基于双PBL模式的有机化学实验教学探索

郑春满， 盘 毅， 洪晓斌， 韩 喻

(国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073)

0 引言

实验教学作为高等院校教学活动的重要组成部分，是培养学生基本实验技能，提高创新精神和实践能力的重要环节。有机化学实验作为一门以实验为基础的科学，是有机化学理论课的延续和提高。其任务是使学生掌握有机化学实验的基本操作技能及重要的、典型的有机化合物的制备、分离、提纯和鉴定方法;培养学生理论联系实际的工作作风、严谨的科学态度，以及发现问题、分析问题和解决实际问题的能力［1-3］。

在现行的有机化学实验教学中，基本上是按照如下的模式进行［3］:① 学生在课前完成预习报告;② 教师用一定时间讲解实验原理、实验装置的搭建、操作步骤、注意事项等;③ 学生按教师和教材所讲授的内容“照方抓药”进行实验;④ 完成实验报告，教师针对实验操作和报告进行成绩评定。但是，这种教学模式存在两个严重的不足:① 学生缺乏学习的主动性，往往为实验而实验，“照方抓药”就可顺利完成实验，尤其是很多学生不能将有机化学理论课程学习的知识与实践相结合;②学生之间交流相对较少，学生思考问题少，分析问题和解决实际问题的能力弱。

为改变这种状况，许多有机化学实验教师针对教学模式、实验内容、实验讲授方法、考核方法等方面进行了探讨，提出了众多创新性的教学方法［4-8］，如模块式教学、提问式教学等，在很大程度上提高了有机化学实验的教学质量。但是，如何能有针对性地解决上述的两个不足呢?本文将基于问题的学习［9-13］(Problem-Based Learning，PBL)和基于项目的学习［10-13］(Project-Based Learning，PBL)模式引入有机化学实验教学，形成基于双PBL模式的有机化学实验教学方法。采用双PBL的模式，通过基于问题的学习模式有效引导学生将有机化学理论知识与实验实践相结合，通过基于项目的学习激发学生的学习兴趣和热情。本文以对溴乙酰苯胺的合成为例，从问题设计、项目设计、教学过程和教学方法等多方面探讨了基于双PBL模式在有机化学实验教学中的可行性，并在教学过程中进行了探索和实践。

1 基于问题的学习与基于项目的学习

基于问题的学习由Barrows提出，目前已成为国际上流行的一种教学模式［9-10］。

基于问题的学习是以信息加工心理学和认知心理学为基础，属于建构主义学习理论的范畴［13］。它使学生置身于一个映射真实情境的结构不良问题中，以积极的问题解决者身份解决问题，培养学生批判性思维和问题解决能力，同时掌握课程的基础知识和基本技能。基于问题的学习与传统以学科为基础的教学法的不同在于:①强调以学生主动学习为主，而不是传统教学中强调的以教师讲授为主，同时学生必须要有对学习任务的责任性，全身心投入问题中;② 教师要为学生设计真实性任务和问题，问题情景必须是结构不良的、能够自由探索的;③鼓励自主探究，在自主学习中学生所学到的知识必须能够用来分析和解决问题;④激发和支持学习者的高水平思维，鼓励争论及对学习内容和过程进行反思等。

基于项目的学习于20世纪初在美国受到关注并蓬勃发展。Dewey［14］强调“在做中学”，要在教师的具体指导下师生共同完成项目;Kilpatrick［15］则注重学生心理或者动机，认为项目是一种“全心的有目的的活动”。

基于项目的学习是组织学生真实地参加项目设计、执行、总结和评价的全过程，在项目实施过程中完成教学任务［11］。基于项目的学习的最终目的是培养自觉学习，有良好的自我导向能力，为自己的人生负责的创新型人才。基于项目的学习具有以下的特点:①以学生为中心。学习者为项目负责，项目大小视具体情况而定，可以是制定一个计划，也可是在实验室合成一种材料。②基于项目的学习意味着不断深入的项目情境。面对真实世界中的项目，需要运用综合知识，多次利用所学的知识，来解决不断深入发展的问题，开辟新思路的学习可以促进其解决实际问题的能力。③自我导向——积极的学习活动。基于项目的学习提供真实的情境，具体的目标，一定的完成期限，学生必须积极投入，制定自己的完成计划，深入思考现实世界与自身解决问题的关系。④ 更持久的记忆。项目学习中，学、思、做紧密结合，知识保持具有更大的灵活性和调适性。

基于问题的学习与基于项目的学习两者的英文缩写都是PBL，在形式上具有共同性，但在内涵上又有差别。从理论基础来看，基于问题的学习与基于项目的学习，都是建构主义思想的实践模式，倡导教师对学生的学习过程进行积极的引导与促进。但是，基于问题的学习是一种在问题背景里学习新知识的方式，问题起着学习的背景和驱动力作用，所学的新知识都在问题这个背景里完成，与基于项目的学习相比，基于问题的学习强调以问题解决为中心，认为学习应该是广泛学科或主题的整合，强调社会性交流合作的作用，强调支持与引导等。而基于项目的学习往往侧重于对教材内容以外知识的体验与经历，旨在丰富学生对事物的认识，它侧重于加强学生认识事物的广度，拓宽学生的学习视野。不同的人项目实施的步骤会有差异，没有共同遵循的程序。

