大学化学, 2021, 36(5): 2010074-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202010074

 

一级学科统整视角下的有机化学课程群建设及教学改革

潘玲, 周仕东,

Construction and Reform of Organic Chemistry's Courses Group from the Perspective of the Integration of First Level Discipline

Pan Ling, Zhou Shidong,

通讯作者: 周仕东, Email: zhousd736@nenu.edu.cn

收稿日期: 2020-10-28   接受日期: 2021-01-12  

基金资助: 2018年吉林省高等教育教学改革研究课题"有机化学课程群实施PBL教学改革:内容选择与策略实施"
2020年吉林省高等教育教学改革研究课题"化学一流专业课程体系构建及实践"

Received: 2020-10-28   Accepted: 2021-01-12  

Abstract

Based on the concept for the construction of first-class curriculum and under the guidance of "the integration of the first level disciplines", in this study, with organic chemistry learning as an example, how to strengthen the cooperation between the courses of the secondary disciplines and the teaching based on the problem-based learning (PBL) mode was discussed.

Keywords: Integration of first level discipline ; Cooperation between disciplines and courses ; Organic chemistry ; PBL teaching mode

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潘玲, 周仕东. 一级学科统整视角下的有机化学课程群建设及教学改革. 大学化学[J], 2021, 36(5): 2010074-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010074

Pan Ling. Construction and Reform of Organic Chemistry's Courses Group from the Perspective of the Integration of First Level Discipline. University Chemistry[J], 2021, 36(5): 2010074-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010074

推进"世界一流大学和一流学科"(简称"双一流")建设是为提高我国高等教育水平而做出的重大战略决策。国际一流优秀人才的培养、国际一流学科底蕴的孕育是实现"双一流"建设的重要组成部分。国内有机化学教学围绕一流人才培养进行了大量的研究[18]。2017年,东北师范大学化学学科入选了双一流建设学科,2019年入选国家一流专业建设点。我们在人才培养过程中,着重培养学生跨学科思考问题的意识及能力。

跨学科思考问题的意识及能力的形成,不仅与个人拥有的知识量有关,而且还与其掌握知识的深度有关,广度、深度的结合其实就是知识的结构问题[9, 10]。因此,我们提出了一级学科统整视角下的有机化学教学改革。以一流学科建设中的全面教学改革为契机,围绕培养学生跨学科思考问题的意识及能力,进行全面系统、层层深入的教学改革。

1 "以一级学科为统整"的有机化学课程结构改革

1.1 "以一级学科为统整"的二级学科课程间的协作

化学研究通过对物质结构和性质的认识,指导设计、合成或组装新的物质;通过深入研究反应机理实现对化学微观过程的控制;发展新的分析测试手段以深入认识物质的结构和性质;并正在加强与其他学科的交叉合作,探索新发展。因此,化学的各二级学科间,如有机化学、分析化学、物理化学、结构化学、无机化学、高分子化学等相互紧密联系,相辅相成,组成了关系紧密的化学知识结构。但现有高等化学教育大部分仍停留在相对独立的课程体系中,想改变原有课程体系,加强二级学科间的协作,难度很大。东北师范大学化学学科的人才培养方案中,在"以一级学科为统整"的课程体系的设置上进行了一些尝试。我们尝试着打破大多数高校基本遵循的以无机化学为起点,以物理化学、结构化学为终极提升的课程设置顺序,将化学概论通识课程设为大一新生的专业课程敲门砖,为有机化学等二级学科课程打下坚实的基础;将分析化学、结构化学等课程提前,使相关理论尽早服务于其他二级学科课程;将无机化学设为大三下学期最后一门专业必修课,作为高阶集成课程,对学生所学二级学科课程进行高度汇总。有机化学课程也提前至大一下学期开课,既体现了有机化学课程的基础性,又充分发挥了有机化学课程的逻辑性,尽早训练学生的科学思维能力和综合解决问题的能力。通过课程设置的调整,改变现有课程的孤立性,加强二级学科课程间的协作,培养学生科学的知识结构以及跨学科解决问题的能力。

