專業(yè)畢業(yè)生提出了一系列新的要求,促使歐美大學改革工程教育觀念和模式。麻省理工學院(MIT)等大學經(jīng)過探索研究,創(chuàng)立了CDIO工程教育模式[1]。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate),以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體,讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程,繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念,是近年來國際工程教育改革的最新成果[2]。2008年中國CDIO工程教育模式研討會上,與會專家指出:CDIO作為一種指導工程教育人才培養(yǎng)模式改革的教育思想觀念和課程設計的框架體系,符合現(xiàn)代工程技術人才培養(yǎng)的一般規(guī)律,具有良好的發(fā)展前景和推廣價值。CDIO的核心在于根據(jù)工程鏈環(huán)節(jié)的工程、崗位、職業(yè)、行業(yè)的學生知識、能力和素質(zhì)的要求,以工程設計為導向,以項目訓練為載體,來重新設置課程和教學模式[3]。因此,應積極推廣CDIO的經(jīng)驗和做法,努力促進我國工程教育改革和人才培養(yǎng)模式改革。在教育部的發(fā)起和組織下,我國于2006年正式開展了工程教育專業(yè)認證的試點工作。2011年教育部提出實施“實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”,是改革和創(chuàng)新工程教育人才培養(yǎng)模式,提高工程教育質(zhì)量的戰(zhàn)略舉措。作為教育部第二批參與“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的高校之一,四川理工學院在卓越工程師培養(yǎng)方面正在進行積極的探索與實踐,提出建立“立足地方、面向行業(yè)、構建具有工程精神的應用型人才”培養(yǎng)體系,實施以能力為導向的工程教育課程體系改革,按照課程內(nèi)容進行整合、重構,建立了通用能力、專業(yè)能力、綜合能力等三大課程模塊,創(chuàng)新多元化人才培養(yǎng)模式[4]。但筆者團隊認為:提升工程教育質(zhì)量的工程教育改革,并不是單純的培養(yǎng)方案和課程體系的調(diào)整,而應該是一個系統(tǒng)工程,其中心和核心的任務是培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才。這就要求培養(yǎng)方案中的每門課程都要樹立培養(yǎng)應用型人才的理念,圍繞應用型人才培養(yǎng)的中心任務進行課程體系和結構調(diào)整,進行教學方式和模式的改革?!队袡C化學》課程作為材料、化工、生工、輕化等本科專業(yè)群的核心專業(yè)基礎課程,對后續(xù)專業(yè)課程的學習和專業(yè)知識體系的構建具有重要的作用。但現(xiàn)階段,《有機化學》課程存在自成體系、自我封閉的問題,很少與后續(xù)專業(yè)課程掛鉤,也很少考慮到課程的理論知識在實際工程問題上的應用,這些都不利于高素質(zhì)應用型專業(yè)人才的培養(yǎng)。為此,筆者團隊幾年來一直嘗試和探索在化工類工程專業(yè)的《有機化學》基礎課程的教學中,融入工程教育理念,調(diào)整知識結構體系,改革教學模式,提升《有機化學》基礎課在工程教育和應用型人才培養(yǎng)中的作用和地位,更好的服務于應用型人才培養(yǎng)。
1《有機化學》課程改革思路
相對于化工類工程專業(yè)的核心專業(yè)課程,如化工原理、化學反應工程、分離工程、化學工藝學和化工設計等課程,《有機化學》課程作為專業(yè)基礎課程,理論性強且自成理論體系,基本可歸屬于理論課程的范疇。其教學的重點主要集中于系統(tǒng)講授各類有機化合物的結構和性質(zhì)的關系及其相互轉化的方法,介紹有機化學反應原理和影響因素、有機化合物的立體化學、分離鑒定和結構表征等內(nèi)容。因此課程的授課教師普遍認為《有機化學》只是一門理論課程,其任務就是為學生后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定相應的理論基礎,在課程的教學中難以實施工程教育理念和“做中學”的教學方式。