本科實驗課程中的主觀能動性激勵方法

王奇峰，項金寶

1吉林大學化學學院，長春130012

2吉林大學藥學院，長春 130021

本科生的學術能力和素養的提升包括理論知識的教授和實驗操作能力的培養[1]。教育部長期以來非常關注本科生的實驗能力培養，并提出了“科教結合協同育人行動計劃”“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”等，為本科生的實驗創新能力提升提供支持。同時，大學教師也長期探索本科生的實驗教學方法，以讓本科生獲得更高的實驗能力[2,3]?；瘜W領域作為一門重要的實驗學科，其對本科生的實踐操作能力要求更為嚴格，這一方面關乎學生對理論知識的掌握和運用，旨在能夠使學生在實際的化學工作中合理地設計實驗條件和路線，以更為簡潔和高效的方式完成工作任務；另一方面也是對實驗安全以及操作人員安全的重要保障，為將來的化學相關事業的發展提供最初步的安全保障。

在目前國內的高校中，基礎有機化學實驗是一門非常普遍和重要的教學科目，其教學方式通常以教學參考書為指南，每學期從中選取10-12次的基礎實驗項目，按照課本中的實驗步驟進行教學活動。在這種教育模式下，作者在長期的實踐教學過程中發現，學生通常不能理解每一步實驗中所采用的數據和信息的來源、注意事項的理由，以及理論上合理的實驗結果，更不明白實驗按照該步驟進行的科學意義。因此，學生在一學期甚至一學年實驗課程學習之后并不能合理地設計和操作實驗，包括實驗步驟安排、試劑用量、檢測方法等，甚至出現潛在危險都渾然不知。針對這種現象，不同高校的教師曾提出多種解決方案，包括“做好實驗預習”[4]、“培養實驗習慣”[5]、或者“對本科生開放高級實驗室”[6,7]等方法，但情況并沒有因此獲得有效的改善，抄寫實驗報告反而成為學生的負累，進入高級實驗室成為本科生獲取學分的捷徑。為改善和解決此類相關問題，作者在實驗指導過程中提出了“理論質疑”和“步驟調整”的方法，以提高本科生在學習過程中的主觀能動性，激發思考問題的興趣，并鍛煉應付突發情況的能力。通過實踐發現，這兩種方法對于改善學生主觀能動性具有非常明顯的效果，學生會由此對參考書中的步驟和數據進行更為深刻的理解，進而以更為簡潔高效的方式完成實驗工作，體現出了“盡信書不如無書”的價值。

1 “理論質疑”方法的提出與實施

“理論質疑”法是作者依據自然辯證法中“否定之否定”規律針對學生填鴨式教學提出的一種方法，旨在讓學生對參考書中的實驗步驟要求提出合理的質疑，并在實驗可控的條件下對質疑的內容進行探索性嘗試，根據觀察到的實驗現象闡述參考書中實驗步驟的合理性，即對實驗步驟要求首先進行“否定”，根據實驗現象決定對“否定”的結果進行“肯定”或“否定”，最終達到對實驗步驟更為準確和合理的認識。

以《基礎化學實驗》[8]中“乙醇的蒸餾”實驗為例。該實驗處于本科生進行基礎有機實驗的最初階段，學生對基礎理論與實驗實際情況的結合充滿了好奇。在實驗步驟中關于現象的描述如下：“當瓶內只剩下少量液體時，若維持原來的加熱速度，溫度計的讀數會突然下降，即可停止蒸餾。”這段文字的表達，是指當主餾分蒸餾完畢之后，剩下的高沸點后餾分由于溫度不夠而不能揮發，所以溫度計的液泡檢測不到任何蒸汽的溫度，“溫度計的讀數會突然下降”，也意味著主餾分蒸餾完成，實驗結束。

盡管這是一個正確的現象描述，但在實際實驗過程中，作者通過多年的觀察，發現只有較低比例的學生會觀察到該現象，而大多數學生會觀察到溫度出現急劇上升的“反?！爆F象，這些學生對于自己遇到的與課本描述不同的實驗現象產生迷茫或者產生實驗失敗的恐懼心理。為此，作者嘗試鼓勵學生對書本文字進行“理論質疑”。作者對學生提出以下問題：“已知乙醇的沸點是78 °C，后餾分的沸程在100-110 °C，如果反應瓶的實際加熱溫度達到120 °C，請問實驗過程中是否會觀察到書本所說的溫度突然下降的現象？”針對這個問題，學生經過激烈的討論，統一認為不能下降，而是應該上升，進而學生開始重新審視課本的描述為什么和他們所觀察到的實驗現象不一致，經過“理論質疑”他們進一步明白，對加熱溫度非常精確的控制，才有機會觀察到“讀數會突然下降”的情況，而當溫度設置過高之后，高沸點后餾分的揮發，引起了溫度的上升，而這同樣是主餾分蒸餾完畢的現象。事實上，在環境溫度、保溫條件、加熱器功率、加熱模塊與燒瓶的距離和接觸面積等諸多復雜因素的綜合影響之下，學生非常難以控制實際的加熱溫度，通過溫度控制蒸餾速度也很困難，溫度設置偏高是非常常見的現象，通過對課本所描述的現象的質疑，進一步增強了學生的實驗興趣，也使他們能更深刻地理解實驗原理，達到實驗的目的。

