提供中學生深度科研體驗的高端有機合成課程開發與實施

陳鶴 董素英 劉作亮 孫士元 周逸清 周瀚洋??

摘要： 構建高端有機合成項目課程平臺，該平臺為對化學、科研感興趣的學生提供了一個深度的科研體驗。專業實驗室和高學歷的指導教師隊伍，保證項目研究的學術性。多樣化的研究課題為學生提供多種選擇。具有包容性和開放性的課程實施策略滿足學生個性化發展需要。實踐結果表明： 高端有機合成課程對學生科研素養培養有積極作用。采用自主研發的中學生科研素養評價指標體系進行自評，參加高端有機合成課程的學生，科研素養得分有所提高。

關鍵詞： 中學化學教育； 科研素養； 校本課程； 科學教育

文章編號： 10056629（2018）8003406 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

北京市十一學校秉承“以學生為主體”的理念，構建了4個層次的化學課程[1]，高端有機合成項目課程是學校化學教學課程體系的完善與補充，使得中學化學教學形成了從學科知識到項目實踐研究的完整課程體系。

中學生接觸科研項目其實不是一件新鮮事，比如北京的“翱翔計劃”、“英才計劃”及“后備人才計劃”等等[2， 3]，都是立足于中學階段培養學生的科研素養。但是，主要依靠大學的資源和力量對中學生進行培養，存在“水土不服”的問題[3]，且對于學業繁重的中學生而言，奔波于大學和中學之間，時間成本太高。其次，由于資源的稀缺性，以及參與資格競賽性的特點，能夠進入到這些活動的學生人數是非常有限的。在中學階段，更多學生沒有真正接觸過科研，因此給對科研有好奇心、有興趣的學生提供一個平臺，通過深度的科研體驗，讓他們了解科研，從而激發他們對科研的興趣，引導他們樹立將來從事科研的志向，這有利于國家科研創新人才的培養。

高端有機合成項目課程關注學生科研素養的早期培養。具體表現在： 使學生獲得親身參與科學研究的體驗；培養發現問題和解決問題的能力；培養收集、分析和利用信息的能力；養成科學態度與科學道德；培養創新能力和實踐能力；熟悉進行科研課題研究的一般方法；掌握基本的科研技能，包括文獻查閱能力、實驗設計與評價能力、實驗儀器與儀器操作技術、論文寫作能力、答辯與表達能力和團隊合作能力。

1 構建高端有機合成項目課程平臺

1.1 高端有機合成項目課程的實驗室建設和師資要求

要達到以普通中學為主要陣地，依靠中學資源培養學生科研素養的目的，學校就要承擔大部分研究工作的開展。因此，必須在中學建立專業的有機合成實驗室，以滿足常規的有機合成實驗及有機物結構鑒定的需要。鑒于中學化學教材已經引入利用紅外光譜、核磁共振氫譜、質譜等現代儀器分析有機物結構的知識，且這些儀器和分析手段是有機合成研究中不可缺少的，我校在籌建高端有機合成實驗室時，優先保證上述結構分析儀器的配備，之后根據學校擬定的課題研究方向，配置了如表1所示的大中型儀器。

實驗室內配有一個通風櫥；各實驗臺上均有萬向通風罩；其他的小型儀器，則根據課題的需要，指導教師可以隨時向學校申請購買。

在師資配置上，為保證科研課題的學術性，讓學生的研究工作能夠深入，盡可能接近真實的一線科研工作，高端有機合成項目課程的指導教師要求碩士以上學歷，自身必須具有科研經歷。目前高端有機合成實驗室共有5位指導教師，其中，1位是清華大學畢業的博士，2位是中科院化學所畢業的博士、1位是北京理工大學畢業的博士，1位為清華大學畢業碩士。這5位指導教師均是本校教師。本校教師擔任項目課題的指導老師，可以最大程度地方便學生和教師之間的交流，真正做到依靠中學力量培養學生。

1.2 選課、上課與學分獲得

高端有機合成項目課程建設的初衷是給對科研有興趣的學生提供深度的科研體驗，因此，有興趣的學生就可以參加。怎么解決學生人數的問題呢？經過研究，我們的實施方案是縮短課程鏈，增加選課次數，讓有興趣的學生都有機會參與，通過課程實踐進行淘汰，只有那些非常有興趣和有天賦的學生才能堅持深入研究。即每學期選課一次，第一次沒有搶到課的學生，以后的每個學期都有機會參加搶課。而搶到課的學生需要完成兩個大學段的學習，通過課程考核可得2個學分。為保證科研的基本質量，規定每個學段至少需要16小時（每周至少兩小時，根據具體課題和教師的要求，有些課題可能需要更多學時）。初中學生選課后需要進行面試，面試合格后才可以參加。為保證選課學生在實驗開展過程中能與指導教師有充分交流的機會，同時考慮實驗場地、資源的限制，最終決定每個指導教師開展的課題限報12人。

