苯及其衍生物具有独特的芳香环结构和高度离域的π电子体系,广泛应用于医药、材料、化工等领域。然而,由于苯的毒理属性和不当的商业宣传,公众对苯类衍生物的认知普遍存在偏差,甚至引起非理性的健康焦虑。基于有机化学中的取代基效应,通过系统分析取代基与苯类衍生物的构效关系,并结合日用品中常见的苯类衍生物及天然存在的含苯环物质,论证其毒性主要取决于取代基种类和剂量,而非苯环自身。旨在纠正“苯环=剧毒”的错误观念,弥合公众认知与科学事实之间的差距,引导公众对工业化学品形成科学理性的评判。

以《有机化学实验(双语版)》第3版的修订工作为契机,深度剖析有机化学实验教材中一些亟待解决的问题,提出了切实可行的改革策略。通过完善与更新基础知识与基本操作内容,增强传统制备实验的综合性与实用性,引入设计性实验,优化双语编排方式,推进科教融合,分层分类设计思考题以及丰富教材表现形式等一系列举措,力求实现教材质量显著提升,为有机化学实验教学质量的提高以及学生的未来发展奠定坚实基础,也为地方院校教材改革提供有益的参考与借鉴。

波函数是结构化学课程的核心概念,但其抽象性和数学复杂性给学生对概念的理解带来显著障碍。为解决这一难题,设计并实施了一套以“波函数认知逻辑框架”为核心的全新教学方案。通过 Stern-Gerlach 级联实验引导学生建立本征态与叠加态的概念,从叠加态的数学形式引出态矢量,再借助图形化表达从态矢量在不同表象下的投影过渡到波函数。教学设计遵循“从已知到未知、从实验现象到抽象概念、从数学形式到物理图像、从抽象到具体”的原则,并全程辅以概念与数学的图形化教学。教学实践表明,新的教学设计能有效提升学生对波函数的由来、含义及应用的深度理解。

针对目前有机化学传统教学过程中存在的案例迭代缓慢、探究实验缺位、知识单向灌输等问题,构建了一种以“前沿成果导向知识更新”为核心的多维教学新模式。该模式的创新性在于,系统性地将顶级学术期刊中的创新性研究成果转化为本科教学案例,并设计了“从教材基础到前沿突破”的知识演化路径。以胺类药物西那卡塞的合成为例,通过“前沿文献教学化—双路径对比实验—批判性总结”的闭环教学过程,不仅激发了学生的学习兴趣,更显著提升了其知识整合能力、科学批判思维与解决复杂问题的创新能力。本模式为有机化学课程改革提供了一条具有高度可操作性和可推广性的路径。

针对传统基础合成实验因学生个体差异导致的教学效果不均衡问题,基于建构主义与最近发展区理论,设计了兼顾学生基础学习与个性需求的教学方案。以硫酸铝钾制备实验为基础,将其作为媒染剂与紫甘蓝天然染料在不同pH条件下对棉布染色拓展为科普性选做实验,其中制备部分必做,媒染实验部分选做。实验内容上融合传统制备与天然染料媒染应用,教学模式通过“抓基础+重个性”兼顾不同学生的发展需求,尤其契合低年级学生的认知特点。通过提供自主探索空间,以开放变量设计激发学生化学学习兴趣和科学探索意识,为基础实验教学提供新范式。

本实验以定量化学分析实验教学体系智能化改革为背景,聚焦人工智能(AI)在滴定分析实验中的实际应用。以自来水总硬度及钙镁分量测定的经典络合滴定实验为研究对象,针对传统络合滴定法中人工判读终点存在主观误差、操作耗时长等教学痛点,构建了基于卷积神经网络(CNN)的智能滴定分析系统。本方案利用自行搭建的微流控装置实施自动滴定,通过高帧率摄像头实时捕获滴定过程中溶液色度特征,结合CNN架构建立的动态颜色识别模型,实现了滴定过程自动化、体积获取数字化、终点判断智能化的数智化滴定。本实验可整合至分析化学实验教学平台,有效培养学生智能仪器操作、数据解析及交叉学科创新等核心能力,为化学实验的数字化转型提供了基础范式。

