大學化學研究性實驗教學策略與優化

　　摘 要： 本文從教學內容、組織引導、教學評價三個方面總結了開展化學研究性實驗的教學策略及其優化途徑。
　　關鍵詞： 本科化學專業 化學研究性實驗 教學策略
　　
　　化學是一門實驗科學，化學規律和理論都是從實驗中獲得。化學化工類專業的本科生，不僅應該熟練掌握實驗操作技能，而且必須以實驗為手段進行科學研究，以創造知識。傳統實驗教學的過程是學生先預習并寫出預習報告，然后教師課堂講解實驗目的、實驗原理、實驗步驟、可能出現的問題等，最后學生操作實驗，教師巡回指導，它主要解決學生實驗操作技能問題。由于所選取的都是成熟的、驗證性的實驗，課本對實驗過程又介紹的很詳細，學生完全能依據現成方案完成實驗過程，因此學生不需要動腦筋進行實驗設計和探索，也不需要解決實驗過程中出現的新問題，這就達不到培養學生具有初步科學研究能力的目的。新的本科化學專業規范要求高校重在培養創新型人才，為了這一目標，在完成基礎性實驗和綜合性實驗之后，化學研究性實驗便應運而生，以提高學生分析問題、解決問題的能力，并使學生獲得對科研的初步認識。
　　要順利完成研究性實驗的課程設置目標，關鍵在于教師的教學。然而，化學研究性實驗是一門新的課程，它不像基礎性實驗和綜合性實驗那樣有著成熟的教學策略和教學模式，而且是要求教師既引導、幫助學生順利進行實驗，又調動學生獨立思考、解決實驗中的問題。因此，教師不僅要付出更多的精力，如何實施與優化研究性實驗教學策略也是一個挑戰。我院對化工、應化專業開設了化學研究性實驗課程，在實驗教學過程中，我們對教學策略進行了探索和優化。
　　一、研究性實驗內容的選擇策略與優化
　　研究性實驗的題目由教師指定，即教學內容由教師選取。教學內容的選擇對于研究性實驗的順利實施起著非常關鍵的作用，教師應加強知識的積累，了解化學學科的研究動態，同時對實驗的難易程度、進行實驗所需的條件、學生的實際知識水平和能力做到心中有數。通過嘗試，我們在選擇實驗內容時發現應遵循以下一些策略。
　　1.實驗內容要與學生的知識能力相適應。化學研究性實驗一般在大學二年級學生中開設，此時學生已經完成基礎化學理論課和基礎實驗及綜合性實驗的學習，具備了一定的理論知識水平，并能熟練完成實驗室的常規操作。選擇研究性實驗題目不能僅僅著眼于實驗操作的訓練，也不能照搬現成的實驗，必須著重培養學生獨立設計實驗的能力和探究能力。所選取的實驗應該具有一定的難度并具有一定創新性，這樣才能激發學生的研究激情，培養學生的創新能力。但是，研究性實驗不是科學研究，教師也不能圖省事直接將自己的研究課題交給學生做，因為實驗內容難度超出學生能力范圍將會打擊學生的積極性，也達不到培養目標。因此，所選取的實驗必須符合學生現有的知識水平，學生通過努力能夠順利完成。
　　2.實驗內容要與所學理論相結合。以有機化學為例，學生在基礎有機化學中學習了大量的反應類型和反應規律，如取代反應、縮合反應、電子效應、空間位阻效應等。所選取的實驗應為學生所學的反應和理論范圍之內，這樣學生不僅會覺得化學理論知識并非抽象，而是能夠解決實際問題，而且有助于培養學生在所學知識的基礎上有所創新。
　　3.實驗內容要與生產相結合。當今的科研早已走出象牙塔，產學研結合日益緊密，因此，所選實驗題目最好與生產實際結合，能夠解決生產中的問題，讓學生了解實驗成果的重要意義，從而更大地激發學生的學習熱情，樹立“科學技術是第一生產力”的觀點。
　　4.實驗內容要盡量新穎。這是因為一方面研究成熟的課題很難有所創新，少了研究的意味，另一方面已有的實驗操作過程很容易使學生產生思維惰性，造成照單抓藥的局面。而新穎的課題有利于激發學生研究熱情和成就感，甚至獲得較好的研究成果。