上課時間的確定是高端有機合成項目課程的一個難點。時間和精力是制約學生課題開展及課題深入程度的一大要素，沒有固定的時間要求，課程的質量、項目的進展得不到保證；而完全依靠周末和寒暑假的時間，無疑會打擊參與學生和教師的積極性。另外，很多有機合成實驗，僅合成反應一步就需要數個小時，因此必須有整塊的時間投入，才可能保障實驗的正常進行。經過研究，我們采取固定每周上課時間，同時利用小學段大塊時間相結合的方式開展課程。具體為每周上課時間固定在4：20～5：20，這個時間段是放學前的最后一個時間節點，如果有實驗沒有完成，可以順延到晚上，不與學生的其他課程沖突，而對于需要連續幾個小時才能完成的合成實驗，則集中在小學段完成（小學段在期中考試后，持續2周，這2周學生完全自主學習）。

1.3 課程資源建設

真實的科研必需要查閱文獻，文獻查閱是科研課題開展很重要的一部分，只有閱讀大量與課題相關的文獻，才可能提出合理的實驗方案。課程開設之初，由于時間和經費的限制，文獻主要由指導教師查閱，然后篩選出來給學生閱讀，課堂僅介紹文獻查閱的方法。然而這種文獻查閱處理方式的結果是，在后續的實驗開展階段，學生遇到問題后，不會主動檢索文獻解決，比較依賴教師。為更好地培養學生查閱文獻、獨立解決問題的能力，我們最終決定向學生開放購買的中國知網數據庫的賬號和密碼，學生在實驗開展的各個階段，都必須自己查閱文獻，提出實驗方案，解決實驗中遇到的問題。

高端有機合成項目課程對全校學生開放，由于學生層次水平的不同，對有機知識的了解程度不同，指導教師編撰了課程手冊《有機合成簡介》，方便學生有需要時翻閱。課程手冊結合實驗室的課題方向和實驗室配置的大中型實驗儀器，介紹了部分有機合成的基礎知識以及常見分析儀器的使用方法。

2 高端有機合成項目課程的實施

2.1 課程實施具體流程

高端有機合成項目課程實施流程如圖1所示。學校課程管理辦公室全面負責高端有機合成項目課程的管理工作，包括組織科研課題的申報以及組織化學學科科技教育負責小組對申請課題進行審查篩選。課題指導教師每學期只能申報1個科研課題，尚未結題者不得另外申請新的課題，對選定的課題應精心設計、論證，實事求是地制定研究計劃和經費預算。課題研究周期一般為1學期或1年，最長不超過3年。

2.2 課程實施策略

指導教師在申報課題時，必須充分考慮學生的實際情況，不宜開設過于艱深的課題，尤其注意不宜開設諸如在加熱情況下反應超過10小時的研究課題，合成時間太長，學生在時間上無法保證。高端有機合成項目課程目前有5個不同的研究課題： （1）酶促水凝膠的制備及表征；（2）具有光學特性的有機小分子探針合成，并對其性能進行研究；（3）以馬來酸酐為原料合成含有烯二炔核心結構的小分子，進而制備高分子；（4）熒光素的合成與表征；（5）乙酰水楊酸的合成與表征。這5個課題中，前三個課題，屬于原創類研究課題，因此沒有現成的實驗方案，學生必須和教師一起閱讀文獻，制定實驗方案，實驗過程中遇到的問題也必須依靠學生自己解決，對學生和教師的挑戰都很大。后兩個研究課題文獻中可以查到成熟的實驗方案，指導教師對實驗比較了解，僅對學生而言是全新的，且與前三個課題相比，也相對簡單。5個研究課題，2個研究層次，供學生選擇，使學生能更好地根據自己興趣和水平選擇相應的課題。

由于學生每學期選課一次，課程的設計必須滿足學生既可以多個學期選定一個研究課題進行深入研究，也可以在一個研究方向上只進行一個學期的學習，第二學期更換其他感興趣的研究方向。因此課程必須具有包容性和開放性。

（1） 不要求所有的學生課堂內容統一，課題研究進度統一。中學生做科研，首先遇到

的是知識儲備的問題。由于課程面向全校學生開放，學生年級跨度大，學生知識水平差異大。比如有的學生剛剛接觸化學，完全沒有學過有機；有的學生正在學基礎有機化學

模塊；有的學生已經學完了基礎有機化學模塊；而參加化學競賽的學生，已經開始學大學的有機化學。因此，必須依據學生的知識水平進行分組，制定不同的學習內容，同時將課程內容進行“切塊”處理。高端有機合成項目課程共切為五塊： 分別是文獻檢索、理論知識、基礎實驗、課題實驗、科技論文撰寫。文獻檢索和科技論文撰寫部分可以統一教授，而理論知識、基礎實驗、課題實驗三個部分，根據學生水平差異，進行分組指導。

（2） 允許學生自主實驗，確保課題持續性。在基礎實驗和課題實驗之上，設有自主實驗，允許和鼓勵學生將課題做深做大，提出自己后續的想法和方案，自主研究。這種提供學生進階空間的實施策略，可以滿足不同程度學生發展的需要。如上學期教師帶著做小課題，做得好的學生，下學期獨立開展課題，進行自主實驗。董素英老師第一學期帶領一組學生進行“乙酸戊酯的合成和紫甘藍色素提取、光學分析的研究”；第二學期，學生在此基礎上提出自己的想法，自然而然分離出兩個課題“紫甘藍色素與酸堿反應可逆性研究”和”紫甘藍色素定量測定水的pH”。這樣的課程實施策略，符合、尊重學生的個性化發展，為學生進行自己感興趣的課題，提供了充足的空間。

