普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程引入ChemDraw軟件的教學(xué)探討

張婷婷，于常武，孔祥清，付 瑩

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001； 2.渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121013)

普通化學(xué)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(xué)類專業(yè)學(xué)生，其內(nèi)容主要包括無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)以及生物化學(xué)的一些基礎(chǔ)知識。為提高學(xué)生的工程實(shí)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)踐能力這兩方面[4]。計(jì)算機(jī)軟件工具具有通用性強(qiáng)、可重復(fù)的特點(diǎn)，能夠?yàn)槠胀ɑ瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)提供重要技術(shù)補(bǔ)充。提出結(jié)合ChemDraw軟件的功能特點(diǎn)，將其引入普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)[5]。

1 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程引入ChemDraw教學(xué)的意義

普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程對于非化學(xué)類專業(yè)學(xué)生來說，是其汲取基本化學(xué)知識和技能的一門重要課程，設(shè)置普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的目的是使學(xué)生在掌握基本化學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提高動(dòng)手能力，并學(xué)會(huì)能夠用于解決問題的技能[6]。

普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，例如分析天平的使用、溶液的配置及標(biāo)定等；綜合性實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，例如粗銅的提純及銅含量的測定。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課模式中，教師首先講解實(shí)驗(yàn)原理、進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，再強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)，然后學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)過程并書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種教學(xué)模式的弊端主要表現(xiàn)在學(xué)生被動(dòng)完成課程內(nèi)容，不進(jìn)行主動(dòng)思考，不利于學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[7]。普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程跨院系、跨專業(yè)、學(xué)生量大，教學(xué)方式缺乏新意，學(xué)生對課程產(chǎn)生厭倦情緒，不能達(dá)到向?qū)W生傳播知識的目的。為此，在課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)題目中增加新方法，采取新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐手段，構(gòu)筑一種學(xué)生積極主動(dòng)參與并善于探索的實(shí)驗(yàn)課程模式[8]。

ChemDraw是一種專業(yè)化學(xué)繪圖軟件，近年來在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界被研究人員廣泛使用[9]。該軟件功能強(qiáng)大，可以建立和編輯與化學(xué)有關(guān)的所有化學(xué)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(jìn)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(xué)[11]。

普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中有很多演示性實(shí)驗(yàn)，化學(xué)反應(yīng)中涉及多種復(fù)雜化合物，學(xué)生很難分析復(fù)雜化合物參與化學(xué)反應(yīng)的過程和產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式?？梢隒hemDraw軟件中的部分簡單應(yīng)用，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作繪制化合物結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過上機(jī)操作提升學(xué)習(xí)興趣，在嘗試更改化合物結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可直觀分析出物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)隨之變化的具體情況，對類似理論知識的認(rèn)識和理解比被動(dòng)接受深刻許多。通過引入ChemDraw軟件，不但能夠使學(xué)生開闊視野、拓展思路、加深學(xué)生對化合物結(jié)構(gòu)的印象、提升學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，還能夠激發(fā)學(xué)生對化學(xué)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)化學(xué)知識。

2 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程引入ChemDraw教學(xué)目標(biāo)

2.1 加深對化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型的掌握

化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型是普通化學(xué)課程的必講內(nèi)容，由于該課程是面對眾多非化學(xué)專業(yè)學(xué)生，又是偏科普性課程，通常學(xué)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(rèn)識。這就造成普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物反應(yīng)時(shí)，學(xué)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(xué)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(xué)生對化合物結(jié)構(gòu)及其空間構(gòu)型的認(rèn)知。

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，開展互動(dòng)式教學(xué)

普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程屬于跨專業(yè)基礎(chǔ)平臺課程，主要教學(xué)模式是學(xué)生課前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，課上教師對實(shí)驗(yàn)儀器的操作、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)步驟講解并演示，學(xué)生動(dòng)手操作。這種教學(xué)模式的弊端在于，實(shí)施時(shí)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解不夠透徹，只是一味地模仿教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于分析實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、解答實(shí)驗(yàn)思考題毫無幫助。例如，由于學(xué)生缺乏對于磺基水楊酸結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)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(shí)，當(dāng)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(shí)，配離子的濃度最大”這種實(shí)驗(yàn)思考題時(shí)，對于學(xué)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(gè)數(shù)一目了然，對于實(shí)驗(yàn)課程是一種很好的補(bǔ)充和擴(kuò)展。