再以《基礎化學實驗》[8]中實驗“2-甲基-2-己醇”為例，該實驗中有如下步驟描述：“A.與丙酮反應：將制好的格氏試劑在冰水浴冷卻和攪拌下，自滴液漏斗中滴入5 mL丙酮和8 mL無水乙醚的混合液，控制滴加速度，勿使反應過于猛烈。加完后，在室溫繼續攪拌15 min。溶液中可能有白色粘稠狀固體析出?！币约啊癇.分解格氏試劑：將反應瓶在冰水浴冷卻和攪拌下，自滴液漏斗分批加入50 mL 10%硫酸溶液，分解產物(開始滴入宜慢，以后可逐漸加快)?！?/p>

在步驟A中提到“滴入5 mL丙酮”，學生按照“控制滴加速度，勿使反應過于猛烈”的實驗要求，以將近30秒/滴的滴加速度滴入丙酮，做到了“勿使反應過于猛烈”。然而，學生并不理解怎么達到合理的滴加速度，也不理解“反應過于猛烈”所描述的實際意義是什么，只能在實驗臺前消磨時間。按照每一滴0.02 mL計算，滴加5 mL需要2 h?；谶@種情況，作者對學生提出如下問題：1)該反應發生的機理是什么，應該出現什么實驗現象？2)反應為什么不能過于猛烈，猛烈會導致什么后果？其中第二個問題即是對理論的質疑。學生在經過認真思考和討論之后，對第一組問題都能夠正確回答：“反應遵循親核加成的機理，有放熱的現象”，但對于第二組問題，學生基本無法正確回答。這種現象一方面說明學生不明白危險產生的原因和危險的表現形式，而只能按照因噎廢食的狀態循規蹈矩；另一方面，一旦出現相關危險，學生由于不知道危險產生的原因，也不知道該怎么應對，可能會產生更嚴重的后果。為此，安排學生首先保證有充足的冰水浴冷卻以及完善的回流裝置，在能夠保證實驗安全的情況下，要求學生將滴加速度加快，在此基礎上觀察反應猛烈的狀態。

對于這種實驗方式的改變，學生產生了極大的探索性興趣。通過滴加速度的提升，學生觀察到反應由于放熱而產生了明顯的沸騰現象，冷凝裝置出現了回流，由于冰水浴的存在，反應并沒有出現危險和無法控制的猛烈狀態。通過這種操作，反應時間至少縮短至預計時間的1/2，且實驗能夠順利完成。基于這個操作，與學生經討論之后得出結論：參考書中要求的“勿使反應過于猛烈”旨在防止反應放熱造成溫度過高，溶劑回流無法控制，繼而出現危險。在本實驗中，由于反應試劑用量比較小，且有冰水浴控制溫度，以及回流裝置控制回流，反應不會出現無法控制的局面；如果在反應試劑用量過大、甚至工業級小試以上規模的情況下，或冷卻以及回流裝置缺失的情況下，反應一定需要控制滴加速度，“勿使反應過于猛烈”。

在步驟B的操作中，課本同樣要求了“開始滴入宜慢，以后可逐漸加快”的操作規程，由于對“理論質疑”法的準確理解，學生在滴加硫酸溶液的過程中充分考慮了加入硫酸由慢到快的緣由，因此能根據反應放熱所表現的狀態，靈活地控制滴加速度，游刃有余地完成了實驗內容，且極大提高了實驗效率。

2 “步驟調整”方法的提出與實施

“步驟調整”是作者根據現有反應路線設計的合理性提出的一種嘗試性改變方法的策略，一方面能增加學生的創新性體驗，另一方面能讓學生更加理解原有實驗步驟的設計合理性。

以《有機化學實驗》[9]中“正溴丁烷”為例，其中部分反應步驟描述為：“由于無機鹽水溶液有較大的相對密度，不久會分出上層液體即是正溴丁烷?；亓?0 min。待反應液冷卻后，移去冷凝管，加上蒸餾頭，改為蒸餾裝置，蒸出粗產物正溴丁烷?！?/p>