3 高端有機合成項目課程的評價考核

高端有機合成項目課程的評價采取過程性評價、論文、課題答辯三者相結合的評價方式。由于不同課題之間差異性較大，過程性評價由各個教師自主設計評價指標及標準。最終成績中過程性評價占40%，終結性評價占60%。所有的過程性評價隨課程開展上傳學校課程平臺，師生可以查看。根據課題開展情況，在學期末，進行終結性評價，即學生進行中期匯報或結題答辯，提交中期匯報或結題論文，由指導教師負責質量把關。所有課題由學校課程辦公室統一安排集中答辯，答辯向全校師生開放，按照10分鐘自述，3～5分鐘提問進行，會場學生和教師均可提問。按照課題周期，如是一學期結課的課題本學期末進行結題答辯；一年結課的課題進行中期答辯。評委教師當場給答辯小組進行評審。答辯結束后，評審團將結果反饋給各指導教師，指導教師將成績上傳網絡平臺，并賦學分。

4 實踐結果

4.1 課程實施的效果

高端有機合成課程自2014年開設以來，歷經3年，參與學生近200人，受到學生的喜愛和肯定。學生在總結中寫道：“我驚奇地發現自己在課上變得自信、活躍起來，這和初中那個只會埋頭記筆記的我是完全不同的。在下一個學期，老師更多的時候就是站在旁邊看著我們實驗，或者幫助我們跑腿，去給我們到處借橡膠管……，所以我們學會過柱子、學會點板、學會通氮氣、學會旋蒸、學會寫論文、學會答辯、學會主動收拾實驗室衛生”“高端課是學校送給我們一份珍貴的禮物”“高端課教會了我科學嚴謹的證明態度，為我以后的化學學習打下了良好的基礎，而我也能樂在其中，發現化學的美”。在課程開展的3年中，有的課題組發現自己研究的結果和文獻相矛盾，通過反復驗證，提出方案，最終給出了自己的結論；有的課題組根據自己的實驗，總結撰寫論文，并公開發表[4]。也有很多學生選了一學期的課后就放棄了，他們表示科研比想象中苦和累。但是無疑地，高端有機合成課程給了中學生一次真正認識科研，了解科研的機會，同時幫助他們更清楚地認識自我，有助于學生今后發展的規劃。

為評價高端有機合成項目課程對學生科研素養的培養作用，我們研究開發了中學生科研素養評價模型，利用模型調研學生科研素養得分。

（1） 數據采集及學生基本信息說明

學生調研對象是北京市十一學校在校高中學生，覆蓋我校高一至高三年級學生，發放自評量表300份，回收255份，有效問卷255份。

（2） 調研結果及分析

各指標滿分是5分，按照“非常符合”、“比較符合”、“一般符合”、“不符合”、“很不符合”五個等級，分別賦分5、 4、 3、 2、 1。根據中學生科研素養的總評價模型計算結果顯示，上過高端有機合成項目課程的學生，在各指標的得分都有所提高。一級指標中，高端項目課程對學生科研精神的影響最大，其次是科研能力。二級指標中，高端項目課程使學生“撰寫科技論文的能力”提升最大，說明高中常規科學教育在培養撰寫科技論文方面比較薄弱；二級指標中提升最小的是“團隊合作精神”，這說明我校在常規教學中廣泛采取的小組合作學習方式取得了一定的成效，較好地培養了學生的團隊合作精神。

進一步分析高端項目課程對學生科研素養的培養，我們把參與高端項目課程時間長短不同的學生分數進行對比，如表3所示。隨學生參與課程的時間增加，科研素養評價得分均增加。

4.2 存在的問題

每學期的答辯和論文撰寫時間與期末考試時間接近，學生較難兩者都兼顧好，導致有些論文寫得比較粗糙，論文水平較難有進一步的提升，這一直是一個困擾，目前沒有想出特別好的解決方案。另外，指導教師投入大量的時間和精力，對教師來說也是一個挑戰，如何能將學校最優秀的教師吸引到課程中？已經加入到課程中的教師，高端課大量的時間精力投入，是否會影響他們常規化學

課的教學？如何平衡好高端課和常規化學課的時間投入比例？這些問題需要今后繼續加強研究。

參考文獻：

[1]王篤年.選課走班形勢下的分層化學課程建設實踐研究[J].化學教學，2017，（1）： 30～34.

[2]羅潔.高中階段創新人才培養模式的探索—北京市“翱翔計劃”的思考與實踐[J].教育研究，2013，（7）： 54～60.

[3]俞水.高中大學聯彈，彈出好曲有多難[N].中國教育報，2012630（003）.

[4]陳鶴，王少琛，張文陽等.可注射型酶促高分子水凝膠的制備及表征[J].化學教育，2018，（5）： 73～77.