同時,由于課程的理論性較強,多數(shù)學生們認為本課程學習與將來所從事的工作不會產(chǎn)生多大聯(lián)系,學習興趣不高和學習動力不足。因此,要在工程教育背景下,首先必須解決課程的改革思路問題,如在《有機化學》在教學中融入工程教育理念的可能性和現(xiàn)實性。美國麻省理工學院教授、國際CDIO創(chuàng)始人EdwardF.Crawley在關于工程教育改革的主題報告中指出,基于產(chǎn)品、過程、系統(tǒng)的生命周期的開發(fā)和部署(product,process,anddevelopmentanddeploymentofsyctemlifecycle)的工程實踐環(huán)境下的工程教育更為有效,CDIO只是基于該工程教育理念的模式之一;對于無實體產(chǎn)品的工程專業(yè),MIT的教育者提出了4M(Measure-Model-Manipulate-Make)教育模式;無論CDIO模式還是4M模式,工程教育的核心基礎是情景教育(ContextualLearning)[5]。即學生在學習與工程職業(yè)相關的知識和技能并知道如何有意義的應用所學知識和技能時,學習更為積極主動和有效率。另外,工程教育是培養(yǎng)學生的工程理念,賦予學生今后從事相關工程職業(yè)的綜合能力,除了具有綜合運用所學科學理論和技術手段分析并解決工程問題的基本能力外,還需要具有團隊協(xié)作能力、批判性思考能力和綜合思考、解決問題的意識屬于綜合素質(zhì)和能力,這些能力在很大程度上需要通過基礎課程教學來培養(yǎng)。綜上,只要教師在《有機化學》課程教學中,牢固樹立工程教育理念,實施工程背景的情景教育,理論聯(lián)系實際,使學生在工程教育的氛圍中學習,受到工程教育的熏陶;同時注重學生團隊協(xié)作能力、批判性思考能力和綜合思考、解決問題的意識屬于綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng),就可以使《有機化學》課程更好的融入化工類工程專業(yè)的工程教育體系,服務于學生的“大工程觀”的培養(yǎng),滿足工程教育專業(yè)認證對專業(yè)基礎理論課程的要求。
2《有機化學》課程改革措施
2.1構建面向不同專業(yè)需求的差異化
《有機化學》課程體系在《有機化學》課程教學中,改革現(xiàn)有的同質(zhì)化的課程教學模式,在保證課程的基本理論知識體系的前提下,針對每一個化工類工程專業(yè)對課程的不同需求,設計差異化和針對性的課程知識體系。如安全工程專業(yè),注重引導學生對危險有機化學品安全知識學習,養(yǎng)成查閱典型常見有機化合物的MSDS的習慣,引導學生通過解讀化合物閃點、爆炸極限、危險特性、危害等信息認識其危險性和毒性,了解其防護措施和泄漏處理等化工安全的專業(yè)知識。對化學工程與工藝專業(yè),則側重安排有機化學副反應控制、后處理分離純化的可能性和方法手段等知識。因雜環(huán)、甾族、生物堿是藥物的基本結構和功能單元,藥物在體內(nèi)代謝和藥理作用又涉及與碳水化合物、蛋白質(zhì)和核酸等類化合物的作用,因此其他化工專業(yè)較少涉及的內(nèi)容,又成為制藥工程專業(yè)必需的基本知識。
2.2嘗試《有機化學》課程的情景教育
《有機化學》雖然只是一門理論基礎課程,但課程涉及的有機化合物在日常生活和化工生產(chǎn)具有廣泛的應用;有機化學反應的產(chǎn)物,大多是化工、醫(yī)藥產(chǎn)品或中間體。因此在學生掌握了一些基礎理論知識后,在課程后半程教學中,通過合理設計課堂教學內(nèi)容,采用IDG(inspiration,guidance,anddiscussion)教學模式[6]和“以研究為本,解決一個實際問題”的單元模塊式教學模式,盡可能實施情景教育,開展研究型和創(chuàng)新型教學,讓學生在學習過程中思考如何將基礎的理論知識應用于產(chǎn)品開發(fā)實例的分析、處理和設計上,打通基礎課程和專業(yè)課程的聯(lián)系。在每一章節(jié)引入2~3個應用和產(chǎn)品開發(fā)實例,通過引導學生思考相關的原料選擇、成本控制、反應實施(副反應控制)、后處理分離等問題,達到對學生實施工程觀的培養(yǎng)和一定意義上的工程情景教育的目的。