化學(xué)實驗中以O(shè)BE理念引導(dǎo)的“翻轉(zhuǎn)課堂”設(shè)計*

倪正民

(南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350)

教育部在《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》中指出，需大力推進(jìn)實驗內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ降母母锖蛣?chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、分析問題和解決問題的能力。OBE(Outcome Based Education 成果導(dǎo)向教育)是一種以學(xué)生為中心[1]，基于產(chǎn)出的教學(xué)理念，要求教學(xué)過程中的一切教學(xué)活動和教學(xué)實施都圍繞學(xué)生實現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)效果展開。因此，如何對傳統(tǒng)實驗課程進(jìn)行改革，設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究積極性、有效提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實驗技能、使學(xué)生畢業(yè)后能“帶走”的實際能力的課程成為實驗教學(xué)工作中的重中之重。

1 傳統(tǒng)實驗課程實施現(xiàn)狀

南開大學(xué)津南化學(xué)實驗教學(xué)中心(以下簡稱：我中心)分別在大一和大二年級開設(shè)無機(jī)化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗、現(xiàn)代儀器分析實驗等課程，由于理論課程的學(xué)習(xí)要遵循循序漸進(jìn)的教育原則，因此不同的實驗課程會隨著理論課程的講授進(jìn)度被安排在不同學(xué)期開設(shè)。考慮到學(xué)生入門級的實驗技能和專業(yè)知識水平，且受到實驗課程課時數(shù)的限制，實驗內(nèi)容較為簡單且每個具體實驗往往比較獨立，上課的流程也按照傳統(tǒng)方式開展，即教師講解實驗原理、教師提前設(shè)計好藥品用量和儀器參數(shù)、學(xué)生按照老師的要求參照教材中的實驗步驟開展實驗。

當(dāng)然，對于低年級本科生，這種由教師引領(lǐng)的傳統(tǒng)課程實施方法是十分必要的，既能有效契合學(xué)生所學(xué)理論知識，又能夠讓學(xué)生在實驗啟蒙期接受正確的實驗操作訓(xùn)練，培養(yǎng)實驗安全、儀器使用規(guī)范和注意事項、藥品取用與分類處置、數(shù)據(jù)處理與分析等實驗基本功。

但是，很多有科研志向的同學(xué)會選擇在大三年級進(jìn)入科研實驗室參加“國創(chuàng)”、南開大學(xué)“百項工程”等本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研訓(xùn)練計劃，所有同學(xué)也會在大四年級參加畢業(yè)設(shè)計，這些則需要學(xué)生具備比較全面系統(tǒng)的科學(xué)研究技能。因此從大一大二的“基礎(chǔ)期”跨越到大三大四的“專業(yè)期”需要有一個合理過渡。

2 OBE理念引導(dǎo)的“翻轉(zhuǎn)課堂”設(shè)計

2.1 課程開設(shè)基礎(chǔ)與目的

南開大學(xué)在每學(xué)年設(shè)置了一個為期四周的夏季小學(xué)期，近年來也在不斷推陳出新，力求使學(xué)生在小學(xué)期接受豐富多彩的理論、實驗、實習(xí)實踐等課程學(xué)習(xí)。對于大二即將升大三的學(xué)生而言，他們結(jié)束了基礎(chǔ)化學(xué)理論課和實驗課的學(xué)習(xí)，在小學(xué)期期間時間比較靈活，因此該階段是實施以O(shè)BE理念引導(dǎo)的“翻轉(zhuǎn)課堂”的最佳階段。

在化學(xué)實驗中引入該模式，師生角色互換。對于一個給定課題，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)自主設(shè)計出不同的實驗方案，變?yōu)閷嶒炘怼嶒灢襟E的講述者；老師結(jié)合實驗室實際情況對學(xué)生的方案進(jìn)行修改，更多地?fù)?dān)當(dāng)起聆聽者的角色。同時，將學(xué)生分組，在課程中引入競爭激勵機(jī)制，將競賽、科研與課程有機(jī)結(jié)合，既增強(qiáng)了實驗趣味性也能提高學(xué)生的理論知識水平和實驗操作能力。在開放實驗的開展過程中，學(xué)生按小組完成查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計實驗方案、開題報告、實驗實施、數(shù)據(jù)分析、論文撰寫、結(jié)題答辯等完整地科研實驗步驟，基于OBE，以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和團(tuán)隊協(xié)作精神，為后期從事更深層次的科研工作奠定切實有效的基礎(chǔ)。

