大学化学研究性实验教学策略与优化

　　摘 要： 本文从教学内容、组织引导、教学评价三个方面总结了开展化学研究性实验的教学策略及其优化途径。
　　关键词： 本科化学专业 化学研究性实验 教学策略
　　
　　化学是一门实验科学，化学规律和理论都是从实验中获得。化学化工类专业的本科生，不仅应该熟练掌握实验操作技能，而且必须以实验为手段进行科学研究，以创造知识。传统实验教学的过程是学生先预习并写出预习报告，然后教师课堂讲解实验目的、实验原理、实验步骤、可能出现的问题等，最后学生操作实验，教师巡回指导，它主要解决学生实验操作技能问题。由于所选取的都是成熟的、验证性的实验，课本对实验过程又介绍的很详细，学生完全能依据现成方案完成实验过程，因此学生不需要动脑筋进行实验设计和探索，也不需要解决实验过程中出现的新问题，这就达不到培养学生具有初步科学研究能力的目的。新的本科化学专业规范要求高校重在培养创新型人才，为了这一目标，在完成基础性实验和综合性实验之后，化学研究性实验便应运而生，以提高学生分析问题、解决问题的能力，并使学生获得对科研的初步认识。
　　要顺利完成研究性实验的课程设置目标，关键在于教师的教学。然而，化学研究性实验是一门新的课程，它不像基础性实验和综合性实验那样有着成熟的教学策略和教学模式，而且是要求教师既引导、帮助学生顺利进行实验，又调动学生独立思考、解决实验中的问题。因此，教师不仅要付出更多的精力，如何实施与优化研究性实验教学策略也是一个挑战。我院对化工、应化专业开设了化学研究性实验课程，在实验教学过程中，我们对教学策略进行了探索和优化。
　　一、研究性实验内容的选择策略与优化
　　研究性实验的题目由教师指定，即教学内容由教师选取。教学内容的选择对于研究性实验的顺利实施起着非常关键的作用，教师应加强知识的积累，了解化学学科的研究动态，同时对实验的难易程度、进行实验所需的条件、学生的实际知识水平和能力做到心中有数。通过尝试，我们在选择实验内容时发现应遵循以下一些策略。
　　1.实验内容要与学生的知识能力相适应。化学研究性实验一般在大学二年级学生中开设，此时学生已经完成基础化学理论课和基础实验及综合性实验的学习，具备了一定的理论知识水平，并能熟练完成实验室的常规操作。选择研究性实验题目不能仅仅着眼于实验操作的训练，也不能照搬现成的实验，必须着重培养学生独立设计实验的能力和探究能力。所选取的实验应该具有一定的难度并具有一定创新性，这样才能激发学生的研究激情，培养学生的创新能力。但是，研究性实验不是科学研究，教师也不能图省事直接将自己的研究课题交给学生做，因为实验内容难度超出学生能力范围将会打击学生的积极性，也达不到培养目标。因此，所选取的实验必须符合学生现有的知识水平，学生通过努力能够顺利完成。
　　2.实验内容要与所学理论相结合。以有机化学为例，学生在基础有机化学中学习了大量的反应类型和反应规律，如取代反应、缩合反应、电子效应、空间位阻效应等。所选取的实验应为学生所学的反应和理论范围之内，这样学生不仅会觉得化学理论知识并非抽象，而是能够解决实际问题，而且有助于培养学生在所学知识的基础上有所创新。
　　3.实验内容要与生产相结合。当今的科研早已走出象牙塔，产学研结合日益紧密，因此，所选实验题目最好与生产实际结合，能够解决生产中的问题，让学生了解实验成果的重要意义，从而更大地激发学生的学习热情，树立“科学技术是第一生产力”的观点。
　　4.实验内容要尽量新颖。这是因为一方面研究成熟的课题很难有所创新，少了研究的意味，另一方面已有的实验操作过程很容易使学生产生思维惰性，造成照单抓药的局面。而新颖的课题有利于激发学生研究热情和成就感，甚至获得较好的研究成果。
