格氏反应是有机合成化学中最重要的碳碳键形成反应之一,是制备醇类化合物的工具反应。当格氏加成反应速率因羰基或(和)格氏试剂的立体电子效应影响而大大降低时,其他反应过程如烯醇化、还原、取代反应等会占据主导地位,目前对这些非经典的格氏反应鲜有系统性介绍。结合笔者近年来在有机合成化学方面的教学和科研工作,对非经典的格氏反应进行了梳理和归纳,并从反应机理角度对这类反应的发生进行了说明和阐释。

碱金属氧化物因含氧阴离子的种类不同可分为4种类型,即正常氧化物、过氧化物、超氧化物和臭氧化物。依据文献理顺了它们的制备方法,并进行了稳定性的热力学分析。简要介绍了某些氧化物的特殊用途。

以制备的稀土荧光粉为材料,以指纹显现技术为主线,面向不同年龄段的人群,通过指纹探究、趣味荧光画、我是小侦探、点石成金、指纹与命运等5种科普方式,介绍指纹、稀土荧光粉及其在潜指纹显现方面的知识,让公众理解点纹成像的基本原理,感受稀土材料与日常生活的密切关联,潜移默化中提高学生的综合素养。

以仪器分析课程中原子吸收光谱法一章为例,挖掘课程中蕴含的审慎思维、创新思维、辩证思维、系统思维和科技自信等思政元素,实现学科知识与思政元素深度融合;在教学过程中,通过课前预习、课中学习和课后拓展教学环节,采用故事化、案例化、讨论式、启发式和探究式等多样化教学方式,实现课程思政育人效果。

过氧化氢催化分解反应是经典的化学动力学实验,目前主要采用量气法测定过氧化氢分解反应的速率常数和半衰期。在分析总结现有实验装置不足的基础上,设计与改进了实验装置并应用于本校本科实验教学,改进装置获得国家实用专利授权。改进后,实验结果的准确性和重现性显著提高,重复操作与药品损失减少,实验成本降低,遵循绿色化学理念。同时,应用改进后的实验装置能够实现以初始速率法探究FeCl₃催化过氧化氢分解反应的动力学特征,精确测定FeCl₃催化过氧化氢分解反应级数、反应速率常数和活化能,拓展了过氧化氢催化分解反应的传统实验内容和实验方法,实现了对学生探究性思维和方法的高阶培养目标。

现有实验教学中使用的醛胺缩合反应普遍存在反应时间长、反应程度低及制备过程略微复杂等问题,阻碍了该类实验在本科教学中的开展,影响了相关知识点的生动呈现。同时,现有实验主要围绕亚胺的合成过程进行教学,较少探究物质的功能特性,导致其实验设计在性能测试及应用呈现上存在一定的限制。针对上述问题,通过选择合适的反应底物,介绍了2种简单绿色的席夫碱实验合成方法,有效优化了相关实验内容,简化了实验过程,利于结合醛胺缩合等相关知识点进行本科教学实验的开发设计。此外,也结合“聚集诱导发光”这一国人引领的前沿研究领域,以席夫碱的合成反应为切入点,促进学生更好地了解国际学术发展前沿,激发学生学习兴趣,开拓学生科研视野。同时,根据不同层次的教学需求,本实验还可进一步引入核磁共振波谱、高分辨质谱、紫外吸收光谱以及荧光发射光谱等多种表征方法,为全面提高学生的综合实验素养提供支撑。

结合教学实践,介绍了一个由科研成果转化的适用于本科教学的物理化学实验——碘酸盐-亚硫酸盐自催化反应动力学。通过在线实时呈现反应进程的方法使学生直观形象地观察该反应“钟”的特征,感受自催化加快反应速率的快速程度,学习碘钟自催化反应动力学现象和机理。课前学生查阅资料学习反应机理,利用数值模拟探究反应条件的影响来选择实验条件,充分调动学生学习的积极性和自主性;课上采取小组选择不同模块内容进行实验的方式,激发学生团队合作意识,有效锻炼团队协作能力;课后将实验结果与模拟结果对比分析,进一步理解机理,实现了以数值模拟指导实验以及理论-实践-理论的全过程学习模式。

为了推进创新型人才的培养,将科研前沿聚集诱导发光现象(AIE)和非平衡态非线性变化体系(以pH振荡反应为例)相结合的科研成果引入大学综合创新实验。该实验涵盖了有机合成、荧光性能表征和振荡反应非线性变化可视化的构建方法,实验内容多学科交叉融合,涉及有机化学、分析化学和物理化学等内容。通过本实验学习,学生将掌握有机化学的重要理论知识、基本实验操作,促进学生对结构和性质表征手段的掌握,直观深入理解非平衡态非线性变化体系的原理,激发学生的学习兴趣。因此,该实验有利于科研创新能力和科学思维的培养。

高催化活性的催化材料是提升铝-空气电池阴极氧还原反应(ORR)的必要条件,设计并制备了石墨烯基钙钛矿型催化材料,测试了其电化学性能并组装了铝-空气电池,借助第一性原理研究了催化作用机理。通过科研问题设计和合作研究实践完成基于科研驱动的PBL教学模式实践。结果表明:溶胶-凝胶法制备的掺杂钙钛矿与石墨烯负载,可有效提高导电性和电催化活性,保持电池高稳定放电。该实验从材料制备、电池组装、电子结构分析等方面设计和调控催化性能,使学生掌握了材料制备基本实验技能和电池测试综合应用能力,并引入了材料设计创新性研究成果,实现从理论到实践再到理论的飞跃。PBL教学激发了学生创意意识和科研兴趣,提高了团队合作和综合能力。