2.2 課程實施方案

在大二年級末的夏季小學(xué)期中，我中心舉辦“翻轉(zhuǎn)課堂”——化學(xué)實驗技能大賽，以“阿司匹林中乙酰水楊酸或水楊酸含量的測定”為題目，要求學(xué)生用兩年內(nèi)學(xué)過的實驗方法和實驗室既有儀器設(shè)備自主設(shè)計實驗全過程并撰寫實驗論文。

2.2.1 實驗原理及與已學(xué)課程關(guān)系介紹

阿司匹林(乙酰水楊酸，ASA)是一種常用的解熱鎮(zhèn)痛藥，主要成分為乙酰水楊酸，其在潮濕的空氣中會緩慢水解為水楊酸(鄰羥基苯甲酸，SA)和乙酸，由于ASA和SA在化學(xué)性質(zhì)和藥理性質(zhì)上存在較大差異，因此測定其在藥物試劑中的含量具有重要意義。現(xiàn)對常規(guī)的測定方法進(jìn)行梳理。

(1)返滴定法測乙酰水楊酸含量

大一年級的分析化學(xué)實驗中，學(xué)生們學(xué)習(xí)過《返滴定法測鋁含量》實驗，此方法也可應(yīng)用于乙酰水楊酸含量的測定。用定量且過量的NaOH溶液水解阿司匹林藥片，再用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液返滴定加有酚酞的待測液，待測液紅色恰好褪去時即為滴定終點[2]。由酚酞的變色范圍可知，此時溶液的pH≈8，水楊酸酚羥基的pKa≈12，加入NaOH溶液可將酚羥基轉(zhuǎn)化為酚鈉，當(dāng)返滴定加入鹽酸使pH<12時，酚鈉又恢復(fù)為酚羥基(此步可用FeCl3溶液檢驗)，因此1 mol乙酰水楊酸實際消耗2 mol NaOH，按此反應(yīng)比例，測定藥片中乙酰水楊酸含量。

(2)雙波長光度法同時測定乙酰水楊酸和水楊酸含量

我中心開設(shè)了《雙波長法同時測定硝基酚的鄰對位異構(gòu)體》實驗，由于鄰對位硝基酚在堿性條件下的吸收光譜嚴(yán)重重疊，用普通光度法難以實現(xiàn)二者的獨立測定，用等吸收點雙波長法解決了這一難題。

在阿司匹林藥片溶解液中，乙酰水楊酸和水楊酸在276 nm波長處均有明顯吸收[3]，參照上述等吸收點雙波長法，利用紫外-可見分光光度計，全波長掃描繪制吸收曲線，用儀器精密確定波長法選擇波長對，之后制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，可測定待測液中乙酰水楊酸和水楊酸的含量。

(3)同步掃描熒光光譜法同時測定乙酰水楊酸和水楊酸

儀器分析實驗課程中，《熒光分光光度法測維生素B2》實驗采用的是傳統(tǒng)的儀器使用方法，即先固定單一組分的發(fā)射波長(λem)，確定其最大激發(fā)波長(λex)，之后再固定最佳激發(fā)波長，反推最佳發(fā)射波長。待測樣品為多組分混合物時，測定時也只能逐一組分測試。

相比而言，利用三維熒光光譜，能夠給出化合物熒光峰的完整信息，可一次性判斷出某一組分的最佳激發(fā)波長和最佳發(fā)射波長。通過同步掃描方式，設(shè)兩物質(zhì)的λem-λex分別為Δλ1和Δλ2，當(dāng)兩組分共存且熒光光譜存在重疊時，選擇某一合適的Δλ(Δλ介于Δλ1和Δλ2之間)，可一次性讀出兩組分的熒光強(qiáng)度[4]。根據(jù)乙酰水楊酸和水楊酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液分別繪制熒光強(qiáng)度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定待測液中二者的含量，可確定乙酰水楊酸的水解程度。

(4)高效液相色譜法測定水楊酸含量

在我中心開設(shè)的《液相色譜法分離和測定鄰、間、對硝基苯酚》實驗中，學(xué)生對液相色譜儀的原理和使用有了基本了解。阿司匹林藥片中各成分的測定也可參照上述實驗的方法。阿司匹林溶解液試樣在流動相(甲醇-乙腈-冰醋酸)推動下，通過裝有固定相的色譜柱(C18色譜柱)到達(dá)紫外檢測器。由于不同化合物分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，固定相、流動相的作用力不同，因此各組分在兩相中的分配系數(shù)不同，各組分在兩相中進(jìn)行反復(fù)多次分配而被分離，先后進(jìn)入檢測器，根據(jù)保留時間定性，峰面積定量原則，采用外標(biāo)法計算出水楊酸的含量[5-8]。

