張婷婷,于常武,孔祥清,付 瑩
(1.遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院,遼寧 錦州 121001; 2.渤海大學 工學院,遼寧 錦州 121013)
普通化學是高等院校開設(shè)的一門平臺基礎(chǔ)必修課程,主要面向的是理工科非化學類專業(yè)學生,其內(nèi)容主要包括無機化學、有機化學、物理化學、分析化學以及生物化學的一些基礎(chǔ)知識。為提高學生的工程實踐能力[1],培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才,許多院校針對理論課內(nèi)容開設(shè)了普通化學實驗課程。在高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中,以傳統(tǒng)模式開展普通化學實驗課程顯然是不符合人才培養(yǎng)需要的,特別是在工程教育認證和新工科背景下[2,3],對于人才的培養(yǎng)更注重理論知識與工程實踐能力這兩方面[4]。計算機軟件工具具有通用性強、可重復(fù)的特點,能夠為普通化學實驗課程教學提供重要技術(shù)補充。提出結(jié)合ChemDraw軟件的功能特點,將其引入普通化學實驗課程中,利用計算機技術(shù)提高教學質(zhì)量、促進學生能力培養(yǎng)[5]。
普通化學實驗課程對于非化學類專業(yè)學生來說,是其汲取基本化學知識和技能的一門重要課程,設(shè)置普通化學實驗課的目的是使學生在掌握基本化學理論的基礎(chǔ)上,提高動手能力,并學會能夠用于解決問題的技能[6]。
普通化學實驗課程的內(nèi)容主要包括:基礎(chǔ)實驗,例如分析天平的使用、溶液的配置及標定等;綜合性實驗,例如鐵(Ⅲ)離子與磺基水楊酸配合物的組成和穩(wěn)定常數(shù)的測定;創(chuàng)新性實驗,例如粗銅的提純及銅含量的測定。傳統(tǒng)實驗課模式中,教師首先講解實驗原理、進行演示實驗,再強調(diào)注意事項,然后學生獨立完成實驗過程并書寫實驗報告。這種教學模式的弊端主要表現(xiàn)在學生被動完成課程內(nèi)容,不進行主動思考,不利于學生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]。普通化學實驗課程跨院系、跨專業(yè)、學生量大,教學方式缺乏新意,學生對課程產(chǎn)生厭倦情緒,不能達到向?qū)W生傳播知識的目的。為此,在課程設(shè)置的實驗題目中增加新方法,采取新的實驗實踐手段,構(gòu)筑一種學生積極主動參與并善于探索的實驗課程模式[8]。
ChemDraw是一種專業(yè)化學繪圖軟件,近年來在學術(shù)界和工業(yè)界被研究人員廣泛使用[9]。該軟件功能強大,可以建立和編輯與化學有關(guān)的所有化學式、方程式、結(jié)構(gòu)式、3D圖形、對稱圖形及分子軌道等,該款軟件編輯功能涵蓋了復(fù)制、粘貼、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和存儲等多種基本功能,這些功能可以滿足對繪制圖形進行所需的編輯和操作[10]。最近,ChemDraw軟件拓展了ChemDraw云平臺,使其能夠廣泛應(yīng)用于課堂教學[11]。
普通化學實驗課程中有很多演示性實驗,化學反應(yīng)中涉及多種復(fù)雜化合物,學生很難分析復(fù)雜化合物參與化學反應(yīng)的過程和產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)式??梢隒hemDraw軟件中的部分簡單應(yīng)用,讓學生進行實際操作繪制化合物結(jié)構(gòu)。學生通過上機操作提升學習興趣,在嘗試更改化合物結(jié)構(gòu)的同時,可直觀分析出物質(zhì)化學性質(zhì)隨之變化的具體情況,對類似理論知識的認識和理解比被動接受深刻許多。通過引入ChemDraw軟件,不但能夠使學生開闊視野、拓展思路、加深學生對化合物結(jié)構(gòu)的印象、提升學生的動手能力、培養(yǎng)學生邏輯思維能力,還能夠激發(fā)學生對化學的興趣,引導(dǎo)學生自主學習化學知識。
