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教育教学论坛刊文:环境科学专业有机化学课程教学改革与实践

2021-8-16 17:24:45点击:

[摘 要] 有机化学是环境科学专业一门重要的专业基础课,其教学效果直接影响环境科学专业人才培养质量。分析了环境科学专业有机化学课程教学现状与存在问题,分别从教学内容、专业特色、教学方法和课程考核等方面进行改革与探索,旨在提高环境科学专业有机化学课程的教学质量,提升环境科学专业人才培养质量。

[关键词] 有机化学;教学;改革与探索;环境科学

[基金项目] 2018年度国家自然科学基金项目“西北河谷城市PAEs多介质污染特征、人群暴露及健康风险研究”(41877516)

[作者简介] 王利军(1978—),男,陕西宝鸡人,博士,陕西师范大学地理科学与旅游学院副教授,主要从事持久性有毒污染物方面的研究。

[中图分类号] G642.0? ?[文献标识码] A? ? [文章编号] 1674-9324(2021)08-0039-04? ?[收稿日期] 2020-09-29

一、引言

随着经济社会的快速发展,全球环境质量持续恶化,人类健康和环境质量受到严重威胁,环境保护已经成为我国的一项基本国策[1]。党中央、国务院一直高度重视生态环境保护工作,大力推进水、土壤、大气等污染防治,加大生态环境保护力度,要求生态环境质量有所改善,践行绿色发展理念,实现“绿水青山就是金山银山”[2]。在此背景下,国内许多高校相继开设环境科学、环境工程、环境生态工程等环境类专业。环境中的大部分污染物是有机污染物,如我国环境优先监测污染物名单共14类68种,其中12类58种为有机污染物,占85%以上[3];因此,有机污染物的污染控制和生态健康风险防控,对保护生态环境质量、实现人类生态文明至关重要。有机化学是研究有机化合物来源、制备、结构、性能、应用及有关理论与方法学的科学。国务院学位委员会颁布的学科目录指出,有机化学是化学、化工、环境、生物、食品、材料、医药等12个一级学科重要的专业基础课[4],也是环境科学、环境工程、环境生态工程等环境类专业本科生学习环境化学、环境监测、环境微生物、水污染控制工程、大气污染控制工程、环境毒理学等专业课程的重要基础[5]。有机化学课程的教学质量与效果,直接影响相关专业人才的培养质量。一些学者已经就环境类专业有机化学课程的理论和实验教学进行了改革与探索[1,2,6-8]。陕西师范大学环境科学本科专业于2000年设立,2001年开始招生,从2005级开始为环境科学专业本科生开设有机化学课程。本文以我校环境科学专业为例,分析有机化学课程的教学现状及存在问题,并从教学内容、专业特色、教学方法、教学评价等方面进行相应的改革与探索,旨在提高环境科学专业有机化学课程的教学质量,提升环境科学专业人才培养质量,提高学生的综合素质、创新能力及分析解决实际问题的能力。

二、课程教学现状及存在问题

有机化学是我校环境科学专业一门重要的专业基础必修课,包括理论教学和实验教学,以期通过系统和全面的有机化学理论课程学习,使学生了解有机化学的基本理论,掌握有机化合物结构、异构、命名等基础知识,理解有机化合物微观结构与其理化性质之间的关系,熟悉有机化学基本反应类型及反应机理。同时,引导学生认识和分析环境问题,特别是了解典型有机化合物在环境中的来源、污染、危害及防治,激发学生的问题意识、探究意识和创新意识,从而在学习过程中能够正确应用化学思维分析和解决专业问题[6,7]。通过有机化学实验训练,使学生能够较熟练地掌握有机化学基本实验操作,培养创新意识和创新思维[8]。此外,为我校环境科学专业本科生环境化学、环境监测、环境微生物、水污染控制工程、大气污染控制工程、环境毒理学等专业课程的学习奠定必要的基础。

