基于奧爾堡PBL 模式的有機實驗教學改革

舒朋華，魏夏蘭，鞠志宇，李閃閃，張彥嶺，孫燕華

（1. 許昌學院 化學化工學院，河南 許昌 461000；2. 許昌學院 信息工程學院，河南 許昌 461000）

有機實驗是化學類、制藥類及食品類專業(yè)一門非常重要的必修課。它與有機化學理論課相互支撐，是學習分析化學、藥物化學、食品化學等專業(yè)課程的基礎，也是培養(yǎng)學生實驗操作能力、問題解決能力及綜合應用能力的重要環(huán)節(jié)[1]。因此，有機實驗教學改革一直是高校教學改革的研究熱點之一。許多高校通過調(diào)整教學方式[2-4]、考核方式[5]、設置綜合性實驗[6]等來激發(fā)學生的學習興趣，在提升有機實驗教學效果方面取得了積極成效。然而，目前大多數(shù)高校仍然沿襲“教師詳細講解和演示—學生實踐操作—課后完成實驗報告—教師依據(jù)報告評分”的傳統(tǒng)教學模式。這種教學模式雖能確保教學過程較為順利地進行，讓學生掌握一定的知識及技能，但也存在諸多問題。例如，教師講解過多，不僅占用學生的實踐時間，還會造成學生對教師產(chǎn)生過度依賴，最終懶于思考，“依葫蘆畫瓢”完成實驗[7]；考核時重結果輕過程，難以對學生做出全面、客觀、真實的評價，還會誘導學生把精力轉移到實驗報告書寫上去。本研究以“旋光度的測定”為例，闡述基于奧爾堡PBL 模式[8]的有機實驗教學改革實踐過程，為有機實驗及其他實踐類課程教學改革提供借鑒。

1 實驗目的

（1）了解旋光度的定義和用途；

（2）了解旋光儀的構造和工作原理；

（3）掌握使用旋光儀測定旋光度的方法；

（4）掌握比旋光度的計算。

2 實驗原理

平面偏振光通過含有手性化合物的液體或溶液時，偏振光的平面會向左或向右旋轉，旋轉的度數(shù)稱為旋光度。在一定波長與溫度下，偏振光透過每1 mL含有1 g 旋光性物質的溶液且光路為長l dm 時，測得的旋光度稱為比旋度。旋光度（或比旋度）可以用于鑒別或檢查手性化合物的純雜程度，亦可用于測定手性化合物的含量[9-10]。旋光儀的工作原理如圖1所示。

圖1 旋光儀的工作原理

3 儀器、試劑及實驗內(nèi)容

實驗所需的儀器和試劑為：WZZ-2B 型旋光儀、葡萄糖、蒸餾水、容量瓶等。

實驗內(nèi)容為在室溫下測定濃度為0.25 g/mL 的葡萄糖溶液的旋光度，計算比旋度。

4 基于奧爾堡PBL 模式的教學過程

以我校2018 級制藥本1 班的39 名學生作為研究對象，結合奧爾堡PBL 模式，對旋光度的測定實驗進行教學改革。具體介紹如下。

4.1 課前準備

（1）組建PBL 學習小組。在學期之初，告知學生有機實驗教學將結合奧爾堡PBL 模式，且借助雨課堂這一網(wǎng)絡平臺進行，讓學生提前了解奧爾堡PBL 模式及雨課堂這兩個新概念。利用雨課堂的分組功能，讓學生自由分組，每組5～6 人，全班39 人分為7 個學習小組。

（2）分配任務，小組學習。在開設旋光度測定實驗前一周，對小組學習任務作出如下安排：第1 小組負責實驗內(nèi)容講解，要求結合教師在雨課堂上傳的教學資料，自行制作PPT，然后向全班匯報展示，匯報內(nèi)容須包含實驗目的、原理、流程及注意事項；第2～4小組負責對第1 小組的講解作出點評，包括內(nèi)容準備充分度、PPT 美觀度、講解邏輯及展示水平等；第5～7小組負責對第1 小組的同學進行提問，可以結合PPT講解內(nèi)容進行提問，也可以就PPT 之外與本次實驗內(nèi)容相關的內(nèi)容進行提問，提問時可以指定第1 小組任意一位學生回答，不能順利回答問題的學生，酌情扣分處理；全程表現(xiàn)突出的學生，實驗成績加2 分。