化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型是普通化學課程的必講內(nèi)容,由于該課程是面對眾多非化學專業(yè)學生,又是偏科普性課程,通常學生理解和掌握化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型比較困難,很難對其有直觀的認識。這就造成普通化學實驗課程中涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)時,學生很難真正從原理上理解反應(yīng)的本質(zhì),更不能分析反應(yīng)后生成物的化學結(jié)構(gòu)。ChemDraw軟件中的化合物結(jié)構(gòu)繪制功能則克服了抽象概念的困難,能夠?qū)⒒衔锝Y(jié)構(gòu)的三維信息直觀地呈現(xiàn)給使用者,有利于加深學生對化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型的認知。
普通化學實驗課程屬于跨專業(yè)基礎(chǔ)平臺課程,主要教學模式是學生課前進行實驗預(yù)習,課上教師對實驗儀器的操作、實驗原理及實驗步驟講解并演示,學生動手操作。這種教學模式的弊端在于,實施時學生對實驗原理理解不夠透徹,只是一味地模仿教師進行實驗,對于分析實驗中遇到的問題、解答實驗思考題毫無幫助。例如,由于學生缺乏對于磺基水楊酸結(jié)構(gòu)的直觀認識和感知,所以在解答諸如“利用等摩爾法測定配合物組成時,當溶液中金屬離子與配位體的摩爾數(shù)之比正好與配離子組成相同時,配離子的濃度最大”這種實驗思考題時,對于學生來說存在一定困難。ChemDraw軟件中的化合物結(jié)構(gòu)繪制功能,能夠直觀地展示配合物結(jié)構(gòu),配合物的配離子、配位體個數(shù)一目了然,對于實驗課程是一種很好的補充和擴展。
利用ChemDraw軟件繪制化合物結(jié)構(gòu),要正確地選擇化學鍵和空間構(gòu)型條件,正確地選擇模型,判斷空間構(gòu)型是否符合理論數(shù)據(jù),如有出入需進行必要的調(diào)整。這就要求學生形成獨立思考的習慣,需要對化學鍵、化合物的空間結(jié)構(gòu)以及化合物反應(yīng)前后的變化認真分析,樹立深入專研的意識。另外,可以通過改變反應(yīng)的條件,得到不同的反應(yīng)產(chǎn)物。將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程,有助于學生多角度地分析問題,有利于學生養(yǎng)成勇于嘗試和探索規(guī)律的學習習慣,從而建立創(chuàng)新意識。
應(yīng)用型本科高校的創(chuàng)新性實驗和工程實踐工作中,需要學生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上,應(yīng)用必要的手段或工具來解決問題。近年來,ChemDraw軟件功能日趨強大,在科研和工程上的應(yīng)用越來越廣。軟件的基礎(chǔ)功能簡單明了易于掌握,學生通過短時間學習就能掌握軟件的使用方法。ChemDraw軟件的應(yīng)用對于培養(yǎng)學生的探索精神和工程概念認知具有重要意義。
將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程時,既要考慮實驗課程的動手操作性質(zhì),又要反映計算機軟件解決普通化學問題方面的特色,普通化學實驗課程的教學方法是在實驗課程傳統(tǒng)上課方法的基礎(chǔ)上,增加部分ChemDraw軟件應(yīng)用,合理改變教學計劃,在實驗部分中增加上機軟件操作內(nèi)容。為讓學生能夠在較短時間內(nèi)對ChemDraw軟件中的部分功能進行簡單應(yīng)用,教師在進行軟件功能操作講解和演示后,設(shè)計簡單的軟件使用訓練,讓學生上機繪制簡單化合物結(jié)構(gòu),如讓學生以甲苯為例,利用ChemDraw軟件繪制其結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。
在面向不同專業(yè)的普通化學實驗課程中,可根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標,對具體的實驗項目進行修改,突出基礎(chǔ)實驗課程專業(yè)化。例如,面向生物工程專業(yè),在使用ChemDraw軟件時,可針對性地繪制學生較熟悉的生物大分子結(jié)構(gòu),教師講解后,學生動手繪制DNA堿基結(jié)構(gòu)如圖2所示。面向材料工程專業(yè),經(jīng)教師講解后,學生動手繪制石墨烯化學結(jié)構(gòu)如圖3所示。總之,可以根據(jù)不同專業(yè)特點進行不同的內(nèi)容設(shè)計和分析。