与其他环境科学专业基础课相比,有机化学课程的理论性、整体性较强,覆盖面广、知识繁杂、理论抽象;有机化合物种类繁多,有机反应机理抽象、结构复杂,反应条件和影响因素变化都会导致不同的反应过程和产物,稍有差异其理化性质就会相差甚远[4]。学生普遍反映有机化学难学。

我校化学专业有机化学课程通常分两个学期学习,教材分上下两册,理论课时为108个,实验课时为72个。非化学专业(如环境、生物、食品等)的学生,其有机化学课程通常只有一个学期,理论课时为54个,实验课时为36个,学时明显少于化学专业学生。要在有限的课时内教好和学好有机化学这门课程,对于授课教师和学生来说,都是巨大的挑战。此外,我校环境科学专业学生普遍认为,只要学好各门专业课程就行,没必要学习有机化学。他们对有机化学在环境科学专业培养方案中的重要性和必要性认识不够,学习的积极性和主动性不高。再加上非化学专业学生的有机化学课程通常由化学专业的教师授课,学生反映教师主要偏重有机化合物的结构、异构、命名及物理化学性质,特别是化学反应和反应机理等知识的讲解,与环境科学专业结合较少。

本文针对我校环境科学专业有机化学课程在教学中存在的问题进行一系列改革和探索,旨在提高我校环境科学专业有机化学课程教学的质量,提升环境科学专业人才培养质量。

三、课程教学改革与探索

(一)精选教材与教学内容

针对我校环境科学专业有机化学课程授课学时相对偏少的问题,同时为了将有机化学课程教学与环境科学专业有机结合,我校环境科学专业有机化学课程教材选用冶金工业出版社出版的,由聂麦茜老师主编的,适合环境类专业学生的《有机化学》一书。该教材内容包括饱和烃、不饱和烃、芳香烃、卤代烃、醇酚醚、醛酮醌、羧酸及其衍生物、含硫有机化合物、蛋白质、碳水化合物及其糖缀化合物、杂环化合物、立体化学及合成高分子化合物等。这些有机化合物与人们的日常生活息息相关,可能会产生环境污染问题,且该教材对相应的有机化合物在环境中的污染、来源与危害都有介绍,比较适合环境科学专业。该教材虽然在绪论、饱和烃、含硫有機化合物等部分对分子轨道理论、环烷烃、烷烃构象、含磷有机化合物等知识进行适当补充,但是并没有专门涉及,因此,在确定有机化学教学内容体系时,我们还分别参考了高等教育出版社出版的,由汪小兰和胡宏纹编写的非化学和化学专业有机化学课程教材。

有机化学实验是有机化学课程教学的重要部分。我校环境科学专业有机化学实验教学内容主要是从基础实验教学中心为全校生物、食品等非化学专业开设的有机化学实验项目中选择既涵盖有机化学课程实验要求,又体现环境科学专业特色的实验项目,主要包括熔点的测定,沸点及液体物质折射率的测定,萃取,重结晶,阿司匹林的制备,甲基橙的制备,从茶叶中提取咖啡因,酚、醛、酮、胺、羧酸及羧酸衍生物的鉴定,糖、氨基酸及蛋白质的鉴定。通过这些实验训练,其目的是让学生掌握有机化合物熔点、沸点、折射率等物理性质及测定方法;掌握蒸馏、萃取、过滤等基本实验操作;熟悉萃取、重结晶、升华等有机化合物分离纯化技术;巩固酯化、重氮化及偶联等有机反应;强化酚、醛、酮、胺、羧酸及羧酸衍生物、糖、氨基酸及蛋白质等性质。其中,萃取、索氏抽提和蒸馏操作是环境中有机污染物分析重要的前处理技术。

(二)教学凸显环境科学专业特色

1.优选具有化学和环境专业背景的教师。我校环境科学专业有机化学课程授课一开始和生物、食品等非化学专业一样,专门由化学专业教师授课。化学专业教师讲授有机化学课程的优点是能将有机化学抽象的基本理论和反应机理讲清楚,但不容易突出非化学专业的特色。由于我校环境科学专业教师也有部分从事环境中持久性有毒有机污染物的研究,因此我们尝试安排具有化学专业知识背景,且一直从事环境有机污染方面研究的教师承担授课任务,目的是在有机化学课程教学中凸显环境科学专业特色,提高学生学习有机化学的兴趣。

