基于網(wǎng)絡資源的化學課程教學改革
——以高分子化學為例

張光彥，安俊健，袁世炬

(湖北工業(yè)大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068)

基于網(wǎng)絡資源的化學課程教學改革
——以高分子化學為例

張光彥，安俊健，袁世炬

(湖北工業(yè)大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068)

結合化學類課程理論與實驗教學的特點，以網(wǎng)絡資源為基礎，以高分子化學為例，充分發(fā)揮網(wǎng)絡資源的優(yōu)勢，將其與化學教學過程有機結合，增強教學的直觀性、趣味性，并提高學生的實驗技能和數(shù)據(jù)分析能力。實踐表明，基于網(wǎng)絡資源的教學改革激發(fā)了學生的學習興趣，提升了學生理論聯(lián)系實踐的能力，促進了信息社會現(xiàn)代化化學化工應用型人才的培養(yǎng)。

網(wǎng)絡資源；應用型人才；信息化；高分子化學

教育部為推進落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》關于教育信息化的總體部署，于2012年3月發(fā)布教技[2012]5號文，印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》，并指出“以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇”[1]。同時，近年來學校也提出了“721”人才培養(yǎng)模式，721中的7即指將約70%的學生培養(yǎng)成應用型人才。因此，加快對課程的信息化推進，在教學過程中融入各類網(wǎng)絡資源和軟件，促進專業(yè)課程教學改革，對深化教育改革，培養(yǎng)適應信息社會的現(xiàn)代化應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、精細化工、輕化工程等相關領域應用廣泛，而“高分子化學”更是上述相關領域高等教育的專業(yè)課程之一。高分子化學的課堂教學可為學生從事上述相關技術行業(yè)打好理論基礎，而實驗教學則能有效培養(yǎng)學生的獨立動手和分析能力。如能在計算機和網(wǎng)絡信息技術豐富的今天，借助軟件和網(wǎng)絡資源推動課程的信息化改革，將其與多媒體技術相結合融入到課程教學中，激發(fā)學生學習的主動性，勢必能有效提升教學質量和水平，提高學生就業(yè)后快速適應信息社會需求的能力。本文以“高分子化學”課程教學為例拋磚引玉，將課程教學分為課堂教學和實驗教學兩部分，對基于網(wǎng)絡資源的化學課程教學改革進行初探。

1 善用網(wǎng)絡資源，提高預判能力

高分子化學主要以“天然高分子和合成高分子”為研究對象，是討論單體與高分子之間、高分子的化學結構、構造、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、物理性質與分子化學特性緊密相關等特點。在當前的信息化時代，借助各類網(wǎng)絡資源不僅能使抽象的概念形象化、具體化，更有利于學生深入的理解和掌握高分子合成及表征的手段。

目前常用的化學網(wǎng)絡資源主要包括中國科學院建設的化學專業(yè)數(shù)據(jù)庫(http://www.organchem.csdb.cn)、日本AIST有機化合物譜圖數(shù)據(jù)庫(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、RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫、廈門大學開發(fā)的有機人名反應CAI課件(http://chem.xmu.edu.cn/teach/yjhx/onr/contents.html)及核磁譜圖預測網(wǎng)站nmrdb(http://www.nmrdb.org)等。其中，中科院化學專業(yè)數(shù)據(jù)庫提供了包含常見高分子的紅外(IR)譜圖數(shù)據(jù)庫、常用單體的核磁(NMR)譜圖數(shù)據(jù)庫和質譜(MS)譜圖數(shù)據(jù)庫等。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，并可通過檢索譜圖的出峰位置查找對應的物質結構。網(wǎng)站nmrdb則可通過繪制物質的化學結構，對該物質的一維核磁(1H-NMR、13C-NMR)和二維核磁(COSY、HSQC/HMBC)譜圖進行預測，并給出相應的化學位移。

例如，利用日本AIST有機化合物譜圖數(shù)據(jù)庫，以對苯二甲酸和乙二醇縮聚合成滌綸為例，檢索乙二醇和對苯二酸2-羥乙基甲酯的1H NMR譜圖(見圖1)，通過對比1H的化學位移變化可以預判，當乙二醇與對苯二甲酸縮聚形成至酯鍵時，乙二醇的亞甲基質子峰信號會從酯化前的3.7ppm(A)處移至酯鍵形成后的4.4ppm(A’)附近。這不僅使課堂教學更具體形象化，也更有利于讓學生對反應前后，因化學結構變化而引起的化學位移變化趨勢有更深刻的認識和理解。此外，由于縮聚反應主要是依靠官能團之間的反應來完成聚合，因此學生在學習過程中，必須要掌握有機官能團之間的化學反應，而有機人名反應CAI課件可方便學生對不同有機反應的機理進行檢索查閱。當然，以上數(shù)據(jù)庫不僅可以用于高分子化學的課程教學，還也適用于有機化學、分析化學等課程的教學。

RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫(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))的結構信息庫。蛋白的結構數(shù)據(jù)除能在線查看外，也可以通過下載對應的PDB格式文件，用RasMol、Chime等軟件重新渲染，并進行以不同的表現(xiàn)形式進行動態(tài)展示(見圖2，圖中的蛋白結構信息從RSCB蛋白數(shù)據(jù)庫獲得)，提高教學的趣味性。

圖1 乙二醇和對苯二酸2-羥乙基甲酯的1H NMR譜圖

圖2 RasMol渲染的5AQZ蛋白結構信息(絲帶模型)