　　5.所選實驗還要考慮本校實驗室的具體條件。例如，地方性本科院校一般缺乏核磁共振儀、高分辯質譜儀等大型分析儀器，就不宜選擇合成或提取新化合物的實驗。
　　基于以上認識，我們根據自身優勢擬定了幾個題目，供學生選擇。例如，以鄰苯二酚為原料常壓下合成胡椒環的實驗為研究性實驗的內容。胡椒環是一種重要的化工產品和藥物中間體，目前工業上采用高壓合成，選題與生產結合，具有較大的現實意義。胡椒環的合成是鄰苯二酚發生分子間的取代反應或縮和反應，這是有機化學中最重要的一類反應類型，也是學生必須掌握的，有利于學生對所學知識的融會貫通、活學活用。常壓下胡椒環的合成尚處于研究階段，相關文獻較少，較為新穎，有利于培養學生的探索精神和創新能力。由于胡椒環是已知化合物，其表征只需要紅外譜圖與標準譜圖比對即可，我院的實驗條件完全能夠滿足。除此之外，該設計實驗還具有合成方法多、基本操作多的特點，有利于培養學生的發散思維和創新性思維，提高學生的動手能力和實驗技能。
　　二、研究性實驗的組織引導策略與優化
　　研究性實驗不像基礎性、綜合性實驗那樣由教師提供詳細的實驗方案，教師只有提供研究目標，完全由學生擬定實驗方案、實施實驗。因此，教師在實施研究性實驗前就應做大量的準備工作。一般是事先選擇合適的時間組織學生以組會的形式進行文獻調研、方案論證，實施研究性實驗中加強引導，充分發揮學生的自主性。由于研究性實驗需要學生在一段時間內連續進行，我們選擇了大二的學期期末的最后一周作為實驗周來實施。此時，一方面學生已經完成大學化學理論和基礎性實驗的學習，為研究性實驗打下了基礎，同時學生在完成期末考試后時間很寬余，能夠充分投入實驗中。另一方面實驗室也相對空閑，為順利實施研究性實驗提供了保證。我們在擬定實驗時間后，提前兩個月將實驗課題布置給學生。具體作法是，先將一個班的學生分成幾個小組，每個小組5—7人并選出一名小組長。教師進行一次授課，主要講解文獻資料的檢索方法、課題的設計方法和課程要求，然后以小組為單位要求學生自己分工查閱相關文獻、制作演示幻燈片、完成實驗方案設計。此后每兩周進行一次組會，前兩次進行文獻綜述，要求每組學生派一名代表以幻燈片的形式對上兩周的相關文獻閱讀進行總結，講解綜述前人相關工作。其他同學可以自由提問，最后由教師進行點評。后兩次則論證本組的實驗設計方案，教師引導學生在充分討論的基礎上，根據實驗室的條件、設計方案的可行性指導學生完善實驗方案并完成實驗設計報告，最終提交實驗所需儀器和試劑清單。
　　還是以合成胡椒環實驗為例，我們將胡椒環的合成題目布置給學生后，學生查閱了大量的文獻資料，在綜述中展示了封管高壓反應合成法、相轉移催化劑合成法、高沸點溶劑常壓合成法等各種胡椒環的合成方法。這樣就使學生對該課題有了比較全面的認識，了解了前人合成方法的優缺點，為實驗方案的設計做了準備。在方案設計上，我們鼓勵學生進行創新，即采用前人沒有研究過的方法來合成目標化合物，并強調允許失敗。在此基礎上的實驗方案設計表現出了較好的可行性和創新點，有一組學生以鄰苯二酚和二氯甲烷為原料，一組以鄰苯二酚和二碘甲烷為原料，還有兩組學生以鄰苯二酚和甲醛為原料（圖1）。最后通過討論，根據實驗室條件，將二碘甲烷換成二氯甲烷和催化量的碘化鉀，另一組將甲醛換成更易操作的多聚甲醛進行嘗試。
