有機化學實驗教學中實驗設計能力培養

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近年來，隨著教學改革的不斷深入，教學體系的進一步完善，在實驗教學方面，傳統的以驗證性實驗以及少量綜合性實驗為主的教學模式在培養學生的創造性思維和主動學習、探索式學習等方面存在明顯不足,難以適應新形勢下對人才培養的要求.因此，減少驗證性實驗，增加綜合和設計性實驗成為實驗教學改革的重點內容.按照“普通高等學校本科教學工作水平評估”的指標要求,“綜合性、設計性實驗”至少應占實驗課程總時數比例的50%～60%以上[1].其中設計性實驗是學生在教師的指導下，根據給定的實驗題目和實驗條件，通過自己查閱資料，設計實驗方案，選擇實驗器材，擬定實驗程序進行操作，并對結果進行分析處理的實驗.設計性實驗的開設，打破了傳統實驗固定的教學模式，使學生由被動學習轉變為主動學習，學習的積極性得到有效調動，不但鍛煉解決問題的綜合能力，還培養學生的創新思維，同時由于設計性實驗具有一定的難度,可以激發學生的挑戰欲望,增加學生的成就感，從而給實驗教學注入了新的活力.[2]設計性實驗一般比較新穎，與科研和生活實際密切相關,涉及的知識面較廣，而學生的知識不夠全面，知識鏈斷裂，綜合訓練欠缺，所以實驗設計能力普遍偏低，在設計性實驗開設過程中往往難以達到預期效果.本文結合我校近兩年有機化學實驗中設計性實驗的教學實踐，探討在有機化學實驗中學生實驗設計能力的培養.

1.加強實驗思路和方法的初步訓練

1.1充分利用基礎實驗，強化實驗技能訓練，強調基本操作及其應用

能力的培養不是孤立的,而是知識的積淀、轉化、升華和運用.沒有知識的積累就談不上能力,沒有基礎就談不上提高.[1]在開始設計性實驗之前，應遵循認知規律,符合循序漸進的科學培養方法，對學生進行基本實驗技能的訓練，使學生掌握基礎實驗原理、基本操作及利用各種操作所能達到的實驗目的.如對蒸餾、分餾、萃取、重結晶、熔點和沸點測定等操作，不但使學生了解其原理，更進一步地能規范操作，并且明確在什么情況下應選用何種操作方法.

1.2通過綜合性實驗訓練，明晰實驗思路與方法，培養學生綜合考慮問題的思維方式

綜合性有機化學實驗往往以簡單的原料合成復雜的分子，當中涉及制備、分離、分析測試、性能研究等環節，會用到各種實驗方法和手段.因此，可以借助實驗內容和實驗要求，使學生明晰實驗思路與方法，并通過對實驗方法和實驗手段的綜合應用，培養學生綜合考慮問題的思維方式以及運用綜合的方法、手段分析問題、解決問題的能力，進而使學生具有初步的實驗設計能力.例如乙酰水楊酸的制備實驗，可以通過問題式教學和實際操作，使學生在了解實驗原理的基礎上，要清楚怎樣才能減少副產物、主副產物應該采取什么樣的辦法才能得以分離，依據什么選擇合理的實驗裝置、如何減少產物的損失以及怎樣驗純等等，實驗中哪些操作對結果至關重要，又當如何進行？實驗方案的設計基于哪些方面進行，有無其他可行的方案？通過課堂實驗有意識地啟發學生思維，才能使學生逐漸掌握實驗設計思路，具備初步的實驗設計思維能力，為后期設計性實驗奠定基礎.

