应用化学专业实验中的设计性与不确定性

2015-04-11徐世美武荣兰阿达来提阿不都热合曼

实验技术与管理 2015年11期

徐世美，武荣兰，阿达来提·阿不都热合曼

（新疆大学化学化工学院，新疆乌鲁木齐 830046）

应用化学是一门介于化学与化工之间的实践性很强的应用型学科，而实验教学是培养大学生实践能力、创新能力和综合能力的关键性环节［1］。应用化学专业实验是在学生进行了相关基础化学教学及实验的基础上开设的，是实验课程体系中的“提高阶段”［2］，是为让学生在巩固和应用所学基础知识的基础上，进一步提高实践与创新能力，为今后从事科研及相关工作打下良好基础［3］。因此专业实验的设置内容一方面要紧密结合基础化学知识，另一方面要充分体现应用化学专业特色。通常专业实验课的内容更注重专业性的体现，但对于基础知识的衔接往往忽略，而且教学方法也沿用“依照讲义，按部就班”的模式。学生在实验过后，除了实验技能有所提高，对专业课程的内容有了感性认知外，其认识的主观能动性并不能很好发挥，更无益于思考与创新能力的培养［4－5］。我们结合多年从事应用化学专业课程和实验课的教学经验，对专业实验进行了适当改革，除在内容选定上突出专业特色外，还引入了部分设计性的内容，使实验结果具有不确定性，因此学生在实验前充满好奇与期待，能够积极参与到实验中，从而达到了较好的实验效果。

1 结合专业与学科研究设置实验内容

我校应用化学学科是自治区重点学科，学科重要研究方向是精细化学品化学。应用化学专业本科生在三年级上学期学习了专业先导课“精细有机合成化学与工艺学”之后，下学期进入“精细化学品化学”专业课的学习，该课程配置相应的实验课“精细化学品实验”。目前有关精细化学品实验的讲义很多，如果能很好地选取实验内容并设计有关实验教学过程，不仅可以让学生在实验过程中很好地巩固和运用所学知识，而且可以更好地激发他们的学习兴趣。因此，实验内容的选取非常重要，要充分体现“应用性”的专业特点［6］。

我们选取了阻燃剂四溴双酚A的合成及阻燃性能测试、玉米淀粉黏合剂的合成及黏接强度测试、改性107涂料的合成及性能、酸性蓝黑的合成及表征，以及十二烷基苯磺酸钠的合成及洗涤性能等实验。所选取的实验内容涵盖了专业课程“精细有机合成化学与工艺学”所述的卤化、氧化、缩合、重氮化和偶合、磺化等重要精细化工单元反应，而且还包括了精细化学品的重要品种，且与实际生活息息相关，容易引起学生的兴趣；另外，除合成技术外，实验中还引入了相关的性能测试，包括阻燃性、黏合性、洗涤性能、吸附性能等测试，充分体现了应用化学的实用性特点［7］。这些测试环节还综合运用了分析化学和物理化学等的相关知识，让学生体会到学以致用的乐趣。

2 将设计性环节引入到实验内容中

在确定好实验课的内容后，还应根据从事实验的学生特点适当引入新的教学方法与手段，以达到更好的教学目标。低年级的本科生在基础化学实验课中主要采取“按方抓药”的方法，以期在实验过程中加深对基础知识的认知。而专业实验的认知对象为高年级学生，已经具备了一定的基础知识和实验技能，因此可根据他们的特点适当引入一些设计性的内容，并与当前的一些关注热点相结合，以锻炼他们分析与解决问题的能力，并提高他们的求知欲与实验兴趣［8］。

在阻燃剂四溴双酚A的合成及阻燃性能测试的实验中，实验讲义中以溴素作为双酚A的溴化剂，乙醇作为溶剂。教师可在实验前的辅导时提出溴素使用的弊端，包括其强腐蚀性、刺激性以及反应的非原子经济性，另外从绿色环保的要求出发，建议学生可以对溴化剂进行更换；此外结合溴化反应特点，作为亲电反应，反应是一个连串反应，多溴代速度逐渐减慢，因此如何根据反应机理控制反应温度以及如何利用溶剂效应选取溶剂，也建议学生自行设计。

在改性107涂料的合成及性能实验中，由于甲醛的残留问题，向学生提出如何减小甲醛的危害的问题，之后引导学生通过控制合成中的加料方式及加料比，以及添加不同的改性剂来达到这一目标。在提出问题后，交由学生课下根据讲义并查阅相关文献后，对其中的部分内容进行适当的改进，并提交设计报告。不同于设计性实验，后者仅仅提供了一个实验目标与要求，几乎所有的实验过程与内容都由学生自己设计完成，对学生有较高要求，而对刚接触专业实验的学生可能并不适合。但如果按照基础实验课的教学模式，则达不到启发学生思考的目的。因此作为承上启下的实验课，我们就实验过程的某一方面提出问题，引导学生思考设计，不仅有效地达到了实验目的，而且大大激发了学生的实验与科研热情。然而此环节需要注意，问题的提出既要联系实际引发学生学习兴趣，又不能过于宽泛或艰深，超越学生的学习能力［9－10］。

