提供中學(xué)生深度科研體驗(yàn)的高端有機(jī)合成課程開發(fā)與實(shí)施

陳鶴 董素英 劉作亮 孫士元 周逸清 周瀚洋??

摘要： 構(gòu)建高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程平臺(tái)，該平臺(tái)為對(duì)化學(xué)、科研感興趣的學(xué)生提供了一個(gè)深度的科研體驗(yàn)。專業(yè)實(shí)驗(yàn)室和高學(xué)歷的指導(dǎo)教師隊(duì)伍，保證項(xiàng)目研究的學(xué)術(shù)性。多樣化的研究課題為學(xué)生提供多種選擇。具有包容性和開放性的課程實(shí)施策略滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需要。實(shí)踐結(jié)果表明： 高端有機(jī)合成課程對(duì)學(xué)生科研素養(yǎng)培養(yǎng)有積極作用。采用自主研發(fā)的中學(xué)生科研素養(yǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行自評(píng)，參加高端有機(jī)合成課程的學(xué)生，科研素養(yǎng)得分有所提高。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)教育； 科研素養(yǎng)； 校本課程； 科學(xué)教育

文章編號(hào)： 10056629（2018）8003406 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

北京市十一學(xué)校秉承“以學(xué)生為主體”的理念，構(gòu)建了4個(gè)層次的化學(xué)課程[1]，高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程是學(xué)校化學(xué)教學(xué)課程體系的完善與補(bǔ)充，使得中學(xué)化學(xué)教學(xué)形成了從學(xué)科知識(shí)到項(xiàng)目實(shí)踐研究的完整課程體系。

中學(xué)生接觸科研項(xiàng)目其實(shí)不是一件新鮮事，比如北京的“翱翔計(jì)劃”、“英才計(jì)劃”及“后備人才計(jì)劃”等等[2， 3]，都是立足于中學(xué)階段培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。但是，主要依靠大學(xué)的資源和力量對(duì)中學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，存在“水土不服”的問題[3]，且對(duì)于學(xué)業(yè)繁重的中學(xué)生而言，奔波于大學(xué)和中學(xué)之間，時(shí)間成本太高。其次，由于資源的稀缺性，以及參與資格競賽性的特點(diǎn)，能夠進(jìn)入到這些活動(dòng)的學(xué)生人數(shù)是非常有限的。在中學(xué)階段，更多學(xué)生沒有真正接觸過科研，因此給對(duì)科研有好奇心、有興趣的學(xué)生提供一個(gè)平臺(tái)，通過深度的科研體驗(yàn)，讓他們了解科研，從而激發(fā)他們對(duì)科研的興趣，引導(dǎo)他們樹立將來從事科研的志向，這有利于國家科研創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程關(guān)注學(xué)生科研素養(yǎng)的早期培養(yǎng)。具體表現(xiàn)在： 使學(xué)生獲得親身參與科學(xué)研究的體驗(yàn)；培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；培養(yǎng)收集、分析和利用信息的能力；養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)道德；培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力；熟悉進(jìn)行科研課題研究的一般方法；掌握基本的科研技能，包括文獻(xiàn)查閱能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)能力、實(shí)驗(yàn)儀器與儀器操作技術(shù)、論文寫作能力、答辯與表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

1 構(gòu)建高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程平臺(tái)

1.1 高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和師資要求

要達(dá)到以普通中學(xué)為主要陣地，依靠中學(xué)資源培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)的目的，學(xué)校就要承擔(dān)大部分研究工作的開展。因此，必須在中學(xué)建立專業(yè)的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室，以滿足常規(guī)的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)及有機(jī)物結(jié)構(gòu)鑒定的需要。鑒于中學(xué)化學(xué)教材已經(jīng)引入利用紅外光譜、核磁共振氫譜、質(zhì)譜等現(xiàn)代儀器分析有機(jī)物結(jié)構(gòu)的知識(shí)，且這些儀器和分析手段是有機(jī)合成研究中不可缺少的，我校在籌建高端有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室時(shí)，優(yōu)先保證上述結(jié)構(gòu)分析儀器的配備，之后根據(jù)學(xué)校擬定的課題研究方向，配置了如表1所示的大中型儀器。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有一個(gè)通風(fēng)櫥；各實(shí)驗(yàn)臺(tái)上均有萬向通風(fēng)罩；其他的小型儀器，則根據(jù)課題的需要，指導(dǎo)教師可以隨時(shí)向?qū)W校申請(qǐng)購買。

