大學(xué)化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略與優(yōu)化

　　摘 要： 本文從教學(xué)內(nèi)容、組織引導(dǎo)、教學(xué)評(píng)價(jià)三個(gè)方面總結(jié)了開(kāi)展化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略及其優(yōu)化途徑。
　　關(guān)鍵詞： 本科化學(xué)專業(yè) 化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn) 教學(xué)策略
　　
　　化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，化學(xué)規(guī)律和理論都是從實(shí)驗(yàn)中獲得。化學(xué)化工類專業(yè)的本科生，不僅應(yīng)該熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能，而且必須以實(shí)驗(yàn)為手段進(jìn)行科學(xué)研究，以創(chuàng)造知識(shí)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程是學(xué)生先預(yù)習(xí)并寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，然后教師課堂講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、可能出現(xiàn)的問(wèn)題等，最后學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，教師巡回指導(dǎo)，它主要解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能問(wèn)題。由于所選取的都是成熟的、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，課本對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程又介紹的很詳細(xì)，學(xué)生完全能依據(jù)現(xiàn)成方案完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，因此學(xué)生不需要?jiǎng)幽X筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探索，也不需要解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題，這就達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生具有初步科學(xué)研究能力的目的。新的本科化學(xué)專業(yè)規(guī)范要求高校重在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，為了這一目標(biāo)，在完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)之后，化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)便應(yīng)運(yùn)而生，以提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，并使學(xué)生獲得對(duì)科研的初步認(rèn)識(shí)。
　　要順利完成研究性實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置目標(biāo)，關(guān)鍵在于教師的教學(xué)。然而，化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)是一門新的課程，它不像基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢佑兄墒斓慕虒W(xué)策略和教學(xué)模式，而且是要求教師既引導(dǎo)、幫助學(xué)生順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考、解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。因此，教師不僅要付出更多的精力，如何實(shí)施與優(yōu)化研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略也是一個(gè)挑戰(zhàn)。我院對(duì)化工、應(yīng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)了化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們對(duì)教學(xué)策略進(jìn)行了探索和優(yōu)化。
　　一、研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇策略與優(yōu)化
　　研究性實(shí)驗(yàn)的題目由教師指定，即教學(xué)內(nèi)容由教師選取。教學(xué)內(nèi)容的選擇對(duì)于研究性實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施起著非常關(guān)鍵的作用，教師應(yīng)加強(qiáng)知識(shí)的積累，了解化學(xué)學(xué)科的研究動(dòng)態(tài)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的難易程度、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的條件、學(xué)生的實(shí)際知識(shí)水平和能力做到心中有數(shù)。通過(guò)嘗試，我們?cè)谶x擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)遵循以下一些策略。
　　1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要與學(xué)生的知識(shí)能力相適應(yīng)。化學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)一般在大學(xué)二年級(jí)學(xué)生中開(kāi)設(shè)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)完成基礎(chǔ)化學(xué)理論課和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，具備了一定的理論知識(shí)水平，并能熟練完成實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)操作。選擇研究性實(shí)驗(yàn)題目不能僅僅著眼于實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練，也不能照搬現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)，必須著重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力和探究能力。所選取的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有一定的難度并具有一定創(chuàng)新性，這樣才能激發(fā)學(xué)生的研究激情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。但是，研究性實(shí)驗(yàn)不是科學(xué)研究，教師也不能圖省事直接將自己的研究課題交給學(xué)生做，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容難度超出學(xué)生能力范圍將會(huì)打擊學(xué)生的積極性，也達(dá)不到培養(yǎng)目標(biāo)。因此，所選取的實(shí)驗(yàn)必須符合學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平，學(xué)生通過(guò)努力能夠順利完成。
　　2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要與所學(xué)理論相結(jié)合。以有機(jī)化學(xué)為例，學(xué)生在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)中學(xué)習(xí)了大量的反應(yīng)類型和反應(yīng)規(guī)律，如取代反應(yīng)、縮合反應(yīng)、電子效應(yīng)、空間位阻效應(yīng)等。所選取的實(shí)驗(yàn)應(yīng)為學(xué)生所學(xué)的反應(yīng)和理論范圍之內(nèi)，這樣學(xué)生不僅會(huì)覺(jué)得化學(xué)理論知識(shí)并非抽象，而是能夠解決實(shí)際問(wèn)題，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生在所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。