例如對于格氏試劑這部分內(nèi)容的教學,常規(guī)的教學方式是介紹格氏試劑的制備、性質(zhì)和反應;對于格氏試劑這類在有機合成和精細化學品生產(chǎn)上具有廣泛應用的重要有機試劑,單純作為一個重要知識點進行教學,無法激起學生的學習興趣,對格氏試劑的應用也沒有感性的認識,完全背離了工程教育的理念。筆者團隊通過錄制、剪輯實驗室小試規(guī)模和車間中試規(guī)模制備、使用格氏試劑的視頻,結合視頻簡要介紹格氏試劑制備及反應時溶劑處理、鎂屑處理、實際操作過程無水無氧條件的達成、反應引發(fā)等過程的操作細節(jié)及注意事項;在使學生掌握教學內(nèi)容的同時,也讓學生了解在研究和生產(chǎn)環(huán)節(jié)實際實現(xiàn)一個書面反應需要注意和考慮的問題,了解實驗室和車間規(guī)模完成一個反應的區(qū)別,培養(yǎng)學生綜合思考和解決問題的能力,從而達到工程觀的培養(yǎng)和情景教學的目的。同時通過介紹未按操作規(guī)程對乙醚/四氫呋喃溶劑進行無水處理、制備格氏試劑時反應條件控制不好導致反應釜沖料引起火災和爆炸事故的實例,給予學生以警示和培養(yǎng)學生的安全意識。
2.3精心設計習題,培養(yǎng)學生的科學性思維
如精心設計有機化合物合成題,以實際問題代替隨意設定的習題,讓學生在解決問題過程中學會綜合考慮安全、經(jīng)濟成本、環(huán)境保護等實際因素對產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的影響。同時選擇具有幾條合成路線的化合物,給出可能的合成路線,將學生分成幾個小組,每個小組在充分查閱資料,綜合考慮原料來源和成本、工藝條件、實際收率、目標產(chǎn)物分離的難易程度以及綜合評價成本、安全和對環(huán)境的影響等諸方面的因素后,提出可行的和最佳的方案;并組織學生討論,對其他小組的方案進行評價。即使學生受到工程理念的熏陶,也能培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作和批判性思考等綜合能力。2.4在《有機化學實驗》課程的教學中引入研究型教學模式改革現(xiàn)有實驗課程固定實驗項目的教學模式,在初步完成基本操作和基本技能的訓練后,篩選和安排1~2個綜合性和設計性的創(chuàng)新實驗項目,將資料查閱、實驗方案擬定、合成、分離提純及鑒定表征等環(huán)節(jié)連成一體,將實驗進化為微型科研項目,讓學生以完成項目的方式進行實驗課程的學習,培養(yǎng)學生的團隊精神和協(xié)作精神,提高學生的工程素質(zhì)和應用能力。
3結語
筆者團隊根植培養(yǎng)應用型人才的理念,根據(jù)課程特點,積極探索化工類專業(yè)基礎理論課《有機化學》的課程改革。在教學中踐行CDIO工程教育理念,引入情景教學模式,優(yōu)化課程內(nèi)容,提出了一些具有可操作性的措施和方法,取得了一定的正面成果,使《有機化學》課程能更好地服務于高素質(zhì)工程人才培養(yǎng)的核心任務。當然,本文只是我們在工程教育背景下實施《有機化學》課程改革的初步經(jīng)驗和心得,尚有諸多不完善之處。另外,基礎理論課程教師普遍缺乏工程背景,制約課程的教學改革,難以完全滿足工程教育的要求,如何克服這一問題也需要在今后的教學過程中繼續(xù)探索和思考。
參考文獻
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1在指導思想上提高化學方法的訓練
有機化學和無機化學都是化學專業(yè)的重要基礎理論課程??v觀現(xiàn)行各類各層次教學大綱如出一轍,著重強調(diào)的是使學生比較系統(tǒng)地掌握化學基礎知識、基本理論和基本技能,對化學方法的訓練重視不夠。大多數(shù)化學教師也只注重化學知識的講授和實驗技能的訓練,對培養(yǎng)學生理解、掌握和運用化學方法的能力未引起足夠的重視。因而學生缺乏必要的化學方法的訓練,研究能力差,思維不活躍,學生只是積累教師或書本所傳授的知識,以求考試取得高分。實際上有豐富教學經(jīng)驗的化學教師都有同感:化學方法與基礎知識、基本理論和基本技能有著密切的關系。
