研究性與系統性相結合的有機合成實驗教學實踐

劉占祥，毛偵軍，邵東貝，秦敏銳，藍國純，蔡黃菊，趙華絨

浙江大學化學系，國家級化學實驗教學示范中心，杭州 310058

教育部高校化學類教學指導委員會《化學類專業本科教學質量專業國標》(2018版)將實驗教學目標調整為：“通過實驗教學，使學生掌握化學實驗的基礎知識、基本理論和基本技能，并在此基礎上培養學生具有動手能力、科學素養、綜合解決復雜問題的能力和創新能力[1,2]。”這標志著實驗教學要求已經從“知識導向型”和“技能導向型”向“能力導向型”和“素質導向型”轉變。而要實現“能力和素質導向型教學”，必然要求我們使化學實驗教學從以往“注入型”為主的實驗教學內容和以教為主的實驗教學模式，向綜合性、設計性和創新性實驗轉變，建立“基礎實驗-綜合實驗-研究性實驗”多層次實驗教學體系[3]。研究型高校的根本任務是培養創造型人才，“研究型教學”是培養創新型人才的重要教學模式，研究型課程是開展研究型教學的平臺，是作為訓練科學思維、了解科研方法、加強研究能力等科學素養的載體[4]。

有機合成實驗是面向化學系本科生開設的專業加深課程，屬于浙江大學竺可楨學院課程，是專業特色選修課，每班容納量17人，每學期開設2個平行班，每學年有68人選課。課程目標是加強對當代有機合成相關的前沿研究領域的了解，掌握有機合成中現代科學儀器的綜合使用，注重考查實驗中反映出的研究潛質，促進創新思維的形成，實現基礎課技能訓練與科學研究前沿實際需要間的銜接。

本課程面向大三學生，已經具有一定的基礎實驗訓練基礎，因此完全有能力適應研究性有機合成實驗教學新模式。針對這種研究性和系統性結合的實驗教學方式，我們從課程大綱、教學實驗內容、教學組織等多方面進行一系列教學探索。將有機合成研究科研前沿領域的研究成果轉化為課程實驗內容，培養和鍛煉學生的創新意識與實踐能力。研究性實驗教學推進了教學活動與科研相結合，使學生掌握今后從事科學研究、產品研發的基本方法和思路，達到科學探究能力的全面培養，對于培養國家所需的高素質創新人才具有重要意義[5]。

1 面臨的問題

在開展研究性實驗為主的教學過程中，我們面臨以下問題：

1)如何選擇時間合適、有系統性技能訓練點且能夠進行探索研究的實驗課題，提煉出反映學科發展和熱點的研究型實驗；

2)如何在課程時段內，加入科學前沿的有機研究方向的實驗內容，調動學生主動學習和主動探索的積極性；

3)如何合理利用有限的教學資源(實驗室和設備)開展研究型教學，讓更多學生受益，是在教學管理和實驗支撐方面需要解決的問題。

為了解決這些問題，我們在課程建設和教學過程中，貫徹以學生為主體的教學改革思路與方法，結合實際課堂教學，倡導實施啟發式、探究式等教學方法，從以下幾個重要方面著手：①建立新的課程理念，提高課程的高階性、創新性、挑戰度；②構建新的實驗教學內容，緊跟有機化學科研前沿；③探索新的教學模式，改革方法，強化教學設計，融合信息技術和虛擬仿真技術，多方面促進優秀人才培養的教學方法和方式的多維化發展；④科學評價，激發學生動力和專業興趣，培養學生創新思維。

2 教學實驗內容設計

高年級本科生有機合成實驗課程與基礎類課程有不同的側重，基礎有機實驗主要是有機化學實驗的基本技能、基礎操作和基本方法的學習，使學生有過“見識”和“了解”，有機合成實驗則著重于科教融合、綜合應用和系統探究，“兼總條貫，知至知終”，要讓學生“精通”和“熟練”，從做“有機實驗”向做“有機合成”轉變，希望更進一步在專業實驗中讓他們將科學思維和實驗技能融會貫通。

