張光彥，安俊健，袁世炬

(湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

基于網(wǎng)絡(luò)資源的化學(xué)課程教學(xué)改革
——以高分子化學(xué)為例

張光彥，安俊健，袁世炬

(湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

結(jié)合化學(xué)類課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，以網(wǎng)絡(luò)資源為基礎(chǔ)，以高分子化學(xué)為例，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，將其與化學(xué)教學(xué)過(guò)程有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性、趣味性，并提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力。實(shí)踐表明，基于網(wǎng)絡(luò)資源的教學(xué)改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，促進(jìn)了信息社會(huì)現(xiàn)代化化學(xué)化工應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

網(wǎng)絡(luò)資源；應(yīng)用型人才；信息化；高分子化學(xué)

教育部為推進(jìn)落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》關(guān)于教育信息化的總體部署，于2012年3月發(fā)布教技[2012]5號(hào)文，印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，并指出“以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是我國(guó)教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇”[1]。同時(shí)，近年來(lái)學(xué)校也提出了“721”人才培養(yǎng)模式，721中的7即指將約70%的學(xué)生培養(yǎng)成應(yīng)用型人才。因此，加快對(duì)課程的信息化推進(jìn)，在教學(xué)過(guò)程中融入各類網(wǎng)絡(luò)資源和軟件，促進(jìn)專業(yè)課程教學(xué)改革，對(duì)深化教育改革，培養(yǎng)適應(yīng)信息社會(huì)的現(xiàn)代化應(yīng)用型人才具有重要意義[2-3]。

高分子目前在生物醫(yī)藥、新材料、精細(xì)化工、輕化工程等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而“高分子化學(xué)”更是上述相關(guān)領(lǐng)域高等教育的專業(yè)課程之一。高分子化學(xué)的課堂教學(xué)可為學(xué)生從事上述相關(guān)技術(shù)行業(yè)打好理論基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則能有效培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立動(dòng)手和分析能力。如能在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)豐富的今天，借助軟件和網(wǎng)絡(luò)資源推動(dòng)課程的信息化改革，將其與多媒體技術(shù)相結(jié)合融入到課程教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，勢(shì)必能有效提升教學(xué)質(zhì)量和水平，提高學(xué)生就業(yè)后快速適應(yīng)信息社會(huì)需求的能力。本文以“高分子化學(xué)”課程教學(xué)為例拋磚引玉，將課程教學(xué)分為課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)資源的化學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行初探。

1 善用網(wǎng)絡(luò)資源，提高預(yù)判能力

高分子化學(xué)主要以“天然高分子和合成高分子”為研究對(duì)象，是討論單體與高分子之間、高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、聚集態(tài)等與物理性能之間聯(lián)系的一門課程，具有信息量大、涉及面廣、物理性質(zhì)與分子化學(xué)特性緊密相關(guān)等特點(diǎn)。在當(dāng)前的信息化時(shí)代，借助各類網(wǎng)絡(luò)資源不僅能使抽象的概念形象化、具體化，更有利于學(xué)生深入的理解和掌握高分子合成及表征的手段。

目前常用的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)資源主要包括中國(guó)科學(xué)院建設(shè)的化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.organchem.csdb.cn)、日本AIST有機(jī)化合物譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)(http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi)、日本AIST固相核磁譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)、RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)、廈門大學(xué)開(kāi)發(fā)的有機(jī)人名反應(yīng)CAI課件(http://chem.xmu.edu.cn/teach/yjhx/onr/contents.html)及核磁譜圖預(yù)測(cè)網(wǎng)站nmrdb(http://www.nmrdb.org)等。其中，中科院化學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了包含常見(jiàn)高分子的紅外(IR)譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)、常用單體的核磁(NMR)譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)和質(zhì)譜(MS)譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)等。日本AIST則提供了MS、IR、13C-NMR、1H-NMR、固體核磁、拉曼(Raman)光譜和電子自旋共振譜(ESR)數(shù)據(jù)庫(kù)，并可通過(guò)檢索譜圖的出峰位置查找對(duì)應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)站nmrdb則可通過(guò)繪制物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)該物質(zhì)的一維核磁(1H-NMR、13C-NMR)和二維核磁(COSY、HSQC/HMBC)譜圖進(jìn)行預(yù)測(cè)，并給出相應(yīng)的化學(xué)位移。