（3）小組討論，解答問題。教師就本次實驗內(nèi)容提出如下思考題：什么是旋光度？什么是比旋度？旋光方向的表示方法？旋光度的測定與哪些因素有關？將上述問題發(fā)送至雨課堂，要求學生通過小組討論、文獻調(diào)研等途徑，解答上述問題，并將答案寫入預習報告。

4.2 課堂講解

實驗課上，第1 小組按照預先布置的任務，結合PPT 進行匯報展示。接著，第2～4 組對其進行點評，第5～7 組進行提問。在提問環(huán)節(jié)，有學生問道：“測溶液的旋光度時，待測溶液的濃度為多少合適？”第1 小組給出的答案是：“在保證樣品完全溶解、溶液澄清的前提下，可適當增大樣品的濃度，但濃度不宜過大，一般以1 g/100mL 左右為宜?！敝?，教師對第1 小組的PPT 及匯報情況進行點評，同時對點評和問答環(huán)節(jié)表現(xiàn)突出的學生進行口頭表揚，并給予加分獎勵。

接著，教師提出3 個新的問題：（1）為什么要開設本實驗？旋光度的測定對制藥工程領域有何意義？（2）在配制待測溶液時，應該如何選擇溶劑？（3）如何利用比旋度對手性藥物進行定性和定量分析？問題提出后，給予各小組5 min 的討論時間。在各小組給出答案后，教師作出點評和補充。

針對問題（1），教師利用1 個用時37 s 題為“沙利度胺導致千萬海豹畸形嬰兒出生”的短視頻，吸引學生注意力，并介紹這就是藥物發(fā)展史上曾轟動一時的“反應?！笔录?，從而引出手性研究的重要性。接著強調(diào)已上市的藥物中約有60%為手性化合物，如（S）-（+）-布洛芬、（S）-（–）氧氟沙星、（S）-（–）-奧美拉唑等。作為制藥工程專業(yè)的本科生，將來在從事藥物研發(fā)、生產(chǎn)和檢驗等各項工作時，都繞不開手性藥物的光學純度問題。那么，如何對手性藥物的光學純度進行表征呢？其中一種常見的手段就是測旋光度。由此，讓學生意識到本次實驗對專業(yè)學習和職業(yè)發(fā)展的重要性，激發(fā)學生的學習興趣。針對問題（2），學生回答說配制樣品所用溶劑應該盡量符合安全、環(huán)保、無毒、價廉等標準，教師補充說，還應考慮溶劑對被測物質的溶解性問題。對于問題（3），學生回答說可以利用比旋度對待測物質進行真?zhèn)舞b別（參照文獻值），也可以利用比旋度的計算公式對待測物進行含量測定。

4.3 實驗過程

進到實驗室，教師先對WZZ-2B 型旋光儀的使用方法作簡要介紹，然后讓學生按小組開始實驗。從溶液配制到實驗結束全過程，教師進行實時監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)學生有操作不規(guī)范的地方，則對其酌情扣分，并對其錯誤進行指正。整個實驗過程較為順利，但在讀取旋光度值時，有3 個小組發(fā)現(xiàn)了1 個“怪現(xiàn)象”：不同小組間所測的旋光度值存在較大差異，最大差值為5°。在確認操作規(guī)范、儀器精準的前提下，學生向指導教師當場求助。教師并沒有立即給出答案，而是對發(fā)現(xiàn)問題的學生進行表揚和加分，讓他們?nèi)鐚嵱涗泴嶒灁?shù)據(jù)。實驗結束后，教師結合3 個小組發(fā)現(xiàn)的“怪現(xiàn)象”，讓全班學生利用文獻檢索課所學知識，以及閱讀有機化學教材中有關葡萄糖變旋現(xiàn)象的章節(jié)內(nèi)容，認真思考如下問題，并將答案寫入實驗報告：（1）測試過程中，葡萄糖溶液的旋光度為何會變？（2）有什么方法可以適當避免測試過程中葡萄糖的旋光度發(fā)生大的變化？

