有機化學(xué)實驗教學(xué)中實驗設(shè)計能力培養(yǎng)

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近年來，隨著教學(xué)改革的不斷深入，教學(xué)體系的進(jìn)一步完善，在實驗教學(xué)方面，傳統(tǒng)的以驗證性實驗以及少量綜合性實驗為主的教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和主動學(xué)習(xí)、探索式學(xué)習(xí)等方面存在明顯不足,難以適應(yīng)新形勢下對人才培養(yǎng)的要求.因此，減少驗證性實驗，增加綜合和設(shè)計性實驗成為實驗教學(xué)改革的重點內(nèi)容.按照“普通高等學(xué)校本科教學(xué)工作水平評估”的指標(biāo)要求,“綜合性、設(shè)計性實驗”至少應(yīng)占實驗課程總時數(shù)比例的50%～60%以上[1].其中設(shè)計性實驗是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)給定的實驗題目和實驗條件，通過自己查閱資料，設(shè)計實驗方案，選擇實驗器材，擬定實驗程序進(jìn)行操作，并對結(jié)果進(jìn)行分析處理的實驗.設(shè)計性實驗的開設(shè)，打破了傳統(tǒng)實驗固定的教學(xué)模式，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的積極性得到有效調(diào)動，不但鍛煉解決問題的綜合能力，還培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時由于設(shè)計性實驗具有一定的難度,可以激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)欲望,增加學(xué)生的成就感，從而給實驗教學(xué)注入了新的活力.[2]設(shè)計性實驗一般比較新穎，與科研和生活實際密切相關(guān),涉及的知識面較廣，而學(xué)生的知識不夠全面，知識鏈斷裂，綜合訓(xùn)練欠缺，所以實驗設(shè)計能力普遍偏低，在設(shè)計性實驗開設(shè)過程中往往難以達(dá)到預(yù)期效果.本文結(jié)合我校近兩年有機化學(xué)實驗中設(shè)計性實驗的教學(xué)實踐，探討在有機化學(xué)實驗中學(xué)生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng).

1.加強實驗思路和方法的初步訓(xùn)練

1.1充分利用基礎(chǔ)實驗，強化實驗技能訓(xùn)練，強調(diào)基本操作及其應(yīng)用

能力的培養(yǎng)不是孤立的,而是知識的積淀、轉(zhuǎn)化、升華和運用.沒有知識的積累就談不上能力,沒有基礎(chǔ)就談不上提高.[1]在開始設(shè)計性實驗之前，應(yīng)遵循認(rèn)知規(guī)律,符合循序漸進(jìn)的科學(xué)培養(yǎng)方法，對學(xué)生進(jìn)行基本實驗技能的訓(xùn)練，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗原理、基本操作及利用各種操作所能達(dá)到的實驗?zāi)康?如對蒸餾、分餾、萃取、重結(jié)晶、熔點和沸點測定等操作，不但使學(xué)生了解其原理，更進(jìn)一步地能規(guī)范操作，并且明確在什么情況下應(yīng)選用何種操作方法.

1.2通過綜合性實驗訓(xùn)練，明晰實驗思路與方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮問題的思維方式

綜合性有機化學(xué)實驗往往以簡單的原料合成復(fù)雜的分子，當(dāng)中涉及制備、分離、分析測試、性能研究等環(huán)節(jié)，會用到各種實驗方法和手段.因此，可以借助實驗內(nèi)容和實驗要求，使學(xué)生明晰實驗思路與方法，并通過對實驗方法和實驗手段的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮問題的思維方式以及運用綜合的方法、手段分析問題、解決問題的能力，進(jìn)而使學(xué)生具有初步的實驗設(shè)計能力.例如乙酰水楊酸的制備實驗，可以通過問題式教學(xué)和實際操作，使學(xué)生在了解實驗原理的基礎(chǔ)上，要清楚怎樣才能減少副產(chǎn)物、主副產(chǎn)物應(yīng)該采取什么樣的辦法才能得以分離，依據(jù)什么選擇合理的實驗裝置、如何減少產(chǎn)物的損失以及怎樣驗純等等，實驗中哪些操作對結(jié)果至關(guān)重要，又當(dāng)如何進(jìn)行？實驗方案的設(shè)計基于哪些方面進(jìn)行，有無其他可行的方案？通過課堂實驗有意識地啟發(fā)學(xué)生思維，才能使學(xué)生逐漸掌握實驗設(shè)計思路，具備初步的實驗設(shè)計思維能力，為后期設(shè)計性實驗奠定基礎(chǔ).