深入研究基于问题的学习与基于项目的学习这两种建构主义的探究式教学形态，根据特点进行课程教学改革研究与实践，对于提高教学质量、培养创新性人才具有重要意义。

2 基于双PBL模式的有机化学实验教学模式设计与实践

前已所述，基于问题的学习和基于项目的学习是两种不同的教学模式，两者既有共同点，又有着本质上的区别。本文以对溴乙酰苯胺的合成为例，进行基于双PBL模式的实验教学模式设计与探索实践。

2.1 实验内容简介

在有机化学实验中，“对溴乙酰苯胺的合成”是一个典型的连续、多步有机实验［16］。前一实验产物可作为后一实验的原料，多个实验形成绿色链，能够节约实验原料和试剂，同时又能增强学生的绿色环保意识。实验包括三部分:

(1)乙酰苯胺的合成。主要涉及有机化合物的乙酰化反应。反应方程式如下:

实验过程如下:量取10 mL苯胺，倒入圆底烧瓶中，加入17 mL冰醋酸和0.1 g锌粉;在圆底烧瓶上装置一分馏柱，插上温度计，用一个50 mL锥形瓶作接受器;热至反应混合物回流，然后控制加热速度，保持蒸馏的气温在105℃左右;反应经1 h后结束。搅拌下趁热将反应物倒入盛有250 mL冷水的烧杯中，乙酰苯胺生成;抽滤，用冰冷的水洗涤，并用水重结晶，干燥，备用。

(2)以乙酰苯胺为原料。对溴乙酰苯胺的制备，主要涉及芳烃卤化反应。反应方程式如下:

实验过程如下:在100mL三口瓶上配置电动搅拌器、温度计、恒压滴液漏斗，在恒压滴液漏斗上连接气体吸收装置;加入2.7 g乙酰苯胺和6 mL冰醋酸，用温水浴加热使乙酰苯胺溶解，在45℃水浴下边搅拌边滴加3.2 g溴和1.2 mL冰醋酸配成的溶液，滴加速度以棕红色得溴色较块褪去为宜。滴加完毕，继续搅拌反应1 h后将浴温提高至60℃，直到反应混合物不再有红棕色蒸气溢出为止。将反应物倒入盛有100 mL冷水烧杯中，冷却后抽滤，用乙醇重结晶，得到白色针状晶体，干燥，备用。

(3)产物的分析测试。主要涉及傅里叶红外光谱仪使用。使用傅里叶红外光谱仪对乙酰苯胺和对溴乙酰苯胺进行分析测试。

2.2 双PBL模式教学设计与实践

双PBL模式教学设计的基本原则是以基于项目的学习为核心，以基于问题的学习为辅助，从问题设计、项目设计、教学过程和教学方法等多方面将两种教学模式有机融合，构建系统的实验课程教学体系。

以“对溴乙酰苯胺的合成”为例，如图1所示(图中T表示由教师执行，S表示由学生执行，T＆S表示由老师和学生共同执行)，具体的设计与实践过程如下:

(1)以基于项目的学习为核心，与“对溴乙酰苯胺的合成”的三步实验相对应由教师提出三个项目:乙酰苯胺的合成、对溴乙酰苯胺的合成、产物分析与表征。

(2)以基于问题的学习为辅助，教师在提出项目的同时，对于每个项目提出相应的核心关键问题。如在乙酰苯胺的合成中提出合成反应的基本原理、合成反应试剂的选择原则等问题。在实验开始前一周，由教师通过网上互动教学平台发布给学生。

(3)学生针对教师提出的项目和问题，在课前以科研项目研究的方式进行文献调研，完成对相关信息的收集与理解，如乙酰苯胺的结构、乙酰苯胺的理化性能等。同时，完成教师所提出的问题，在此基础上进行实验方案的设计，并通过网上互动教学平台反馈给教师，由教师进行实验方案的初步审核。

图1 基于双PBL模式教学设计思路

(4)教师实验课程前2天，将审核的实验设计方案反馈给学生。

(5)进行实验原理操作步骤、注意事项的讲解，实验装置的搭建演示。抛弃“教师讲、学生听”的传统模式，采用由学生与老师合作的课堂形式:在学生讲解的同时由老师演示，在老师讲解的同时由学生演示，由学生讲解学生演示、老师随时纠正可能存在的问题等，充分调动学生参与项目研究的积极性，激发学习兴趣。

