基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)改革
——以乙酸異戊酯的制備為例

崔穎娜，王愛玲

大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622

有機化學(xué)實驗課程是化學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科生的重要必修課程，在基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中具有十分重要的作用。隨著高校教學(xué)改革力度的不斷深入和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的不斷加強，有機化學(xué)實驗教學(xué)改革也在逐漸推進。傳統(tǒng)有機化學(xué)實驗的基本功能是讓學(xué)生掌握實驗的基本原理和基本技能，學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象、正確記錄處理實驗數(shù)據(jù)和撰寫實驗報告。新形勢下，隨著應(yīng)用型、復(fù)合型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標的確立，更加注重提高學(xué)生的研究技能和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。傳統(tǒng)有機化學(xué)實驗教學(xué)已經(jīng)不能滿足人才培養(yǎng)的需要，因此推進有機化學(xué)實驗教學(xué)改革具有十分重要的意義[1]。

本科生的基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗，主要包括簡單蒸餾、回流、分餾、減壓蒸餾、水蒸汽蒸餾、萃取、重結(jié)晶、抽濾、熱過濾和升華等基本實驗操作和一些有確定特點的有機化學(xué)反應(yīng)實驗，如酯化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、取代反應(yīng)等。對于后者，其教學(xué)的根本目的，除了通過實驗使學(xué)生深入認知相應(yīng)及同類有機化學(xué)反應(yīng)外，更在于以這些有機化學(xué)實驗過程為載體，通過相應(yīng)實驗教學(xué)過程，開闊學(xué)生的相關(guān)科學(xué)視野，培養(yǎng)學(xué)生對于有機化學(xué)反應(yīng)的裝置設(shè)計、反應(yīng)過程控制和實驗操作的能力，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的實驗習慣和創(chuàng)新精神。本文以大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院開設(shè)的“乙酸異戊酯的制備”實驗為例，向教學(xué)同行交流我校近期基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗的教學(xué)改革情況，共同提高本科生的教學(xué)質(zhì)量。

1 本實驗應(yīng)達成的教學(xué)目標

基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗在人才培養(yǎng)過程中具有重要地位。通過本課程的教學(xué)，除了要使學(xué)生系統(tǒng)掌握有機化學(xué)實驗的基本操作技能和基礎(chǔ)知識外，更在于要加強學(xué)生對有機化學(xué)基本理論和基本知識的理解，使學(xué)生熟悉和正確使用有機實驗室中常用的儀器和設(shè)備，熟悉有機化合物的基本合成方法、分離提純、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)鑒定技術(shù)，熟悉實驗室安全技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的科學(xué)態(tài)度[2]。因此，本實驗要達成的目標為：

(1) 知識目標。

有機酸和醇的酯化反應(yīng)，是一個典型的可逆反應(yīng)。通過此實驗使學(xué)生明確分水回流裝置在可逆反應(yīng)中應(yīng)用的必要性，分水器的使用是調(diào)整化學(xué)平衡移動的一種有效方法；掌握分液漏斗和分水器的使用方法[3]。

(2) 能力目標。

本實驗要達成的第一個能力培養(yǎng)目標是，利用分水器的構(gòu)造及其工作原理啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生對反應(yīng)裝置具有一定的選擇設(shè)計能力[4]。任何化學(xué)反應(yīng)，都離不開反應(yīng)裝置。在實驗室，從冷凝器配單口圓底燒瓶到無氧無水反應(yīng)裝置，一個有機化學(xué)反應(yīng)過程的實現(xiàn)，總是離不開研究者對反應(yīng)過程特點的深刻理解；對于工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)過程，反應(yīng)裝置、實驗技術(shù)是否合理，將直接決定裝置建設(shè)成本、產(chǎn)品生產(chǎn)成本的高低以及對環(huán)境污染的大小。