2 融入化學軟件，豐富教學過程

目前常用的化學軟件主要有ChemSketch、ChemWindow、ChemBioOffice(原ChemOffice)等，這些軟件不僅能繪制出聚合反應的化學方程式，更帶有強大的三維分子模型功能(尤其是ChemBioOffice)[4]。以ChemBioOffice 2014版為例，在課堂教學中可通過組件Chem3D建立三維模型讓學生對高分子的構象進行動態(tài)展示，使學生能更透徹的理解“構象”產(chǎn)生的原因。例如，可通過Chem3D中的Rotate工具，讓分子三維模型圍繞指定的化學鍵旋轉來模擬由單鍵內(nèi)旋轉而產(chǎn)生的空間位置變化，讓學生能更形象直觀的理解構象這一概念，并擴展至構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)建具有指定重復結構單元數(shù)量的高分子來觀察不同重復單元結構對分子鏈構象的影響。如可分別創(chuàng)建具有20個-CH2CH2-和-CH2CH(CH3)-重復結構單元的分子模型，來觀測重復單元因一個側甲基之差而導致聚乙烯和聚丙烯分子鏈構象的差異(見圖3)。從模擬結果可以看出聚乙烯分子鏈為平面鋸齒形構象，而聚丙烯分子鏈則為螺旋形構象。ChemOffice的最新版可通過官方網(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象

除用于課堂教學動態(tài)演示和模擬外，這類軟件往往還帶有大量的化學儀器設備模板，不僅能令課堂教學更加生動，更可在實驗前使學生對即將開展的實驗裝置有具體的認識和了解。例如，ChemWindow自帶了實驗玻璃儀器模板LabGlass.cwl，該模板共提供了139個圖形文件，包含旋轉蒸發(fā)儀、冷凝管、防濺球等約200種玻璃儀器和設備。利用該模板可輕松實現(xiàn)實驗裝置的拼接，讓學生在實驗環(huán)節(jié)開始前，即對所用玻璃儀器及其裝配方式有一個初步的認識，為實驗的順利開展打下良好的基礎。此外，該類軟件的實驗設備模板資源同樣也可用于無機化學、有機化學、分析化學、物理化學等課程的實驗教學中。

3 借助分析軟件，強化實驗效果

在實驗教學過程中，學生往往在獲取了大量的實驗數(shù)據(jù)后，不知從何入手，難以準確地對實驗數(shù)據(jù)進行分析。究其原因，一是對實驗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，在高分子化學的實驗教學過程中，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)分析的準確度，更能提升學生的分析水平，為以后從事相關領域的工作打下基礎。

Origin是美國OriginLab公司開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件，如今已在化學化工領域得到了廣泛的應用，在分析化學[5]、物理化學[6]、化工原理[7]等各種化學實驗教學中也被廣泛采用。以高分子化學的“粘度法測定高聚物分子量”實驗為例，首先根據(jù)實驗原理在Origin中將溶劑流出時間和不同濃度下的溶液流出時間換算成比濃粘度ηsp/c與比濃對數(shù)粘度1nηr/c，然后對濃度繪制出散點圖，并用Origin對散點圖進行線性擬合(見圖4)，然后結合Huggins方程ηsp/c=[η]+K′[η]2c、Kraemer方程lnηr/c=[η]+β[η]2c及圖4右側得出的擬合函數(shù)可以看出，兩條擬合直線的交點應該落于Y軸的截距(Intercept)處，此處即為特性粘度[η]，再依據(jù)[η]即可計算出所測高分子的粘均分子量。學生經(jīng)過上述的實驗數(shù)據(jù)分析過程，不僅能進一步熟練掌握實驗的基本解析原理，同時對數(shù)據(jù)的分析水平和準確度也得到了提升，也激發(fā)了學生濃厚的學習興趣。

圖4 Origin分析測定高聚物粘均分子量

4 結語

實踐證明，隨著計算機和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和國家對教育信息化發(fā)展的持續(xù)推進，充分利用多媒體設備，構建基于各類應用軟件和網(wǎng)絡信息的教學體系正日益成為教學發(fā)展的新趨勢。在化學類課程的教學過程中，如能充分利用互聯(lián)網(wǎng)上的專業(yè)數(shù)據(jù)庫、化學軟件及分析工具，并將其與課堂教學、實驗教學有機地結合在一起，不僅能形象生動地豐富教學過程，提高學生對實驗數(shù)據(jù)分析的效率和準確度，還能激發(fā)學生對相關軟件的學習興趣，提升學生的專業(yè)素質，對培養(yǎng)適應信息社會的現(xiàn)代化化學化工應用型技術人才具有重要意義。

[1] 中華人民共和國教育部.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.基于移動網(wǎng)絡的大學英語微課自主學習引導研究[J].當代教育理論與實踐，2016，8(7)：120-122.

[3] 向文江，李新社，袁赟.基于網(wǎng)絡空間的教學方法與教學管理改革探索[J].當代教育理論與實踐，2015,7(8)：92-94.

[4] 夏振洋.教師應用化學軟件教學的現(xiàn)狀與對策研究[J].曲阜師范大學學報(自然科學版)，2016，42(1)：92-96.

[5] 張素霞，唐意紅，魯彥.Origin軟件在大學分析化學實驗數(shù)據(jù)處理中的應用[J].理化檢驗(化學分冊)，2014，50(1)：105-109.

[6] 夏春蘭，張海波.用Origin軟件處理"溶液表面吸附的測定"實驗數(shù)據(jù)[J].實驗室研究與探索，2013，32(3)：110-112.

[7] 劉寶亮，曹桂萍.Origin軟件在精餾實驗數(shù)據(jù)處理中的應用[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)大學校級教學研究項目(校2014006)

張光彥(1981-)，男，湖北武漢人，講師，博士，從事高分子與計算機在化學中的應用研究。

G420

A

1674-5884(2016)12-0067-04