工科有機化學實驗教學儀器集成化建設的探索

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(鄭州輕工業學院 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002)

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工科有機化學實驗教學儀器集成化建設的探索

徐粉，尹志剛*，張華林，康位粉

(鄭州輕工業學院 材料與化學工程學院，河南 鄭州 450002)

針對工科有機化學實驗課程實驗類型廣、搭建儀器復雜等問題，以引導學生創新動手能力為目標，設計集加熱、控溫、攪拌、調速、儀器安裝架于一體的多功能實驗裝置臺，培養學生的工程化意識，鍛煉學生的工程化能力，以有機實驗教學中的儀器改革為契機激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力，達到提高學生綜合素質的目的。

有機化學實驗 ； 教學 ； 創新 ； 改革

有機化學作為一門實驗性學科，其對應的有機化學實驗教學就顯得尤為重要[1]。有機化學實驗是化學、化工類重要的實驗基礎課，具有課程內容多、涵蓋面廣、操作性強等特點。有機化學實驗教學是有機化學課程的基石，不僅是對有機化學課程的驗證，還能有助于強化有機化學基礎知識的學習。結合工科有機化學的特點與人才培養特點，有機化學實驗中教學儀器的改革可以鍛煉學生的創新型思維能力，提高學生的分析能力，對后期的工作也起到了啟發作用[2]。因此，教師將引導學生仔細研究各類有機實驗類型，分析實驗儀器的缺陷，發散思維并精心設計相應的實驗儀器，注重研發過程，以圖促進教學質量和提高學生的綜合能力。

1 有機化學實驗儀器改革的思路

相比于無機化學實驗、物理化學實驗、分析化學實驗，有機化學實驗搭建更加復雜，往往需要加熱、攪拌同時進行。從有機化學教學內容上看，有機化學實驗內容多，涉及到的實驗操作相對繁雜，例如：蒸餾、分餾、重結晶、濃縮、熔沸點測定等[3]。目前我國有機化學領域已經有了突飛猛進的發展，在國際影響力不斷提高，但是對我們的本科有機化學實驗的教學內容與教學形式的改革卻相對欠缺。目前存在的問題：①傳統的教學內容加上傳統的實驗搭建方法無法激發學生的學習興趣，冗繁的操作往往會損傷學生的自信心。②模仿式搭建無法培養學生的創新意識，學生對有效組裝實驗裝置的意識淡薄。③加熱裝置、攪拌裝置、多個鐵架臺、反應裝置等多套裝置共同搭建會使有限的實驗操作空間更加的局促，往往會因為一個誤操作引發連鎖反應，導致整個裝置重新安裝，這也增加了潛在的危險性。④多套儀器共同使用往往會分散學生的注意力，并且減少學生獨立思考的時間。因此，我們將對有機化學中的實驗儀器進行改革，主要對加熱裝置、攪拌裝置、實驗搭建裝置進行有效集成，培養學生的實踐能動性和工程化意識。從實驗角度來講，新型實驗裝置的搭建將簡化實驗操作，減少實驗過程中因錯誤操作造成的危險。

2 有機化學實驗內容的現狀分析

有機化學實驗教學主要包括三種類型：性質測定(如：有機化合物熔點、沸點的測定)；合成方法(如：環己烯的制備、2-硝基-1,3-苯二酚的制備、硝基苯甲酸的制備、乙酰苯胺的制備、乙酸乙酯的制備)；分離方法(薄層層析、從茶葉中提取咖啡因、減壓蒸餾等)。隨著有機化學的發展，結合有機合成化學副產物多的特點，涉及的有機合成實驗往往需要經過分離得到純品。在實際的實驗操作過程中，合成、分離、性質測定均需完成。因此，在一個實驗中往往需要搭建合成裝置、分離裝置、性質測定裝置。裝置的變換、搭建方式的改建會增加操作的難度。例如在提取咖啡因的實驗中，需要先安裝索氏提取裝置進行提取，之后需要降溫更換濃縮裝置，在操作過程中需要多次搬運加熱裝置，依照實驗要求需要更改實驗儀器，因此需要多個鐵架臺進行組裝。于是，對實驗儀器的有效集合成為儀器發展的趨勢，因此發展集成式的實驗搭建裝置受到了教學工作者的關注。

3 有機化學實驗儀器改革的探索

3.1儀器改革為契機，激發學生學習興趣

實驗內容和實驗方法的表現形式是影響有機化學教學的關鍵因素。有機化學作為一門基礎學科，傳統的實驗內容則略顯枯燥。教師本身應該主動學習有機化學前沿知識，既包含前沿的研究，還包括先進的設備研制，開闊自己的視野，儲備知識。實驗內容應在基礎操作的基礎上，追求先進性、綜合性和應用性。新技術、新方法和新設備的發展鼓勵學生將基礎知識與應用實踐相結合，激發學生的求知欲，將被動的學習轉化為主動的求知[4]。在實驗課開始之前讓學生預習實驗，了解實驗儀器，提出設計新型儀器的設想或者提出對實驗設備的改進思路。在實驗過程中，讓學生總結實驗過程中的不便操作并提出改進措施。以問題推進設備改革，依據實際的需求進行儀器設備改進，真正做到有目的性、有針對性。實驗課結束后，鼓勵學生對自己的設想進行制圖，再分組進行討論，確定設計方案。按照既定的實驗方案進行實物制作，需要學生掌握切割、焊接、密封等操作。組織學生對自制設備與傳統設備進行比較，記錄相應的優缺點，再對缺陷和不足處進行改進，最終制備出理想的實驗設備。整個過程可以實現：自制實驗儀器改善有機化學實驗；有機化學實驗鞏固有機化學基礎知識；有機化學基礎知識為儀器設備改革提供理論基礎。實物儀器的產生將大大地激發學生學習有機化學的興趣，有助于培養學生科學的思維方法和工程意識；理論知識和生產實踐的結合可以提高學生的創新思維能力和實踐動手能力，對工程實踐能力的培養奠定了堅實的基礎。