該步驟要求學生在反應生成的正溴丁烷和硫酸氫鈉水溶液分層之后，將混合物通過蒸餾操作將產物正溴丁烷和水蒸餾出來，之后將混合液進行分液后處理。針對這個步驟，作者通過對本科生多年的觀察發現，從未有本科生對該步驟有過任何異議，即為什么在反應瓶中產物已經和水溶液分層(如圖1(a)所示)，卻不能直接分液，而是采用繁瑣的蒸餾操作？對于此操作，作者要求學生對上述問題進行“理論質疑”。非常有趣的是，對于這個提問，學生會突然意識到這個問題非常有價值，但經過長時間的激烈探討和思索，卻無法給出合理答復，并一致認為直接分液是非常值得嘗試的一種方案。由于實驗沒有危險性，作者果斷讓部分實驗操作能力較好的學生進行了“步驟調整”，進行分液操作，學生因此而產生了極大的興趣。

圖1 正溴丁烷合成反應后靜置狀態以及轉移至分液漏斗的分層狀態

實驗過程中，學生發現，在溫熱的條件下，將反應后的混合液轉移到分液漏斗之后，需要快速的分液操作。一旦冷卻，會有NaHSO4固體析出，造成分液困難。在此情況下，需要在混合液中補加水，以溶解析出的鹽。當補加等體積的水時，NaHSO4能夠溶解且溶液密度仍大于正溴丁烷，此時正溴丁烷在上層；當補加二倍體積的水時，NaHSO4能夠溶解且溶液密度小于水，正溴丁烷轉移至下層(如圖1(b)和(c)所示)。正是由于溶液密度變化的復雜性，產物正溴丁烷在水相的上層或下層會不一致，所以為了簡化這種操作，課本中直接采用了蒸餾的方法，以便于實驗步驟的統一管理。參與“步驟調整”實驗的同學，分別通過三個方案的實施，均以非常高的產率獲得了相應的產品，且由于去掉了蒸餾操作的搭建、蒸餾等步驟，效率顯著提高，滿意度和體驗度極高。

再以《有機化學實驗》[9]中“甲基橙”為例，該實驗在“偶合”步驟中要求“在小錐形瓶內混合1.2 gN,N-二甲基苯胺和1.0 mL冰醋酸，在不斷攪拌下將此溶液慢慢加到上述冷卻的重氮鹽溶液中。”該實驗中由于重氮鹽溶液不穩定，始終要求保持低于5 °C，因此操作難度較大。實驗設計的原理，是為了將這種不穩定的化合物盡快反應，所以將N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽滴加到大量的重氮鹽中，使其在反應初期能夠盡可能地反應，防止大量分解。但在實際操作過程中，當苯胺醋酸鹽加入到重氮鹽中之后，隨著反應的進行，混合物黏度越來越大，攪拌很難均勻，放熱過程復雜，經常出現溫度急劇上升難以控制的現象，其原因一方面是黏度過大導熱不均勻，另一方面，是滴加的苯胺醋酸鹽未能均勻反應，而累積到一定量之后與大量重氮鹽突然反應，最終導致大量放熱。這種放熱會加速分解尚未反應的重氮鹽，造成產率下降的后果。

根據多年的教學經驗，作者在實驗的開始階段即與學生探討本實驗滴加的注意事項，并向學生提出這樣一個問題：“如果我們將實驗重新設計為將重氮鹽滴加到N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽中，盡管也會出現粘稠的現象，但突然的放熱只是已經滴加的重氮鹽參與了反應，完全不會分解尚未滴加進去的重氮鹽，這樣進行實驗是否能獲得更高的產率？”學生顯然對這個問題沒有心理準備，但經過激烈的討論，認為非常值得嘗試。因此，作者從踴躍報名的同學中選了部分同學進行“步驟調整”方案的實施。

實驗過程中，參與試驗的同學發現，由于是將重氮鹽滴加到大量的N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽溶液中，所以反應自開始階段，滴加進去的重氮鹽就反應得非常徹底，而在反應的中后期，盡管粘稠的混合物反應放熱導致溫度時而高于5 °C，但在冷卻后繼續滴加重氮鹽，完全不影響實驗結果，而最終參與“步驟調整”的同學都以更高的產率完成了實驗，極大提升了實驗的興趣和成就感。

3 結語

作者在多年的教學過程中發現，很多本科生有很強的創造性欲望，但往往會受到一些傳統教學方法的限制，沒有機會發揮其相應的才能；與此同時，更多的本科生習慣于按照現有課本知識非常順從地學習和記憶，很少質疑其可靠性。作者在科學研究探索過程中，深知很多有機反應的理論知識都是建立在假設的機理和探索性的方法上提出的，需要根據“否定之否定規律”不斷修正和改進，這就需要有創造性欲望的青年一代勇于嘗試，勇于突破，而不是單純地接受填鴨式教育。作者提出的“理論質疑”和“步驟調整”的方法，在課堂上給予了有創造性欲望的學生展示的機會，并有更好的實驗結果，是具備榜樣作用的一種展示，并吸引了更多的學生參與到探索性和創新性的實驗過程中。當然，在該過程中，實驗指導教師必須高效精準地引導，防止將科學的探索方法演變成無組織無紀律的教學實驗。