2.聯(lián)系生活實際，創(chuàng)設(shè)情境，在問題驅(qū)動下激發(fā)學(xué)生的實驗設(shè)計興趣

美國心理學(xué)家布魯納指出：“學(xué)習(xí)的最好剌激乃是對所學(xué)知識的興趣.”精心創(chuàng)設(shè)情境，將學(xué)生置于樂觀的學(xué)習(xí)情境中能夠很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.比如提取茶葉中咖啡因的實驗，首先將大家熟悉的茶葉和白色的針狀咖啡因晶體擺放在一起，讓學(xué)生觀察兩者在外形、色澤上的區(qū)別，在學(xué)生驚詫于暗綠色的茶葉中竟然藏有針狀晶體咖啡因的時候，順勢啟發(fā)學(xué)生思考咖啡因都有哪些性質(zhì)？能通過什么辦法來獲得茶葉里的咖啡因？平日沏茶是否是將咖啡因提取到水中的一種操作？此外都還有哪些提取方法？又如何提高提取效率并最終得到白色針狀晶體？在一連串問題的驅(qū)動下要求學(xué)生分組去查閱相關(guān)資料，了解索氏提取、微波提取、溶劑回流提取、超聲波提取以及超臨界CO2提取和升華法純化的原理、操作方法及操作要點，比較各種方法的優(yōu)缺點以及各種不同溶劑的提取效果，寫出可能的實驗預(yù)案，探討實驗可行性.之后在老師的指導(dǎo)下，進(jìn)一步明確各種方法的特點，梳理設(shè)計思路，細(xì)化實驗設(shè)計并付諸實驗.為了使學(xué)生實驗設(shè)計興趣能夠真正地被激發(fā)出來，指導(dǎo)教師在這一過程中要扮演好“點撥者”和“引領(lǐng)者”的角色，在學(xué)生的理解能力和已掌握的知識基礎(chǔ)上有針對性地、有目的和有意識地設(shè)置問題，并幫助學(xué)生解決一些癥結(jié)難點，提升學(xué)生的思維能力，切忌將一大堆問題完全交于學(xué)生去完成，使學(xué)生產(chǎn)生“畏難”情緒，影響學(xué)生探究興趣和實驗進(jìn)程.

