提高學生創新和科研能力的有機化學實驗課程體系

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(中國海洋大學化學化工學院 ,山東 青島 266100)

有機化學實驗課程是我校化學相關專業的重要的專業核心基礎課之一，是驗證所學理論知識、訓練學生基本技能、培養學生動手能力的首要環節，對培養學生的創新性思維、創新能力和科研能力均有著重要作用。堅實的有機化學實驗操作技能，有利于學生對化學專業知識的進一步學習，而且對日后承擔的教學、科研和生產工作也產生很大的影響。

但長期以來在有機實驗教學中，教學內容除了基本操作外，主要為驗證性合成實驗。教學的方法仍然以傳統的教師為中心[1]，課堂上教師對實驗原理、目的、方法、注意事項等逐步講解，并仔細演示實驗裝置的搭建，學生照貓畫虎，按照教師的指導機械的完成實驗內容。這種實驗教學形式，雖然使學生的基本操作得到訓練，但學生會產生很大的依賴性和惰性，不能鍛煉學生解決問題、分析問題的能力，更談不上激發學生的興趣及創新能力的培養。因此對現有的傳統的有機化學實驗課程體系進行改革，建立一種既能提高學生創新及科研能力的有機化學實驗課程體系，是新時代有機化學實驗課程教學面臨的新的挑戰，也是新時代高素質人才培養的需要。

新的時期，隨著化學學科的飛速發展及學生普遍素質的提高，要求有機化學實驗的課程教學體系也要進行相應的改革，以助于學生素質的培養及教學質量的提高。本文針對化學專業有機化學實驗開設中的問題，結合作者十幾年從事有機化學及實驗的教學實踐，多次進行了有機化學實驗教學大綱的修訂，并從實驗內容、實驗開設方式及教學方法等方面，對如何利用有機化學實驗課程體系提高學生的創新和科研能力進行了探討。

1 嚴格規范學生的基本操作，夯實有機化學實驗基礎

規范基本操作技能是學生進行后續實驗的基礎，也是學生科研和創新能力培養的前提。因此，應把規范學生基本操作技能的訓練放在提高學生實驗能力的首要位置[2]。有機化學實驗課程設置時先進行“有機化學實驗的一般知識”、“蒸餾及簡單分餾”、“水蒸氣蒸餾、液體有機化合物的干燥”、“重結晶及過濾”及“熔點的測定”等基礎的單元操作實驗。學生第一節課進入實驗室就要嚴格強調有機化學實驗規范性操作的必要性及實驗室安全注意事項。在單元操作實驗訓練中更要嚴格要求、規范操作。首先要從簡單的實驗儀器裝置抓起，儀器的洗滌、圓底燒瓶的選用、儀器裝置的搭建及拆除等都要符合實驗規范。如最基本的簡單蒸餾，裝置的安裝與連接要注意"自下而上，從左到右"；實驗時要先通水后通電，冷凝水下進上出；溫度計水銀球的位置等等。其次，單元操作實驗中，對類似的方法或儀器的應用范圍要進行對比講解，如蒸餾、簡單分餾、減壓蒸餾和水蒸氣蒸餾都可以用于液體分離，但是各種方法都有一定的適用范圍，通過基本操作訓練要讓學生掌握每種方法的選擇依據，以便于學生在后面的實驗或相關科研工作中進行正確的選擇或應用。另外，在進行蒸餾操作時，冷凝管的選用也是一個非常值得注意的問題。在有機實驗過程中常用的冷凝管有直形冷凝管、空氣冷凝管和球形冷凝管三種，學生在初始階段就要知道三種冷凝管的差別和適用范圍，以便于在后面的實驗過程中進行正確的選擇和應用。

因此，單元操作實驗教師應精講實驗原理和操作注意事項，并進行詳細的示范，使學生不但要學會規范的操作，更要懂得為何這樣做才是科學規范的操作。經過嚴格的規范操作訓練，學生就可以在今后的實驗中正確選擇實驗方法，這樣既訓練了學生的操作能力，又提高了他們解決實際問題的能力。

