應用化學專業實驗中的設計性與不確定性

徐世美，武榮蘭，阿達來提·阿不都熱合曼

（新疆大學 化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046）

應用化學是一門介于化學與化工之間的實踐性很強的應用型學科，而實驗教學是培養大學生實踐能力、創新能力和綜合能力的關鍵性環節［1］。應用化學專業實驗是在學生進行了相關基礎化學教學及實驗的基礎上開設的，是實驗課程體系中的“提高階段”［2］，是為讓學生在鞏固和應用所學基礎知識的基礎上，進一步提高實踐與創新能力，為今后從事科研及相關工作打下良好基礎［3］。因此專業實驗的設置內容一方面要緊密結合基礎化學知識，另一方面要充分體現應用化學專業特色。通常專業實驗課的內容更注重專業性的體現，但對于基礎知識的銜接往往忽略，而且教學方法也沿用“依照講義，按部就班”的模式。學生在實驗過后，除了實驗技能有所提高，對專業課程的內容有了感性認知外，其認識的主觀能動性并不能很好發揮，更無益于思考與創新能力的培養［4－5］。我們結合多年從事應用化學專業課程和實驗課的教學經驗，對專業實驗進行了適當改革，除在內容選定上突出專業特色外，還引入了部分設計性的內容，使實驗結果具有不確定性，因此學生在實驗前充滿好奇與期待，能夠積極參與到實驗中，從而達到了較好的實驗效果。

1 結合專業與學科研究設置實驗內容

我校應用化學學科是自治區重點學科，學科重要研究方向是精細化學品化學。應用化學專業本科生在三年級上學期學習了專業先導課“精細有機合成化學與工藝學”之后，下學期進入“精細化學品化學”專業課的學習，該課程配置相應的實驗課“精細化學品實驗”。目前有關精細化學品實驗的講義很多，如果能很好地選取實驗內容并設計有關實驗教學過程，不僅可以讓學生在實驗過程中很好地鞏固和運用所學知識，而且可以更好地激發他們的學習興趣。因此，實驗內容的選取非常重要，要充分體現“應用性”的專業特點［6］。

我們選取了阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試、玉米淀粉黏合劑的合成及黏接強度測試、改性107涂料的合成及性能、酸性藍黑的合成及表征，以及十二烷基苯磺酸鈉的合成及洗滌性能等實驗。所選取的實驗內容涵蓋了專業課程“精細有機合成化學與工藝學”所述的鹵化、氧化、縮合、重氮化和偶合、磺化等重要精細化工單元反應，而且還包括了精細化學品的重要品種，且與實際生活息息相關，容易引起學生的興趣；另外，除合成技術外，實驗中還引入了相關的性能測試，包括阻燃性、黏合性、洗滌性能、吸附性能等測試，充分體現了應用化學的實用性特點［7］。這些測試環節還綜合運用了分析化學和物理化學等的相關知識，讓學生體會到學以致用的樂趣。

2 將設計性環節引入到實驗內容中

在確定好實驗課的內容后，還應根據從事實驗的學生特點適當引入新的教學方法與手段，以達到更好的教學目標。低年級的本科生在基礎化學實驗課中主要采取“按方抓藥”的方法，以期在實驗過程中加深對基礎知識的認知。而專業實驗的認知對象為高年級學生，已經具備了一定的基礎知識和實驗技能，因此可根據他們的特點適當引入一些設計性的內容，并與當前的一些關注熱點相結合，以鍛煉他們分析與解決問題的能力，并提高他們的求知欲與實驗興趣［8］。

在阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試的實驗中，實驗講義中以溴素作為雙酚A的溴化劑，乙醇作為溶劑。教師可在實驗前的輔導時提出溴素使用的弊端，包括其強腐蝕性、刺激性以及反應的非原子經濟性，另外從綠色環保的要求出發，建議學生可以對溴化劑進行更換；此外結合溴化反應特點，作為親電反應，反應是一個連串反應，多溴代速度逐漸減慢，因此如何根據反應機理控制反應溫度以及如何利用溶劑效應選取溶劑，也建議學生自行設計。

在改性107涂料的合成及性能實驗中，由于甲醛的殘留問題，向學生提出如何減小甲醛的危害的問題，之后引導學生通過控制合成中的加料方式及加料比，以及添加不同的改性劑來達到這一目標。在提出問題后，交由學生課下根據講義并查閱相關文獻后，對其中的部分內容進行適當的改進，并提交設計報告。不同于設計性實驗，后者僅僅提供了一個實驗目標與要求，幾乎所有的實驗過程與內容都由學生自己設計完成，對學生有較高要求，而對剛接觸專業實驗的學生可能并不適合。但如果按照基礎實驗課的教學模式，則達不到啟發學生思考的目的。因此作為承上啟下的實驗課，我們就實驗過程的某一方面提出問題，引導學生思考設計，不僅有效地達到了實驗目的，而且大大激發了學生的實驗與科研熱情。然而此環節需要注意，問題的提出既要聯系實際引發學生學習興趣，又不能過于寬泛或艱深，超越學生的學習能力［9－10］。