例如，利用日本AIST有機(jī)化合物譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)，以對(duì)苯二甲酸和乙二醇縮聚合成滌綸為例，檢索乙二醇和對(duì)苯二酸2-羥乙基甲酯的1H NMR譜圖(見(jiàn)圖1)，通過(guò)對(duì)比1H的化學(xué)位移變化可以預(yù)判，當(dāng)乙二醇與對(duì)苯二甲酸縮聚形成至酯鍵時(shí)，乙二醇的亞甲基質(zhì)子峰信號(hào)會(huì)從酯化前的3.7ppm(A)處移至酯鍵形成后的4.4ppm(A’)附近。這不僅使課堂教學(xué)更具體形象化，也更有利于讓學(xué)生對(duì)反應(yīng)前后，因化學(xué)結(jié)構(gòu)變化而引起的化學(xué)位移變化趨勢(shì)有更深刻的認(rèn)識(shí)和理解。此外，由于縮聚反應(yīng)主要是依靠官能團(tuán)之間的反應(yīng)來(lái)完成聚合，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，必須要掌握有機(jī)官能團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)，而有機(jī)人名反應(yīng)CAI課件可方便學(xué)生對(duì)不同有機(jī)反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行檢索查閱。當(dāng)然，以上數(shù)據(jù)庫(kù)不僅可以用于高分子化學(xué)的課程教學(xué)，還也適用于有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等課程的教學(xué)。

RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.rcsb.org)更是提供了大量天然高分子(包含蛋白、DNA、RNA在內(nèi))的結(jié)構(gòu)信息庫(kù)。蛋白的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)除能在線查看外，也可以通過(guò)下載對(duì)應(yīng)的PDB格式文件，用RasMol、Chime等軟件重新渲染，并進(jìn)行以不同的表現(xiàn)形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示(見(jiàn)圖2，圖中的蛋白結(jié)構(gòu)信息從RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)獲得)，提高教學(xué)的趣味性。

圖1 乙二醇和對(duì)苯二酸2-羥乙基甲酯的1H NMR譜圖

圖2 RasMol渲染的5AQZ蛋白結(jié)構(gòu)信息(絲帶模型)

2 融入化學(xué)軟件，豐富教學(xué)過(guò)程

目前常用的化學(xué)軟件主要有ChemSketch、ChemWindow、ChemBioOffice(原ChemOffice)等，這些軟件不僅能繪制出聚合反應(yīng)的化學(xué)方程式，更帶有強(qiáng)大的三維分子模型功能(尤其是ChemBioOffice)[4]。以ChemBioOffice 2014版為例，在課堂教學(xué)中可通過(guò)組件Chem3D建立三維模型讓學(xué)生對(duì)高分子的構(gòu)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，使學(xué)生能更透徹的理解“構(gòu)象”產(chǎn)生的原因。例如，可通過(guò)Chem3D中的Rotate工具，讓分子三維模型圍繞指定的化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬由單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的空間位置變化，讓學(xué)生能更形象直觀的理解構(gòu)象這一概念，并擴(kuò)展至構(gòu)象與高分子鏈柔順性之間的聯(lián)系。此外，還可以利用Build from Text(A)工具在Chem3D中創(chuàng)建具有指定重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)量的高分子來(lái)觀察不同重復(fù)單元結(jié)構(gòu)對(duì)分子鏈構(gòu)象的影響。如可分別創(chuàng)建具有20個(gè)-CH2CH2-和-CH2CH(CH3)-重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的分子模型，來(lái)觀測(cè)重復(fù)單元因一個(gè)側(cè)甲基之差而導(dǎo)致聚乙烯和聚丙烯分子鏈構(gòu)象的差異(見(jiàn)圖3)。從模擬結(jié)果可以看出聚乙烯分子鏈為平面鋸齒形構(gòu)象，而聚丙烯分子鏈則為螺旋形構(gòu)象。ChemOffice的最新版可通過(guò)官方網(wǎng)站http://www.cambridgesoft.com下載。

