研究性教學法在有機化學實驗教學中的實踐探索

崔月芝，田 燕，陶芙蓉，黑曉明

（齊魯工業大學（山東省科學院）化學與化工學院，山東 濟南 250353）

研究性教學方法是培養學生的科研素養的有效方法，是以實踐中的真實問題為基礎，將學生置于真實的情境中學習，培養學生探究問題、解決問題的思路和實踐動手能力。大量教學改革的實踐表明，研究性教學的實施有助于提高學生的綜合素質，培養學生的創造性，是一種有利于創新素質教育的新型的教學模式。

有機化學是一門實踐性很強的學科，是化學類、化工制藥類、材料類、輕工紡織與食品類、藥學類等各類專業的重要專業基礎課。與之相應的有機化學實驗課程是一門將實驗操作與有機物的基本性質、化學反應、分離和表征技術融合在一起的課程，該課程既能使學生鞏固所學理論知識，同時又能培養學生的實驗操作技能、訓練學生的實驗操作能力，另外也為培養學生將來從事科學研究和產品開發奠定基礎。采用研究性教學方法對于學生創新能力的培養具有獨特的優勢。

然而，目前有機化學實驗課程普遍存在以下兩方面的問題。

（1）實驗內容：現有有機化學實驗課程大多是以驗證性和知識性項目為主。驗證性實驗缺乏對學生主動探究問題的鼓勵，抑制了學生的學習興趣，也不利于學生創新能力的培養。

（2）教學方法：目前有機化學實驗教學模式一般是由教師先講解實驗原理及步驟等，然后由學生照方抓藥，完成實驗。這些做法孤立地強調化學實驗操作技能的訓練，學生感到枯燥無味，缺乏興趣，既容易抑制學生的創新性思維，也會導致學生的思維定勢。實驗結束后學生所寫的實驗報告缺乏創新、雷同嚴重。

顯然，目前的實驗教學培養模式不利于學生科研素質及創新能力的培養。盡管不少高校在有機化學實驗的基礎上還開設了綜合設計性實驗或開放實驗，但往往由于實驗項目少，不足以彌補對學生創新能力培養的不足。

本教學改革將研究性教學法引入有機化學實驗教學中。我們將每一項實驗內容設計成全班同學共同參與的研究性小課題，以課題研究的方式培養學生的科研素質，為實現創新性人才培養的目標奠定基礎。目前這一教學模式已經在我校化工學院部分班級的有機化學實驗中試行，并取得了較好的效果。

一、研究性教學法實施方案

研究性教學法在有機化學課程中的實施流程如圖1 所示。

圖1 研究性教學法在有機化學課程中的實施流程

（一）在傳統驗證性實驗的基礎上設計出擬研究的問題，從而將驗證性實驗改為研究性小課題

針對擬研究的主題問題，由教師與學生一起設計研究方案。研究方案可以通過采用不同的實驗方法或者設定不同的參數，從而得到一系列不同的實驗方案（方案A、方案B、方案C……）。

（二）分組

每班40 人左右，3～5 人一組，進行分組（A 組、B 組、C組……），分別執行方案A、方案B、方案C……。同一組里，所有學生都按照相同的實驗方案，獨立地進行實驗，所得到的實驗結果取平均值即為本組實驗方案的結果。

（三）結果與討論

將各組的研究結果以圖或表形式匯總在一起，獲得本研究課題的實驗數據或結果。利用所學有機化學理論及實驗知識對綜合所得的實驗結果進行分析討論，獲得本課題的研究結論。

（四）以小論文取代實驗報告，培養學生科技論文寫作能力

實驗結束后，學生通過查閱資料，完成實驗小論文。論文要求包括：題目、中英文摘要、前言、實驗部分、結果與討論、結論、參考文獻等。通過小論文的撰寫，培養學生科學研究的思路、分析問題的能力以及科技論文寫作能力。

二、研究性實驗項目設計

（一）研究性實驗項目及研究主題的設計

針對化工、應用化學、制藥工程等專業的有機化學實驗，共48 學時，包含了12 個實驗項目，其中對5 個實驗項目進行了研究性實驗設計，提煉出了研究主題，設計了擬研究的內容及方法，具體見表1。

表1 研究性實驗項目設計

（二）實驗方案設計舉例——以雙丙酮丙烯酰胺的合成為例

雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）是一種含酮羰基的乙烯基單體，極易與其他乙烯基單體共聚，形成含有酮羰基的聚合物，利用酮羰基活潑的化學性質，可使聚合物發生交聯、接枝等反應，因而在聚合物改性方面有著重要的作用。

本化合物的反應過程包含了控溫、回流、滴液漏斗的使用等操作，產品的提取過程中，包含了用水、堿等萃取洗滌，以及減壓蒸餾等操作。因此通過本化合物的合成可以訓練綜合的有機實驗操作。雙丙酮丙烯酰胺的合成反應式如下：

雙丙酮丙烯酰胺的一般操作步驟為：低溫下向丙酮和丙烯腈混合液中慢慢滴加濃硫酸，加完后控制在一定的溫度下反應一定的時間。用氨水中和反應混合物，過濾得到DAAM 粗產品有機層。將有機層經過多次水洗、堿液萃取洗滌，干燥后加入阻聚劑堿液蒸餾，獲得產品。