为了实现"以一级学科为统整"的人才培养方案,有机化学课程在课程定位等方面进行了改革。在课程定位方面,如图 1所示,有机化学课程以化学概论课程为基础,以原子轨道杂化理论和分子轨道理论为切入点,实现与化学概论课程的无缝衔接,使学生运用化学概论所学知识自发地认识"碳是四价的"等有机化合物的基本结构知识,进而在后续课程中逐渐体会"结构决定性质"等化学学科思想。分析化学、结构化学等课程的提前,学生对相关知识储备的增加,为有机化学课程教学带来了新的基础与驱动力。"凭数据说话""凭仪器分析说话"不再是难题。例如,在周环反应的教学中,不再需要在有机化学课堂上大篇幅讲授π分子轨道的特点,学生运用所学结构化学知识,可以自己总结和解释电环合反应等的反应规律和特点,既锻炼了学生的自主学习能力,又训练了学生综合解决问题的能力,使物理化学、结构化学、仪器分析课程成为了有机化学课程的"工具箱"。相应的,有机化学课程中大量的客观事实也为这些课程提供了丰富的"问题素材",使"孤独"的理论有了"应用"的出口,深化了学生综合运用知识的能力。有机化学课程同样可作为无机化学高分子化学等课程的"工具箱",在高年级课程中得以不断深化和应用。因此,有机化学课程是我们"以一级学科为统整"的人才培养方案中的中坚力量,在二级学科课程间的协作中发挥着重要的作用。

图1

图1   有机化学课程与其他课程间的协作关系


随着线上教学和混合式教学的迅速发展,各二级学科课程的电子资源日渐丰富。加强二级学科课程间的协作,实现电子资源互通更可使教学效果事半功倍。在其他二级学科课程的协助下,有机化学课程将所涉及的其他二级学科课程中的重要知识以更专业的电子资源呈现给学生,不仅可以节省宝贵的课上时间进行有机化学深入拓展训练,更可使学生建立立体多维的知识结构,进一步提高学生综合解决问题的能力。如,在"有机化合物的结构表征"一章中涉及的核磁共振等重要表征手段的基本原理,不论是教师"教"还是学生"学"都是很难的。通过课前学习专门从事相应测试工作的仪器分析课程教师为我们提供的微课视频,师生不仅可以很容易抓住原理的关键点,更可在课堂上集中精力,进行深入的有机化合物的结构表征训练。

由此可见,"以一级学科为统整"的二级学科课程间的协作可将化学课程高效融合,使学生有效地养成科学的知识结构,促进学生跨学科思考问题的意识及能力的形成。但由于二级学科课程间的协作涉及面较广,较难付诸于实践。而一流学科、一流专业的建设恰好为我们提供了"以一级学科为统整"的全面教学改革平台。因此,"以一级学科为统整"的有机化学课程改革势在必行。

1.2 二级学科统整下的有机化学课程群建设

一级学科统整视角下的有机化学教学改革既要加强二级学科课程间的协作,也要注重有机化学课程群的建设,建设的重点围绕着如何将二级学科课程间的协作逐层渗透到有机化学课程群(图 2)。在有机化学专业基础课中,实现有机化学与物理化学、结构化学、仪器分析等课程的初阶协作,从概念的理解等入手使学生初步形成跨学科思考问题的意识及能力;在有机化学选论、有机合成化学等专业知识扩展课程[11]中,实现有机化学专业知识扩展课程与物理化学、结构化学、仪器分析等课程的深入协作,从有机化学理论的理解等入手使学生熟练掌握跨学科思考问题的思维方式;在不对称合成药物化学等专业知识纵深课程中,实现有机化学专业知识纵深课程与结构化学、仪器分析、无机化学、高分子化学等课程的高阶协作,从有机化学的综合应用入手使学生形成跨学科思考问题的能力。

图2

图2   一级学科统整视角下的有机化学课程群与其他课程间的关系图


例如:关于碳正离子中间体的结构与稳定性,(1) 在有机化学专业基础课中介绍碳正离子的概念及稳定性影响因素。启发学生运用结构化学的知识从轨道杂化方式等角度认识碳正离子的结构以及其对碳正离子稳定性的影响,运用物理化学知识从能量的角度等进一步认识碳正离子的稳定性,将其应用于对烯烃亲电加成反应的区域选择性的理解;(2) 在有机化学选论专业知识扩展课程中,针对碳正离子的特点及其稳定性引导学生如何运用仪器分析等手段检测到碳正离子;(3) 在药物化学专业知识纵深课程中,引导学生运用从无机化学、高分子化学等课程中学到的知识找出有用的碳正离子,通过控制碳正离子的稳定性等寻找复杂药物的实用合成方法。