2 增加綜合性的制備實驗內容，培養學生的動手和分析問題能力

學生經過單元操作基本實驗技能訓練后，就要開始加強綜合性實驗的訓練。綜合性實驗是實驗課程知識的綜合體現，在有機化學實驗課程設置中占有較大的比重，其中包含著大量的基礎實驗知識和基本操作，使學生不僅可以學到新的知識內容，還可以鞏固學生的基本操作能力，培養學生嚴謹的科學態度和良好的實驗技能。如乙酸正丁酯的制備、苯乙酮的制備、正溴丁烷的制備、乙酰乙酸乙酯的制備等實驗，學生會學到新的分水器裝置的使用方法、帶有尾氣吸收裝置的回流裝置的搭建，還會涉及到回流、簡單蒸餾、減壓蒸餾、萃取、液體化合物的干燥等基本操作；肉桂酸的制備、甲基橙的制備、乙酰苯胺的制備、苯亞甲基苯乙酮的制備等實驗，會涉及回流、水蒸氣蒸餾、分餾、重結晶、抽濾等基本操作。并且每個實驗都要求學生詳細記錄實驗現象、計算和記錄最后得到產品的產量和質量、分析實驗結果并找出影響所合成樣品的產量和質量的主要因素。通過一定的綜合性實驗訓練，進一步鞏固學生對基礎有機化學實驗基本操作技能的掌握，使學生初步掌握合成實驗的路線、方法，著重培養學生的動手能力、根據實驗現象分析解決問題的能力。

3 加設應用性實驗，提高學生的學習興趣

興趣是學習的動力，學生有了興趣，便能全神貫注，主動積極地去認識、實踐和創造。為了提高學生的積極性，適當增加了精細有機合成、天然有機物提取[3]等實驗內容。如通過在茶葉中提取咖啡因的實驗，學生從茶葉的研磨開始，初步了解了天然產物提取的方法，掌握索氏提取器的工作原理和使用方法，同時還訓練了升華操作，進一步鞏固蒸餾及熔點的測定等操作。最近實驗大綱修訂中，又增加了阿司匹林的制備實驗，阿司匹林是一種歷史悠久的解熱鎮痛藥，藥物是大家都熟悉的食物，通過實驗可以使學生簡單了解藥物的發現及制備過程、藥劑的作用機理等常識，同時又加強了酚酯制備過程的理解及重結晶等單元操作。通過這些實驗開設，可以引導學生進一步思考身邊相關的與生活密切相關有機化學問題，從身邊熟悉的事物出發，激發學生對有機化學實驗的興趣，進一步提高學生的科研和創新能力。

4 開設設計性實驗，提高學生的創新和科研能力

在基礎性實驗、綜合性等實驗訓練基礎上，學生已具有了一定的有機化學理論知識和實驗技能，因此，在實驗課的后期階段可以安排一定的設計性實驗。設計性實驗是由任課老師提前給出實驗題目及實驗要求和條件，布置學生先利用課下時間查閱各類文獻資料，按照科技論文的格式寫出文獻綜述；并根據要求及實驗要求及條件，設計出合成路線、實驗裝置圖及實驗方案，并按照自己設計的實驗方案完成操作的實驗類型。設計性實驗從資料查閱、實驗路線的設計等都由學生獨立完成，通過實驗訓練，學生獨立動手、動腦的能力，及綜合運用所學的有機化學理論知識與實驗技能的能力都得到了進一步的提升，提高了學生學習的自主性、創新及科研能力[4-5]。

設計性實驗的內容難易適中。過于簡單，學生得不到鍛煉；太難，打擊學生積極性。只有選擇典型的、難度適當的、具有多種設計方案和實施可行性的實驗項目，才可有效地訓練學生的思維。因此有機化學設計性實驗應該是在實驗室現有條件下選擇包含知識點多、合成路線多、基本操作多、安全可靠的實驗。如大綱中選擇了由苯甲醛為原料設計合成二苯乙醇酸的實驗。在實驗時至少提前2周，把題目布置給學生，讓學生利用課下時間充分利用圖書館資源查閱各種文獻資料，找出各種可能的合成路線、實驗原理及反應條件，并對各路線進行分析匯總，設計出自己認為合理可行的實施方案。這個階段要求學生提交科技文獻格式的綜述及實驗設計報告，并附參考文獻。學生可以查到近三十種合成路線組合，然后再利用課堂討論由學生講解可行的方法，將各種合成路線進行分類、找出各種方法的優缺點，在教師的引導下根據實驗藥品的毒性、實驗過程的可操作性、反應收率及現有實驗條件等方面確定自己的實施方案，并寫出最終、詳盡的實驗步驟。最后學生按照自行擬定的實驗方案進行實驗，在實驗過程，教師不再進行詳細講解、強調實驗要點。因為實驗過程中，不同學生采用不同的合成路線和實驗條件，因此，要求學生實驗過程中詳細記錄實驗現象，并及時對實驗中出現的問題進行分析總結，比較各方法所得產物的外觀、純度及產率，判斷設計方案的可行性。實驗完成后，學生需按照科技論文格式提交實驗報告。

總之，設計性實驗的開設，學生自己查閱文獻、自行設計實驗方案、選擇合適的實驗儀器和試劑、獨立完成實驗操作，最后提交論文報告；鞏固了課堂理論知識，訓練了學生查閱及分類整理文獻能力，培養了獨立進行綜合操作技能及綜合運用知識的能力，能夠充分發揮學生的主動性、積極性和創造性，因此設計性實驗是一個幫助學生提高實驗技能、樹立正確的科研精神、培養創新能力的重要途徑。

