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有机化学中学生化学素养的培育

有机化学中学生化学素养的培育

在《有机合成化学》的教学中,更应该注重有机合成路线设计和生产生活实际的联系,从一些重要的日用化学品出发,探讨合成相关结构的有机化合物的思路,甚至可以设计某日用品的生产流程与设备要求,使有机合成理论与实践有机结合起来。学生对于生活中的实际问题的关注远远大于学习有机化学理论本身,这也是符合人类认知发展规律的。如果能够长期坚持理论和实践相结合,学以致用,温故而知新,相信学生的化学兴趣会越来越浓,他们的探究能力也会随之提高。

运用直观模型加以引导,逐步培养学生的抽象思维能力

理解掌握各类有机化合物的结构是学习《有机化学》课程的一个最基本的要求,在此基础上方能更好地理解掌握各类化合物的性质及用途,这是一个复杂的抽象思维过程。微观的分子结构对学生总是不容易理解的,运用模型能帮助学生建立正确的分子结构形象,进而培养他们的抽象思维能力。比如,在讲授碳原子的sp3、sp2、sp三种杂化状态时,同时展示它们的杂化轨道模型;在讲授甲烷、乙烯、乙炔、苯的结构和时,展示甲烷、乙烯、乙炔、苯的分子结构模型;在讲授乙烷、丁烷和环己烷的构象时,配合展示乙烷、丁烷和环己烷的分子结构模型,使学生的脑海中建立这些简单分子结构的具体形象。如果条件允许也可以让学生自己准备模型,学生则对通过亲身实践获得的典型有机化合物分子的直观形象产生浓厚的兴趣和深刻的印象。在后续的学习中,他们就能够在这些已建立的简单分子结构形象的基础上理解掌握更复杂化合物的分子的结构。在《高等有机化学》教学中,对有机反应的理解和掌握也是教学中的重点和难点。采用计算机模拟模型,通过多媒体手段演示反应的进程,直观生动而形象的展示,可以激发学生的空间想象力,增强对抽象的反应机理的理解。在《有机合成化学》的教学中,将某些经典的合成反应,用垒积木的形式表示出来,比如讲解Mannich反应时,采用3个基础的积木模块,当底物上同时含有两个反应中心时,可以通过拼接产生新的模型,演示双Mannich反应过程,再放大可以得到含多环的Mannich碱结构。这是一种创意,也是帮助学生提高学习兴趣,通过空间想象加深理解有机合成反应理论的有效方法。

创设问题情景,培养学生的探究能力

目前,许多高校有机化学及相关课程所采用的仍旧是以讲授为主的结构模式。这种缺乏自主性的学习,阻碍了学生学习兴趣和能力的发展,影响知识的掌握和创造性的培养。美国教育家杜威倡导问题教学法,提倡在教学中以问题设计和解决为核心,它有利于提高学生学习自主性,激发研究未知问题的动机和兴趣,培养创新精神和实践能力。国外知名大学的化学教育在课堂教学中多倡导学生带着问题学习,注重调动学生的兴趣。对于结构类似的化合物,通过对比分子结构特征可以推导出性质的差异,使学生加深对所学知识的理解、掌握程度,可收到较好的教学效果。比如,在讲授酚的性质时,事先向学生提出问题:与芳烃和醇相比,酚分子结构有什么特点呢?当然是既含羟基又含芳环,那么它们的性质应该是有相似之处的,进而提出酚的性质具体表现在哪些方面呢?如何由结构特点出发推测酚的特性呢?接着让学生带着问题去自学,然后再详细分析酚的分子结构、总结酚的化学性质。如酚分子中由于氧原子直接与苯环相连,氧原子上的未共用电子对可发生离域与苯环构成共轭体系,使苯环和氧之间的碳-氧键连结牢固,不易断裂,而氧-氢键则削弱而易于断裂表出弱酸性。共轭效应结果的另一方面则是羟基使苯环上电子云密度增加,特别在邻对位增加的程度更大,从而使其更容易发生亲电取代反应,且主要发生在羟基的邻、对位上。又如,在讲醛(或酮)的性质时,可提出这样的问题:羰基化合物和前面学过的哪类化合物的结构有相似之处呢?启发学生联想到烯烃,它们均含有双键,那么它们的性质也应有相似之处,例如均能发生加成反应。但二者之间也有较大差异,比如烯烃通常表现为亲电加成,醛(酮)则通常进行亲核加成,再问这是什么原因呢?此时引入羰基的极性进行解释,学生肯定容易接受。接着进一步提出问题:为什么醛(或酮)的a-H更活泼一些呢?诱导学生从羰基的碳和氧原子电负性的差别,使羰基表现出吸电子作用使醛(酮)分子中与羰基相连的碳原子的a-H有变为质子的趋势。此时,明确地向学生指出,醛(酮)、烯烃能起加成反应及它们的a-H具有活泼性的共性是由于它们具有相似的结构,而加成试剂不同以及a-H活泼程度不同则是由双键所连原子不同导致电子云分布不同所引起的。通过这样的设问、对比,学生既巩固了以前学过的烯烃的知识,又能对醛(酮)的性质性质产生深刻的印象。带着问题学习,既发挥教师的主导作用,又能突出学生的主体地位,改变传统教学中单向传授的局面,把教师的讲授与学生的思维结合起来,很适合有机化学教学。