2.3 幫助學(xué)生樹立深入專研意識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

利用ChemDraw軟件繪制化合物結(jié)構(gòu)，要正確地選擇化學(xué)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(jìn)行必要的調(diào)整。這就要求學(xué)生形成獨(dú)立思考的習(xí)慣，需要對化學(xué)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(rèn)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(xué)實(shí)驗(yàn)課程，有助于學(xué)生多角度地分析問題，有利于學(xué)生養(yǎng)成勇于嘗試和探索規(guī)律的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從而建立創(chuàng)新意識。

2.4 為學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐提供實(shí)用工具

應(yīng)用型本科高校的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐工作中，需要學(xué)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(qiáng)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(xué)生通過短時(shí)間學(xué)習(xí)就能掌握軟件的使用方法。ChemDraw軟件的應(yīng)用對于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和工程概念認(rèn)知具有重要意義。

3 普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程引入ChemDraw軟件教學(xué)的實(shí)施方法

將ChemDraw軟件引入普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，既要考慮實(shí)驗(yàn)課程的動(dòng)手操作性質(zhì)，又要反映計(jì)算機(jī)軟件解決普通化學(xué)問題方面的特色，普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法是在實(shí)驗(yàn)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(xué)計(jì)劃，在實(shí)驗(yàn)部分中增加上機(jī)軟件操作內(nèi)容。為讓學(xué)生能夠在較短時(shí)間內(nèi)對ChemDraw軟件中的部分功能進(jìn)行簡單應(yīng)用，教師在進(jìn)行軟件功能操作講解和演示后，設(shè)計(jì)簡單的軟件使用訓(xùn)練，讓學(xué)生上機(jī)繪制簡單化合物結(jié)構(gòu)，如讓學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，可根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，對具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行修改，突出基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程專業(yè)化。例如，面向生物工程專業(yè)，在使用ChemDraw軟件時(shí)，可針對性地繪制學(xué)生較熟悉的生物大分子結(jié)構(gòu)，教師講解后，學(xué)生動(dòng)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(xué)生動(dòng)手繪制石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。總之，可以根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行不同的內(nèi)容設(shè)計(jì)和分析。

圖1 ChemDraw軟件繪制的甲苯化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖2 ChemDraw軟件繪制的DNA堿基化學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行具體說明。在普通化學(xué)課程中的化學(xué)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(xué)鍵類型以及結(jié)合方式，所以在實(shí)驗(yàn)課上教師在講解完實(shí)驗(yàn)原理和ChemDraw軟件繪制化合物結(jié)構(gòu)后，可讓學(xué)生上機(jī)繪制簡單的化合物結(jié)構(gòu)作為練習(xí)，繪制出磺基水楊酸的化學(xué)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(xué)生繪制的磺基水楊酸化學(xué)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xué)結(jié)構(gòu)式。例如，如果學(xué)生所考察的反應(yīng)條件是pH值在2-3范圍內(nèi)時(shí)，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(xué)結(jié)構(gòu)式，并寫出整個(gè)反應(yīng)的化學(xué)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(yàn)的同學(xué)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(xué)生在將特定實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的知識應(yīng)用于課堂之外，建立學(xué)生的實(shí)踐工作信心。

圖4 ChemDraw軟件繪制的磺基水楊酸化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)式以及化學(xué)反應(yīng)式

實(shí)踐表明，通過在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中引入ChemDraw軟件，結(jié)合其繪制化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的功能，不但改革了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段不再單一化，還有助于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中，主動(dòng)投入思考的時(shí)間明顯增加，對課程的興趣也更濃厚。

4 結(jié)語

在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，引入ChemDraw軟件作為工具，通過讓學(xué)生自己動(dòng)手上機(jī)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(xué)生對實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容有深刻的認(rèn)識和理解，又能增加實(shí)際操作時(shí)間，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生在增強(qiáng)了切身體驗(yàn)感后，更能夠激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情、促進(jìn)學(xué)生順利完成普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，扎實(shí)地掌握普通化學(xué)知識，為化學(xué)知識應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。