　　5.所选实验还要考虑本校实验室的具体条件。例如，地方性本科院校一般缺乏核磁共振仪、高分辩质谱仪等大型分析仪器，就不宜选择合成或提取新化合物的实验。
　　基于以上认识，我们根据自身优势拟定了几个题目，供学生选择。例如，以邻苯二酚为原料常压下合成胡椒环的实验为研究性实验的内容。胡椒环是一种重要的化工产品和药物中间体，目前工业上采用高压合成，选题与生产结合，具有较大的现实意义。胡椒环的合成是邻苯二酚发生分子间的取代反应或缩和反应，这是有机化学中最重要的一类反应类型，也是学生必须掌握的，有利于学生对所学知识的融会贯通、活学活用。常压下胡椒环的合成尚处于研究阶段，相关文献较少，较为新颖，有利于培养学生的探索精神和创新能力。由于胡椒环是已知化合物，其表征只需要红外谱图与标准谱图比对即可，我院的实验条件完全能够满足。除此之外，该设计实验还具有合成方法多、基本操作多的特点，有利于培养学生的发散思维和创新性思维，提高学生的动手能力和实验技能。
　　二、研究性实验的组织引导策略与优化
　　研究性实验不像基础性、综合性实验那样由教师提供详细的实验方案，教师只有提供研究目标，完全由学生拟定实验方案、实施实验。因此，教师在实施研究性实验前就应做大量的准备工作。一般是事先选择合适的时间组织学生以组会的形式进行文献调研、方案论证，实施研究性实验中加强引导，充分发挥学生的自主性。由于研究性实验需要学生在一段时间内连续进行，我们选择了大二的学期期末的最后一周作为实验周来实施。此时，一方面学生已经完成大学化学理论和基础性实验的学习，为研究性实验打下了基础，同时学生在完成期末考试后时间很宽余，能够充分投入实验中。另一方面实验室也相对空闲，为顺利实施研究性实验提供了保证。我们在拟定实验时间后，提前两个月将实验课题布置给学生。具体作法是，先将一个班的学生分成几个小组，每个小组5—7人并选出一名小组长。教师进行一次授课，主要讲解文献资料的检索方法、课题的设计方法和课程要求，然后以小组为单位要求学生自己分工查阅相关文献、制作演示幻灯片、完成实验方案设计。此后每两周进行一次组会，前两次进行文献综述，要求每组学生派一名代表以幻灯片的形式对上两周的相关文献阅读进行总结，讲解综述前人相关工作。其他同学可以自由提问，最后由教师进行点评。后两次则论证本组的实验设计方案，教师引导学生在充分讨论的基础上，根据实验室的条件、设计方案的可行性指导学生完善实验方案并完成实验设计报告，最终提交实验所需仪器和试剂清单。
　　还是以合成胡椒环实验为例，我们将胡椒环的合成题目布置给学生后，学生查阅了大量的文献资料，在综述中展示了封管高压反应合成法、相转移催化剂合成法、高沸点溶剂常压合成法等各种胡椒环的合成方法。这样就使学生对该课题有了比较全面的认识，了解了前人合成方法的优缺点，为实验方案的设计做了准备。在方案设计上，我们鼓励学生进行创新，即采用前人没有研究过的方法来合成目标化合物，并强调允许失败。在此基础上的实验方案设计表现出了较好的可行性和创新点，有一组学生以邻苯二酚和二氯甲烷为原料，一组以邻苯二酚和二碘甲烷为原料，还有两组学生以邻苯二酚和甲醛为原料（图1）。最后通过讨论，根据实验室条件，将二碘甲烷换成二氯甲烷和催化量的碘化钾，另一组将甲醛换成更易操作的多聚甲醛进行尝试。