雙丙酮丙烯酰胺的制備實驗中，反應物的投料比、反應溫度、催化劑用量、反應時間是影響產物收率的重要因素。目前的實驗是所有學生都在教材給定的同一條件下進行合成反應。針對“如何優化反應條件，使反應轉化率達到最高？”的問題，對該實驗設計出四因素三水平（L（3））正交實驗方案以優化反應條件，即對投料比（A）、反應溫度（B）、催化劑用量（C）、反應時間（D）每個因素取三個參數進行研究。四因素三水平正交表共有9 種實驗方案。因素水平及正交實驗方案見表2 及表3。

表2 因素水平表

表3 四因素三水平正交試驗方案及結果表

將全班同學分為9 組，每一組承擔一種實驗方案，獲得本實驗方案的收率。實驗完成后按照正交實驗的分析方法分析各影響因素的最佳值，從而得到產率最高時的最佳實驗條件。

例如，實驗方案1 的詳細實驗步驟：2 L 的三口瓶中，加入36.2 mL 丙酮、14.6 mL 丙烯腈，攪拌下緩慢滴加25.9 mL 濃硫酸，并控制溫度在40°C 以下。加完后在40～50°C 的水浴中反應3 h 后，降溫至20°C 以下。將反應混合物緩慢滴加到適量的質量分數為25%的氨水中，控制溫度在30°C 以下，滴完后調整pH=7.5。過濾，得到褐色的粗產品有機層。將粗產品加入2 倍體積的蒸餾水萃取，分層后向水層中加入氯化鈉至飽和，然后向分出的有機層中加入2 倍體積的質量分數為15%的NaOH 溶液，攪拌一定時間后靜置分層，將得到的有機層加入阻聚劑后減壓蒸餾，收集溫度122～130°C、壓力666 Pa 時的餾份，冷卻后研細，得到白色結晶產品。

結果分析：將9 組實驗所獲得的產率K 匯總到表2中，并計算出各個因素對應的K1、K2 和K3，由各因素的K 的最大值所對應的水平分別為A3、B3、C2、D1，即該因素的最佳實驗條件為：A3、B3、C2、D1。另外，從各因素的極差來看，因素A 的極差最大，為16.4，而因素C和D 的極差都比較小。說明丙酮與丙烯腈摩爾比（A）對反應的收率的影響最大，是主要影響因素；而硫酸與丙烯腈摩爾比（C）及反應時間（D）對反應的收率影響較小，是次要因素。

作業：每一組根據表1、表2 所對應的實驗方案及實驗結果，完成一篇科研論文。論文內容：題目（中英文）、作者（中英文）、摘要（中英文）、關鍵詞（中英文）、前言、實驗部分、實驗方案、結果與討論、結論、參考文獻。

三、研究性教學法實施效果

（一）培養了學生研究性思維及科研素養

將驗證性實驗項目通過設計出一定的研究主題而轉化成為研究性小課題，改進后的研究性課題既要符合“高階性、創新性和挑戰度”的要求，同時也要符合大多數學生的知識水平，承擔起訓練學生基本實驗操作的功能。通過這種研究性課題的訓練，可培養學生的研究性思維及科研素養，為后續的綜合實驗、開放性實驗以及畢業論文的高質量完成奠定扎實的基礎。

（二）培養學生在工作中團結協作的精神

目前的實驗課程基本是單人單組進行，全班同學按照同一實驗步驟進行。本課程改革項目中，雖然每個同學仍是獨立完成實驗，但每一組同學之間，組與組之間都是合作關系，每位學生，每一組都是構成整個實驗結果的鏈條。因此，本教學改革項目的實施有利于培養學生之間團結協作的精神。

（三）提高了學生學習興趣

本教學改革改變了實驗課上學生照方抓藥、照本宣科的教學模式，將化學實驗操作技能的訓練與某一具體問題的科學研究結合起來，學生在實驗過程中目標更加明確，增加了解決未知問題的成就感，對實驗課程的興趣也大大增加，取得了很好的教學效果。

（四）培養了學生的科技論文寫作能力

通過本實驗改革項目，學生查閱資料、總結整理及分析數據的能力大大增強，掌握了一般的科研論文寫作方法。

總之，本教學改革自2018 年在化學、應用化學、制藥工程等專業中開始實施。本項目大大提高了學生對科學研究的興趣。通過研究性實驗的訓練，學生參與教師科研工作的積極性大大提高，相當一部分同學課余時間參與了老師們科研課題的研究；老師們對參加研究性實驗教學改革的學生的科研素養都給予了較高的評價。

四、結束語

本教學改革在現有實驗項目的基礎上，將每一個驗證性實驗項目改進為研究性小課題。建立了一種適用于有機化學實驗課程的研究性教學模式。學生在接受基本實驗操作訓練的同時，又分組合作，共同完成了一項小課題的研究任務。這種模式將使學生的科研思維及研究問題的能力得到很好的培養。