用新實驗強化操作技術的嚴格性和規范性，在新的內容中檢驗學生基本實驗技術的熟練應用能力。同時,在教學中適時導入研究前沿新知識，向學生介紹學科發展動態，使學生體會知識發展脈絡，傳授創新思維方法，分享創新實踐經驗教訓,提高學生的創新能力。將科研實驗中常用，而在基礎實驗課中未能傳授的知識和方法教授給學生，用創新的思維方法引導學生，培養創新思維[6]。

2.1 第一階段：部分研究型實驗

按照實驗小組模式進行實驗，通過多參數多變量的引入，同組內不同組員采用不同的參數進行實驗，充分討論，認識和理解不同條件下實驗的結果，進一步比較。每個人得到某個條件下的實驗結果，最后小組共享數據，學生可以分析不同實驗條件對合成反應的影響，進一步理解實驗原理。

如“7-羥基-4-甲基香豆素合成”實驗中，將學生按照3人一個小組，進行了團隊框架下的獨立實驗教學模式探索，同組內學生采用不同的催化體系，探究反應，最后進行比較，同時也可利用不同組的反應數據進行比較，這樣在一次實驗課可以看到不同類型催化體系的結果，加深對合成反應方法的探索模式[7]。

有機合成實驗內容中注重實驗技術的綜合運用，讓學生能從做有機反應過渡到真正地做有機合成，實驗項目包括：多組分反應、不同催化條件下進行的功能有機分子的合成、可見光催化反應、無水無氧過渡金屬參與的反應、過渡金屬催化的碳氫鍵活化反應等。在有機合成實驗中，課程組與學校和系內有機相關專業課題組教授聯合開發新實驗，將課題組研究成果和前沿科研文獻中的部分內容轉化為學生實驗，學生對此類實驗有濃厚興趣，同時可激發學生進行深度學習和研究性學習的熱情。把科研工作的新進展、國際上相關研究的最新內容及時補充到實驗教學中，提升實驗教學內容的高階性和挑戰度。讓學生從科研工作者的角度審視實驗，對培養他們實驗動手能力、解決實際問題的能力和創新思維能力起到積極的作用。目的是使學生的基本操作更為規范、準確，有創新意識，并能逐步精準重復文獻實驗。這一部分(部分研究型)占課程實驗總體的60%。

2.2 第二階段，協同研究型實驗

我們提供幾個可以選擇進行的實驗考查學生的訓練情況，并要求他們進行文獻調研和實驗準備工作，同時學習實驗設計；比如近年來我們開設了諾貝爾化學獎相關成果過渡金屬催化的偶聯反應的實驗，要求學生在Suzuki、Heck和Sonogashira偶聯反應中，選擇3類實驗中的2個，同一小組采用不同底物或不同催化體系，合作協同完成研究實驗。這部分占課程實驗的20%。

2.3 第三階段，自主研究型實驗

提出幾個目標分子，開展了自主研究型實驗，要求學生完成從文獻調研、合成操作，直到產物純化與鑒定的完整工作，整個過程按照有機合成科學研究的模式進行，使他們對課題研究有初步的了解，在時間允許范圍內，充分進行研究探索、深入拓展[8-10]。比如2-苯基吲哚的合成實驗，學生可以通過查閱文獻和自主設計，提出多種合成方法，如傳統Fischer吲哚合成、過渡金屬催化吲哚直接碳氫鍵芳基化或偶聯環化反應等。教師從反應原料和時間及安全性等方面考量后，確認學生方案，而后學生自主開展實驗。并針對優秀方案，采用以科研成果為基礎的化學創新實驗設計賽作為牽引，成功搭建了實驗教學和科研成果的橋梁，可以有效實現科研成果和實驗教學相融合。以上這些屬于創新型實驗，一般占課程實驗的20%。

在實施過程中，學生自主選題開展實驗，需要提前將設計方案與教師討論，教師對實驗的安全性和試劑價格進行仔細評估，同時，對方案中的儀器設備情況考慮可行性，對于各方面都符合教學實驗要求的方案，給予審核通過，聯系實驗室管理教師負責藥品采購。對于17人的班級，分為5組，涉及到的合成路線有4-5個，每個方案用到的主要藥品不超過3種，另外的后處理用到的都是常用試劑。購買量按照學生一次使用量的3倍準備就可以。實驗評判主要從方案設計、操作過程、產品質量以及實驗報告等方面評價，實驗教師需要對所有方案的參考文獻認真閱讀，同時要對有機合成的路線設計和合成方法學的正確評價有一定的實驗經驗和理論功底。

