創新綠色理念融入有機化學綜合設計實驗的實施路徑

孫 琦， 李 猛， 王 剛， 奚江波， 尹傳奇， 袁 華

（1.武漢工程大學化學與環境工程學院，武漢430205；2.華中師范大學教師教育學院，武漢430079）

0 引 言

2018年9月教育部《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》指出：要推動課堂教學革命，因課制宜選擇教學方式方法，科學設計課程考核內容、方式，不斷提高教學質量［1］。有機化學實驗具有較強的實踐操作性，對于培養學生的環保意識、實驗操作和創新能力具有重要的作用。恰當、高效地開設該課程不僅是提升學生綜合素質的有效路徑，也是響應教育部提高本科教育質量的重要方式。不少學者針對教學內容、方法和模式等進行改革創新，且取得了較好的效果。李厚金等［2］指出綠色有機化學實驗有助于培養學生節約、環保意識；查正根等［3］指出有機化學實驗要結合學術前沿，設計出貼近生活的創新型實驗；易兵等［4-5］通過微型化實驗提高原子利用率，實現有機實驗教學的綠色化。可見，對傳統有機化學實驗的內容與教學方式進行重組和優化，開設微型化、綠色化、創新型和綜合型的有機化學實驗已成為高校實驗教學改革的應然選擇。

1 有機化學實驗課程教學問題成因分析

我校是以工科為主，涵蓋理、工、文、法等9大學科門類的教學研究型大學，是一所以化工為鮮明辦學特色的高校。有機化學實驗作為應用化學、化工、環境和制藥等專業的核心實驗課，對發展學生的綠色化學理念、實踐創新能力等具有重要作用。在新工科背景下，培育適應未來社會發展的創新型卓越人才，以落實立德樹人的根本任務［6］。因此，學校高度重視培養學生的創新能力，而有機化學基礎實驗已然不能滿足這一要求，開設有機化學綜合設計性實驗為其提供了一種可行路徑，但有機化學實驗在實施過程中也存在以下問題：①實驗觀念淡化，學生重視度低。調查可知，學生認為實驗課是理論課的依附，考研時理論課更重要，加之學生從小學學習科學、到初高中學習化學，實驗課在整個課程體系中一直處于從屬地位，看實驗視頻，背實驗原理、實驗步驟等現象時有發生，真正到實驗室做實驗的機會十分有限，直接導致他們對實驗課程不夠重視。②實驗學時不足，內容綜合性差。有機化學實驗學時有限（32學時），如何在有限的學時中讓學生學到更多的有機化學實驗知識，掌握更多的實驗操作技能，就需對實驗內容進行有效整合，開設綜合設計性實驗。基礎操作實驗包括儀器的選用、洗滌和安裝、熔沸點的測定、分餾、萃取、重結晶、折光率和旋光度的測定等，它能培養學生的基本操作技能，但不利于提升創新能力。③教學方式單一、學習效果不佳。由于我校是工科院校，多數教師未經過師范教育的系統訓練，只進行了崗前培訓，雖然專業知識過硬，但教學方式、方法有待提升。基于以上問題分析，探索出一種適合我校有機化學實驗的教學改革勢在必行。

2 創新綠色理念融入有機化學綜合設計實驗的價值意蘊

2.1 節約實驗成本，減少環境污染

高校每年要在實驗教學儀器、試劑和耗材等方面投入大量經費，如何緩解滿足實驗教學需求與減少經費支出的矛盾，將創新綠色化學理念融入有機化學綜合設計實驗教學中是一個正確的選擇。近年來，項目組將微型化實驗運用到有機綜合設計實驗教學中得到了一定的成效。微型化實驗是實現綠色化實驗教學的一種重要途徑，它具有反應時間短、試劑使用少、現象明顯和環境污染低等優點［7］。項目組在進行有機化學綜合設計實驗時，根據實驗內容和實驗要求進行微型化設計，減少了試劑用量，使實驗過程中產生的三廢隨之減少，節約了實驗成本，減少了環境污染。

2.2 實驗帶動教學，提升教學水平

現階段信息技術與教育教學的深度融合，產生了諸如翻轉課堂、對分課堂等教學模式，但這并不意味信息技術可以替代教師的勞動，降低對教師要求，恰是對教師的綜合素質要求更高了。教學改革時為何總有老師不愿意主動參與，大概是因為原有既定的模式上課最簡單、易操作；同理，傳統的有機化學實驗教學模式也是如此，但這種模式對環境保護、學生綜合素質的提高和教師教學水平的提升都極為不利，因此，項目組將創新綠色理念融入有機綜合設計實驗中主動進行教學改革探索，開設微型化、綜合性和創新型實驗等，在這種開放式的教學改革中，倒逼教師查閱資料，動手實驗，不斷學習以保證實驗教學改革的順利開展，教師在這樣的教學場域中就會不斷發展個人的學科素養，提升教學水平。