　　3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要與生產(chǎn)相結(jié)合。當(dāng)今的科研早已走出象牙塔，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合日益緊密，因此，所選實(shí)驗(yàn)題目最好與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，能夠解決生產(chǎn)中的問(wèn)題，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)成果的重要意義，從而更大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹(shù)立“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的觀點(diǎn)。
　　4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要盡量新穎。這是因?yàn)橐环矫嫜芯砍墒斓恼n題很難有所創(chuàng)新，少了研究的意味，另一方面已有的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程很容易使學(xué)生產(chǎn)生思維惰性，造成照單抓藥的局面。而新穎的課題有利于激發(fā)學(xué)生研究熱情和成就感，甚至獲得較好的研究成果。
　　5.所選實(shí)驗(yàn)還要考慮本校實(shí)驗(yàn)室的具體條件。例如，地方性本科院校一般缺乏核磁共振儀、高分辯質(zhì)譜儀等大型分析儀器，就不宜選擇合成或提取新化合物的實(shí)驗(yàn)。
　　基于以上認(rèn)識(shí)，我們根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)擬定了幾個(gè)題目，供學(xué)生選擇。例如，以鄰苯二酚為原料常壓下合成胡椒環(huán)的實(shí)驗(yàn)為研究性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。胡椒環(huán)是一種重要的化工產(chǎn)品和藥物中間體，目前工業(yè)上采用高壓合成，選題與生產(chǎn)結(jié)合，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。胡椒環(huán)的合成是鄰苯二酚發(fā)生分子間的取代反應(yīng)或縮和反應(yīng)，這是有機(jī)化學(xué)中最重要的一類反應(yīng)類型，也是學(xué)生必須掌握的，有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通、活學(xué)活用。常壓下胡椒環(huán)的合成尚處于研究階段，相關(guān)文獻(xiàn)較少，較為新穎，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。由于胡椒環(huán)是已知化合物，其表征只需要紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比對(duì)即可，我院的實(shí)驗(yàn)條件完全能夠滿足。除此之外，該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)還具有合成方法多、基本操作多的特點(diǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新性思維，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)技能。
　　二、研究性實(shí)驗(yàn)的組織引導(dǎo)策略與優(yōu)化
　　研究性實(shí)驗(yàn)不像基礎(chǔ)性、綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)菢佑山處熖峁┰敿?xì)的實(shí)驗(yàn)方案，教師只有提供研究目標(biāo)，完全由學(xué)生擬定實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)。因此，教師在實(shí)施研究性實(shí)驗(yàn)前就應(yīng)做大量的準(zhǔn)備工作。一般是事先選擇合適的時(shí)間組織學(xué)生以組會(huì)的形式進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、方案論證，實(shí)施研究性實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)引導(dǎo)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性。由于研究性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行，我們選擇了大二的學(xué)期期末的最后一周作為實(shí)驗(yàn)周來(lái)實(shí)施。此時(shí)，一方面學(xué)生已經(jīng)完成大學(xué)化學(xué)理論和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，為研究性實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，同時(shí)學(xué)生在完成期末考試后時(shí)間很寬余，能夠充分投入實(shí)驗(yàn)中。另一方面實(shí)驗(yàn)室也相對(duì)空閑，為順利實(shí)施研究性實(shí)驗(yàn)提供了保證。我們?cè)跀M定實(shí)驗(yàn)時(shí)間后，提前兩個(gè)月將實(shí)驗(yàn)課題布置給學(xué)生。具體作法是，先將一個(gè)班的學(xué)生分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組5—7人并選出一名小組長(zhǎng)。教師進(jìn)行一次授課，主要講解文獻(xiàn)資料的檢索方法、課題的設(shè)計(jì)方法和課程要求，然后以小組為單位要求學(xué)生自己分工查閱相關(guān)文獻(xiàn)、制作演示幻燈片、完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。此后每?jī)芍苓M(jìn)行一次組會(huì)，前兩次進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，要求每組學(xué)生派一名代表以幻燈片的形式對(duì)上兩周的相關(guān)文獻(xiàn)閱讀進(jìn)行總結(jié)，講解綜述前人相關(guān)工作。其他同學(xué)可以自由提問(wèn)，最后由教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。后兩次則論證本組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，教師引導(dǎo)學(xué)生在充分討論的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件、設(shè)計(jì)方案的可行性指導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)方案并完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告，最終提交實(shí)驗(yàn)所需儀器和試劑清單。
　　還是以合成胡椒環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，我們將胡椒環(huán)的合成題目布置給學(xué)生后，學(xué)生查閱了大量的文獻(xiàn)資料，在綜述中展示了封管高壓反應(yīng)合成法、相轉(zhuǎn)移催化劑合成法、高沸點(diǎn)溶劑常壓合成法等各種胡椒環(huán)的合成方法。這樣就使學(xué)生對(duì)該課題有了比較全面的認(rèn)識(shí)，了解了前人合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)做了準(zhǔn)備。在方案設(shè)計(jì)上，我們鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，即采用前人沒(méi)有研究過(guò)的方法來(lái)合成目標(biāo)化合物，并強(qiáng)調(diào)允許失敗。在此基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了較好的可行性和創(chuàng)新點(diǎn)，有一組學(xué)生以鄰苯二酚和二氯甲烷為原料，一組以鄰苯二酚和二碘甲烷為原料，還有兩組學(xué)生以鄰苯二酚和甲醛為原料（圖1）。最后通過(guò)討論，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，將二碘甲烷換成二氯甲烷和催化量的碘化鉀，另一組將甲醛換成更易操作的多聚甲醛進(jìn)行嘗試。