2.4 第四階段：召開探究報告論文匯報會

通過研究實驗的報告答辯，總結課程完成情況，每組學生講解10分鐘，教師和其他組的同學提問5分鐘，就相關問題進行討論。這可使學生增進交流、擴大知識面，進一步提高學生的學習積極性，在探究和討論中有更大收獲。此過程可以同時提高學生材料組織能力和表達展現的能力。

經過幾年的課程建設，目前開設的實驗項目和學時分配如表1所示。

表1 有機合成實驗實驗項目內容及學時分配

在課程實驗內容選擇上，充分考慮教學目標的系統性，知識點涵蓋有機合成方法學的多個方面，涉及碳正離子、碳負離子、自由基和過渡金屬催化中間體的多種反應類型，實驗操作的難度循序漸進，將重結晶、萃取、減壓蒸餾、TLC、柱層析、減壓升華、無水無氧操作、光反應、低溫操作等融合在實驗教學中，形成研究性與系統性相結合的有機合成實驗內容體系。

3 實驗教學模式的改革與突破

針對教學內容，研究教學方法，豐富教學手段，將單一的教師主導型改為教/學互動式。部分實驗教學中，我們提供基本的平臺，由學生提出方案，教師提供指導和幫助，共同完成工作，這應當在課程建設完成后成為一種新的模式。通過改進教學模式，促進科學思維訓練。

3.1 課前講解實驗與專題研究講座相結合

比如Wittig反應的合成實驗中，從實驗角度講解此類反應的改進和進展，并結合反應后處理中針對三苯基氧膦的去除，不同體系采用不同方法，通過專題歸納相關實驗內容，使學生對有機實驗的研究有清晰的脈絡。

3.2 開展討論式課堂

在實驗教學過程中，不定期組織以學生為中心的討論，在學生與學生、學生與教師、不同小組之間通過討論的方式互相啟發，使得學生自我參與的機會更多。一般在每個完整實驗結束以后進行小結討論，討論組織形式靈活多樣，可以是教師歸納學生在實驗過程中出現的新的問題和各種類型的失誤，可以是學生自由發言，也可以請做實驗成功并且有改進心得的同學和操作失誤導致實驗失敗的同學代表分別發言，通過交流成功經驗或者探討失敗的原因，及時解決失敗的困惑。也可以由學生做一個小的實驗專題歸納，進行創新思維的深化和拓展。比如在金屬鋅參與的反應中，我們探究了Reformatsky反應和Blaise反應，雖然原理接近，但兩種反應的現象以及操作過程都有差別，通過交流也讓學生相互學習借鑒，找到實驗關鍵、積極進取、勇于創新的氛圍，鍛煉學生的思辨能力。

以啟發式教學理念為基礎，通過“引導式”教學培養學生發現問題、思考問題、解決問題的能力，啟發學生從實驗操作的視角，重新認知有機合成理論，再運用已學的理論知識對實驗過程中產生的實驗現象進行解釋，達到學以致用的效果，也利于學生更好地理解知識。鼓勵學生查閱文獻，尋找多種合成方法完成實驗。比如：Wittig反應中，原有文獻制備磷鹽溶劑反應需要3小時，有同學探索無溶劑反應，只需30分鐘可以完成反應，大大縮短了反應時間，提高效率。另外對現有的文獻和權威的解釋有批判質疑精神，而不是簡單地接受和迷信文獻。比如在Sonogashira偶聯反應探究中，學生通過溶劑改進，使原文獻需6小時的反應2小時就可完成，使此類反應更適合于實驗課程教學。

3.3 開放實驗室教學

對于一些同學在探究過程中發現的新現象和新方法，給予充分鼓勵，學生與教師通過雙向溝通，對實驗時間等相關內容達成一致意見，并可讓學生利用課余時間開展進一步的研究實驗，或者與科研課題組一起合作，將一些課題作為創新實驗，形成研究報告或科研論文，提升學生的實驗科研能力。部分同學利用課后時間自主探索可見光和光敏染料促進的反應，設計新實驗項目，參加全國大學生創新實驗競賽并獲獎。