本实验将非共价相互作用力之一的科研前沿——硫键相关知识引入本科实验教学,设计了常规实验表征与理论计算模拟分析相结合的方案。常规实验部分,通过测定红外光谱和核磁共振谱来验证硫键的存在并分析其影响。理论计算部分,模拟二苯硒醚和二甲亚砜的结合模式,运用弱相互作用分析方法,可视化硫键的作用强度分布及作用区域。并且通过模拟计算红外光谱,与实验结果进行对比验证,深入揭示硫键的形成机理和作用模式。本实验巧妙融合了基础光谱表征技术与量子化学计算模拟,搭建了连接宏观实验现象与微观量子化学理论的桥梁,强化了学生对非共价硫键及分子间相互作用力本质的深层理解,学会运用理论计算方法模拟非共价硫键的作用机制,填补了目前“理论模拟分析+实验验证”领域本科教学实验的空白。

随着数字化技术不断融入化学实验教学,传统教学模式正迎来深刻变革。针对本科“分析化学实验”课程,设计并实现了一套基于Raspberry Pi的低成本模块化智能监测平台,并在 EDTA-金属配位滴定中完成教学验证。系统以16-bit ADC实现高精度电位采集,结合 Python 实时可视化,可在滴定过程中动态绘制曲线并自动识别等价点(相对误差的绝对值不超过0.1%),将原本依赖颜色突跃的抽象过程转化为即时、可量化的数据流。相较于传统滴定方法,该系统可以呈现体系pM的实时变化过程,显著提升了课堂效率与学生认知深度。硬件采用乐高式快拆模块,支持即插即用更换 pH、离子选择或光谱传感器,同一主机即可覆盖酸碱、氧化还原及沉淀滴定,无需额外布线,大幅降低了实验成本与维护复杂度。数据驱动的工作流程消除了目视判读的主观偏差,全程原始数据可溯源,有助于学生建立严格的定量分析概念并培养数据素养。该方案为化学实验教学改革提供了技术先进、易于推广的创新路径,具有重要的实践应用价值。

第一性原理计算与机器学习作为当代计算化学与材料科学的重要工具,已在科研领域发挥关键作用,将其引入本科实验教学具备重要意义。传统材料禁带宽度获取的实验教学往往依赖实验测量或商业软件计算,未系统涵盖数据驱动方法。为此,本项目以含铋材料的禁带宽度预测为主题,基于完全开源免费的软件平台,设计了融合第一性原理计算与机器学习的数字化实验流程。依托Matminer与SNUMAT数据库,筛选出458种铋系材料并提取145维特征,利用Orange平台构建多种机器学习模型实现HSE带隙预测;同时通过Quantum ESPRESSO完成BiOBr的PBE能带结构计算,建立“理论模拟+数据驱动”的协同计算路径。该设计突出跨学科融合与低成本高效能的教学创新,既帮助学生掌握从结构优化、能带计算到机器学习建模的全流程,又强化其科研建模与数据分析能力。教学效果表明,该项目具有较强的可推广性与实际应用价值。

将“手持技术数字化实验”技术引入光芬顿协同降解有机物的综合化学实验中,使用无线高清摄像头、智能手机、Phyphox软件和手持氧化还原电位传感器等手持设备获取实验过程视频、图像和数字信息,建立RGB值和有机物浓度的数学模型,该方法具有可现场监测与检测、结果可定量、操作简单、能高通量筛查、耗时少、经济便携等特点。同时,宏观上通过溶液颜色变化,微观上借助传感器设备检测氧化还原电位的变化曲线和有机物的光降解曲线,通过宏观现象和微观表征相结合,可视化呈现光芬顿协同反应历程的存在和催化剂参与反应历程。“手持技术数字化”实验的应用提高了教师的数字化水平,激发了学生的学习兴趣,培养了学生的科学思维与创新意识。