教材内容及其体系影响其育人功能之发挥。以师范生未来从教问题为主线、中学化学教学基本问题为副线建构层层递进、首尾呼应的教材整体结构;以师范生课程学习问题为线索,通过丰富的栏目建构基于案例载体的“学程式”教材体例结构。力求通过学科逻辑和学生认知逻辑相统一的教材结构实现课程实践主体——人的融通,实践内容——课程的融通和实践过程——环节的融通,使化学教学论课程能够在“强师计划”中发挥其应有功能。

积极学习类教学法是在“以学生为中心”的教学改革中广泛应用的一类教学方法,主要用于激发学生学习主动性。在药物分析课程中进行了“思考-结对-分享”三步同伴互教法、基于自制评价量表的同伴互审法、拼图讨论法、角色扮演法、学习档案法等积极学习类教学法的实践探索,有效激发了学生的学习兴趣,帮助学生学会自主学习的同时切实优化了学习效果,可供其他课程参考。

针对传统药物化学实验教学中的不足,介绍了基于MLabs移动虚拟仿真技术的药物化学实验线上线下混合式教学模式的建设内容,构建了一个更加多元化和全面化的教学评价系统,对教学模式的实践成效进行了定量和定性研究。通过近几学年的教学实践发现,以MLabs移动虚拟仿真技术辅助传统教学,既保持了传统实验教学的实践性和真实性,又通过移动虚拟仿真技术提供的更灵活、安全、可重复和创新性的实验学习环境,更好地满足了学生的学习需求,有效弥补了传统药物化学实验教学中学生预习效果差导致实验成功率低等方面的缺陷,促进了学生对药物化学实验的理解和应用能力的提升,同时也激发了学生对药物化学学习的兴趣。另外,MLabs移动虚拟仿真技术的考核和分析统计功能为教师在开展现场实验教学过程中,针对学生知识点掌握的薄弱环节开展针对性强化训练提供了有效手段。最后,对该实验教学模式存在的问题给出了建议,为进一步推进基于MLabs移动虚拟仿真技术的药物化学实验教学模式提供参考。

有机化学是医药类专业面向本科一年级开设的核心基础必修课程。在新医科建设和中国高等教育全面提质创新的时代背景下,针对课程中的痛点问题,本课程团队积极探索教学改革。以“立德树人、学生发展为中心、成果导向、持续改进”为教学理念,将思政育人与知识传授相融合,将化学与药学相融合,将线上资源与课堂活动相融合,将团队学习与个人自主学习相融合,将评价与激励相融合,创建“五步融合”的教学创新路径。经过实践,课程育人成效显著,课程资源建设和队伍建设取得了丰硕成果,并起到了一定的辐射作用。

围绕稀土国家战略发展布局,着眼于稀土应用型人才培养需求,立足于“离子吸附型稀土高效提取与稀土材料绿色制备技术”等多项科研成果,综合利用先进信息技术与动态仿真运行平台,将离子型稀土钇的虚拟仿真实验,包括探测、开采、提取、分离、纯化和应用等实验环节,成功开发建设成离子型稀土提取及高效分离虚拟仿真实验项目。项目构建了矿山和实验室2个场景,设置39个交互性步骤,将抽象的理论知识、先进的科研成果和高效的工业技术转化为“形象可见”的实验教学内容,再辅以问题式、翻转课堂、讨论式和虚实结合等多种教学方法,有效拓展了实验教学的广度和深度,为虚拟仿真实验教学建设与应用提供良好范例。

磺化反应是芳香化合物最重要的反应类型之一。最新理论研究表明,磺化反应一般遵循三分子反应机理,这与有机化学教材中描述的双分子机理有明显区别。以甲苯的磺化反应为例,通过密度泛函理论计算研究了磺化反应的分子机理、区域选择性以及溶剂对反应性能的影响,并通过比较苯、甲苯和硝基苯磺化反应的计算结果,分析了取代基对磺化反应性能的影响。旨在通过对模型反应的计算化学研究,及时更新并深化对磺化反应机理的理解,进而提高相关教学内容的创新性、高阶性和挑战度。

探讨了高分子化学课程教学及国内通行教科书绪论中普遍存在的4个典型问题,包括高分子、单体单元概念的定义,亚单元概念的准确理解及其在典型聚合物系统命名中的具体运用,以及运用唯物辩证法,对高分子化学中所涉及的一些具体问题进行哲学思考,在帮助学生更好地理解相关专业知识的同时,提供方法论方面的指导,培养学生辩证思维意识与能力,协同实现知识传授、思维训练、能力培养以及课程思政。

Tolman活化能解释被国内各个层次化学教材广泛引用和介绍,然而部分教材对其表述存在明显分歧,凸显出相关教材编写过程中对Tolman活化能解释的溯源认知不足。通过溯源关键历史文献,回顾了Tolman活化能解释提出的历史背景,从推导逻辑、基本假设和主要结论等方面简单介绍Tolman活化能解释,从科学史的角度总结Tolman活化能解释的科学价值,对现行主流教材中Tolman活化能解释表述进行了辨析。

对美国哈佛大学、斯坦福大学、杜克大学、加利福尼亚大学伯克利分校和日本东京大学等国外知名高校物理化学实验课程开设的实验项目进行了调研。通过对教学模式和课程内容的分析、比较和总结,了解到在课程中引入学科前沿、计算化学以及现代通讯方法等新内容和新技术,有利于学生正确认识当代化学学科的发展,可有效提高课程质量和学生学习兴趣。