圖3 Chem3D模擬的聚乙烯和聚丙烯分子鏈構(gòu)象

除用于課堂教學(xué)動(dòng)態(tài)演示和模擬外，這類軟件往往還帶有大量的化學(xué)儀器設(shè)備模板，不僅能令課堂教學(xué)更加生動(dòng)，更可在實(shí)驗(yàn)前使學(xué)生對(duì)即將開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)裝置有具體的認(rèn)識(shí)和了解。例如，ChemWindow自帶了實(shí)驗(yàn)玻璃儀器模板LabGlass.cwl，該模板共提供了139個(gè)圖形文件，包含旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、冷凝管、防濺球等約200種玻璃儀器和設(shè)備。利用該模板可輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的拼接，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開(kāi)始前，即對(duì)所用玻璃儀器及其裝配方式有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，為實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展打下良好的基礎(chǔ)。此外，該類軟件的實(shí)驗(yàn)設(shè)備模板資源同樣也可用于無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

3 借助分析軟件，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效果

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生往往在獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，不知從何入手，難以準(zhǔn)確地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。究其原因，一是對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的掌握不夠透徹，二是不善于利用數(shù)據(jù)分析工具。因此，在高分子化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，如能引入Origin、SPSS等一些專業(yè)的數(shù)據(jù)處理分析軟件，不僅能提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度，更能提升學(xué)生的分析水平，為以后從事相關(guān)領(lǐng)域的工作打下基礎(chǔ)。

Origin是美國(guó)OriginLab公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件，如今已在化學(xué)化工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在分析化學(xué)[5]、物理化學(xué)[6]、化工原理[7]等各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也被廣泛采用。以高分子化學(xué)的“粘度法測(cè)定高聚物分子量”實(shí)驗(yàn)為例，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理在Origin中將溶劑流出時(shí)間和不同濃度下的溶液流出時(shí)間換算成比濃粘度ηsp/c與比濃對(duì)數(shù)粘度1nηr/c，然后對(duì)濃度繪制出散點(diǎn)圖，并用Origin對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合(見(jiàn)圖4)，然后結(jié)合Huggins方程ηsp/c=[η]+K′[η]2c、Kraemer方程lnηr/c=[η]+β[η]2c及圖4右側(cè)得出的擬合函數(shù)可以看出，兩條擬合直線的交點(diǎn)應(yīng)該落于Y軸的截距(Intercept)處，此處即為特性粘度[η]，再依據(jù)[η]即可計(jì)算出所測(cè)高分子的粘均分子量。學(xué)生經(jīng)過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程，不僅能進(jìn)一步熟練掌握實(shí)驗(yàn)的基本解析原理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的分析水平和準(zhǔn)確度也得到了提升，也激發(fā)了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

圖4 Origin分析測(cè)定高聚物粘均分子量

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和國(guó)家對(duì)教育信息化發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，充分利用多媒體設(shè)備，構(gòu)建基于各類應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)信息的教學(xué)體系正日益成為教學(xué)發(fā)展的新趨勢(shì)。在化學(xué)類課程的教學(xué)過(guò)程中，如能充分利用互聯(lián)網(wǎng)上的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、化學(xué)軟件及分析工具，并將其與課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，不僅能形象生動(dòng)地豐富教學(xué)過(guò)程，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確度，還能激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)信息社會(huì)的現(xiàn)代化化學(xué)化工應(yīng)用型技術(shù)人才具有重要意義。

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)[EB/OL].(2012-03-13)[2016-07-30]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html.

[2] 劉葉紅.基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)英語(yǔ)微課自主學(xué)習(xí)引導(dǎo)研究[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2016，8(7)：120-122.

[3] 向文江，李新社，袁赟.基于網(wǎng)絡(luò)空間的教學(xué)方法與教學(xué)管理改革探索[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2015,7(8)：92-94.

[4] 夏振洋.教師應(yīng)用化學(xué)軟件教學(xué)的現(xiàn)狀與對(duì)策研究[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，42(1)：92-96.

[5] 張素霞，唐意紅，魯彥.Origin軟件在大學(xué)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè))，2014，50(1)：105-109.

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[7] 劉寶亮，曹桂萍.Origin軟件在精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2015，141(1)：90-93.

10.13582/j.cnki.1674-5884.2016.12.020

20160818

湖北工業(yè)大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(校2014006)

張光彥(1981-)，男，湖北武漢人，講師，博士，從事高分子與計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用研究。

G420

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1674-5884(2016)12-0067-04