　　完成实验前的设计后，我们尽量满足学生所需的实验仪器和实验试剂，放手让学生进入实验室按照自己设计的方案进行实验。教师不需要像基础实验那样随时呆在实验室，只需检查安全即可。学生在实验过程中肯定会遇到问题，要鼓励他们独立思考、相互探讨，如果还不能解决可邀请教师一起讨论。例如在上述实验中，以甲醛为原料的学生发现反应过程中产生大量黑色固体，没有获得产品。学生经过分析，认为黑色固体是某种副反应产物，但不知道是什么副产物，如何避免。在和我们一起进行讨论时，我们引导学生从反应的选择性入手考虑，很快大家达成共识：由于羟基活化苯环，邻苯二酚对甲醛的亲核加成反应不仅可能发生在氧上，而且可能发生在芳环上，因此黑色固体极有可能是酚醛缩和所产生的聚合物。酚醛缩和是在酸性或碱性条件下进行的，因此可以尝试从控制反应介质的酸碱性着手减少副反应。
　　
　　对研究性实验报告的形式我们也作了优化。为了体现研究的性质，我们要求学生参考学术期刊论文的形式进行书写实验报告，每位组员都要写下自己所做的工作，然后每小组由一名学生执笔、共同总结完成一篇小论文。完成初稿后交由教师评阅，然后教师根据存在的问题指导学生修改论文，使之达到要求后再定稿上交。这样经过参考、写作、修改、定稿过程，学生的数据整理分析水平、论文写作水平都得到了很大的提高。教师要着重强调必须如实记录实验数据，而不能为了好的结果随意篡改数据，对引用前人工作要标注文献出处，以培养学生良好的学术道德。通过这样的训练，有的小组论文已经达到实战水平，其中一个小组还向学报投稿。
　　三、研究性实验的教学评价策略及优化
　　基础性实验的评价方式比较单一，只需根据学生的预习、操作和实验报告情况对每一名学生进行评价和考核。研究性实验的评价方式则要复杂得多，首先研究性实验是一个团队协作过程，虽然小组中每一名学生的任务不同，有的侧重于资料收集，有的侧重于操作，有的侧重于分离纯化，但是只有每一名学生都具有团队精神并积极参与实验，小组才会取得好的成绩。其次也不能吃大锅饭，要激励那些勤于思考、勇于探索、努力劳动的学生。我们采用的评价策略是小组成绩与个人成绩相结合原则，首先教师根据每个小组答辩情况、设计方案、实验过程、论文水平对每个小组给出一个平均分。然后小组长根据每位同学的工作和现实表现，给出其对项目的贡献百分率。最后教师按照小组成绩（50％）加个人成绩（50％）的方式对学生的成绩进行评价。
　　值得注意的是，研究性实验的培养目标是使学生能够独立思考，善于创新，具有初步的科研能力。为了激励学生探索精神，教师应该着重评价学生整个实验过程，如文献查阅是否充分、设计方案是否合理、是否具有创新性、实验过程是否刻苦等等，而实验结果好坏不作为评价依据。例如上述实验中，我们有一个小组以甲醛为原料没有获得产品，但是他们的方案还没有文献报道，具有较大的创新性，在遇到问题后他们详细地分析了副反应的原因，并为消除副反应作了许多努力，因此我们仍然给了他们小组较高的成绩。
　　通过对研究性实验教学策略的实施与优化，我们收到了良好的教学效果。学生对这种自主参与度高，具有一定难度与挑战性的实验课程表现出了极大的热情和兴趣，为了做更多的实验，很多学生常常在实验室呆到深夜。从设计方案、实验过程和实验报告来看，学生查阅文献的能力、自主学习的能力、解决问题的能力、创新思维的能力及论文写作能力都得到极大的锻炼和提高。大学研究性实验的教学策略还有很多，需要进一步探索，我们相信，对研究性实验教学策略的改革和优化必将最大限度地整合学生的实验操作技能，培养学生初步的科研能力和创造力，从而为学生将来的科研和实际工作奠定基础。
　　
　　参考文献：
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