就基礎知識和基本理論而言,化學方法是化學發(fā)現(xiàn)的手段。無論在近代化學的建立時期,還是在現(xiàn)代化學的發(fā)展時期,任何一個重大的化學發(fā)現(xiàn)都是依靠一定的化學方法實現(xiàn)的。同時,化學方法又是化學概念和化學理論建立的工具。就基本技能而言,化學方法是促進技能發(fā)展的一條有效途徑。學生一旦掌握了化學方法,就會加速對化學知識量的積聚速度,加速對知識的理解,提高對知識的概括和運用能力,對掌握新知識起能動作用。因此,在教學過程中本人把原來的“三基”變成“四基”把化學方法的訓練作為教學環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容之一,這是對學生進行化學方法訓練的前提。
2將化學方法引入教學過程
在講授基本概念和基本理論的同時,注重培養(yǎng)學生理解和掌握從事化學研究所必需的基本方法。在教學過程中,教師不應平鋪直敘地講解化學知識,而應當將化學方法直接引入教學過程,這是對學生進行化學方法訓練的關鍵。
2.1聯(lián)系重要的化學史事,讓學生學到有益的化學方法
化學發(fā)展的歷史是極其曲折的,那些杰出的化學家成功的背后都蘊藏著各種各樣的化學方法。在化學教學過程中若巧妙地結合所授知識,將這些化學方法滲透其中并潛移默化地傳授給學生,有利于培養(yǎng)和提高學生掌握和運用化學方法的能力,加深對知識的理解和應用。例如,在講授有機化合物和有機化學的概念時,可滲透化學實驗法在化學發(fā)展中所發(fā)揮的作用。我們知道“有機物只能在生物的細胞中,在一種特殊的‘生命力’的作用下才能產(chǎn)生出來,用人工方法是不能合成有機物”的“生命力論”曾牢固地統(tǒng)治著有機化學界,嚴重地束縛著人們的思想,使人們放棄用人工合成方法合成有機物的想法,使有機化學的發(fā)展長期停滯不前。直到1928年,德國化學家武勒(Wohler)首先沖破“生命力論”的桎梏,在實驗室里由氰酸銨合成了尿素〔NH4OCNCO(NH2)2〕。從此才動搖了“生命力論”的統(tǒng)治,有機化學才得以迅速發(fā)展。目前有機化合物的種類已發(fā)展到數(shù)百萬種,并且每年還有上千種新的有機物被制備出來。
2.2采用啟發(fā)式教學,建立和發(fā)展化學方法
啟發(fā)式教學就是根據(jù)教學目的、教學內(nèi)容以及學生的知識水平,運用各種教學手段,采用啟發(fā)誘導的辦法傳授知識、開發(fā)智力、培養(yǎng)能力,使學生積極主動學習的教學方法。例如,在講授“環(huán)烷烴的張力學說和環(huán)丙烷的結構”時,可以采用化學模型法進行啟發(fā)式教學。讓學生用球棍式模型連成環(huán)
丙烷和環(huán)丁烷,每個碳原子上的兩個鍵必須壓縮到60°或90°,以適應環(huán)的幾何形狀。結果發(fā)現(xiàn),這些碳原子的鍵角與正常的四面體鍵角偏差很大,從而使分子本身產(chǎn)生角張力,力圖恢復鍵角;再讓學生連成五元環(huán)、六元環(huán)及六元以上的環(huán),結果每個碳原子的鍵角非常接近于四面體的夾角,這些環(huán)基本上沒有角張力。然后應用歸納法來總結環(huán)的穩(wěn)定性與環(huán)大小的關系。在此基礎上,為進一步講解環(huán)丙烷的結構,不妨引入化學假說,即從環(huán)丙烷的分子模型可以看出,碳原子與碳原子之間并非直線相連,而是呈彎曲形狀,這與現(xiàn)代共價鍵理論相矛盾。根據(jù)共價鍵理論,當一個碳原子以sp3軌道與另一碳原子的sp3軌道鍵合時,兩個碳原子須處于使它們的sp3軌道彼此正面相對的位置,也就是面對面重疊,這樣重疊的化學鍵最強。因此可用類比法提出“在環(huán)丙烷分子中可能存在另一種鍵--彎曲鍵”的假說,然后通過各種方法驗證自己的假說,最后得到彎曲鍵理論。
將化學方法引入教學過程,不僅使學生學到作為知識活動結果的知識結論,而且還可以學到反映在認識活動中的研究方法,從而學到運用知識和發(fā)展知識的方法?;瘜W方法隱含在化學內(nèi)容的角角落落,只要做個有心人,在化學教學中勇于創(chuàng)新、大膽探索,將化學方法引入教學過程是不難做到的。
3指導學法,使學生自覺地運用化學方法處理問題
為了使學生能夠初步理解和掌握從事化學研究所必須的科學方法,除了將化學方法直接引入教學過程外,還必須在指導學法上下功夫。指導學生運用化學方法去學習新知識,概括已學過的知識,養(yǎng)成自覺運用化學方法處理問題的習慣,從而把對學生進行化學方法的訓練提高到一定的高度。教師在教學過程中要教給學生科學的學習方法,使之掌握打開知識大門的鑰匙及獲取知識的能力,將會使學生終身受益。
3.1指導學生正確使用教材
