基于网络资源的化学课程教学改革以高分子化学为例_课程教学改革

基于网络资源的化学课程教学改革以高分子化学为例

中图分类号：G420 教育部为推进落实《国家中长期教育改革和发展规划纲 要（2010-2020年）》关于教育信息化的总体部署，于2012 年3月发布教技[2012]5号文，印发了《教育信息化十年发展 规划（2011-2020年）》，并指出“以教育信息化带动教育 现代化，是我国教育事业发展的战略选择”[[[] 中华人民 共和国教育部. 教育信息化十年发展规划（2011-2020年） [EB/OL]. (2012-03-13)[2016-07-30]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfile s/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html.]]。同时，近年来 学校也提出了“721”人才培养模式，721中的7即指将约70% 的学生培养成应用型人才。因此，加快对课程的信息化推进， 在教学过程中融入各类网络资源和软件，促进专业课程教学 改革，对深化教育改革，培养适应信息社会的现代化应用型 人才具有重要意义[[[] 刘叶红.基于移动网络的大学英语微课自主学习引导研究[J].当代教育理论与实践，2016，8 （7）：120-122.],[[] 向文江，李新社，袁赟.基于网络空 间的教学方法与教学管理改革探索[J].当代教育理论与实 践，2015,7（8）：92-94.]]。

高分子目前在生物医药、新材料、精细化工、轻化工程 等相关领域应用广泛，而“高分子化学”更是上述相关领域 高等教育的专业课程之一。高分子化学的课堂教学可为学生 从事上述相关技术行业打好理论基础，而实验教学则能有效 培养学生的独立动手和分析能力。如能在计算机和网络信息 技术丰富的今天，借助软件和网络资源推动课程的信息化改 革，将其与多媒体技术相结合融入到课程教学中，激发学生 学习的主动性，势必能有效提升教学质量和水平，提高学生 就业后快速适应信息社会需求的能力。本文以“高分子化学” 课程教学为例抛砖引玉，将课程教学分为课堂教学和实验教 学两部分，对基于网络资源的化学课程教学改革进行初探。

1 善用网络资源，提高预判能力 高分子化学主要以“天然高分子和合成高分子”为研究 对象，是讨论单体与高分子之间、高分子的化学结构、构造、 聚集态等与物理性能之间联系的一门课程，具有信息量大、 涉及面广、物理性质与分子化学特性紧密相关等特点。在当 前的信息化时代，借助各类网络资源不仅能使抽象的概念形 象化、具体化，更有利于学生深入的理解和掌握高分子合成 及表征的手段。目前常用的化学网络资源主要包括中国科学院建设的 化学专业数据库（http://www.organchem.csdb.cn）、日本 AIST有机化合物谱图数据库 （http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_fra me_top.cgi）、日本AIST固相核磁谱图数据库、RSCB蛋白数 据库、厦门大学开发的有机人名反应CAI课件 （http://chem.xmu.edu.cn/teach/yjhx/onr/contents.ht ml）及核磁谱图预测网站nmrdb（http://www.nmrdb.org） 等。其中，中科院化学专业数据库提供了包含常见高分子的 红外（IR）谱图数据库、常用单体的核磁（NMR）谱图数据 库和质谱（MS）谱图数据库等。日本AIST则提供了MS、IR、 13C-NMR、1H-NMR、固体核磁、拉曼（Raman）光谱和电子自 旋共振谱（ESR）数据库，并可通过检索谱图的出峰位置查 找对应的物质结构。网站nmrdb则可通过绘制物质的化学结 构，对该物质的一维核磁（1H-NMR、13C-NMR）和二维核磁 （COSY、HSQC/HMBC）谱图进行预测，并给出相应的化学位 移。

例如，利用日本AIST有机化合物谱图数据库，以对苯二 甲酸和乙二醇缩聚合成涤纶为例，检索乙二醇和对苯二酸2- 羟乙基甲酯的1H NMR谱图（见图1），通过对比1H的化学位 移变化可以预判，当乙二醇与对苯二甲酸缩聚形成至酯键时， 乙二醇的亚甲基质子峰信号会从酯化前的3.7ppm（A）处移 至酯键形成后的4.4ppm（A’）附近。这不仅使课堂教学更具体形象化，也更有利于让学生对反应前后，因化学结构变 化而引起的化学位移变化趋势有更深刻的认识和理解。此外， 由于缩聚反应主要是依靠官能团之间的反应来完成聚合，因 此学生在学习过程中，必须要掌握有机官能团之间的化学反 应，而有机人名反应CAI课件可方便学生对不同有机反应的 机理进行检索查阅。当然，以上数据库不仅可以用于高分子 化学的课程教学，还也适用于有机化学、分析化学等课程的 教学。

RSCB蛋白数据库（http://www.rcsb.org）更是提供了 大量天然高分子（包含蛋白、DNA、RNA在内）的结构信息库。

蛋白的结构数据除能在线查看外，也可以通过下载对应的 PDB格式文件，用RasMol、Chime等软件重新渲染，并进行以 不同的表现形式进行动态展示（见图2，图中的蛋白结构信 息从RSCB蛋白数据库获得），提高教学的趣味性。