2.3 樹立綠色理念，培養創新能力

學生在有機化學綜合設計實驗學習中，一方面需要教師示范引導。在實驗教學中教師要時刻注意自身的行為舉止，對實驗過程中產生的三廢，做到分類收集，集中處理，達到國家環保部門的要求，將污染降低到最低限度，學生也在潛移默化中樹立綠色理念。另一方面，需要學生自身實踐活動。由于主體能動性活動是促進其素質發展的機制，創新能力需要在創新實踐活動中培養，基礎實驗顯然不利于學生創新能力的提升，因此，開設綜合設計性實驗，促進學生發揮自身的主觀能動性，在教師的教導下，同伴的幫助下，查閱并梳理資料，利用開放實驗室時間，將想法付諸實踐，培養其創新能力。

3 創新綠色理念融入有機化學綜合設計實驗的實施路徑

綠色化學是從源頭上阻止環境污染的一門新興科學［8］，它是以綠色化學產品的形成過程為主線，以綠色化學原理為基礎，從有機合成技術的綠色化到綠色原料、溶劑、催化劑的選擇再到涉及的綠色化學反應，直到最后生成綠色化學產品［9-10］；鑒于項目組對學生創新能力培養的內在要求，選取2017級應用化學一班和二班分別作為對照班和實驗班，在2018～2019學年第2學期從理論滲透、綜合設計和多元評價等維度論述創新綠色理念融入有機化學綜合設計實驗的實施路徑。

3.1 理論滲透，樹立綠色化學理念

有機化學理論教學為有機綜合設計實驗奠定基礎，在理論教學中滲透綠色化學的理念，學生能夠從理論上理解其實施的重要價值。理論層面由有機理論和實驗理論組成，在有機理論教學時，一方面教師根據課程內容，適時將有關化學污染的圖片和視頻等資料呈現給學生，給予其心靈的沖擊，引發其深刻的思考，而后將綠色化學減少污染成功的實驗案例介紹給學生，從而形成強烈的反差，讓學生體會到創新綠色化學理念融入有機化學實驗的重要性和緊迫性。另一方面將理論教學與生活實例相結合，讓學生感受到化學就在身邊，同時也體會到綠色化學的重要性，例如，在學習鹵代烴時，以傳統農藥六氯環己烷、有機氯和有機磷等造成的環境污染為例，對比現代新型農藥的高效、低度和污染小的優勢［11-12］。實驗理論是指綜合設計實驗中的理論部分，教師在講解實驗理論時也要不失時宜地滲透綠色化學理念，讓學生理解并在實驗過程中踐行。

3.2 綜合設計，培養學生創新能力

（1）實驗項目連續化。在綜合設計性實驗中，應保證該實驗的綜合性和科學性，同時也要確保實驗項目之間不重復，整合優化精心設計出綜合設計性實驗，使單個的實驗串聯起來，上一個實驗產品盡可能成為下個實驗的原料［13］，最大限度提高化學試劑的利用率，實現有機綜合設計實驗項目的連續化，提高實驗效率，且能夠促進學生知識學習的正遷移，實驗課程有效回應了理論知識的學習。項目組在進行苯甲酸的制備→苯甲酸的重結晶→苯甲酸乙酯制備的實驗時，應用化學2班通過以上設計實驗順利地完成了實驗，并得出如表1所示的實驗結果。僅僅以甲苯為原料就可以充分滿足3次實驗教學的需求。而應用化學一班則需要以甲苯、苯甲醛、苯胺為原料，分別完成3次實驗教學的需求。相比之下，非連續化實驗和連續化實驗雖然都能完成正常的3次實驗教學，但是連續化實驗使用的化學試劑種類較少，并且充分利用前一個實驗的產物作為原料，極大地減少了反應物的用量，同樣也極大地減少了廢棄物的排放量。

表1 應用化學2017級一、二班非連續化和連續化實驗對比

（2）實驗設計微型化。微型化實驗是指以較少的實驗原料在滿足實驗要求的情況下獲得較多的實驗信息。無論是在基礎操作，還是綜合設計性實驗中都可以嘗試進行微型化設計。項目組在進行乙酰水楊酸的制備實驗時，對2017級應用化學一班反應物用量是二班的2倍（見表2），但兩個班級的平均產率相差不大，說明通過實驗設計的微型化，既可以保證教學的質量，又體現了綠色化學實驗的教學理念。