教材是教學大綱的體現(xiàn),是知識的精華,是教師教和學生學的依據(jù)。在教學過程中要指導學生做到課前預習教科書,記下疑難問題,帶著問題聽課,課堂上緊扣教科書,把教材中的重點知識認真理解、勾畫、記錄。課后認真閱讀教材,讀懂教材。章節(jié)復習時把重點、難點知識反復閱讀,認真理解,其它輔助資料不要代替教材使用。
3.2指導學生聽課的方法
針對化學課的特點,教師要指導學生聽好化學課的方法:用眼仔細觀察演示實驗,看清實驗現(xiàn)象,觀察老師的實驗技巧。用鼻分辨氣味,用耳聽清老師講解,用手記好筆記,用嘴請教自己不懂的問題,用腦去思考、分析、判斷。只有眼、耳、鼻、手、腦并用,才能上好課,學好課。
3.3指導學生學會通過實驗研究化學的方法
在學生的化學實驗中要更加重視對學生進行化學方法的訓練和培養(yǎng)?;瘜W是一門以實驗為基礎的學科,化學實驗是研究化學的重要手段,不同的實驗側重點不同。指導學生認真對待每一個實驗,仔細觀察、記錄、分析、理解,通過實驗培養(yǎng)學生的觀察能力、思維能力和動手操作能力,讓學生通過實驗學會研究化學的方法。
3.4指導學生學會比較、歸納總結知識規(guī)律的學習方法
化學學科知識零碎、變化復雜,對學過的知識進行對比、歸納總結是一種行之有效的學習方法。要指導學生在學習:新知識的同時和舊知識進行對比,每學完一部分內(nèi)容后進行歸納小結。有比較才有鑒別,有比較才能更好地把握知識,掌握知識的內(nèi)在聯(lián)系。在比較過程中去分析并加深理解,在理解基礎上記憶。例如,在講授《有機化學》同分異構體內(nèi)容時,常采用對比啟發(fā)的方法進行教學。由于學生以前學過同位素、同素異形體、同系物等概念,往往由于“同”字的“攪拌”而影響了對這些概念的理解和掌握,造成混淆不清的問題。這時我們根據(jù)這些概念中均含有“相同’、“不同’、“所指對象”而且能“互稱”等共同點,采用對比啟發(fā)的方法,如表1所示。
讓學生對以前學過的容易造成混淆的概念在一起進行分析對比,不僅使學生對同分異構體有了深刻的認識,而且以前所學過的知識也得到了鞏固和提高,更重要的是讓學生掌握了一種學習方法。
在上復習課時教師要把各部分知識的共性找出來進行歸納總結,總結知識的規(guī)律性、前后知識的聯(lián)系和區(qū)別,這樣既可以訓練學生的思維又增強了能力,使知識系統(tǒng)化、條理化,便于掌握和運用。例如,在學完醛酮類、酸類及酯類化合物后,可引導學生進行歸紙“因結構相似,使醛酮類物質(zhì)有相似的化學性質(zhì),酸類物質(zhì)有相似的化學性質(zhì),酯類物質(zhì)有相似的化學性質(zhì)。因結構不同,使醛酮類、酸類、酯類的化學性質(zhì)各不相同,醛類和酮類的性質(zhì)也不完全相同。又由于甲醛、甲酸、甲酸乙酯的結構上都有相同的醛基(-CHO)才都能發(fā)生銀鏡反應”總結出物質(zhì)的化學性質(zhì)與其結構有密切的關系。
3.5指導學生學習元素化合物知識的方法
元素化合物知識容易理解,也容易混淆、遺忘,指導學生在學習這部分知識時從圖1入手。
即元素或化合物的結構決定了它的性質(zhì),性質(zhì)決定制法、存在、用途和鑒別。引導學生不能單純地死記硬背,而是從結構上去分析、理解有關的性質(zhì)、制法和用途等。
學法指導的內(nèi)容很多,以上僅舉幾例。教學過程中不僅要傳授知識,更要教給學生學習方法。學生掌握了科學的學習方法,才能有效地促進智力的發(fā)展和能力的提高,取得良好的教學效果。
在化學教學中,通過對學生進行嚴格的化學方法訓練,使他們不僅牢固地掌握基礎知識、基本理論和基本技能所要求的內(nèi)容,而且也擴大了思路,研究能力也會有所提高。當遇到實際問題時,他們能夠有計劃地調(diào)動自己的智力因素、知識和技能,而不是“高分低能”者。當然化學方法的訓練并非一朝一夕之功,也不是學生在幾年的學習時間內(nèi)所能徹底解決的。但如果我們重視這方面的訓練,就可以給學生打下基本化學方法訓練的基礎,使他們終身受益,并且也使我們的化學教學開創(chuàng)了新局面。
侯進才
關鍵詞:基礎實驗;創(chuàng)新教育;實驗教學示范中心;教學改革;原則;高新技術;綜合實驗
2005年以來,教育部在全國高校中評出了501個國家級實驗教學示范中心,其中有的已經(jīng)掛牌,有的是建設單位,目前都到了總結驗收階段。對于國家級實驗教學示范中心,“示范”的重點不應該是宏偉的教學大樓、不是高精度的大型儀器、不是強大的師資隊伍,而應該是培養(yǎng)真正適應今后社會發(fā)展需要的人才以及在本課程中如何采取科學的特別是要有效的措施幫助和支持這個培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。對于從事基礎實驗教學的示范中心,驗收上應重點考查什么,值得認真思考。