2 教学团队与教学模式的改革

为了实现一级学科统整视角下的有机化学教学改革,我们加强二级学科间的协作,跨学科组建了教学团队。邀请物理化学专业教师给予理论计算等方面的支持,从结构化学、物理化学视角解释有机化学中的一些实验问题;邀请分析化学专业教师为学生分析有机化合物的性质和结构提供实践平台;邀请化学教学论专业教师给予教学论理论的支撑等。在有机化学学科内加强科研型教学人才与教研型教学人才的融合与培养,加强科研与教学的融合,以加强有机化学课程体系的科学性与前沿性。在教学团队建设中,着重提高教师的"跨学科教学"意识和"跨学科教学"素养。我们定期举办教学讨论会,为二级学科课程教师间的交流提供有效平台,促进跨学科课程内容的凝练。

"问题解决"教学模式(Problem-based learning,PBL) [12, 13]强调以学生的主动学习为主,通过自主探究形成解决问题的能力,可以很好体现金课的建设标准,也符合有机化学尤其独特的知识体系和思维方式。因此,我们选择了PBL教学模式,以一级学科建设为统整,以学科思想为指导,探索了PBL在大学有机化学教学改革中的应用。以学生现有的知识储备量为基础,选取重要性及实际应用性强的知识点设计核心问题情境,选取有利于发挥学生主观能动性、有利培养学生跨学科思考问题的意识及能力的教学内容将PBL教学模式付诸于实践。

3 "以一级学科为统整"的PBL教学改革案例——以环加成反应的教学为例

"以一级学科为统整"的PBL有机化学教学改革必须充分利用二级学科间的协作,分层次进行教学改革实践。如,环加成反应是有机化学重要且基本的反应类型之一。从概念的引出、机理的证明到其在碳/杂环化合物合成中的应用,贯穿于整个有机化学专业基础课教学中,具有鲜明的层层深入的特点。因此,我们结合当代有机化学发展前沿,以"不对称[2+2]环加成反应的方案设计"为问题切入点进行了PBL式教学改革尝试。

该问题需要学生将已学的对映异构和少量环加成反应的知识应用于解决实际环加成问题,属于较难的综合性问题(图 3)。在教学过程中,启发学生从概念的回顾、机理的分析和反应的具体应用为主线,结合其他二级学科课程所学知识,跨学科思考有机化学问题。教学实践前期侧重于对[2+2]环加成反应的基本理解和分析,引导学生利用结构化学中的前线轨道理论等进行机理分析,形成初步的[2+2]环加成反应知识结构。教学实践后期发挥学生的主体作用,以小组讨论的形式从"反应条件的选择""反应结果的分析"和"机理的验证"三个方面启发学生进行综合知识应用,并鼓励学生参阅科学前沿文献[14]多角度分析问题。通过小组讨论,学生发现原来解决有机化学问题可以用到如此多的物理化学、结构化学和分析化学知识,从而建立起较完整、立体的有机化学知识结构。通过"以一级学科为统整"的PBL教学实践,有效地培养和提高了学生跨学科思考问题的意识及能力。

图3

图3   以"不对称[2+2]环加成反应"为例的PBL教学改革实践


4 教学评价体系的改革

如何将"以一级学科为统整"的有机化学教学改革融入到现有教学评价体系中是教学评价体系改革的重要问题。在过程性评价与考核性评价中都应加入评价学生"从不同二级学科角度思考有机化学问题的意识及能力"。通过增加过程性评价的比例以及在考核性评价中增加主观性试题份额等使师生均意识到跨学科思考问题的重要性。进而通过评价反馈促进与完善一级学科统整视角下的有机化学教学改革。

5 结语

综上所述,我们以一级学科为统整,加强了二级学科课程间的协作,基于PBL教学模式进行了有机化学课程群的建设以及教学改革尝试。培养学生跨学科思考问题的意识及能力,其前提是教师要具备跨学科思考问题的专业素养。但对于长期处于二级学科独立教学封闭体系的高校教师而言,这无疑是一个巨大的挑战。在学科交叉、学科融合势在必行的大背景下,高校教师更应放宽眼界,提高跨学科进行教学的意识,增进与其他二级学科教师间的交流,寻找二级学科课程间协作的突破口,不断突破自我,不断践行跨学科教学改革。提高教师的跨学科专业素养是未来金课建设、一流学科、一流专业建设的必经之路。

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