3 将不确定性因素引入到实验结果中

在对学生进行适当的引导后，学生根据自己的想法设计改进实验，因此使实验结果增加了更多的不确定性，学生会主动相互比较、讨论，在实验过程中始终保持很高的学习兴趣［11］。例如学生在阻燃剂四溴双酚A的合成及阻燃性能测试的实验设计时，认为可以用相应的溴化物与氧化剂来生成反应所需的溴化剂，且可根据溶剂效应，在醇中加入少量水加速反应，然而最优化条件并不确定，导致实验结果具有不确定性。不同学生所采取的改性方法不同，也会使实验结果有所不同。该实验结束后，有些小组得到了固体产品，干燥后为疏松粉末，但有些产品在干燥后熔融；另有一些小组得到了液体产品。这种不确定性使学生在实验前非常迫切地希望得到结果，因此在实验中非常主动，愿意与其他实验组进行对比分析，并通过比较实验结果的好坏，发现自己实验设计的问题。

在酸性蓝黑的合成及表征实验中，涉及两步重氮化和两步偶合反应，实验过程较为复杂，要求学生在有限时间内完成，对学生有较高的要求。有些实验组在实验中较快监控到实验终点，从而可以进行下一步反应，而有些实验则迟迟不能到达反应终点，因此他们会去比较二者实验的差异，包括加料比以及反应pH等。后来证明，由于反应液pH的差异，导致偶合速率相差非常大，从而深刻理解了偶合液pH对偶合反应的影响规律。而在改性107涂料的合成及性能实验中也存在同样的问题，一些实验组为减小基料中甲醛的含量，加料时减小了甲醛用量，导致实验过程中生成的基料分子量较小，甚至观察不到终点絮凝点的出现。通过与其他实验组的对比，他们可以分析出自己实验的问题所在，避免了照方抓药实验中毫无悬念的结果而带来的思维僵化。

4 统筹合理安排实验进度

由于选编的实验中都涉及合成步骤，而合成过程通常需要一定的反应时间，造成学生的“实验空窗期”。学生在这期间无事可做，往往出现聊天、上网等现象。为合理利用时间，培养学生统筹规划能力，我们对实验顺序进行了特别编排，并根据实验特点，将新增加的性能测试环节安插在每一个 “实验空窗期”，要求学生根据自己的实验进度来自行调整。由于学生在实验中引入了不同的设计性内容，加之实验能力的不同，导致学生的实验进度有所不同，他们可以根据自己的实验进展安排上一个实验的性能测试时间。这样一方面可以有效节省时间，避免大家做同一测试时引起的仪器拥挤，另一方面给予学生更大的自主空间，引导他们进行自觉性和协作性学习［12］。

5 结束语

通过专业实验的改革，可以带动学生的实验与思考热情。实验前辅导时对学生明确指出，实验讲义内容均具有可行性，但也存在一定问题，学生可以根据自己的想法提出改进，也可以按照讲义来做。尽管并没有对学生强制要求进行实验改进，但学生表现出较强的主观能动性，对于部分实验，甚至出现100%实验组都在实验设计报告中加入了自己改进的内容。实验课采取了与众不同的教学方法，使学生感到真正的“学以致用”，体会到思考的乐趣。

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［1］李凡修，孙首臣，邓仕英，等.浅谈应用化学专业实验教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2014，33（4）：198－202.

［2］陈爽，苏育志，赵建华，等.地方高校应用型人才培养模式下化学专业实验课程体系研究［J］.实验技术与管理，2012，29（3）：1－5，11.

［3］沈玉龙，王丽红.应用化学专业定位与专业课程体系设计［J］.化学教育，2014（10）：16－18.

［4］刘淑琴，王彩红.结合专业特色的精细化学品化学教学改革［J］.中国科教创新导刊，2009（34）：19.

［5］张友琴，王萍，朱昌平，等.以大学生创新性实验计划为契机培养创新型人才［J］.实验技术与管理，2011，28（7）：167－170，212.

［6］卢怡，刘金库.一个应用化学专业综合实验的设计及教学实践［J］.化工高等教育，2013（3）：36－39.

［7］徐世美，武荣兰，阿达来提·热合曼，等.“精细化学品化学”专业实验改革与探索［J］.高等理科教育，2013（教育教学研究专辑）：142－143.

［8］张光华，彭莉，吕博.在应用化学专业实验中培养学生创新能力［J］.实验技术与管理，2005，22（7）：9－14.

［9］张成路，杨文婕，闫杰，等.运用PBL教学法在“精细化学品合成与实验”中培养情商［J］.化学教育，2010，31（3）：54－56.

［10］闫杰，张成路，靳奇峰.PBL教学法在精细化学品合成实验教学改革中的应用［J］.实验技术与管理，2010，27（7）：151－153.