表2 應用化學一、二班乙酰水楊酸用量改變前后實驗結果對比

（3）化學試劑綠色化。它可分為原料、催化劑和副產品的綠色化［14］。在綜合設計實驗中，盡量選取無毒或低毒的實驗原料；催化劑要選擇無毒、無腐蝕性的試劑；有機實驗盡量減少副產品，且要使其綠色化。項目組在進行乙酸乙酯的制備實驗時，對催化劑進行了改進，應用化學二班作為實驗班將危險的濃H2SO4改為路易斯FeCl3·6H2O，應用化學一班仍然使用濃硫酸作為催化劑。實驗結果（見表3）表明，使用兩種不同的催化劑，最終乙酸乙酯的產率相差不大，說明在保證教學質量的前提下，FeCl3·6H2O可以替代濃H2SO4作為酯化反應的催化劑，體現了綠色化學的思想。

表3 應用化學一、二班乙酸乙酯制備方案改進前后實驗結果對比

3.3 多元評價，考查學生綜合素質

為了明晰對綜合設計實驗的評價，首先呈現本門課程評價內容和方式的全貌，然后論述綜合設計實驗的評價內容和方式。實驗課程評價是實驗教學的重要組成部分，是對教師教學效果和學生學習效果的有效反饋，有助于實現教學目標［15］。單一的評價模式，僅給出學生期末成績，不能全面考查其綜合素質，多樣的考核方式有利師生的共同成長［16］，所以本課程的評價，無論評價方式，還是評價內容均采取多元化的方式。在評價方式方面，采取學生自評、小組互評和教師參評相結合；在評價內容方面，具體為平時成績（40分）、理論測試（10分）和期末考核（50分），課程共開設6個基礎實驗和5個綜合設計實驗（苯甲酸的制備→苯甲酸的重結晶→苯甲酸乙酯的制備；乙酰苯胺的制備→乙酰苯胺的重結晶→乙酰苯胺的水解；苯甲酸的制備→苯甲酸乙酯的制備→苯甲酸乙酯的水解；溴苯的制備→溴苯格氏試劑的制備→苯甲酸的制備；環己酮的制備→環己酮肟的制備→己內酰胺的制備）。期末考核即綜合設計實驗考試，每次綜合設計實驗都是期末考核，讓學生體驗到學習的緊迫感，提高學習效率。由于綜合設計實驗的復雜性和耗時性，項目組提前兩周布置任務，讓學生預習教材或講義，查閱國內外相關文獻，開放實驗室給予學生更多時間和機會，學生通過個人自學、組內討論和組間交流的方式，確定綜合設計實驗方案，最后的實驗考核由項目組教師參與，過程的多元性、開放性，以保證評價的科學性、合理性。

3.4 實驗效果，獲得學生良好評價

為了科學、客觀地評價有機化學綜合設計實驗的教學效果，項目組通過對實驗改進前和改進后的試劑使用量、實驗的產率、微小實驗事故（如劃傷、灼傷等）次數和學生滿意度等方面進行統計分析。如表4所示，改進后的有機化學綜合實驗的試劑使用量約占改進前的1/3，極大地減少了試劑用量，降低了實驗教學成本，鍛煉了學生微量實驗操作技能，培養了學生綠色環保意識，且改進后的實驗產率和改進前的實驗產率相差不大，充分說明在創新綠色理念指導下可以確保教學質量，完成教學任務，更值得關注的是減少危險試劑的使用，實驗室微小實驗事故的次數也減少為原來的1/2左右。在對2017級兩個班學生問卷調查統計結果顯示，改進前后學生的滿意程度提升了12%（見表4），說明改進后的有機化學綜合設計實驗獲得了學生的良好評價。

表4 有機化學綜合設計實驗方案改進前后教學效果評價

4 結 語

任何有利于師生成長的教育教學改革，不僅是對教師的綜合素質提出了較高的要求，也對學生參與學習的廣度和深度提出了要求。項目組經過實踐探索，將創新綠色化學理念融入有機化學綜合設計實驗中的改革得到了師生的認可。但在實施中也遇到一些困難，綜合設計實驗項目的動態遴選與開放有機化學實驗室安全管理等問題還需要進一步探索。總之，該項目不僅是有機化學實驗課程教學方式的內在要求，也是體現有機化學實驗學科育人價值的重要方式，提升了學生的綜合素養，是合規律性與合目的性的有機統一。