3.進(jìn)行對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生多方位思考，拓展思維

有機化學(xué)實驗無論是化合物的制備還是天然產(chǎn)物的提取，大部分都可以利用多種方法去完成，因此設(shè)計性實驗在實施過程中可以采用不同方法進(jìn)行對照，在指導(dǎo)教師有目的的組織下讓學(xué)生從實驗原理出發(fā)，通過對實驗藥品、實驗條件、實驗裝置、實驗安全性、實驗過程的繁簡程度以及實驗結(jié)果等方面進(jìn)行比較分析，自己發(fā)現(xiàn)問題并得出結(jié)論.這樣做一方面可以加深學(xué)生的印象，另一方面更能啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行多角度思考，在實驗設(shè)計中考慮問題更加全面，更為嚴(yán)謹(jǐn)，從而潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生分析能力和實驗設(shè)計能力.同時，也能通過一次實驗設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行豐富的理性的聯(lián)想思維，拓展他們的思維空間.例如提取茶葉中的咖啡因?qū)嶒?，依照先前設(shè)計好的實驗方案，我們通過分組并分別采取超聲波提取、溶劑回流提取、微波提取、索氏提取四種不同方法，利用水或酒精作為提取溶劑，在溶劑不同，溶劑的加入量和提取時間也不同的情況下讓學(xué)生進(jìn)行實驗，最后利用升華的方法獲得白色針狀晶體咖啡因.實驗中，要求學(xué)生注意觀察提取裝置的搭建、提取液的顏色，比較實驗的難易和快慢程度、最終的產(chǎn)量，并分析各種影響因素.同時，引發(fā)出新的問題啟發(fā)學(xué)生思考，如是否可以利用這樣的裝置和方法得到花椒、橘皮、玫瑰等精油呢？精油的成分主要是什么？提取中又應(yīng)當(dāng)注意些什么？通過在教學(xué)設(shè)計中始終注意融入開啟學(xué)生思維的理念，不僅能活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生積極思考，增加課堂知識容量，訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散思維能力，并且使學(xué)生逐步養(yǎng)成科研思考的習(xí)慣.

4.分階段分層次，由淺入深指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計

實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)是一個漸進(jìn)的過程，只有當(dāng)學(xué)生儲備了一定的理論基礎(chǔ)知識，掌握了一定的設(shè)計思路，學(xué)會了綜合考慮問題，才有可能設(shè)計出一個較為合理可行的實驗方案.因此在教學(xué)過程中，我們一是根據(jù)學(xué)生已有的知識水平；二是保證實驗課題的內(nèi)容在學(xué)生的能力范圍之內(nèi)；三是最大限度地調(diào)動學(xué)生的知識儲備，分階段分層次遵循由簡到難的原則優(yōu)化設(shè)計性實驗內(nèi)容，由淺入深指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗設(shè)計，盡量使學(xué)生在實驗過程中少走彎路，犯不必要的錯誤而浪費時間以及挫傷實驗積極性，以達(dá)到逐步提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力的目的.對于化學(xué)專業(yè)學(xué)生，我們把設(shè)計性實驗按照由易到難的順序安排在兩個學(xué)期來完成。由于前期實驗階段學(xué)生實驗設(shè)計思路和技巧得到了初步訓(xùn)練，因此在進(jìn)行實驗設(shè)計時，學(xué)生普遍感覺難度并不是很大，比較樂于去完成，而指導(dǎo)教師在學(xué)生的主動配合下，也能較為滿意地獲得預(yù)期教學(xué)效果.