3 將不確定性因素引入到實驗結果中

在對學生進行適當的引導后，學生根據自己的想法設計改進實驗，因此使實驗結果增加了更多的不確定性，學生會主動相互比較、討論，在實驗過程中始終保持很高的學習興趣［11］。例如學生在阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試的實驗設計時，認為可以用相應的溴化物與氧化劑來生成反應所需的溴化劑，且可根據溶劑效應，在醇中加入少量水加速反應，然而最優化條件并不確定，導致實驗結果具有不確定性。不同學生所采取的改性方法不同，也會使實驗結果有所不同。該實驗結束后，有些小組得到了固體產品，干燥后為疏松粉末，但有些產品在干燥后熔融；另有一些小組得到了液體產品。這種不確定性使學生在實驗前非常迫切地希望得到結果，因此在實驗中非常主動，愿意與其他實驗組進行對比分析，并通過比較實驗結果的好壞，發現自己實驗設計的問題。

在酸性藍黑的合成及表征實驗中，涉及兩步重氮化和兩步偶合反應，實驗過程較為復雜，要求學生在有限時間內完成，對學生有較高的要求。有些實驗組在實驗中較快監控到實驗終點，從而可以進行下一步反應，而有些實驗則遲遲不能到達反應終點，因此他們會去比較二者實驗的差異，包括加料比以及反應pH等。后來證明，由于反應液pH的差異，導致偶合速率相差非常大，從而深刻理解了偶合液pH對偶合反應的影響規律。而在改性107涂料的合成及性能實驗中也存在同樣的問題，一些實驗組為減小基料中甲醛的含量，加料時減小了甲醛用量，導致實驗過程中生成的基料分子量較小，甚至觀察不到終點絮凝點的出現。通過與其他實驗組的對比，他們可以分析出自己實驗的問題所在，避免了照方抓藥實驗中毫無懸念的結果而帶來的思維僵化。

4 統籌合理安排實驗進度

由于選編的實驗中都涉及合成步驟，而合成過程通常需要一定的反應時間，造成學生的“實驗空窗期”。學生在這期間無事可做，往往出現聊天、上網等現象。為合理利用時間，培養學生統籌規劃能力，我們對實驗順序進行了特別編排，并根據實驗特點，將新增加的性能測試環節安插在每一個 “實驗空窗期”，要求學生根據自己的實驗進度來自行調整。由于學生在實驗中引入了不同的設計性內容，加之實驗能力的不同，導致學生的實驗進度有所不同，他們可以根據自己的實驗進展安排上一個實驗的性能測試時間。這樣一方面可以有效節省時間，避免大家做同一測試時引起的儀器擁擠，另一方面給予學生更大的自主空間，引導他們進行自覺性和協作性學習［12］。

5 結束語

通過專業實驗的改革，可以帶動學生的實驗與思考熱情。實驗前輔導時對學生明確指出，實驗講義內容均具有可行性，但也存在一定問題，學生可以根據自己的想法提出改進，也可以按照講義來做。盡管并沒有對學生強制要求進行實驗改進，但學生表現出較強的主觀能動性，對于部分實驗，甚至出現100%實驗組都在實驗設計報告中加入了自己改進的內容。實驗課采取了與眾不同的教學方法，使學生感到真正的“學以致用”，體會到思考的樂趣。

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［1］李凡修，孫首臣，鄧仕英，等.淺談應用化學專業實驗教學改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2014，33（4）：198－202.

［2］陳爽，蘇育志，趙建華，等.地方高校應用型人才培養模式下化學專業實驗課程體系研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（3）：1－5，11.

［3］沈玉龍，王麗紅.應用化學專業定位與專業課程體系設計［J］.化學教育，2014（10）：16－18.

［4］劉淑琴，王彩紅.結合專業特色的精細化學品化學教學改革［J］.中國科教創新導刊，2009（34）：19.

［5］張友琴，王萍，朱昌平，等.以大學生創新性實驗計劃為契機培養創新型人才［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）：167－170，212.

［6］盧怡，劉金庫.一個應用化學專業綜合實驗的設計及教學實踐［J］.化工高等教育，2013（3）：36－39.

［7］徐世美，武榮蘭，阿達來提·熱合曼，等.“精細化學品化學”專業實驗改革與探索［J］.高等理科教育，2013（教育教學研究專輯）：142－143.

［8］張光華，彭莉，呂博.在應用化學專業實驗中培養學生創新能力［J］.實驗技術與管理，2005，22（7）：9－14.

［9］張成路，楊文婕，閆杰，等.運用PBL教學法在“精細化學品合成與實驗”中培養情商［J］.化學教育，2010，31（3）：54－56.

［10］閆杰，張成路，靳奇峰.PBL教學法在精細化學品合成實驗教學改革中的應用［J］.實驗技術與管理，2010，27（7）：151－153.

［11］鄭凈植，胡建，柏正武.優化應用化學專業實驗 培養學生創新能力［J］.實驗室研究與探索，2008，27（10）：4－5.

［12］王金發，何炎明，戚康標，等.“開放式、研究性”實驗教學模式的創立與實踐［J］.高等理科教育，2007，27（6）：97－100.