在師資配置上，為保證科研課題的學(xué)術(shù)性，讓學(xué)生的研究工作能夠深入，盡可能接近真實(shí)的一線科研工作，高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的指導(dǎo)教師要求碩士以上學(xué)歷，自身必須具有科研經(jīng)歷。目前高端有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室共有5位指導(dǎo)教師，其中，1位是清華大學(xué)畢業(yè)的博士，2位是中科院化學(xué)所畢業(yè)的博士、1位是北京理工大學(xué)畢業(yè)的博士，1位為清華大學(xué)畢業(yè)碩士。這5位指導(dǎo)教師均是本校教師。本校教師擔(dān)任項(xiàng)目課題的指導(dǎo)老師，可以最大程度地方便學(xué)生和教師之間的交流，真正做到依靠中學(xué)力量培養(yǎng)學(xué)生。

1.2 選課、上課與學(xué)分獲得

高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程建設(shè)的初衷是給對(duì)科研有興趣的學(xué)生提供深度的科研體驗(yàn)，因此，有興趣的學(xué)生就可以參加。怎么解決學(xué)生人數(shù)的問題呢？經(jīng)過研究，我們的實(shí)施方案是縮短課程鏈，增加選課次數(shù)，讓有興趣的學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與，通過課程實(shí)踐進(jìn)行淘汰，只有那些非常有興趣和有天賦的學(xué)生才能堅(jiān)持深入研究。即每學(xué)期選課一次，第一次沒有搶到課的學(xué)生，以后的每個(gè)學(xué)期都有機(jī)會(huì)參加搶課。而搶到課的學(xué)生需要完成兩個(gè)大學(xué)段的學(xué)習(xí)，通過課程考核可得2個(gè)學(xué)分。為保證科研的基本質(zhì)量，規(guī)定每個(gè)學(xué)段至少需要16小時(shí)（每周至少兩小時(shí)，根據(jù)具體課題和教師的要求，有些課題可能需要更多學(xué)時(shí)）。初中學(xué)生選課后需要進(jìn)行面試，面試合格后才可以參加。為保證選課學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開展過程中能與指導(dǎo)教師有充分交流的機(jī)會(huì)，同時(shí)考慮實(shí)驗(yàn)場地、資源的限制，最終決定每個(gè)指導(dǎo)教師開展的課題限報(bào)12人。

上課時(shí)間的確定是高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的一個(gè)難點(diǎn)。時(shí)間和精力是制約學(xué)生課題開展及課題深入程度的一大要素，沒有固定的時(shí)間要求，課程的質(zhì)量、項(xiàng)目的進(jìn)展得不到保證；而完全依靠周末和寒暑假的時(shí)間，無疑會(huì)打擊參與學(xué)生和教師的積極性。另外，很多有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，僅合成反應(yīng)一步就需要數(shù)個(gè)小時(shí)，因此必須有整塊的時(shí)間投入，才可能保障實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。經(jīng)過研究，我們采取固定每周上課時(shí)間，同時(shí)利用小學(xué)段大塊時(shí)間相結(jié)合的方式開展課程。具體為每周上課時(shí)間固定在4：20～5：20，這個(gè)時(shí)間段是放學(xué)前的最后一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，如果有實(shí)驗(yàn)沒有完成，可以順延到晚上，不與學(xué)生的其他課程沖突，而對(duì)于需要連續(xù)幾個(gè)小時(shí)才能完成的合成實(shí)驗(yàn)，則集中在小學(xué)段完成（小學(xué)段在期中考試后，持續(xù)2周，這2周學(xué)生完全自主學(xué)習(xí)）。

1.3 課程資源建設(shè)