2 融入化学软件，丰富教学过程 目前常用的化学软件主要有ChemSketch、ChemWindow、 ChemBioOffice（原ChemOffice）等，这些软件不仅能绘制 出聚合反应的化学方程式，更带有强大的三维分子模型功能 （尤其是ChemBioOffice）[[[] 夏振洋.教师应用化学软件 教学的现状与对策研究[J].曲阜师范大学学报(自然科学 版)，2016，42（1）：92-96.]]。以ChemBioOffice 2014版 为例，在课堂教学中可通过组件Chem3D建立三维模型让学生 对高分子的构象进行动态展示，使学生能更透彻的理解“构象”产生的原因。例如，可通过Chem3D中的Rotate工具，让 分子三维模型围绕指定的化学键旋转来模拟由单键内旋转 而产生的空间位置变化，让学生能更形象直观的理解构象这 一概念，并扩展至构象与高分子链柔顺性之间的联系。此外， 还可以利用Build from Text（A）工具在Chem3D中创建具有 指定重复结构单元数量的高分子来观察不同重复单元结构 对分子链构象的影响。如可分别创建具有20个-CH2CH2-和 -CH2CH(CH3)-重复结构单元的分子模型，来观测重复单元因 一个侧甲基之差而导致聚乙烯和聚丙烯分子链构象的差异 （见图3）。从模拟结果可以看出聚乙烯分子链为平面锯齿 形构象，而聚丙烯分子链则为螺旋形构象。ChemOffice的最 新版可通过官方网站http://www.cambridgesoft.com下载。

除用于课堂教学动态演示和模拟外，这类软件往往还带 有大量的化学仪器设备模板，不仅能令课堂教学更加生动， 更可在实验前使学生对即将开展的实验装置有具体的认识 和了解。例如，ChemWindow自带了实验玻璃仪器模板 LabGlass.cwl，该模板共提供了139个图形文件，包含旋转 蒸发仪、冷凝管、防溅球等约200种玻璃仪器和设备。利用 该模板可轻松实现实验装置的拼接，让学生在实验环节开始 前，即对所用玻璃仪器及其装配方式有一个初步的认识，为 实验的顺利开展打下良好的基础。此外，该类软件的实验设 备模板资源同样也可用于无机化学、有机化学、分析化学、 物理化学等课程的实验教学中。3 借助分析软件，强化实验效果 在实验教学过程中，学生往往在获取了大量的实验数据 后，不知从何入手，难以准确地对实验数据进行分析。究其 原因，一是对实验原理的掌握不够透彻，二是不善于利用数 据分析工具。因此，在高分子化学的实验教学过程中，如能 引入Origin、SPSS等一些专业的数据处理分析软件，不仅能 提高数据分析的准确度，更能提升学生的分析水平，为以后 从事相关领域的工作打下基础。

Origin是美国OriginLab公司开发的数据分析软件，如 今已在化学化工领域得到了广泛的应用，在分析化学[[[] 张 素霞，唐意红，鲁彦.Origin软件在大学分析化学实验数据 处理中的应用[J].理化检验（化学分册），2014，50（1）：
105-109.]]、物理化学[[[] 夏春兰，张海波.用Origin软件 处理“溶液表面吸附的测定”实验数据[J].实验室研究与探 索，2013，32（3）：110-112.]]、化工原理[[[] 刘宝亮， 曹桂萍.Origin软件在精馏实验数据处理中的应用[J].化工 高等教育，2015，141（1）：90-93.]]等各种化学实验教学 中也被广泛采用。以高分子化学的“粘度法测定高聚物分子 量”实验为例，首先根据实验原理在Origin中将溶剂流出时 间和不同浓度下的溶液流出时间换算成比浓粘度ηsp/c与 比浓对数粘度1nηr/c，然后对浓度绘制出散点图，并用 Origin对散点图进行线性拟合（见图4），然后结合Huggins 方程、Kraemer方程及图4右侧得出的拟合函数可以看出，两条拟合直线的交点应该落于Y轴的截距（Intercept）处，此 处即为特性粘度[η]，再依据[η]即可计算出所测高分子的 粘均分子量。学生经过上述的实验数据分析过程，不仅能进 一步熟练掌握实验的基本解析原理，同时对数据的分析水平 和准确度也得到了提升，也激发了学生浓厚的学习兴趣。

4 结语 实践证明，随着计算机和网络技术的不断发展和国家对 教育信息化发展的持续推进，充分利用多媒体设备，构建基 于各类应用软件和网络信息的教学体系正日益成为教学发 展的新趋势。在化学类课程的教学过程中，如能充分利用互 联网上的专业数据库、化学软件及分析工具，并将其与课堂 教学、实验教学有机地结合在一起，不仅能形象生动地丰富 教学过程，提高学生对实验数据分析的效率和准确度，还能 激发学生对相关软件的学习兴趣，提升学生的专业素质，对 培养适应信息社会的现代化化学化工应用型技术人才具有 重要意义。

参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部. 教育信息化十年发展规划 （2011-2020年）[EB/OL]. (2012-03-13)[2016-07-30]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfile s/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html. [2] 刘叶红.基于移动网络的大学英语微课自主学习引 导研究[J].当代教育理论与实践，2016，8（7）：120-122.[3] 向文江，李新社，袁赟.基于网络空间的教学方法 与教学管理改革探索[J].当代教育理论与实践，2015,7 （8）：92-94. [4] 夏振洋.教师应用化学软件教学的现状与对策研究 [J].曲阜师范大学学报(自然科学版)，2016，42（1）：92-96. [5] 张素霞，唐意红，鲁彦.Origin软件在大学分析化 学实验数据处理中的应用[J].理化检验（化学分册），2014， 50（1）：105-109. [6] 夏春兰，张海波.用Origin软件处理“溶液表面吸 附的测定”实验数据[J].实验室研究与探索，2013，32（3）：
110-112. [7] 刘宝亮，曹桂萍.Origin软件在精馏实验数据处理 中的应用[J].化工高等教育，2015，141（1）：90-93.