我們認為,如何在基礎實驗教學中體現(xiàn)和實施創(chuàng)新教育,應該是核心指標。天津大學國家級化學化工實驗教學示范中心是首批審定的國家級示范中心,在建設過程中,我們牢牢把握這個基本方向,取得了一些經(jīng)驗。
一、基礎實驗教學改革的立足點與原則
1 基礎實驗教學改革的立足點
提到實驗教學改革,人們常常把精力放在投入大量的人才和物力上去開設“開放型”和“創(chuàng)新型”實驗,認為只有這樣才能與“創(chuàng)新能力”培養(yǎng)相一致。也有人把能力培養(yǎng)分成四個層次:基本能力層次、綜合能力層次、設計能力層次、研究能力層次。然而,受到生源、學時、經(jīng)費、場地、政策因素的制約,造成以下一些不容樂觀的現(xiàn)象。
(1)自由時間,導致很少有學生來做實驗,造成人員浪費;
(2)自選開放實驗,導致很少甚至無人選,造成空間和資源浪費;
(3)所謂的“研究型”實驗,受到學時等因素制約,與一般實驗的水平相差甚微;
(4)各種比賽、競賽搞得轟轟烈烈,成果也是琳瑯滿目,但真正有多少人有創(chuàng)造欲望?有多少人不是為“牌”而去?值得反省和深思。
對于基礎實驗教學改革,如何在教學中采取科學而又有效的措施提高教學質(zhì)量和效率,進行“創(chuàng)新意識培養(yǎng)”,這才是改革的關鍵,也是基礎實驗教學改革的立足點。不認真組織教學,即使冠以“創(chuàng)新型實驗”、“研究型實驗”,照樣使學生感到枯燥乏味;相反,在基礎實驗中,如果處理得當,照樣使學生興趣大增。只要我們按照科學原則辦事,認真探索,積極實踐,許多基礎實驗的水平和質(zhì)量會大為提升,教學效率也會大為提高,也同樣能達到創(chuàng)新教育的目的。
2 基礎實驗教學改革的原則
第一是可行性原則:作為示范中心的改革成果或經(jīng)驗必須能在各類學校中可以并且容易推廣,在學生中受歡迎,而且還應該不增加學時和教師的工作量。
第二就是科學性原則:觀念要科學,教學內(nèi)容、方法要科學。
第三就是創(chuàng)新性原則:教學模式、教學效果必須達到對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)之目的。
只有堅持體現(xiàn)以上三原則,基礎實驗教學改革的經(jīng)驗才是有價值的經(jīng)驗,也只有這些經(jīng)驗才能有示范作用。國家級實驗教學示范中心特別是基礎實驗教學示范中心,一定要把握這個基本方向。
二、基礎實驗的教學觀必須創(chuàng)新
1 科學教育應該是高等教育的核心
科學不但帶來了物質(zhì)文明的進步,更重要的是在潛移默化中也逐步地提升了人們的精神境界。科學教育不應該只是知識的灌輸、技能的培訓、方法的傳承,而更重要的應該是科學思想、科學方法論和科學智慧的啟迪和熏陶。科學精神包括求真務實、開拓創(chuàng)新、和諧文明。高等教育要讓年輕一代的核心價值觀中更多地融入科學精神,真正地理解科學精神,用科學精神踐行人生,從而使學生有求知的興趣、有向上的精神、有質(zhì)疑的勇氣、有創(chuàng)新的激情、有奉獻的胸懷。
2 基礎實驗的科學論
一流的大學必須有一流的本科教育,一流的本科教育必須有一流的實踐教學作支撐,其中基礎實驗擔當著極其重要的角色。對于化學化工基礎實驗,學生在探索復雜多變的化學變化和傳質(zhì)傳熱等單元操作過程中,體會精巧而嚴格定量的實驗設計,通過對各種現(xiàn)象分析、歸納和總結,把理論知識提高到更高層次。一個基礎實驗水平的高低,不是看實驗儀器的先進性,而是實驗者的創(chuàng)造性。歷史上有名的焦耳實驗裝置十分簡單,但是巧妙而又十分具有針對性地觀測到了“能量守恒”這一具有創(chuàng)造性的結果,成為一個偉大的實驗。在基礎實驗中,哪怕是看上去最簡單的實驗,也要啟發(fā)和激勵學生進行思辨和創(chuàng)新,這就是基礎實驗的科學論。