适时运用现代化教学手段,提升教学效果

多媒体计算机辅助教学(CAI)具有信息容量大,再现图、文、声并茂的教学环境,方便灵活多样化的人机双向交流等特点。充分利用计算机多媒体的优势,全方位、多角度展现课堂教学内容,并通过网络实现教学互动,以培养学生综合能力为目标所进行的立体化教学。有机化学反应机理也是有机化学学习中的一大难点。对于一个连续的化学反应,采用一般的分子模型无法进行反应过程的动态描述,也无法反映反应过程中化学键的断裂与生成、分子结构的变化以及反应中间体的产生与转化过程。此时,采用三维动画的形式展示分子的立体结构、分子构象异构体转化以及有机化学反应机理的动态过程,形态逼真、直观,能使整个教学过程变得轻松愉快。例如,在讲授卤代烷的双分子亲核取代(SN2)反应机理时,把反应物分子做成立体的球棒模型,再把整个反应历程做成球棒模型动画演示,学生耳目一新,颇有兴致,看完之后就自然而然地得出以下两点结论:在SN2反应中新键的形成和旧键的断裂是同时进行、一步完成的;亲核试剂从离去基团的背面进攻中心碳原子,产物发生了构型转化。学生对这种通过自己感性认知而得出的结论会记忆得更加深刻更加长久。

与化学史实相结合,加强思想品

德和心理素质教育多年来的教学实践表明,在有机化学及相关学科的课堂教学中结合化学史教学,可以使学生了解前人在有机化合物及其应用方面的成就,同时也看到我国在有机化学研究方面和国外的差距。向学生介绍百年来诺贝尔奖与有机化学等方面内容,使学生对有机化学在国民经济发展和人民生活水平的提高中所占有的重要地位,特别是在提高人类健康水平方面所具有的重要作用有了新的认识。同时也要指出,有机化学工业在为人类造福的同时,使人类的生存环境遭到了严重破坏,由此引入绿色化学的概念,引导他们认识实现绿色化学的重要性,激起他们的责任感和使命感。例如,《对映异构》一章既是有机化学教学中的难点又是教学重点,学生学习起来往往感觉比较抽象。我们从介绍1848年Pasteur对外消旋酒石酸的研究入手,接着介绍1873年Wislicenus研究乳酸的功绩,1874年Van’tHoff和LeBel两位青年物理学家分别提出碳四面体构型学说,从而找到了产生对映异构的结构上的原因,为立体化学的建立奠定了基础。但是他们提出这个理论的初期,却遭到了德国权威化学家Kolbe的强烈反对,两位科学家没有退却,用光衍射法证实了四面体的碳原子结构。面对权威强大的压力,他们保持冷静、自信和宽容的心理素质。这样以来,把抽象的立体概念按历史的线索生动具体地表达出来,使学生从二维结构随着对前人思维的回溯逐步进入三维空间,活跃了气氛,同时还能使学生从中学习到伟人们实事求是、锲而不舍的科研精神,培养学生的心理素质,真正做到教书育人。

教学与实验、科研相结合,培养学生的化学素养

在有机化学及相关学科的教学中,不仅要让学生学习知识,开拓思维,更要增强学生的应用意识和探索意识,培养学生的科研能力。有机化学是一门以实验为基础的科学,通过有机化学实验课的学习,可以使学生加深对基本理论的理解,掌握实验操作技能,培养严谨的科学态度和踏实的工作作风,以及运用理论知识解决实际问题的工作能力。此外,将科学研究与课堂教学紧密地结合起来,适当地向学生介绍与所学内容相关的科研新成果,可丰富充实教学内容,扩大学生的视野,进而激发他们的探索意识和创新意识。近几年来,我们将科研中收集到的本学科研究的新成果和新理论充实到课堂教学之中,获得了良好的教学效果。此外,还可以向学生简单介绍一些自己研究工作中遇到的困惑,以及通过广泛查阅资料、在借鉴前人经验的基础上获得成功的故事,使学生简要了解科研工作的进展过程,增强科研意识。实践证明,在科研与教学相结合的课堂教学中,学生表现出浓厚的学习兴趣,可以诱发他们进行科学研究的思想意识,为日后的学习与工作奠定了良好的基础。以上是笔者从事有机化学及相关学科教学工作中的点滴经验积累。当然,提高课堂教学效果的方法还有很多,值得强调的是,任何一种方法都必须紧密围绕着教学内容来进行,离开教学内容而一味地追求活跃课堂气氛,那就背离了我们的教学要求。我们应该采用多种形式的教学方法,在传授基础有机化学知识的基础上,进一步加强对学生化学素养的培养。

作者:刘巧茹腊明彭勤龙郝成君单位:平顶山学院化学化工学院