4.4 實驗考評

有機實驗課的總成績由 7 次平時成績平均值（60%）和期末考試成績（40%）組成，滿分為100分。旋光度的測定實驗成績作為1 次平時成績，由預習報告（30 分）、實驗記錄及操作（40 分）、實驗報告（30 分）等三部分組成。

預習報告要求學生結合思考題對實驗目的、原理、流程等內(nèi)容進行預習，然后用簡短的語言和裝置圖、流程圖表達出來。照搬照抄實驗教材者，酌情扣分，同時予以批評指正。實驗記錄及操作部分，要求學生自進入實驗室開始，將關鍵實驗操作的起止時間、操作要點、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等作出詳盡描述，對實驗過程中出現(xiàn)的問題進行及時分析和解決。內(nèi)容記錄不全者或者事后寫“回憶錄”者酌情扣分。對捏造、抄襲或者篡改實驗原始數(shù)據(jù)者，一旦查出即按0 分處理，并予以全班通報批評。對實驗操作不規(guī)范或者出現(xiàn)差錯者酌情扣分，并及時糾正。實驗報告部分，要求學生對本次實驗結果進行總結，如葡萄糖比旋度的計算等。同時，分析實驗失敗的可能原因及改進對策。實驗結果不明確，或者只有結果沒有分析過程者酌情扣分。對于在PBL 小組學習過程中表現(xiàn)突出的小組和個人，酌情予以加分獎勵，計入本次實驗總成績。

4.5 教學效果

“懶”教師教出巧學生。從課前講解及問答環(huán)節(jié)看，大部分學生認真完成了預習，并對本次實驗的實驗目的、原理和流程等有較為全面的理解，這一點在預習報告書寫及實驗過程中都有所體現(xiàn)。大部分學生能應用流程圖書寫實驗流程，改掉了以往“做一步、看一步”的實驗陋習。究其原因，可能是學生覺得教師“靠不住”了，只能靠自己努力。所以，教師的“懶”促成了學生的“勤”。另外，正是由于教師的“懶”，學生才會發(fā)現(xiàn)“怪現(xiàn)象”，才會體驗到有機實驗的奧妙，進而啟發(fā)思考，進行深層次的學習。從最終上交的實驗報告看，學生通過小組討論和文獻調(diào)研等途徑，解釋了“怪現(xiàn)象”的成因，且提出了解決方案。葡萄糖溶液的旋光度之所以會變，其根本原因是葡萄糖在水溶液中存在鏈式與環(huán)式、α與β構型，以及呋喃型與吡喃型之間的結構轉變[11]。為了避免實驗中葡萄糖的旋光度出現(xiàn)大的變化，可以提前配制溶液、讓其靜置較長時間，或者采取適當升溫、向葡萄糖溶液中加入少量氨水等方法讓其快速達到平衡點[12]。讓學生以小組形式帶著問題進行實驗預習，然后在實驗中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，不僅可以實現(xiàn)學生之間的優(yōu)勢互補、共同進步和相互監(jiān)督，還能提升學生的學習興趣，激發(fā)深層次學習。課后通過與學生交流得知，大部分學生都對這種新的教學模式表示歡迎，并希望該模式能夠在其他課程中推廣。

5 結語

實踐表明，將奧爾堡PBL 模式引入有機實驗教學是可行的。在有機實驗教學中引入奧爾堡PBL 模式，讓學生在“問”中“學”，在“做”中“學”，開展小組學習，有利于學生對基本理論知識的理解和掌握，激發(fā)學生的實驗興趣，提升學生獨立思考能力和問題解決能力，顯著提升了實驗教學效果。學生對這種新的教學模式持非常積極肯定的態(tài)度。在今后的實驗教學中，可以將奧爾堡PBL 模式應用于更多的實踐課程教學中，促進教學效果提升。