教师课前加强备课，充分准备讲解过程中的提问问题，把握好实验与理论知识关联点的切入。如在乙酰苯胺的合成中，课堂提问问题包括:反应过程中为什么要控制冷凝管上端的温度在105℃?用苯胺做原料进行苯环上一些取代反应时，为什么常常首先要进行酰化?同时对有机化学中乙酰化反应、易反应基团的保护等知识点进行复习。

(6)在讲解的基础上，为学生提供合理的反应路线和操作步骤指南。要求学生在较短的时间内对自己设计的实验方案进行适当的修改。

(7)在指导学生实验的过程中，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，不失时机地向学生提出问题，启发学生积极思考，活跃课堂气氛，激发学生的求知欲和自我实现欲。如在对溴乙酰苯胺的制备中，提问的问题包括:①搅拌器与三口瓶连接处的密封要好，为什么?② 恒压漏斗的原理?③ 重结晶的原理是什么?④ 液溴的使作过程中应该注意哪些事项?这些问题不但能够有效指导学生的操作，而且能够使学生与理论知识点关联，做到理论与实践的有效结合。

(8)实验完成后，由学生在课外时间利用实验室提供的傅里叶红外光谱仪进行样品的测试，同时进行图谱的解析。

(9)实验报告摈弃传统的固有格式，学生以项目研究报告的形式完成并上交。这可使学生从另外一个角度了解科研研究的过程，锻炼科技论文写作水平。

(10)在时间允许的情况下，进行部分学生的研究报告答辩。由教师和学生共同参与学生成绩评定，这既可以帮助指导教师更合理、全面地给出学生的成绩，又可培养学生正确的判断能力和分析能力。

综上所述，在双PBL模式教学实践过程中，要使“项目”这一核心作为主线贯穿实验的全过程，由学生真实地参加项目设计、执行、总结和评价的全过程，同时强调以学生主动学习为主，在项目的全过程，处处为学生设计真实性任务和问题，激发和鼓励学生自主探究的兴趣和热情，从而更好地完成项目。

3 结语

基于问题的学习和基于项目的学习作为两种不同的教学模式，两者既有共同点，又有着本质上的区别。论文以“对溴乙酰苯胺的合成”为例，设计了基于双PBL模式的有机化学实验教学模式。教学实践表明，基于双PBL模式的有机化学实验教学能够激发学生的学习热情，提高学生的科学素质，提高有机化学实验的教学水平。

通过在教学实践过程中进一步完善基于双PBL模式的有机化学实验教学，不仅可以突破传统教学模式，而且能够提高有机化学实验教学的质量，为培养创新人才提供一条新途径。

［1］ 常 慧，宁满侠.有机化学实验教学改革研究与高素质人才培育［J］.实验室科学，2007(2):48-50.

［2］ 丁长江.有机化学实验［M］.2版.北京:科学出版社，2012.

［3］ 郑春满，韩 喻，谢 凯.有机化学实验教学改革与学生创新能力培养的研究［J］.高等教育研究学报，2011，34(1):98-100.

［4］ 李谦和，谢详林，徐满才.提问式教学法在有机化学实验教学中的应用［J］.湖南师范大学自然科学学报，2011，34:133-134.

［5］ 江文辉，罗一鸣，唐瑞仁，等.有机化学实验教学改革的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2009，28(12):120-123.

［6］ 肖凤娟，王育华，杨晋辉，等.“有机化学实验”互动教学模式的实践［J］.实验室研究与探索，2009，28(2):120-122.

［7］ 张文生.模块式有机化学实验课程体系探索［J］.大学化学，2012，27(1):23-26.

［8］ 房江华，宫 梅，胡敏杰，等.有机化学实验教学方式的探索与改革［J］.宁波大学学报(教育科学版)，2010，32(5):16-18.

［9］ 宋丽英，许光军，王希军，等.PBL教学法在有机化学实验教学中的应用［J］.西北医学教育，2012，20(05):108-110.

［10］ 丁晓蔚，顾 红.“基于问题的学习(PBL)”实施模型述评［J］.高等教育研究学报，2011，34(1):68-71.

［11］ 刘景福，钟志贤.基于项目的学习(PBL)模式研究［J］.外国教育研究，2002，29(11):18-22.

［12］ 杜翔云，Anette Kolmos，Jette Egelund Holgaard.PBL:大学课程的改革与创新［J］.高等工程教育研究，2009(3):29-35.

［13］ 刘 莉，惠晓丽，胡志芬.基于PBL理论的工科人才培养途径探究［J］.高等工程教育研究，2009(3):104-108.

［14］ Capraro R M，Slough SW.Project-based learning:An integrated science， technology， engineering， and mathematics(STEM)approach［M］.Sense Publishers，2009.

［15］ Project-based learning［DB/OL］.http://edutechwiki.unige.ch/en/Project-based_learning.

［16］ 北京大学化学学院有机化学研究所.有机化学实验［M］.2版.北京:北京大学出版社，2002.