(5)氣相色譜法測定水楊酸含量

通過在儀器分析實驗課程中，學(xué)生使用氣相色譜法完成了《校正因子的測定》《丁醇異構(gòu)體及其雜質(zhì)的分離和測定》兩個實驗，對氣相色譜儀及熱導(dǎo)池檢測器(TCD)、氫火焰離子化檢測器(FID)分離和測定混合物有了基本了解。

氣相色譜法以氣體作為流動相，當(dāng)它攜帶者阿司匹林溶解液氣化組分流經(jīng)色譜柱中的固定相時，由于各組分性質(zhì)不同，與固定相作用力大小不同，經(jīng)過多次反復(fù)分配后，各組分滯留時間不同，從而將混合組分分離，再經(jīng)檢測器檢測，化學(xué)組分轉(zhuǎn)換成電信號，從而進(jìn)行定量分析[9-10]。測定過程中，羥基、羧基等氣相色譜特性不好，可選用N,O-雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTEA)和三甲基氯硅烷(TMCS)作為衍生劑，可以降低含羥基化合物的極性，增加其揮發(fā)性，使樣品更適合GC分析[11]。通過標(biāo)準(zhǔn)溶液確定待測物的保留時間，采用內(nèi)標(biāo)法或者峰面積歸一化法等定量方法確定水楊酸的含量。

(6)可見光分光光度法測定游離水楊酸含量

水楊酸因具有酚羥基而與高鐵鹽溶液反應(yīng)使溶液呈紫堇色[12]，而乙酰水楊酸則不具備此特性。傳統(tǒng)比色法將樣品溶液與水楊酸標(biāo)準(zhǔn)溶液比色，判斷其濃度，但僅靠目視，由于人眼的局限性及輔料的干擾，結(jié)果誤差較大[8]。采用可見光分光光度計構(gòu)建溶液吸光度-水楊酸濃度關(guān)系曲線，則能更準(zhǔn)確地測定游離水楊酸的含量。

2.2.2 拓展實驗-緊扣OBE“知識產(chǎn)出”理念

課程的設(shè)計思想不僅局限于讓學(xué)生掌握測定樣品成分的不同方法，更是為了讓學(xué)生意識到課堂上和實驗室中學(xué)到的知識在實際生活中得以“產(chǎn)出”。學(xué)生可以利用自己所學(xué)的方法評價不同廠家生產(chǎn)的阿司匹林藥片成分含量是否達(dá)標(biāo)、確定什么條件(溫度、酸堿度、光照、濕度等)更利于藥品儲存等實際問題。

2.2.3 實施方案設(shè)計

夏季小學(xué)期開始前一周發(fā)布課程介紹和招募令，學(xué)生以團(tuán)隊形式完成文獻(xiàn)搜集和閱讀，設(shè)計開題報告，提交課程申請。

第一周，根據(jù)學(xué)生報名情況，教師篩選出一定數(shù)量團(tuán)隊，組織開題答辯，對學(xué)生設(shè)計的實驗方案進(jìn)行優(yōu)化。

第二周，每個團(tuán)隊根據(jù)教師反饋意見開展實驗。

第三周，學(xué)生以科研論文格式撰寫實驗論文，提交后，教師反饋論文意見。每組學(xué)生完成論文修改后對實驗成果進(jìn)行墻報展示，做口頭報告，各團(tuán)隊間進(jìn)行方案交流。

第四周，打破學(xué)生原有分組，學(xué)生根據(jù)各個團(tuán)隊實驗情況的介紹，結(jié)合自己興趣，任選其他2～3個研究方法，重新組隊，開展實驗，之后再次提交實驗論文，該論文要求學(xué)生對完成過的實驗方案進(jìn)行綜述，對比不同方案優(yōu)缺點，并嘗試提出改進(jìn)意見。最后，每個學(xué)生完成自評和互評，教師對學(xué)生實驗全過程進(jìn)行打分，評選出優(yōu)秀團(tuán)隊和優(yōu)秀個人。

3 結(jié) 語

樹立學(xué)以致用、成果導(dǎo)向的教育理念，在化學(xué)實驗課程中轉(zhuǎn)變師生角色，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣和主觀能動性，在基礎(chǔ)和專業(yè)實驗課程間搭建起橋梁，讓學(xué)生通過在小學(xué)期的課程訓(xùn)練實現(xiàn)科研素養(yǎng)和實驗技能向更高層次良好過渡。

隨著科技的進(jìn)步，儀器設(shè)備越來越先進(jìn)，實驗理念和方法也不斷更新，因此為了培養(yǎng)更符合時代發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才，實驗教學(xué)改革永遠(yuǎn)在路上。