为解决传统实验教学中过度程式化操作步骤、忽视深度思考的问题,水处理“化学混凝法”探究式教学围绕企业真实任务,结合知识、能力目标,设计胶体结构展现、混凝机理大闯关、技能磨练场等多样化的小组活动,采用探究式学习、响应式引导、开放式评估,让学生在完成实践任务中理解原理与方法,促进理论与实践深度融合。通过开展理实融合的探究式教学活动,引导学生参与到对化学混凝核心机制与关键影响因素的探索中,从而培养逻辑思维与实践动手能力。

研究以生物质转化新能源技术课程为载体,构建了系统化、模块化双维联动的案例教学体系。通过实施递进式教学改革,实现典型案例与学科知识的深度融合。首先,系统性筛选适配章节知识点的教学案例,形成包含章节案例和行业前沿素材案例的资源库;其次,采用模块化教学设计理念,通过隐性渗透策略将案例教学有机嵌入各模块;最后,构建“课前案例导学-课中交互研讨-课后反思内化”的混合式教学模式。实证研究表明,该教学模式使学生知识内化率和课堂参与度都有高度提升,有效形成了理论教学、案例研讨与自主探究协同发展的教学新范式。

针对复杂酸碱互滴体系中pH的计算和滴定曲线的绘制,推导滴定过程中任意时刻pH计算的高次方程运算通式;然后利用Excel软件的“单变量求解”结合“宏”“规划求解”等命令发展了适用于多种酸碱滴定体系曲线绘制的一般方法;在此基础上,通过VBA代码将计算方法封装为一个界面友好的工具TitraChart;教学实践显示,该工具容易掌握、耗时短,计算准确度高,是酸碱滴定分析理论教学及实验研究的好帮手。

提出了“碳鎓离子”的概念。碳鎓离子与非经典碳正离子具有相同的结构特点——5价碳原子和3中心2电子键,2者是同一类物质。

在深入分析留学生特点与天然药物化学课程自身所具有的综合性与交叉性基础上,借鉴国际先进教学理念,并结合实际学情,确立了“夯实基础、学以致用,提升思辨、涵养人文”的教学原则。据此,构建了“理实交融、教练结合、平台联动、手段协同、文化浸润”五位一体的实践教育模式。具体举措包括:创设职业实践情境,改进实验教学环节,培养学生解决药品质量控制、天然产物提取分离等实际专业问题的实践能力。建设双语教学视频,突破时空限制,扩展实践教学的场景与深度。学习通、微信、腾讯会议等多平台结合及过程性评价,改善课堂参与度不足与学生主动性欠缺的问题。依托线上线下混合式教学,强化薄弱知识基础,并引入微课精准突破教学重难点,有效提升学习成效。将中医药文化融入专业教学,通过专业知识内化人文精神。本改革尝试,提高了留学生教学质量,促进了中国文化传播,并为药学类本科留学生的其他实践教育积累经验。

科学理论并非静态真理的呈现,而是在不断积累经验证据与修正解释模型的理论迭代过程中,逐步提升其对自然现象的解释充分性与结构把握能力。化学键及其键合作用机理是探究物质结构及其变化规律的核心主题。本研究从学科发展视角,围绕化学键理论发展的4个认知阶段,探讨其从哲学借喻到量子本质的历史演化,进而分析化学键理论的认知演进逻辑及其理论核心形成机制。从“亲和力”到“共价键”和“离子键”再到“分子轨道”和“能态叠加”,化学键理论经历了从定性到定量、从宏观到微观的渐进式发展。这一过程并非简单的理论替代,而是不同解释框架在特定问题中的层级重组与功能分化。由此可见,化学史中理论演化不仅是知识的积累,亦是科学理性在不确定性中的动态更新。基于理论主题的学科本源性理解层次,展开历史认识发展阶段分析的逻辑方法,为化学史研究提供了新的分析视角,亦为复杂科学理论生成机制的探讨提供了方法启示。