3.4 教學中融合信息技術和虛擬仿真技術

充分利用信息技術，進行線上線下混合式教學。對于一些難度較大的實驗操作，拍攝了操作視頻，如“無水無氧操作方式”“惰性氣體鋼瓶的使用”“低溫反應儀操作”“減壓升華操作”“無水溶劑制備”“微量旋光儀的操作”“光反應器的使用”“手套箱的使用”等上傳在“學在浙大”課程內容網頁，學生在預習時可以觀看視頻，進行學習。同時，天然產物全合成內容是有機合成非常重要的一部分，但由于課時限制，無法完成全合成中的多步長時間反應的實體實驗，我們通過虛擬仿真實驗項目進行解決。我們完成了“生物堿Buflavine的多步合成交互式虛擬仿真實驗”建設，實驗項目將諾貝爾化學獎的反應等前沿內容引入教學，依托虛擬仿真軟件系統，模擬實驗場景和實驗儀器，并結合動畫演示、真實操作視頻等，同時將“反應周期長”“高危特殊試劑”“毒性化合物”“高成本實驗”等無法在實體實驗中開展教學的步驟有機融合在同一項目中，模擬每個實驗的真實場景，讓學生在短時間內以全參與方式體驗全合成實驗，掌握有機功能分子的多步合成，促進學生理論與實際緊密結合，掌握平時線下實驗難于實現的實驗訓練，從而感受科學家完成一項工作的繁瑣與難度，以虛補實，以虛促實，有效解決了傳統課堂中系統性和完整性不足的問題。

4 加強學生的研究性實驗的適應性，強化學生實驗設計的能力

實驗訓練必須體現科研實驗工作的全面性，使學生通過較為完整的工作而了解研究工作的必要流程，從習慣和思想上實現轉變。在實驗教學和科研實踐中，除了要求學生掌握知識和實驗技能以外，還希望學生能通過仔細觀察發現問題、通過認真思考提出方案、通過親自實踐解決問題，使發現問題、提出問題、解決問題成為習慣，從做“有機實驗”向“做有機合成”轉變。

5 研究論文式的實驗報告

要求合成實驗報告區別于基礎實驗報告，引導學生多自主查閱文獻，了解并閱讀中外專業雜志,按照研究型實驗的探究過程描述實驗，并結合多參數實驗的結果，進行充分討論，加深對實驗的理解，尤其對反應機理和反應影響因素的討論，嘗試以發表論文的格式來撰寫實驗報告，注意引用參考文獻，既開拓了學生視野，又為學生今后自主撰寫論文打下了堅實的基礎。將如何書寫研究報告作為訓練科學思維、了解科研方法、加強研究能力等科學素養的載體。

6 創新的評價方式和考核方式

建立客觀、公正、全面的實驗成績評定體系是激發學生學習主動性、提高實驗教學效果的重要措施。以研究為導向的課程必須體現出探索性，所以沿用過去簡單的成功/失敗二分式評價方法會產生矛盾。給學生鍛煉的機會就要允許他們得到我們未能事先預判的結果，至少應當使他們在學習階段就對實驗室工作有較為全面的體會。在保證安全的基礎上盡量放手，讓學生自己在工作中去獲得知識，進行總結，實現工作能力的全面提高。

6.1 總體考核中注重實驗能力和科研素質

為了全面考查學生的能力，總成績考核為：平時實驗成績70%，自主研究性實驗和探究論文答辯占30%。每一個實驗項目，平時成績考核的具體內容應包括實驗預習和方案設計、實驗操作，實驗結果、實驗報告和實驗態度等部分。實驗預習(10%)從預習報告、回答問題、個人實驗安排等方面進行評價。實驗過程(40%)從實驗操作與理解、現象觀察、實驗記錄等方面進行評價。實驗結果(20%)按產品數量和產品質量進行評價。實驗報告(20%)從報告是否完整、規范、討論分析是否深入等方面評價。實驗紀律與安全衛生(10%)反映實驗態度與實驗習慣。