圖1 ChemDraw軟件繪制的甲苯化學結(jié)構(gòu)式
圖2 ChemDraw軟件繪制的DNA堿基化學結(jié)構(gòu)式
圖3 ChemDraw軟件繪制的石墨烯簡單結(jié)構(gòu)
將ChemDraw軟件引入普通化學實驗課程,以“鐵(Ⅲ)離子與磺基水楊酸配合物的組成和穩(wěn)定常數(shù)的測定”實驗為例,進行具體說明。在普通化學課程中的化學鍵與物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分,課堂理論講解了化合物組成中的化學鍵類型以及結(jié)合方式,所以在實驗課上教師在講解完實驗原理和ChemDraw軟件繪制化合物結(jié)構(gòu)后,可讓學生上機繪制簡單的化合物結(jié)構(gòu)作為練習,繪制出磺基水楊酸的化學結(jié)構(gòu)式,此過程在10 min內(nèi)完成,再根據(jù)理論知識和反應(yīng)原理分析,利用軟件繪制其設(shè)置的反應(yīng)產(chǎn)物,此過程在10 min內(nèi)完成。學生繪制的磺基水楊酸化學結(jié)構(gòu)式(見圖4)能夠通過軟件直觀展現(xiàn)?;腔畻钏峥膳c鐵(Ⅲ)離子形成穩(wěn)定的配合物,pH值條件不同,配合物的組成隨之不同,pH值在2-3范圍內(nèi)時,磺基水楊酸與鐵離子以1∶1配位,產(chǎn)物為紫紅色螯合物;pH值在4-9范圍內(nèi)時,磺基水楊酸和鐵離子以2∶1配位,產(chǎn)物為紅色螯合物;pH值在9-11.5范圍內(nèi)時,磺基水楊酸和鐵離子以3∶1配位,產(chǎn)物為黃色螯合物;pH值大于12時,所產(chǎn)生的有色螯合物被破壞,最終產(chǎn)物為Fe(OH)3沉淀。學生可根據(jù)實驗條件,經(jīng)分析預(yù)測出反應(yīng)產(chǎn)物,并利用軟件繪制出推測產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)式。例如,如果學生所考察的反應(yīng)條件是pH值在2-3范圍內(nèi)時,產(chǎn)物即為磺基水楊酸與鐵離子以1∶1配位生成的紫紅色螯合物,則可利用軟件繪制產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)式,并寫出整個反應(yīng)的化學反應(yīng)式,繪制結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過幾次操作后,有經(jīng)驗的同學能夠使用箭頭工具欄和多種選擇工具、克隆工具等,繪制正確的分子結(jié)構(gòu)式并添加箭頭類型的注釋,有助于學生在將特定實驗中學到的知識應(yīng)用于課堂之外,建立學生的實踐工作信心。
圖4 ChemDraw軟件繪制的磺基水楊酸化學結(jié)構(gòu)式
圖5 ChemDraw軟件繪制磺基水楊酸與鐵離子反應(yīng)產(chǎn)物的化學結(jié)構(gòu)式以及化學反應(yīng)式
實踐表明,通過在普通化學實驗課程中引入ChemDraw軟件,結(jié)合其繪制化合物化學結(jié)構(gòu)的功能,不但改革了傳統(tǒng)的實驗教學模式,使普通化學實驗教學手段不再單一化,還有助于學生掌握實驗原理、理解化學反應(yīng)本質(zhì)。學生在實驗課程中,主動投入思考的時間明顯增加,對課程的興趣也更濃厚。
在普通化學實驗課程的教學過程中,引入ChemDraw軟件作為工具,通過讓學生自己動手上機繪制化合物結(jié)構(gòu)式,結(jié)合理論知識推測反應(yīng)產(chǎn)物,既能讓學生對實驗課內(nèi)容有深刻的認識和理解,又能增加實際操作時間,提高學生的動手能力。學生在增強了切身體驗感后,更能夠激發(fā)其學習熱情、促進學生順利完成普通化學實驗課程的學習,扎實地掌握普通化學知識,為化學知識應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域工程實踐打下堅實基礎(chǔ)。