真實(shí)的科研必需要查閱文獻(xiàn)，文獻(xiàn)查閱是科研課題開展很重要的一部分，只有閱讀大量與課題相關(guān)的文獻(xiàn)，才可能提出合理的實(shí)驗(yàn)方案。課程開設(shè)之初，由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，文獻(xiàn)主要由指導(dǎo)教師查閱，然后篩選出來給學(xué)生閱讀，課堂僅介紹文獻(xiàn)查閱的方法。然而這種文獻(xiàn)查閱處理方式的結(jié)果是，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)開展階段，學(xué)生遇到問題后，不會(huì)主動(dòng)檢索文獻(xiàn)解決，比較依賴教師。為更好地培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、獨(dú)立解決問題的能力，我們最終決定向?qū)W生開放購買的中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的賬號(hào)和密碼，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)開展的各個(gè)階段，都必須自己查閱文獻(xiàn)，提出實(shí)驗(yàn)方案，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。

高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程對(duì)全校學(xué)生開放，由于學(xué)生層次水平的不同，對(duì)有機(jī)知識(shí)的了解程度不同，指導(dǎo)教師編撰了課程手冊(cè)《有機(jī)合成簡介》，方便學(xué)生有需要時(shí)翻閱。課程手冊(cè)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的課題方向和實(shí)驗(yàn)室配置的大中型實(shí)驗(yàn)儀器，介紹了部分有機(jī)合成的基礎(chǔ)知識(shí)以及常見分析儀器的使用方法。

2 高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的實(shí)施

2.1 課程實(shí)施具體流程

高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程實(shí)施流程如圖1所示。學(xué)校課程管理辦公室全面負(fù)責(zé)高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的管理工作，包括組織科研課題的申報(bào)以及組織化學(xué)學(xué)科科技教育負(fù)責(zé)小組對(duì)申請(qǐng)課題進(jìn)行審查篩選。課題指導(dǎo)教師每學(xué)期只能申報(bào)1個(gè)科研課題，尚未結(jié)題者不得另外申請(qǐng)新的課題，對(duì)選定的課題應(yīng)精心設(shè)計(jì)、論證，實(shí)事求是地制定研究計(jì)劃和經(jīng)費(fèi)預(yù)算。課題研究周期一般為1學(xué)期或1年，最長不超過3年。

2.2 課程實(shí)施策略

指導(dǎo)教師在申報(bào)課題時(shí)，必須充分考慮學(xué)生的實(shí)際情況，不宜開設(shè)過于艱深的課題，尤其注意不宜開設(shè)諸如在加熱情況下反應(yīng)超過10小時(shí)的研究課題，合成時(shí)間太長，學(xué)生在時(shí)間上無法保證。高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程目前有5個(gè)不同的研究課題： （1）酶促水凝膠的制備及表征；（2）具有光學(xué)特性的有機(jī)小分子探針合成，并對(duì)其性能進(jìn)行研究；（3）以馬來酸酐為原料合成含有烯二炔核心結(jié)構(gòu)的小分子，進(jìn)而制備高分子；（4）熒光素的合成與表征；（5）乙酰水楊酸的合成與表征。這5個(gè)課題中，前三個(gè)課題，屬于原創(chuàng)類研究課題，因此沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生必須和教師一起閱讀文獻(xiàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題也必須依靠學(xué)生自己解決，對(duì)學(xué)生和教師的挑戰(zhàn)都很大。后兩個(gè)研究課題文獻(xiàn)中可以查到成熟的實(shí)驗(yàn)方案，指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)比較了解，僅對(duì)學(xué)生而言是全新的，且與前三個(gè)課題相比，也相對(duì)簡單。5個(gè)研究課題，2個(gè)研究層次，供學(xué)生選擇，使學(xué)生能更好地根據(jù)自己興趣和水平選擇相應(yīng)的課題。

由于學(xué)生每學(xué)期選課一次，課程的設(shè)計(jì)必須滿足學(xué)生既可以多個(gè)學(xué)期選定一個(gè)研究課題進(jìn)行深入研究，也可以在一個(gè)研究方向上只進(jìn)行一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，第二學(xué)期更換其他感興趣的研究方向。因此課程必須具有包容性和開放性。