2.聯系生活實際，創設情境，在問題驅動下激發學生的實驗設計興趣

美國心理學家布魯納指出：“學習的最好剌激乃是對所學知識的興趣.”精心創設情境，將學生置于樂觀的學習情境中能夠很好地激發學生學習興趣.比如提取茶葉中咖啡因的實驗，首先將大家熟悉的茶葉和白色的針狀咖啡因晶體擺放在一起，讓學生觀察兩者在外形、色澤上的區別，在學生驚詫于暗綠色的茶葉中竟然藏有針狀晶體咖啡因的時候，順勢啟發學生思考咖啡因都有哪些性質？能通過什么辦法來獲得茶葉里的咖啡因？平日沏茶是否是將咖啡因提取到水中的一種操作？此外都還有哪些提取方法？又如何提高提取效率并最終得到白色針狀晶體？在一連串問題的驅動下要求學生分組去查閱相關資料，了解索氏提取、微波提取、溶劑回流提取、超聲波提取以及超臨界CO2提取和升華法純化的原理、操作方法及操作要點，比較各種方法的優缺點以及各種不同溶劑的提取效果，寫出可能的實驗預案，探討實驗可行性.之后在老師的指導下，進一步明確各種方法的特點，梳理設計思路，細化實驗設計并付諸實驗.為了使學生實驗設計興趣能夠真正地被激發出來，指導教師在這一過程中要扮演好“點撥者”和“引領者”的角色，在學生的理解能力和已掌握的知識基礎上有針對性地、有目的和有意識地設置問題，并幫助學生解決一些癥結難點，提升學生的思維能力，切忌將一大堆問題完全交于學生去完成，使學生產生“畏難”情緒，影響學生探究興趣和實驗進程.

3.進行對比實驗，引導學生多方位思考，拓展思維

有機化學實驗無論是化合物的制備還是天然產物的提取，大部分都可以利用多種方法去完成，因此設計性實驗在實施過程中可以采用不同方法進行對照，在指導教師有目的的組織下讓學生從實驗原理出發，通過對實驗藥品、實驗條件、實驗裝置、實驗安全性、實驗過程的繁簡程度以及實驗結果等方面進行比較分析，自己發現問題并得出結論.這樣做一方面可以加深學生的印象，另一方面更能啟發學生進行多角度思考，在實驗設計中考慮問題更加全面，更為嚴謹，從而潛移默化地培養學生分析能力和實驗設計能力.同時，也能通過一次實驗設計引導學生進行豐富的理性的聯想思維，拓展他們的思維空間.例如提取茶葉中的咖啡因實驗，依照先前設計好的實驗方案，我們通過分組并分別采取超聲波提取、溶劑回流提取、微波提取、索氏提取四種不同方法，利用水或酒精作為提取溶劑，在溶劑不同，溶劑的加入量和提取時間也不同的情況下讓學生進行實驗，最后利用升華的方法獲得白色針狀晶體咖啡因.實驗中，要求學生注意觀察提取裝置的搭建、提取液的顏色，比較實驗的難易和快慢程度、最終的產量，并分析各種影響因素.同時，引發出新的問題啟發學生思考，如是否可以利用這樣的裝置和方法得到花椒、橘皮、玫瑰等精油呢？精油的成分主要是什么？提取中又應當注意些什么？通過在教學設計中始終注意融入開啟學生思維的理念，不僅能活躍課堂氣氛，調動學生積極思考，增加課堂知識容量，訓練學生發散思維能力，并且使學生逐步養成科研思考的習慣.

4.分階段分層次，由淺入深指導學生進行實驗設計

實驗設計能力的培養是一個漸進的過程，只有當學生儲備了一定的理論基礎知識，掌握了一定的設計思路，學會了綜合考慮問題，才有可能設計出一個較為合理可行的實驗方案.因此在教學過程中，我們一是根據學生已有的知識水平；二是保證實驗課題的內容在學生的能力范圍之內；三是最大限度地調動學生的知識儲備，分階段分層次遵循由簡到難的原則優化設計性實驗內容，由淺入深指導學生進行實驗設計，盡量使學生在實驗過程中少走彎路，犯不必要的錯誤而浪費時間以及挫傷實驗積極性，以達到逐步提高學生的實驗設計能力的目的.對于化學專業學生，我們把設計性實驗按照由易到難的順序安排在兩個學期來完成。由于前期實驗階段學生實驗設計思路和技巧得到了初步訓練，因此在進行實驗設計時，學生普遍感覺難度并不是很大，比較樂于去完成，而指導教師在學生的主動配合下，也能較為滿意地獲得預期教學效果.