　　完成實(shí)驗(yàn)前的設(shè)計(jì)后，我們盡量滿足學(xué)生所需的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)試劑，放手讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室按照自己設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師不需要像基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢与S時(shí)呆在實(shí)驗(yàn)室，只需檢查安全即可。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中肯定會(huì)遇到問(wèn)題，要鼓勵(lì)他們獨(dú)立思考、相互探討，如果還不能解決可邀請(qǐng)教師一起討論。例如在上述實(shí)驗(yàn)中，以甲醛為原料的學(xué)生發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量黑色固體，沒(méi)有獲得產(chǎn)品。學(xué)生經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為黑色固體是某種副反應(yīng)產(chǎn)物，但不知道是什么副產(chǎn)物，如何避免。在和我們一起進(jìn)行討論時(shí)，我們引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)的選擇性入手考慮，很快大家達(dá)成共識(shí)：由于羥基活化苯環(huán)，鄰苯二酚對(duì)甲醛的親核加成反應(yīng)不僅可能發(fā)生在氧上，而且可能發(fā)生在芳環(huán)上，因此黑色固體極有可能是酚醛縮和所產(chǎn)生的聚合物。酚醛縮和是在酸性或堿性條件下進(jìn)行的，因此可以嘗試從控制反應(yīng)介質(zhì)的酸堿性著手減少副反應(yīng)。
　　
　　對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式我們也作了優(yōu)化。為了體現(xiàn)研究的性質(zhì)，我們要求學(xué)生參考學(xué)術(shù)期刊論文的形式進(jìn)行書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每位組員都要寫下自己所做的工作，然后每小組由一名學(xué)生執(zhí)筆、共同總結(jié)完成一篇小論文。完成初稿后交由教師評(píng)閱，然后教師根據(jù)存在的問(wèn)題指導(dǎo)學(xué)生修改論文，使之達(dá)到要求后再定稿上交。這樣經(jīng)過(guò)參考、寫作、修改、定稿過(guò)程，學(xué)生的數(shù)據(jù)整理分析水平、論文寫作水平都得到了很大的提高。教師要著重強(qiáng)調(diào)必須如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不能為了好的結(jié)果隨意篡改數(shù)據(jù)，對(duì)引用前人工作要標(biāo)注文獻(xiàn)出處，以培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)術(shù)道德。通過(guò)這樣的訓(xùn)練，有的小組論文已經(jīng)達(dá)到實(shí)戰(zhàn)水平，其中一個(gè)小組還向?qū)W報(bào)投稿。
　　三、研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)評(píng)價(jià)策略及優(yōu)化
　　基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)方式比較單一，只需根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)、操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況對(duì)每一名學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)和考核。研究性實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)方式則要復(fù)雜得多，首先研究性實(shí)驗(yàn)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作過(guò)程，雖然小組中每一名學(xué)生的任務(wù)不同，有的側(cè)重于資料收集，有的側(cè)重于操作，有的側(cè)重于分離純化，但是只有每一名學(xué)生都具有團(tuán)隊(duì)精神并積極參與實(shí)驗(yàn)，小組才會(huì)取得好的成績(jī)。其次也不能吃大鍋飯，要激勵(lì)那些勤于思考、勇于探索、努力勞動(dòng)的學(xué)生。我們采用的評(píng)價(jià)策略是小組成績(jī)與個(gè)人成績(jī)相結(jié)合原則，首先教師根據(jù)每個(gè)小組答辯情況、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、論文水平對(duì)每個(gè)小組給出一個(gè)平均分。然后小組長(zhǎng)根據(jù)每位同學(xué)的工作和現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)，給出其對(duì)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)百分率。最后教師按照小組成績(jī)（50％）加個(gè)人成績(jī)（50％）的方式對(duì)學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　值得注意的是，研究性實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生能夠獨(dú)立思考，善于創(chuàng)新，具有初步的科研能力。為了激勵(lì)學(xué)生探索精神，教師應(yīng)該著重評(píng)價(jià)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，如文獻(xiàn)查閱是否充分、設(shè)計(jì)方案是否合理、是否具有創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否刻苦等等，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果好壞不作為評(píng)價(jià)依據(jù)。例如上述實(shí)驗(yàn)中，我們有一個(gè)小組以甲醛為原料沒(méi)有獲得產(chǎn)品，但是他們的方案還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道，具有較大的創(chuàng)新性，在遇到問(wèn)題后他們?cè)敿?xì)地分析了副反應(yīng)的原因，并為消除副反應(yīng)作了許多努力，因此我們?nèi)匀唤o了他們小組較高的成績(jī)。
　　通過(guò)對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略的實(shí)施與優(yōu)化，我們收到了良好的教學(xué)效果。學(xué)生對(duì)這種自主參與度高，具有一定難度與挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)課程表現(xiàn)出了極大的熱情和興趣，為了做更多的實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)生常常在實(shí)驗(yàn)室呆到深夜。從設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)看，學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力、自主學(xué)習(xí)的能力、解決問(wèn)題的能力、創(chuàng)新思維的能力及論文寫作能力都得到極大的鍛煉和提高。大學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略還有很多，需要進(jìn)一步探索，我們相信，對(duì)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略的改革和優(yōu)化必將最大限度地整合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力和創(chuàng)造力，從而為學(xué)生將來(lái)的科研和實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)。
　　
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