這樣的考核方式較為客觀全面地評價學生對實驗理論的掌握程度和實踐動手能力，從而使學生的實踐能力以及解決問題和討論問題的能力等均得到充分的鍛煉和提高。

6.2 將創新能力的考核放在首位，在實驗報告的評分上注重實驗討論和研究性思維

在實驗考核方面，不把實驗的結果作為衡量實驗成績的唯一標準，將創新能力的考核放在首位。創新能力主要包括兩個方面：提出問題和解決問題都很重要，從創新角度看提出問題更為重要。因此我們在實驗考核中加大平時成績的比重，在實驗操作中鼓勵創新改革實驗的考核方法，激發學生的創新欲望。

在團隊合作實驗中，考量學生獨立完成的實驗部分和小組共享討論，按照實驗難度給予區分，不只是看實驗結果評分。能對實驗現象和實驗改進發表自己的新見解的同學要給予鼓勵。在實驗報告評分中注重學生實驗討論以及對實驗的深度理解，面臨新問題和新現象時，能夠拓展思維，提出解決問題的方法，展現研究性思維。培養學生獨立思考、分析解決問題的能力，多方位全面考慮，引導學生養成嚴謹的科研習慣，科研思維。

6.3 加強實驗記錄的考核

實驗記錄是科學研究最原始最重要的資料之一，將實驗筆記納入最終考核成績中，既能更客觀全面地反映學生的實驗能力以及對實驗的掌握情況，也能讓學生認真對待實驗筆記，養成良好的實驗習慣，為將來繼續進行科學研究及從事其他相關工作打下良好的基礎。

7 研究性實驗取得的成果和成效

我們的教學工作緊緊圍繞著加強學生科研思維能力的培養，研究性實驗有利于促進人才培養教學方法的多維化發展。探索建立了研究型教學模式，優選出適合于培養學生操作能力和科研能力的實驗內容。完成編輯《有機合成實驗講義》，為編寫教材做準備。新教學體系培養了學生的團隊合作精神，對學生學習興趣及創新能力的提高有著積極的影響。由學生獨立設計實驗內容、制訂實驗方案、完成實驗操作、測試表征、整理譜圖數據，最后以研究論文形式寫出實驗報告。通過這樣的教學方式，學生不再是簡單按照實驗步驟完成實驗，而是每次實驗都有自己的思考，自主設計用何種方式重現和探索文獻實驗。整個過程學生感覺到自己是在完成一件探索創新的事情，雖然只是科研探索的一小部分，學生也能夠從實驗中獲得發現問題、分析問題和解決問題的能力[10]。實踐表明，經過課程訓練的同學，在后期畢業論文和研究生階段都具有很好的實驗水平和獨立解決問題的能力。

在有機合成實驗研究型教學模式的探索與實踐中，積極開展教學研究，完善教學方法，注重學生發現和解決問題的能力。修讀有機合成實驗課程的5位同學參加浙江省化學競賽取得一等獎，3位同學在上海大學生化學實驗競賽中獲獎。2019年有3位同學取材于有機合成實驗的教學實驗，獲得全國第一屆化學實驗創新設計競賽二等獎；2021年6名同學組隊參加全國第二屆化學實驗創新設計競賽華東賽區競賽，獲得華東賽區一等獎1項、三等獎1項，并在全國第二屆化學實驗創新設計競賽決賽中獲得二等獎。本科生承擔多項有機合成相關課題的國家大學生創新實驗項目及大學生科研訓練項目(Student Research Training Program，SRTP項目)，并取得優良成績。在畢業論文(設計)階段，表現出很強的獨立實驗能力，部分已經讀研的學生，在科研實驗中表現出非常強的獨立實驗能力，深受指導教師好評。

8 結語

通過研究性實驗教學激發學生自主學習的動力，培養學生實驗中的科研思維習慣，提升學生分析問題、解決問題的能力，激發學生的創新潛質，從而培養學生的科研素養，促進學生的科研和工作能力的提高。實行研究性和系統性相結合的實驗教學，課程團隊也面臨新的挑戰，需要緊跟科學研究前沿，探索和轉化新的科研項目為教學實驗，促進科教融合，讓學生在實驗教學中接受完整系統的科研實驗訓練，提升科研素質，為以后的科研和工作打下堅實的基礎。