（1） 不要求所有的學(xué)生課堂內(nèi)容統(tǒng)一，課題研究進(jìn)度統(tǒng)一。中學(xué)生做科研，首先遇到

的是知識(shí)儲(chǔ)備的問題。由于課程面向全校學(xué)生開放，學(xué)生年級(jí)跨度大，學(xué)生知識(shí)水平差異大。比如有的學(xué)生剛剛接觸化學(xué)，完全沒有學(xué)過有機(jī)；有的學(xué)生正在學(xué)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)

模塊；有的學(xué)生已經(jīng)學(xué)完了基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)模塊；而參加化學(xué)競賽的學(xué)生，已經(jīng)開始學(xué)大學(xué)的有機(jī)化學(xué)。因此，必須依據(jù)學(xué)生的知識(shí)水平進(jìn)行分組，制定不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)將課程內(nèi)容進(jìn)行“切塊”處理。高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程共切為五塊： 分別是文獻(xiàn)檢索、理論知識(shí)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課題實(shí)驗(yàn)、科技論文撰寫。文獻(xiàn)檢索和科技論文撰寫部分可以統(tǒng)一教授，而理論知識(shí)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課題實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分，根據(jù)學(xué)生水平差異，進(jìn)行分組指導(dǎo)。

（2） 允許學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，確保課題持續(xù)性。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課題實(shí)驗(yàn)之上，設(shè)有自主實(shí)驗(yàn)，允許和鼓勵(lì)學(xué)生將課題做深做大，提出自己后續(xù)的想法和方案，自主研究。這種提供學(xué)生進(jìn)階空間的實(shí)施策略，可以滿足不同程度學(xué)生發(fā)展的需要。如上學(xué)期教師帶著做小課題，做得好的學(xué)生，下學(xué)期獨(dú)立開展課題，進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。董素英老師第一學(xué)期帶領(lǐng)一組學(xué)生進(jìn)行“乙酸戊酯的合成和紫甘藍(lán)色素提取、光學(xué)分析的研究”；第二學(xué)期，學(xué)生在此基礎(chǔ)上提出自己的想法，自然而然分離出兩個(gè)課題“紫甘藍(lán)色素與酸堿反應(yīng)可逆性研究”和”紫甘藍(lán)色素定量測定水的pH”。這樣的課程實(shí)施策略，符合、尊重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，為學(xué)生進(jìn)行自己感興趣的課題，提供了充足的空間。

3 高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的評(píng)價(jià)考核

高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的評(píng)價(jià)采取過程性評(píng)價(jià)、論文、課題答辯三者相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。由于不同課題之間差異性較大，過程性評(píng)價(jià)由各個(gè)教師自主設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。最終成績中過程性評(píng)價(jià)占40%，終結(jié)性評(píng)價(jià)占60%。所有的過程性評(píng)價(jià)隨課程開展上傳學(xué)校課程平臺(tái)，師生可以查看。根據(jù)課題開展情況，在學(xué)期末，進(jìn)行終結(jié)性評(píng)價(jià)，即學(xué)生進(jìn)行中期匯報(bào)或結(jié)題答辯，提交中期匯報(bào)或結(jié)題論文，由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)質(zhì)量把關(guān)。所有課題由學(xué)校課程辦公室統(tǒng)一安排集中答辯，答辯向全校師生開放，按照10分鐘自述，3～5分鐘提問進(jìn)行，會(huì)場學(xué)生和教師均可提問。按照課題周期，如是一學(xué)期結(jié)課的課題本學(xué)期末進(jìn)行結(jié)題答辯；一年結(jié)課的課題進(jìn)行中期答辯。評(píng)委教師當(dāng)場給答辯小組進(jìn)行評(píng)審。答辯結(jié)束后，評(píng)審團(tuán)將結(jié)果反饋給各指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師將成績上傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并賦學(xué)分。