將該反應(yīng)列為本科有機化學(xué)實驗的原因之一是，由于化學(xué)熱力學(xué)的原因，該反應(yīng)在冷凝器配單口圓底燒瓶中進行時，反應(yīng)物的最高轉(zhuǎn)化率只能達到～75%的水平。要打破該平衡轉(zhuǎn)化率，盡可能地使反應(yīng)物轉(zhuǎn)化，就應(yīng)該隨反應(yīng)的進行及時把生成的產(chǎn)物從反應(yīng)系統(tǒng)中分離出去。設(shè)計能及時分離產(chǎn)物的反應(yīng)裝置對于學(xué)生創(chuàng)新思維的啟發(fā)具有非常重要的意義。分水器構(gòu)造的創(chuàng)新設(shè)計思維是，利用有機物與水在室溫下不互溶，且有機物密度比水小但是可以與水形成共沸物的特點，使有機物與水共沸回流到分水器中，在分水器中分層。使水層上面的有機層不斷流回到反應(yīng)瓶中，而將生成的水留在分水器并可隨時除去。

關(guān)于裝置的討論。是不是產(chǎn)物只要有水生成，要打破平衡就可以使用該反應(yīng)裝置？由此啟發(fā)學(xué)生根據(jù)反應(yīng)特點(有機反應(yīng)物與水共沸、不互溶，且密度比水小)設(shè)計反應(yīng)裝置的創(chuàng)新思維及裝置的擴展應(yīng)用性。

關(guān)于帶水劑的討論。如果有機物不滿足這兩個條件，是否還能用分水器？由此進一步啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，引出帶水劑的概念。帶水劑可以把水從反應(yīng)體系中分離出來，做帶水劑的物質(zhì)要能與水形成共沸物，從而使得水更易被蒸出，且在水中的溶解度很小。利用有機物能夠和水共沸，而有機物在液態(tài)水中溶解度很小這一特點，讓共沸回流冷凝物中液態(tài)原料或產(chǎn)物和帶水劑(液態(tài)有機物)及時流回反應(yīng)燒瓶，而將下層水截留下來令其不能進入反應(yīng)系統(tǒng)[5]。

本實驗要達成的第二個能力培養(yǎng)目標是，使學(xué)生能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的性質(zhì)，對于反應(yīng)過程情況，優(yōu)選出方便可行的分析方法。乙酸的轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率不僅可以分別由水的分出總量、分出速率依據(jù)反應(yīng)方程得到估算[6]，還可以方便地由酸值法(對反應(yīng)的游離酸進行滴定)[7]和氣相色譜法[8]進行分析。

(3) 素質(zhì)目標。

該目標達成于學(xué)生成組查閱文獻、討論和實驗操作過程的整個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。要順利完成本實驗內(nèi)容，不僅需要正確選擇反應(yīng)裝置、理解該反應(yīng)裝置的創(chuàng)新設(shè)計思維、搭建反應(yīng)裝置，還需要對反應(yīng)進度跟蹤，對液態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物進行分離純化。這些內(nèi)容，有的需要學(xué)生間的討論、相互啟發(fā)(例如在進入實驗室前正確選擇反應(yīng)裝置，理解該反應(yīng)裝置的創(chuàng)新設(shè)計思維，以及分析方法的優(yōu)選)，有的是進一步鍛煉學(xué)生的實驗技能(例如液態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的分離純化)，特別有利于培養(yǎng)學(xué)生的團結(jié)協(xié)作精神。對于催化劑(使用硫酸還是可回收的固體酸)、帶水劑的選擇，以及產(chǎn)物的后處理，則有利于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和保護青山綠水的責任感。上述實驗教學(xué)過程以小組為單位進行，為上述素質(zhì)目標的達成提供了必要條件。

2 本實驗教學(xué)的具體實施過程

2.1 課前預(yù)習

對于過去的課前預(yù)習，大部分學(xué)生都是直接抄書來應(yīng)付了事，“照方配藥”地把實驗課本上的實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒灹鞒毯脱b置圖抄下來，寫成預(yù)習報告。表面看起來他們是很好地完成了預(yù)習，但實際上在做實驗時很多學(xué)生對實驗原理和實驗步驟仍然模糊不清，只是照預(yù)習報告一個步驟一個操作地進行實驗，而脫離了預(yù)習報告和課本后，就再不會做實驗了。這種“照方配藥”、被動應(yīng)付、簡單模仿的實驗方式，當然不能很好地達到開設(shè)這門課程的預(yù)期培養(yǎng)目標。