5 拓展研究創新性實驗，提高學生實踐創新能力

學生的創新和科研能力的提高，不能僅僅限于實驗課堂教學。因此，結合本校的相關政策，把有機化學實驗教學與開放實驗室、本科生研究發展計劃(SRDP)、國家大學生創新性實驗計劃和本科生的導師制有機結合起來，在實驗課程后期或實驗課程結束后，指導學生參與老師科研活動、申請相關的“研究創新性實驗”課題，培養他們的科研能力。“研究創新性實驗”課題是與老師一些科研課題相關的題目，涵蓋了復雜有機化合物的合成、表征、分離與鑒定等內容，有的題目還涉及有機化學與材料、醫藥、生物、環境等多個學科的交叉，具有較好的創新性和前沿性。如在茶葉中咖啡因提取實驗和大量文獻的基礎上，我們申請了“冬青葉提取物及其作為鹽酸酸洗緩蝕劑的研究”。學生申請到相關的課題后可以在有機開放實驗室或相應的科研室進行相關的實驗工作。通過查閱文獻，學生書寫項目申請書，自己設計實驗方案和實驗步驟，拓寬學生的知識視野，提高其自學能力和理論聯系實際的能力；實驗過程中，學生對實驗步驟、現象、出現的問題詳細做好記錄，養成良好的科研習慣，增強學生綜合實驗能力、發現問題和解決問題的能力；通過整理實驗數據、撰寫報告，使學生掌握了科學研究方法，培養其科學研究能力；通過實驗中項目小組同學間的研究討論，培養學生的團結協助精神。

通過這樣的研究設計性實驗，學生提前了解了老師科研項目的相關工作，受到了一次完整的科研過程訓練，研究與創新能力得到了進一步鍛煉和提高，為其今后從事相關的的科研工作打下良好的基礎。

6 建立立體化的教學方法體系，提高學生的參與度及科學素養

在強調“以學生為中心”的教育理念的指導下，涌現出各種教學方法。如PBL教學法、探究式教學、雨課堂、翻轉課堂等，針對有機化學實驗課程的特點，在多年的教學積累下，有機化學教學團隊也嘗試了很多教學方法，形成一套適用于有機化學實驗的教學體系。如教學設計時，蒸餾、簡單分餾、水蒸氣蒸餾和減壓蒸餾這幾個單元操作實驗采用了比較教學法。進行到某個實驗時，要求學生對比著學習每種單元操作的實驗原理、

實驗裝置及應用范圍之間的區別和聯系，在比較過程中提出疑問，從而提高了實驗的教學質量，也為學生后面本科畢業論文或科研中遇到類似的化合物分離的問題打下了基礎。另外，有機化學實驗中還摸索了一套LBL (Lecture-Based Learning)和PBL (Problem-Based Learning)[6-7]相結合的雙軌教學模式，通過精心的教學設計，使學生先通過傳統LBL教學法在基礎性實驗部分打下堅實基礎。再選取綜合實驗中幾個代表實驗如“乙酸正丁酯的制備”、“茶葉中提取咖啡因”“苯亞甲基苯乙酮的制備”等采用了PBL教學，訓練學生的參與、討論的熱情，為了減少學生負擔，其它實驗仍以LBL教學為主。最后的設計性實驗就采用完全教學模式，實驗教學分3～4周時間完成，教師以答疑和討論的形式進行指導。LBL-PBL教學法綜合了這兩種教學模式的優點，既加強了學生基本實驗操作能力，又加強了學生創新、科學素質的培養，符合目前高校實施素質教育、培養創新人才的要求。

7 提高學生創新和科研能力的有機化學實驗課程體系

在科技創新的時代，社會對人才素質提出了更高的要求，培養學生的創新和科研能力、提高綜合素質已成為全社會的共識。有機化學實驗作為我校化學相關專業的一門核心基礎課，不僅要給學生傳授有機化學實驗相關的基本知識與基本操作技能，還要把學生創新和科研能力的培養貫穿于有機化學實驗教學過程中，使學生在掌握基礎知識的同時獲得較高的綜合能力，也使這門課程貼近學生需求、激發學生興趣、更受學生的喜愛。而學生創新和科研綜合能力的培養是一個長期的過程，需要在教學實踐中不斷探索、改革、總結和提高，通過開設基礎性實驗、綜合性實驗、應用性實驗、設計性實驗、創新實踐，并結合各種教學方法和教學手段，逐步地提高學生實驗過程中的參與性、積極性和主動性，更好地鍛煉學生理論與實踐結合能力、發現問題、分析問題和解決問題的能力。在現有實驗條件下，給學生提供盡可能的廣闊的思維空間，提高學生綜合的科學素質，需要老師和學生們的共同努力。