2.讲好课程绪论,突出课程的重要性。绪论是整个有机化学课程的纲和领,讲好绪论对培养学生的学习兴趣至关重要。在绪论部分,教师主要介绍有机化学的基本概念、产生与发展、学科任务、基本理论以及课程教学内容、学习方法。由于有机化学与人们的衣、食、住、行等日常生活息息相关,所以在讲解绪论之前,教师可以糕点和饼干中常见的氢化植物油为例,让学生了解其特点和危害,明白有机化学课程可以直接指导人们的日常生活;再以药物阿司匹林的开发和应用以及苏丹红、吊白块、三聚氰胺、瘦肉精和塑化剂等食品污染事件,让学生明白有机化学既可以造福人类也可以危害社会,树立正确的运用态度。

3.教学内容彰显环境科学专业特色。在有机化学理论课程讲授时,既要让学生形成有机化学的知识体系,还要帮助学生建立有机化学与环境科学专业之间的关联体系。例如,学习第二章饱和烃的自由基反应机理后,引入世界有名的八大公害事件之一的洛杉矶光化学烟雾事件,让学生用所学知识解释环境中的光化学烟雾产生的原因,学以致用。又如,学习第四章芳香烃时会介绍多环芳烃和二噁英的结构、毒性及其产生;讲解苯与氯气加成产物六氯环己烷(六六六)时,会补充介绍此类农药由于结构稳定、毒性较强,在世界范围已被禁用,但在土壤、食品等中依然残留,是典型的持久性有机污染物。在第五章卤代烃章节,会介绍氟利昂(引起臭氧层空洞)、多氯联苯、六六六、DDT等的结构、来源和危害。在第七章醛酮章节,会介绍室内环境隐形杀手甲醛的污染与危害。在第八章羧酸及其衍生物章节,会介绍邻苯二甲酸酯类化合物的结构、应用、污染和危害。介绍聚乙烯合成高分子材料时,引入环境领域研究热点微塑料,如新闻报道人体中含有聚丙烯和聚对二甲酸二醇酯等9种微塑料[9]。

有机化学实验教学突出环保和绿色[ 10 ]。对于环境科学专业的学生来说,环境保护意识已经融入大学期间每门课程的教学过程,有机化学实验教学应尽量选择绿色环保的教学内容和方法。首先,避免开设毒性大、危险系数高的实验项目,尽量选择毒性和污染小的实验项目。比如,将“从茶叶中提取咖啡因”等绿色化实验引入实验教学,可让学生更为熟练地掌握环境有机分析样品前处理中索氏提取和蒸发浓缩等基本操作。其次,有机化学实验中难免会产生废水、废气和废渣。对于环境科学专业学生来说,合理减少“三废”产生可以避免或降低环境污染,为后续专业课程教学提供具体实例。例如,优化重组熔点测定、重结晶和阿司匹林制备实验,具体为:对阿司匹林制备实验所得粗品先进行重结晶纯化,再通过熔点测定鉴别产品纯度。这样既训练了实验技能,也节约了实验教学成本,还减少了实验过程中“三废”的产生,达到学以致用的目的。

4.科学研究融入课堂教学,培养学生的创新思维意识。在实际教学过程中,除了突出环境科学专业特色外,还要有意识地引导学生接触学科研究前沿,将教师的最新研究成果转化为具体教学内容,实现教学与科研的相互促进,培养学生的创新思维能力。例如,学习芳香烃和羧酸及其衍生物时,可将教师“西北地区典型河谷城市多介质中多环芳烃和邻苯二甲酸酯污染特征与人群暴露风险”研究成果融入课堂,给学生展示西北地区典型河谷城市多介质中多环芳烃和邻苯二甲酸酯的污染程度、時空分布、环境来源、暴露程度及生态健康风险,探讨可行的污染和风险防控措施。同时,鼓励、引导学生利用课余时间查阅相关资料,了解相关典型有机污染物研究最新进展和动态,也可为学生将来的创新创业奠定相应的基础。