對此，我們教改后的做法是，將學(xué)生分為8組(每組2人)，完成下述預(yù)習任務(wù)：兩組查閱選擇冷凝回流的方法，兩組查閱選擇控制加熱的方法，兩組查閱選擇反應(yīng)進度的跟蹤方法，兩組查閱選擇是否要用和用什么帶水劑。學(xué)生預(yù)習完成之后，由教師組織騰訊會議，使學(xué)生實現(xiàn)小組間的相互交流，教師點評各小組優(yōu)選給出的方法。

(1) 冷凝回流方法的優(yōu)選。

學(xué)生提出的方法包括循環(huán)水冷凝和空氣冷凝兩種方法(圖1)。小組長向同學(xué)說明這兩種冷凝方式的優(yōu)缺點、應(yīng)用環(huán)境和優(yōu)選結(jié)果。

圖1 冷凝回流方法

(2) 加熱方法的優(yōu)選。

學(xué)生總結(jié)的加熱方法包括空氣浴、水浴、油浴和沙浴加熱。小組長向同學(xué)說明這幾種加熱方法的應(yīng)用范圍和優(yōu)選結(jié)果。

(3) 反應(yīng)進度的跟蹤方法的優(yōu)選。

學(xué)生總結(jié)的反應(yīng)進度跟蹤法包括“酸值法”“氣相色譜法”和“出水跟蹤法”。小組長向同學(xué)說明查到的這幾種方法。由于本校基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗因?qū)I(yè)不同開設(shè)于“大一”下學(xué)期或“大二”上學(xué)期，此時學(xué)生尚未學(xué)習物理化學(xué)課程和儀器分析課程，因此學(xué)生更傾向于選用“出水跟蹤法”。

(4) 帶水劑及其優(yōu)選。

學(xué)生總結(jié)出的結(jié)果主要包括：

1) 若反應(yīng)物之一或產(chǎn)物酯與水能形成共沸物且在水中溶解度很小，可不用帶水劑(本實驗具有該特點)；

2) 帶水劑有苯、甲苯、二甲苯和環(huán)己烷等，盡量選擇低毒價廉的帶水劑；

3) 帶水劑用量過少起不到好的帶水效果，而用量過多，會導(dǎo)致后處理時產(chǎn)品損失增多。所以，帶水劑有最佳用量。

產(chǎn)物的后處理過程部分的預(yù)習采用問題式教學(xué)方法，將問題拋給學(xué)生，以此培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力[9]。產(chǎn)物的后處理過程提出以下問題：

1) 所得粗酯中含有哪些雜質(zhì)?應(yīng)該怎樣除去？

2) 可否用NaOH溶液除去剩余的乙酸？

3) 剩余的醇如何除去？

4) 為什么用飽和食鹽水洗滌而不用水洗滌？

5) 用哪種干燥劑干燥酯？無水CaCl2可以嗎？

以“問題”為線索，讓學(xué)生帶著這些問題去預(yù)習，將后處理過程中每一步的目的和意義以問題的形式展示給學(xué)生，組織學(xué)生的探索活動，為學(xué)生提供一個交流、合作、探索的平臺，讓學(xué)生在問題解決中完成實驗預(yù)習，感受知識，加深印象。

最后要求學(xué)生將上述預(yù)習結(jié)果在預(yù)習報告中以畫出合理的反應(yīng)裝置圖，寫清楚實驗原理、實驗流程等內(nèi)容呈現(xiàn)。

經(jīng)過上述預(yù)習過程，不僅很好地避免了學(xué)生抄實驗書寫預(yù)習報告和單純“照方配藥”式的實驗操作，還積極調(diào)動了學(xué)生相互學(xué)習、共同討論的積極性，讓他們因此成為了學(xué)習的主體。此外，由此也拓寬了他們的科學(xué)視野，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維、團結(jié)協(xié)作精神和交流表達能力。