美國的《國家教學教育標準》指出,科學探究是科學家們用來研究自然,并根據(jù)所獲取的事實證據(jù)做出各種解釋的各種方式。科學探究也指的是學生構造知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法的各種行動。在基礎實驗中,如何引導學生進行科學探究,是基礎實驗教學工作者必須認真思考和探索的。我們在基礎實驗教學中融入新的教學觀念,把被動的“參加者”和“操作者”變?yōu)橹鲃拥摹皩嵺`者”和“探索者”,實驗教學中突出知識點(原理)、技術點(操作要點)和興奮點(實驗拓展)。在基礎實驗的情景中,像從事科學研究一樣,提出問題、設計方案、控制變量、分析結果、討論總結。這樣,就不一定要增加學時和新實驗,一樣可以達到培養(yǎng)創(chuàng)新能力和科學精神的目標。
化學化工基礎實驗在過去、現(xiàn)在乃至將來都是化工類實驗的根本,無機和有機化合物的合成、分析、鑒定,各種物理化學性質(zhì)測量,化工單元操作及各種動態(tài)測量等都是基礎實驗,在化工類人才培養(yǎng)中起到不可替代的作用。教師應當做到在基礎實驗中進行研究性教學,引導學生在基礎實驗中進行研究性學習。從而實現(xiàn)強化基本技能訓練、突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)、達到科學素質(zhì)提高之目標。
三、將高新技術引入基礎實驗,實現(xiàn)經(jīng)典與現(xiàn)代的完美對接
許多經(jīng)典實驗,多少年來被人們堅持開設,其原因之一就在于這些經(jīng)典實驗設計合理,訓練功能明顯,體現(xiàn)了科學家和設計者的智慧。我們必須充分發(fā)揮基礎實驗(其中大部分為經(jīng)典實驗)的作用,同時把當今的高新技術引入實驗,實現(xiàn)“經(jīng)典美”與“現(xiàn)代美”的統(tǒng)一。
例如,二元系統(tǒng)蒸餾曲線的繪制是經(jīng)典實驗。在這個實驗中,我們不但引入了數(shù)顯折光儀,而且還設計展示了具有先進水平的波紋填料精餾塔。石英塔體外面鍍有透明導電加熱層,配以可任意調(diào)節(jié)回流比的電磁閥,塔內(nèi)填以獲得國家科技發(fā)明一等獎的波紋填料,大大提高了傳質(zhì)效率和分離效果,節(jié)能環(huán)保。學生也因此獲得蒸餾曲線在工業(yè)分離中的應用知識,同時了解了產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益和社會效益的高新技術,理解了社會和工業(yè)需求永遠是科技發(fā)展和創(chuàng)新的推動力。
再如,在化工原理的基礎實驗之一――精餾實驗中,采用了計算機數(shù)據(jù)采集技術。學生可以在計算機上實時地觀察不同部位溫度變化,對精餾操作的穩(wěn)定過程有了直觀的認識。
還有,在流體綜合實驗中,有的則用到轉子流量計、節(jié)流式流量計、淌流式流量計。壓力測量中,用到U型管壓
差計、彈簧式壓力表,同時也引入了壓力和壓差傳感器及其數(shù)顯系統(tǒng),體會到工業(yè)測量儀表由經(jīng)典到現(xiàn)代的發(fā)展歷程。
四、變單一為綜合,實現(xiàn)創(chuàng)新和科學精神培養(yǎng)
工科類學生實驗門類相對較多,因此相應地每門實驗學時較少,我們沒有僅僅停留在“就這幾個實驗”上,而是在實驗教學效率和質(zhì)量上下工夫,下面舉三個例子說明。
1 恒溫槽的調(diào)節(jié)及應用實驗
過去:大家都統(tǒng)一調(diào)一個溫度(如30℃),統(tǒng)一測同一溫度下乙醇的黏度。
現(xiàn)在:(1)首先引導學生思考,在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中為什么要恒溫?如何實現(xiàn)溫度控制?恒溫效果的影響因素有哪些?(2)實驗內(nèi)容擴展,各人設定溫度不同(從室溫至50"C),測不同溫度下的黏度。
效果:(1)發(fā)現(xiàn)恒溫槽靈敏度不但與結構和性能有關,還與設定的溫度與室溫的差別有關,差別越大恒溫效果越差,引入多級恒溫的概念和方法;(2)測到了液體黏度隨溫度變化,用不同方程關聯(lián)二者關系,得到了數(shù)據(jù)處理的高層次訓練:(3)每個都要共享其他人的數(shù)據(jù),自己的數(shù)據(jù)也要被其他人使用,這對于關聯(lián)精度都有影響,體現(xiàn)了個人成就感和團隊協(xié)作精神。
2 化工基礎實驗――精餾實驗
過去:大家只測穩(wěn)態(tài)下的數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在:先獨立思考然后討論以下問題。
(1)為什么化學工程師需要分離混合液?