5.培養(yǎng)綠色環(huán)保意識，在實驗設(shè)計中融入綠色化學(xué)理念

環(huán)境污染問題是當(dāng)今社會發(fā)展中的一個重要問題，我國各高等院校中所產(chǎn)生的實驗室污染物，已成為我國環(huán)境污染的一個重要來源，而有機化學(xué)實驗又是實驗室污染中的一個重點.在有機化學(xué)的實驗教學(xué)中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的“綠色化學(xué)”觀念，有利于從源頭上消除污染，使化學(xué)和環(huán)境能夠協(xié)調(diào)發(fā)展.在每一次實驗前，要求學(xué)生必須明確實驗過程中所要接觸到的各種藥品的物理常數(shù)、毒性、對環(huán)境會造成的影響等，了解相關(guān)的防護(hù)措施；實驗過程中，通過對實驗藥品的實際接觸，進(jìn)一步明確實驗藥品、實驗過程對環(huán)境和實驗人員安全的影響；實驗后，培養(yǎng)正確的實驗室“三廢”處理觀念，杜絕亂丟亂放的習(xí)慣.向?qū)W生介紹綠色化學(xué)的5R原則，培養(yǎng)學(xué)生用綠色化學(xué)的眼光來適應(yīng)新形勢下的有機化學(xué)實驗，通過逐漸增強學(xué)生的綠色環(huán)保意識，把綠色化學(xué)理念融入到設(shè)計性實驗中.在不影響實驗效果的情況下我們采取了一系列的綠色化學(xué)實驗方法.例如，在制備乙酰苯胺和甲基橙等的實驗中采用試劑用量減半的方法，減少有害物質(zhì)的使用；在柱色譜實驗中，利用填充長5cm內(nèi)徑1cm的較短的Al2O3柱床，分別以酒精和水為溶劑，對甲基橙和亞甲藍(lán)混合物進(jìn)行分離，既保證了明顯的實驗效果又節(jié)約了試劑和時間；利用綠色的微波輻照合成技術(shù)制備肉桂酸，縮短時間的同時也提高了產(chǎn)率.在萃取實驗中，利用水作為萃取溶劑對乙酸乙酯中的冰醋酸進(jìn)行萃取，避免乙醚的使用；己二酸的合成則以H2O2代替教材中的硝酸，副產(chǎn)物是水，避免了用硝酸氧化氮氧化物的產(chǎn)生.正是在實驗過程中不斷地向?qū)W生滲透綠色化設(shè)計理念，因此，學(xué)生在設(shè)計實驗方案時會很自然地從實驗原料、試劑、反應(yīng)條件、廢物回收利用、能源消耗以及是否是原子經(jīng)濟性反應(yīng)等諸多方面進(jìn)行考慮，教學(xué)結(jié)果表明在設(shè)計的實驗方案中總是會體現(xiàn)出學(xué)生在這一方面付出的努力.

6.充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，突出學(xué)生的主體性，鼓勵學(xué)生大膽思考、勇于探索

理想的教學(xué)要求教師的主導(dǎo)性與學(xué)生的主體性都得到充分的發(fā)揮，實現(xiàn)二者和諧完美的統(tǒng)一.在教學(xué)過程中，教師要善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生的潛能，排除學(xué)生的心理障礙，幫助學(xué)生開闊視野、拓寬思維，鼓勵學(xué)生大膽思考，勇于探索，調(diào)動學(xué)生的參與意識，把學(xué)習(xí)的主動權(quán)還給學(xué)生主體，使學(xué)生變被動接受為主動探究，從要我學(xué)為我要學(xué)，充分達(dá)到學(xué)生主體作用的發(fā)揮，使學(xué)生在享受設(shè)計性實驗的獨特樂趣中不斷提高參與實驗的能力與信心.教學(xué)實踐證明：作為教師，科學(xué)合理地安排設(shè)計性實驗內(nèi)容，正確組織和引導(dǎo)學(xué)生查閱資料、放手學(xué)生去設(shè)計實驗方案，鼓勵學(xué)生求新求異的思維方式，尊重學(xué)生的設(shè)計思路、耐心細(xì)致地為學(xué)生答疑解惑、加強師生間情感培養(yǎng)，精心為學(xué)生準(zhǔn)備實驗所需，加大學(xué)生在實驗過程的自主度，將實驗課堂這個舞臺實實在在地交還學(xué)生，并將實驗設(shè)計完成情況納入到考核中等都十分有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，煥發(fā)學(xué)生主體創(chuàng)新意識，從而使學(xué)生的實驗設(shè)計能力和科研意識得到了逐步提高，并使學(xué)生具備良好的科學(xué)素養(yǎng).有機化學(xué)實驗中的設(shè)計性實驗在開闊思路、提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和知識運用的能力上具有十分重要的作用.但開設(shè)的難度較大，對教師和學(xué)生都提出了較高要求.合理可行的教學(xué)策略和教學(xué)方法不僅能使學(xué)生具備初步的實驗設(shè)計能力，更能使蘊藏在學(xué)生身上的創(chuàng)造性和學(xué)習(xí)潛能得以充分發(fā)揮,實現(xiàn)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、科學(xué)探索精神得到培養(yǎng)。

作者：楊彩玲 白林 陳明凱 羅榕 單位：蘭州城市學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院