　　完成實驗前的設計后，我們盡量滿足學生所需的實驗儀器和實驗試劑，放手讓學生進入實驗室按照自己設計的方案進行實驗。教師不需要像基礎實驗那樣隨時呆在實驗室，只需檢查安全即可。學生在實驗過程中肯定會遇到問題，要鼓勵他們獨立思考、相互探討，如果還不能解決可邀請教師一起討論。例如在上述實驗中，以甲醛為原料的學生發現反應過程中產生大量黑色固體，沒有獲得產品。學生經過分析，認為黑色固體是某種副反應產物，但不知道是什么副產物，如何避免。在和我們一起進行討論時，我們引導學生從反應的選擇性入手考慮，很快大家達成共識：由于羥基活化苯環，鄰苯二酚對甲醛的親核加成反應不僅可能發生在氧上，而且可能發生在芳環上，因此黑色固體極有可能是酚醛縮和所產生的聚合物。酚醛縮和是在酸性或堿性條件下進行的，因此可以嘗試從控制反應介質的酸堿性著手減少副反應。
　　
　　對研究性實驗報告的形式我們也作了優化。為了體現研究的性質，我們要求學生參考學術期刊論文的形式進行書寫實驗報告，每位組員都要寫下自己所做的工作，然后每小組由一名學生執筆、共同總結完成一篇小論文。完成初稿后交由教師評閱，然后教師根據存在的問題指導學生修改論文，使之達到要求后再定稿上交。這樣經過參考、寫作、修改、定稿過程，學生的數據整理分析水平、論文寫作水平都得到了很大的提高。教師要著重強調必須如實記錄實驗數據，而不能為了好的結果隨意篡改數據，對引用前人工作要標注文獻出處，以培養學生良好的學術道德。通過這樣的訓練，有的小組論文已經達到實戰水平，其中一個小組還向學報投稿。
　　三、研究性實驗的教學評價策略及優化
　　基礎性實驗的評價方式比較單一，只需根據學生的預習、操作和實驗報告情況對每一名學生進行評價和考核。研究性實驗的評價方式則要復雜得多，首先研究性實驗是一個團隊協作過程，雖然小組中每一名學生的任務不同，有的側重于資料收集，有的側重于操作，有的側重于分離純化，但是只有每一名學生都具有團隊精神并積極參與實驗，小組才會取得好的成績。其次也不能吃大鍋飯，要激勵那些勤于思考、勇于探索、努力勞動的學生。我們采用的評價策略是小組成績與個人成績相結合原則，首先教師根據每個小組答辯情況、設計方案、實驗過程、論文水平對每個小組給出一個平均分。然后小組長根據每位同學的工作和現實表現，給出其對項目的貢獻百分率。最后教師按照小組成績（50％）加個人成績（50％）的方式對學生的成績進行評價。
　　值得注意的是，研究性實驗的培養目標是使學生能夠獨立思考，善于創新，具有初步的科研能力。為了激勵學生探索精神，教師應該著重評價學生整個實驗過程，如文獻查閱是否充分、設計方案是否合理、是否具有創新性、實驗過程是否刻苦等等，而實驗結果好壞不作為評價依據。例如上述實驗中，我們有一個小組以甲醛為原料沒有獲得產品，但是他們的方案還沒有文獻報道，具有較大的創新性，在遇到問題后他們詳細地分析了副反應的原因，并為消除副反應作了許多努力，因此我們仍然給了他們小組較高的成績。
　　通過對研究性實驗教學策略的實施與優化，我們收到了良好的教學效果。學生對這種自主參與度高，具有一定難度與挑戰性的實驗課程表現出了極大的熱情和興趣，為了做更多的實驗，很多學生常常在實驗室呆到深夜。從設計方案、實驗過程和實驗報告來看，學生查閱文獻的能力、自主學習的能力、解決問題的能力、創新思維的能力及論文寫作能力都得到極大的鍛煉和提高。大學研究性實驗的教學策略還有很多，需要進一步探索，我們相信，對研究性實驗教學策略的改革和優化必將最大限度地整合學生的實驗操作技能，培養學生初步的科研能力和創造力，從而為學生將來的科研和實際工作奠定基礎。
　　
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