2.2 課上實驗

實驗操作是實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)一方面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，另一方面也是對每個學(xué)生在聽取他人討論、教師指導(dǎo)后對知識-能力-素質(zhì)教學(xué)目標是否達成的綜合檢驗。在該實驗操作中安裝操作是否正確、用“出水跟蹤法”對反應(yīng)的跟蹤結(jié)果是否合理、產(chǎn)物的分液和干燥操作是否規(guī)范、組內(nèi)同學(xué)在實驗中的分工合作情況等都如實反映了學(xué)生對上述相應(yīng)教學(xué)目標的達成度。

反應(yīng)進度跟蹤教學(xué)環(huán)節(jié)中讓學(xué)生對“時間-出水量”的關(guān)系作圖，根據(jù)分出的水量粗略地估計酯化反應(yīng)完成的程度。確定反應(yīng)基本平衡后，為開闊學(xué)生的視野，取兩組樣品由研究生協(xié)助利用氣相色譜檢驗反應(yīng)體系內(nèi)剩余乙酸的含量。讓學(xué)生切身體會一下氣相色譜如何確定反應(yīng)終點，開闊學(xué)生的思維。

通過跟蹤反應(yīng)進度這一環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的主體意識，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習的積極性、主動性和創(chuàng)造性。同傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式相比，反應(yīng)進度的判斷需要學(xué)生自己得出結(jié)論，實驗更具探索性，極大地提高了學(xué)生的興趣，同時有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。

產(chǎn)物的后處理過程中，讓學(xué)生根據(jù)預(yù)習中提出的問題的解決方法，一一進行操作，讓學(xué)生充分體驗發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的快樂，并在實際操作中進一步熟練萃取、干燥、蒸餾等基本操作，在達成知識目標的同時，提高學(xué)習的興趣。

最后反應(yīng)廢液的處理過程是培養(yǎng)學(xué)生良好的環(huán)保習慣和體現(xiàn)綠色化學(xué)理念的良好機會。教育學(xué)生實驗后的廢液盡可能回收利用，不能回收利用的廢液應(yīng)倒在規(guī)定的廢液桶里，以便清理，減少環(huán)境污染。

2.3 課下任務(wù)

課下完成實驗報告，并要求學(xué)生在實驗報告的討論部分針對實驗中自己認為可以改進的地方提出改進方案，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。例如，有的學(xué)生提出硫酸催化有污染，不符合環(huán)保的理念，建議改用雜多酸、離子交換樹脂、固體超強酸和離子液體等催化劑催化反應(yīng)[10]；有學(xué)生指出實驗中醇酸物質(zhì)的量之比為1 : 1，建議提高乙酸的用量，促進反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動；還有同學(xué)建議用醋酸酐替換乙酸與異戊醇酯化。教師對學(xué)生提出的改進方案進行總結(jié)，在下學(xué)期的綜合實驗中列出乙酸異戊酯制備的實驗題目，讓學(xué)生根據(jù)自己提出的方案自行設(shè)計完成乙酸異戊酯制備的綜合實驗。

3 教改前后的教學(xué)效果比較

為了充分了解有機化學(xué)實驗課程教學(xué)改革的成效，對2020級不同專業(yè)的學(xué)生進行了問卷調(diào)研，問卷結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，大多數(shù)學(xué)生認同改革后的課程形式。學(xué)生表示：改革后的實驗教學(xué)不僅學(xué)到了新知識，學(xué)會了實驗操作；更重要的是通過查閱文獻，拓寬了知識面；通過小組講解，提高了口頭表達能力及自信心，同時培養(yǎng)了團結(jié)合作的精神；實驗中還養(yǎng)成了良好的環(huán)保習慣。

表1 2020級不同專業(yè)學(xué)生對課堂教學(xué)改革效果的反饋

4 結(jié)語

從實驗預(yù)習、課上操作、課下討論等方面對基礎(chǔ)有機化學(xué)實驗教學(xué)進行改革。同傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，改革后的實驗教學(xué)模式更有利于提升學(xué)生的學(xué)習興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習能力和表達溝通能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和團結(jié)合作能力。