5.培養綠色環保意識，在實驗設計中融入綠色化學理念

環境污染問題是當今社會發展中的一個重要問題，我國各高等院校中所產生的實驗室污染物，已成為我國環境污染的一個重要來源，而有機化學實驗又是實驗室污染中的一個重點.在有機化學的實驗教學中有意識地培養學生的“綠色化學”觀念，有利于從源頭上消除污染，使化學和環境能夠協調發展.在每一次實驗前，要求學生必須明確實驗過程中所要接觸到的各種藥品的物理常數、毒性、對環境會造成的影響等，了解相關的防護措施；實驗過程中，通過對實驗藥品的實際接觸，進一步明確實驗藥品、實驗過程對環境和實驗人員安全的影響；實驗后，培養正確的實驗室“三廢”處理觀念，杜絕亂丟亂放的習慣.向學生介紹綠色化學的5R原則，培養學生用綠色化學的眼光來適應新形勢下的有機化學實驗，通過逐漸增強學生的綠色環保意識，把綠色化學理念融入到設計性實驗中.在不影響實驗效果的情況下我們采取了一系列的綠色化學實驗方法.例如，在制備乙酰苯胺和甲基橙等的實驗中采用試劑用量減半的方法，減少有害物質的使用；在柱色譜實驗中，利用填充長5cm內徑1cm的較短的Al2O3柱床，分別以酒精和水為溶劑，對甲基橙和亞甲藍混合物進行分離，既保證了明顯的實驗效果又節約了試劑和時間；利用綠色的微波輻照合成技術制備肉桂酸，縮短時間的同時也提高了產率.在萃取實驗中，利用水作為萃取溶劑對乙酸乙酯中的冰醋酸進行萃取，避免乙醚的使用；己二酸的合成則以H2O2代替教材中的硝酸，副產物是水，避免了用硝酸氧化氮氧化物的產生.正是在實驗過程中不斷地向學生滲透綠色化設計理念，因此，學生在設計實驗方案時會很自然地從實驗原料、試劑、反應條件、廢物回收利用、能源消耗以及是否是原子經濟性反應等諸多方面進行考慮，教學結果表明在設計的實驗方案中總是會體現出學生在這一方面付出的努力.

6.充分發揮教師的主導作用，突出學生的主體性，鼓勵學生大膽思考、勇于探索

理想的教學要求教師的主導性與學生的主體性都得到充分的發揮，實現二者和諧完美的統一.在教學過程中，教師要善于發現學生的潛能，排除學生的心理障礙，幫助學生開闊視野、拓寬思維，鼓勵學生大膽思考，勇于探索，調動學生的參與意識，把學習的主動權還給學生主體，使學生變被動接受為主動探究，從要我學為我要學，充分達到學生主體作用的發揮，使學生在享受設計性實驗的獨特樂趣中不斷提高參與實驗的能力與信心.教學實踐證明：作為教師，科學合理地安排設計性實驗內容，正確組織和引導學生查閱資料、放手學生去設計實驗方案，鼓勵學生求新求異的思維方式，尊重學生的設計思路、耐心細致地為學生答疑解惑、加強師生間情感培養，精心為學生準備實驗所需，加大學生在實驗過程的自主度，將實驗課堂這個舞臺實實在在地交還學生，并將實驗設計完成情況納入到考核中等都十分有助于調動學生的學習熱情，煥發學生主體創新意識，從而使學生的實驗設計能力和科研意識得到了逐步提高，并使學生具備良好的科學素養.有機化學實驗中的設計性實驗在開闊思路、提高學生理論聯系實際的能力和知識運用的能力上具有十分重要的作用.但開設的難度較大，對教師和學生都提出了較高要求.合理可行的教學策略和教學方法不僅能使學生具備初步的實驗設計能力，更能使蘊藏在學生身上的創造性和學習潛能得以充分發揮,實現學生由被動學習向主動學習的轉變，使學生的創新思維能力、科學探索精神得到培養。

作者：楊彩玲 白林 陳明凱 羅榕 單位：蘭州城市學院化學與環境科學學院