4 實(shí)踐結(jié)果

4.1 課程實(shí)施的效果

高端有機(jī)合成課程自2014年開設(shè)以來，歷經(jīng)3年，參與學(xué)生近200人，受到學(xué)生的喜愛和肯定。學(xué)生在總結(jié)中寫道：“我驚奇地發(fā)現(xiàn)自己在課上變得自信、活躍起來，這和初中那個(gè)只會(huì)埋頭記筆記的我是完全不同的。在下一個(gè)學(xué)期，老師更多的時(shí)候就是站在旁邊看著我們實(shí)驗(yàn)，或者幫助我們跑腿，去給我們到處借橡膠管……，所以我們學(xué)會(huì)過柱子、學(xué)會(huì)點(diǎn)板、學(xué)會(huì)通氮?dú)狻W(xué)會(huì)旋蒸、學(xué)會(huì)寫論文、學(xué)會(huì)答辯、學(xué)會(huì)主動(dòng)收拾實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生”“高端課是學(xué)校送給我們一份珍貴的禮物”“高端課教會(huì)了我科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明態(tài)度，為我以后的化學(xué)學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，而我也能樂在其中，發(fā)現(xiàn)化學(xué)的美”。在課程開展的3年中，有的課題組發(fā)現(xiàn)自己研究的結(jié)果和文獻(xiàn)相矛盾，通過反復(fù)驗(yàn)證，提出方案，最終給出了自己的結(jié)論；有的課題組根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)撰寫論文，并公開發(fā)表[4]。也有很多學(xué)生選了一學(xué)期的課后就放棄了，他們表示科研比想象中苦和累。但是無疑地，高端有機(jī)合成課程給了中學(xué)生一次真正認(rèn)識(shí)科研，了解科研的機(jī)會(huì)，同時(shí)幫助他們更清楚地認(rèn)識(shí)自我，有助于學(xué)生今后發(fā)展的規(guī)劃。

為評(píng)價(jià)高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程對(duì)學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)作用，我們研究開發(fā)了中學(xué)生科研素養(yǎng)評(píng)價(jià)模型，利用模型調(diào)研學(xué)生科研素養(yǎng)得分。

（1） 數(shù)據(jù)采集及學(xué)生基本信息說明

學(xué)生調(diào)研對(duì)象是北京市十一學(xué)校在校高中學(xué)生，覆蓋我校高一至高三年級(jí)學(xué)生，發(fā)放自評(píng)量表300份，回收255份，有效問卷255份。

（2） 調(diào)研結(jié)果及分析

各指標(biāo)滿分是5分，按照“非常符合”、“比較符合”、“一般符合”、“不符合”、“很不符合”五個(gè)等級(jí)，分別賦分5、 4、 3、 2、 1。根據(jù)中學(xué)生科研素養(yǎng)的總評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果顯示，上過高端有機(jī)合成項(xiàng)目課程的學(xué)生，在各指標(biāo)的得分都有所提高。一級(jí)指標(biāo)中，高端項(xiàng)目課程對(duì)學(xué)生科研精神的影響最大，其次是科研能力。二級(jí)指標(biāo)中，高端項(xiàng)目課程使學(xué)生“撰寫科技論文的能力”提升最大，說明高中常規(guī)科學(xué)教育在培養(yǎng)撰寫科技論文方面比較薄弱；二級(jí)指標(biāo)中提升最小的是“團(tuán)隊(duì)合作精神”，這說明我校在常規(guī)教學(xué)中廣泛采取的小組合作學(xué)習(xí)方式取得了一定的成效，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

進(jìn)一步分析高端項(xiàng)目課程對(duì)學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，我們把參與高端項(xiàng)目課程時(shí)間長短不同的學(xué)生分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。隨學(xué)生參與課程的時(shí)間增加，科研素養(yǎng)評(píng)價(jià)得分均增加。

4.2 存在的問題

每學(xué)期的答辯和論文撰寫時(shí)間與期末考試時(shí)間接近，學(xué)生較難兩者都兼顧好，導(dǎo)致有些論文寫得比較粗糙，論文水平較難有進(jìn)一步的提升，這一直是一個(gè)困擾，目前沒有想出特別好的解決方案。另外，指導(dǎo)教師投入大量的時(shí)間和精力，對(duì)教師來說也是一個(gè)挑戰(zhàn)，如何能將學(xué)校最優(yōu)秀的教師吸引到課程中？已經(jīng)加入到課程中的教師，高端課大量的時(shí)間精力投入，是否會(huì)影響他們常規(guī)化學(xué)

課的教學(xué)？如何平衡好高端課和常規(guī)化學(xué)課的時(shí)間投入比例？這些問題需要今后繼續(xù)加強(qiáng)研究。

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