3.2集加熱、攪拌、儀器安裝架于一體的實驗裝置臺的設計

充分總結有機化學實驗中涉及的實驗操作，結合國內外名校名師的實驗教學方法，設計集加熱、攪拌、儀器安裝架于一體的實驗裝置臺。相較于傳統的酒精燈，將油浴式熱源固定于此集成設備上，其特色與優勢非常明顯。主要特色如下：①解決了酒精燈加熱不均勻的問題，防止局部反應溫度過高導致反應效率下降的問題，同時避免了局部反應過快出現的噴料等問題。②酒精燈的使用限制了通風設備的開啟，室內污染嚴重，有損于教師和學生的身體，而此設備則可以與通風設備同時使用，符合以人為本的理念。③此熱源使用的時間長，無需像酒精燈一樣需要經常添加酒精。相較于傳統的鐵架臺安裝方法，此方法設計了具有多個立柱的集成式鐵架臺，重心穩，臺面上的滑道可以方便調節立柱的相對位置，有利于調整試驗裝置的安裝位置。在進行復雜裝置的搭建時往往需要多個鐵架臺，多個鐵架臺共同使用占據的空間大，不利于實驗操作。在裝置臺底座安裝的控溫裝置和攪拌控制裝置可以方便快捷地控制實驗所需要的溫度和攪拌速度。總體來說，集成的實驗裝置臺是對傳統實驗儀器的改進。

3.3改革有機化學實驗教學內容

傳統的實驗內容多屬驗證性實驗，缺少自主設計合成的實驗，綜合性的實驗更是稀缺[5]。這種缺陷主要源自于有限的實驗課時，因此時間就成了有機化學實驗必須克服的問題。新型設備的誕生簡化了實驗操作，節約了反應時間，因此我們對有機化學實驗教學內容進行了調整。①強化基礎操作，提高實驗效率，增加減壓蒸餾等操作實驗的次數。②設置自主設計實驗，壓縮掉簡單合成實驗的同時，選取相對簡單的藥物分子進行設計合成，自主選擇分離方法，包括萃取、重結晶、熔點和沸點的測定及升華，此方法的合理選擇需要學生掌握其不同的分離目標和分離原理，可以加強分離操作的認識。③增設綜合性實驗，新制的集成設備可以大大減少裝置的安裝時間，因此可以設計時間相對較長的綜合性實驗，增強學生對有機化學實驗的認識，全面系統地合成、分離、鑒定有機化學品，為后期的合成工作奠定基礎。

3.4改革有機化學實驗成績評價體系，增強學生學習興趣

傳統的有機化學實驗課程給分方式是實驗結果與實驗操作雙重評價機制，但是由于有機化學實驗多為驗證性實驗，上述的評價機制并不能有效地評價真實的實驗情況。為了提高學生的綜合能力，體現其創新實踐能力，培養其分析問題、解決問題的能力，對以往的雙重評價機制進行改革，增加儀器設備設計與改進一項。具體形式：實驗結果占30%，實驗操作占40%，儀器設備設計與改進占30%。其中，對傳統儀器缺陷的總結報告占5%，設計儀器的制圖占5%，實物制作占20%。儀器設備設計與改進一項所占的比重大，主要是為了激勵學生對儀器改進的興趣，將理論與實踐相結合，提高學生的綜合素質。

4 結論

有機化學實驗是對有機化學知識的驗證和鞏固，是培養學生實驗能力和創新能力的有效途徑。我們以儀器改革為契機，調動學生的學習積極性，激發其學習興趣，結合實際情況，增設自主設計實驗、綜合實驗，鍛煉學生的動手能力。在有機化學實驗教學的過程中，注重儀器設備的改進和研制，培養學生的工程意識，滿足人才培養“寬口徑、厚基礎、重實踐”的要求。

[1] 郭書玲,楊亮茹.工科有機化學的教學方法與手段淺談[J].廣州化工,2010,38(5):260-261.

[2] 付穎寰,初婷婷,楊大偉,等.輕工類高等院校有機化學實驗教學改革的實踐與思考[J].輕工科技,2017,1:131-132.

[3] 楊 琴,楊 輝.高校有機化學實驗教學反思[J].廣州化工,2017,45(3):133-134.

[4] 唐 倩,龔成斌.有機化學實驗教學改革研究[J].西南師范大學學報:自然科學版,2013,38(5):165-167.

[5] 李英俊,孫淑琴,于世鈞.有機化學實驗教學改革與創新人才培養[J]. 實驗室研究與探索,2003,22(1):25-30.

2017-04-03

徐 粉(1984-)，女，講師，從事有機化學教學及有機化學實驗教學工作，電話：0371-86609676，E-mail：yuweimeng226@163.com；聯系人：尹志剛(1965-)，男，教授，博士，從事環保染料及功能性有機中間體的合成與應用工作，電話：0371-86609676。

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