(三)改革课程教学方法,现代多媒体结合传统板书

在理论课程讲授过程中,由于教师的单一讲授容易引起学生的感官疲劳[ 11 ],因此在教学过程中可采用多媒体,应用动画、小视频加深学生的理解和记忆,还可以使复杂、抽象的知识简单化和形象化。例如,介绍有机化合物的构象时,涉及空间想象,比较抽象,可借助模型或Chem office 3D软件展示,使知识呈现更加直观,教学效果更好;讲解碳原子(C)杂化时,可以借助相关视频,让抽象的微观问题形象化、简单化;介绍氯代烃的亲核取代反应历程时,可用Flash动画展示,形象地区分单分子和双分子亲核取代差异,降低学生的理解难度,提高学习效果。然而,课堂教学中也不能千篇一律展示PPT,这样会导致学生视觉疲劳、兴趣降低、课堂注意力不集中[ 12 ]。因此,对于有机化学课程的一些重要知识,如化合物结构推导、反应过程推演等,要结合传统板书,加强学生的记忆,集中学生的注意力。

(四)优化课程考核方式

理论课程考核通常由平时成绩(出勤、作业,10%~30%)和期末考试(卷面成绩,70%~90%)构成,期末考试成绩占比过大,平时考核占比小且方法单一,专业特色不突出,不能全面反映学生的课程学习情况。通过优化考核方式,平时成绩由出勤、作业、专业衔接和课堂讨论构成,分别占5%、10%、15%和10%。其中,作业不仅看学生是否提交,还要检查完成情况和质量,以检验学生对课堂内容的掌握效果;专业衔接与课堂讨论,主要针对课程中介绍的典型有機污染物的污染、危害与防治等内容,让学生课下查阅相关资料,撰写课程报告,然后分组汇报,目的是将有机化学与专业有机结合起来,突出环境科学专业特色,培养学生分析和解决问题的能力及创新思维。期末考试占60%,不仅有命名写结构、选择、完成反应、推断、合成和鉴别等传统题型,考查学生对有机化合物结构、异构、命名、理化性质等的掌握情况,还增加了综合分析题,如选择一种熟悉、感兴趣的有机污染物(如多环芳烃、多氯联苯、邻苯二甲酸酯、含氮化合物等),分析其化学结构、实际应用及环境来源、污染、危害与防治等,以突出环境科学专业特色,培养学生的综合分析和解决实际问题的能力。实验考核由平时实验、实验报告和实验考试组成,不仅要看实验结果,还要看具体操作。

四、结束语

有机化学是环境科学专业一门重要的专业基础课,其教学效果直接影响环境科学专业人才培养质量。文章分析了我校环境科学专业有机化学课程教学现状与存在问题,从教学内容体系、专业特色、教学手段和考核方式等方面进行改革与探索,其目的在于提高我校环境科学专业有机化学课程教学质量与效果,提升环境科学专业人才培养质量。

参考文献

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[3]奚旦立,孙裕生.环境监测[M].第四版.北京:高等教育出版社,2010.

[4]常飞.环境专业“有机化学”授课中三重表征模式的应用——以“自由基反应”为例[J].上海理工大学学报(社会科学版),2020,42(1):82-85.

[5]程艳,何慧军,靳振江,等.浅谈环境工程专业基础课有机化学教学现状与改革措施[J].教育教学论坛,2019(12): 224-226.

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[8]殷好勇,巩建英,聂秋林.环境类专业本科生有机化学实验教改探索[J].实验室科学,2012,15(1):14-16.

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[10]殷好勇,巩建英,聂秋林.环境类专业本科生有机化学实验教改探索[J].实验室科学,2012,15(1):14-16.

[11]赵雯璐,唐秀娟.新工科背景下环境类专业有机化学课程教学改革初探[J].广东化工,2020,47(10),185-186.

[12]程艳,何慧军,靳振江,等.浅谈环境工程专业基础课有机化学教学现状与改革措施[J].教育教学论坛,2019(12): 224-226.