(2)蒸餾所基于的原則是什么?
(3)精餾柱(塔)和蒸餾器之間的區(qū)別是什么?
(4)相比分餾板,內(nèi)波紋計有什么優(yōu)勢?
(5)產(chǎn)品是從柱的頂部還是底部收取?
(6)如何從柱的不同高度改變中間餾分的成分?
石油煉制:
輸入:原油(組分幾十種);輸出:從塔頂至塔底依次為天然氣一石腦油一汽油一煤油一柴油一重油一瀝青。
這樣,使學生對精餾過程及操作有了更深刻的理解,然后再拓展到施加干擾。如,塔頂冷凝水停了,塔釜再沸器加熱功率發(fā)生變化或者進料量突然變化。
效果:(1)學會如何識別異常情況;(2)學會針對不同異常應采取哪些應急措施:(3)這種研究性實踐培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力:(4)充分體現(xiàn)理論與實踐相結合。
3 有機化學實驗――番茄紅素的提取
番茄紅素的提取過去統(tǒng)一為薄層色譜分析法,萃取也統(tǒng)一為先用丙酮,再用石油醚。
而現(xiàn)在改為把學生分為三人一組,分別采取有機溶劑、乳液和泡沫分離提取方法;互相觀察不同工藝操作步驟出現(xiàn)的不同現(xiàn)象,然后分析討論這些方法的優(yōu)缺點。
以上工作我中心教師發(fā)表于J.Chem.Education。
值得一提的還有有機化學的酯化反應實驗,過去都用硫酸作催化劑;現(xiàn)改為有的用硫酸,有的用固體超強酸作催化劑,在反應過程中相互觀察反應現(xiàn)象、回流情況、反應速率、分離難易程度等,然后分析討論,比較二者的優(yōu)缺點。得到如下結論:固體超強酸催化是一個綠色工藝,減少了污染,催化劑可重復使用,但反應速率和效率有待于超強酸性能的進一步改善和提高。這是化學工作者一項重要任務。
五、實驗過程中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)
德國的教育之父洪堡說過:“教育必須培養(yǎng)人的自我決斷能力,而不是培養(yǎng)人去適應傳統(tǒng)的世界,不是首先要求去傳授知識和技能,而是要喚醒學生的力量,培養(yǎng)他們自我學習的主動性。”在基礎實驗過程中引導學生帶著知識、經(jīng)驗、思考、靈感、興趣去觀察實驗現(xiàn)象,做到手腦并用,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。
例如,在溶膠制備和電泳的實驗中,同學發(fā)現(xiàn)兩極都有氣泡逸出,正負極上升速率和下降速率不等;一段時間后,一極輔助液與溶膠界面清晰而另一極不清晰等現(xiàn)象。這時,我們就啟發(fā)學生思考,并讓同學主動回答。我們的問題是:
(1)在直流電作用下,稀酸水溶液會被電解嗎?
(2)電解時,在正負極上各發(fā)生什么反應?氣體各是什么?
(3)電解的結果,負極區(qū)pH值(或OH-濃度)如何變化?
(4)膠粒上由于吸附Fe3+帶正電,遇OH-后,(電勢如何變化?
(5)在一定外電壓下,ζ電勢下降,電泳速率如何變化?