促进科学素养提高的有机化学实验教学研究——以阿司匹林的合成实验为例

司靖宇，杨冰玉，陈 红，孙 虹

（合肥学院 化学与材料工程系，安徽 合肥 230601）

1952年柯南特（J.B.Conant）在《科学中的普通教育》中第一次提出“科学素养”[1].美国科学家海菲利（Hively）曾指出一个人的科学素养决定其生存竞争能力.我国把科学素质即科学素养定义为“了解必要的科学知识、拥有基本的科学精神、科学态度以及科学世界观、具备以科学方法判断和处理事物的能力”[2].科学素养理念的提出把以往在教学过程中注重对科学知识的传授转向全面的提高学生科学素养的教育[3]，可见科学素养对一个人的重要性.但据调查，我国公民的科学素质与发达国家相比相差甚远，由于长期受应试教育的影响，学生的科学素质也存在明显的缺陷.化学作为一门实验性和操作性极强的科学，可以很好地将学生科学素养的培养有效的融入教学中，本文就以高校化学实验教学的改革为例谈谈在化学实验教学中对学生科学素养的培养.

1 化学实验教学现状

化学是一门以实验为基础的科学，实验在化学教学中占有较大的比重，化学实验能激发学生学习化学的兴趣，掌握化学实验知识及基本实验技能，为学生学习研究化学提供一定的方法和手段.然而目前化学实验教学存在一定的弊端，课前，教师布置实验，学生依葫芦画瓢，抄预实验报告，实验前教师唯恐学生不懂，将知识完整讲给学生，学生生搬硬套，实验过后，学生实验报告敷衍了事.这种过于重视科学知识的传授，而忽略科学方法、科学精神以及科学态度的教学方法已不能满足飞速发展的现代社会的要求，因此提出以提高学生科学素养为目的，进行化学实验教学改革.

2 促进科学素养培养的化学实验教学

以培养科学素养为目的的化学实验教学改革模式，是通过设置情境，提出问题，学生自主查阅文献，获取资料，交流讨论，确定实验方案，小组合作进行实验等方法解决问题.在问题解决的过程中，获取一定的化学专业基本科学知识与基本技能，形成科学方法，拥有科学精神，体会科学的世界观与科学态度，从而达到综合培养学生科学素养的目的.

3 以阿司匹林的合成为例的有机化学实验教学设计

基于以上对化学实验教学模式的分析，现以李霁良主编的高等教育出版社出版的《微型半微型有机化学实验》（第二版）中乙酰水杨酸的合成为例，来阐述在化学实验教学中如何对学生进行科学素养的培养.

3.1 阿司匹林的简介

阿司匹林（Aspirin）又称乙酰水杨酸，化学名称2-乙酰氧基苯甲酸，是临床常用的解热、镇痛、抗炎、抗风湿、抗血栓形成的药物[4].1899年，德国化学家菲利克斯·霍夫曼发明，并为他的父亲治疗风湿类关节炎，疗效极好.1899年由德莱塞介绍到临床，取名为阿司匹林.到目前为止，阿司匹林已应用百年，为医学史上三大经典药物之一.近年来研究表明，阿司匹林还是一种植物生长激素和病毒的天然防御剂，在保护作物、促进植物生长方面有惊人效果.近年来的医学研究还发现阿司匹林具有抗血栓，预防结肠癌，抑制白血病细胞增殖等作用，对防治乳腺癌，肺癌，皮肤癌等也具有较好的功效.于是重新引起了人们对阿司匹林的极大兴趣.

3.2 实验教学过程

3.2.1 提出问题

阿司匹林是一种疗效可靠、家喻户晓的解热止痛，治疗感冒的药物.由此创设问题情境，由解热镇痛消炎药引出合成阿司匹林实验，要求同学们查找所有有关资料，包括阿司匹林的化学史、结构、性质（物理性质、化学性质）、制备方法（包括原理、仪器、具体操作步骤、注意事项等）、应用领域及前景.

通过创设问题情境，从学生已有的生活经验出发，可以巧妙地把实验主体阿司匹林推出，引出学习内容，从而激发学生学习化学，做化学实验的兴趣；实验前，要求学生预习，通过期刊网络等各种方式查阅相关文献资料，既锻炼了学生收集信息，整理信息，从信息中判断真假，整合信息的能力，又有效地避免了学生照抄预实验报告的现象；还可以使学生学会学习，自主获得科学知识，学习科学方法，形成知识技能观念，养成良好的学习习惯，达到提高学生的科学素养的目的.

3.2.2 整合信息

实验前，学生分组，进行组内交流讨论、整合搜集的信息，然后以组为单位展示，对于阿司匹林化学史，应用领域前景等这些大致相同的资料，由一组主讲，其他同学补充，而学习的重点，请两到三个小组同学来讲，然后组与组之间互相评价，结合学生的讲解、问题，教师再适当给予补充和总结.例如，像制备方法，按所用催化剂可分为: 酸性催化剂、碱性催化剂和其他催化剂[5]，其中酸性催化剂包括浓硫酸、草酸、柠檬酸、磷酸盐、氨基磺酸、三氯稀土等[6-8]，碱性催化剂包括碳酸盐[9]、乙酸钠[10]等,其他催化剂包括维生素C[11]等有多种.有些知识由于学生能力有限，部分搜集不到，要及时给予补充.然后从绿色环保，操作简单，产率高及可行性等方面引导学生确定最终合成阿司匹林的方法，确定了实验方案后，然后可以请设计实验方案相同的同学（基本都为这种方法）分享他们所设计的实验流程，实验原理，实验步骤，注意事项以及实验中可能遇到的问题及解决方法.通过学生对相应知识点的讲解，可以检查学生课前的准备情况，教师根据学生讲解情况及时补充，肯定正确的说法，纠正偏差的说法，再次强调重点和难点，形成清晰的知识脉络，便与学习和记忆.另外还可以请一到两人记录、整理这一过程.

将学生分成小组进行合作学习，与古语《周易·兑卦》中“君子以朋友讲习”，《礼记·学记》中“独学而无友，则孤陋而寡闻”的观点具有一致性，学生之间在学习中互相合作，互相帮助和互相促进可以增进友谊、相互劝勉、共同奋进、共同提高学习的质量，获得更加完善的知识体系，开阔视野.同时，同学们在展示时可以提升自己表达沟通的能力，通过自评，互评和他评，进行自我反思，认识不足，弥补不足，提升自己.改变了传统的以讲授为主的教学模式，而是以自主学习合作学习的方式，学生自由交流讨论，提高了学生的学习积极性，加深了对科学知识的掌握程度，在小组内进行资料筛选整合的过程中，提升了用科学方法判断和处理事物的能力，学生的科学素养也得到了进一步提升.

3.2.3 实验方案

通过以上的交流与讨论确定合成乙酰水杨酸的实验方案为：水杨酸（邻羟基苯甲酸）和乙酸酐在浓硫酸的催化作用下进行酯化反应得到.

同学们获得的资料、文献渠道与方法不同，所以每位同学对试剂的浓度、用量、反应温度、反应时间可能会有所不同，由此可以向同学们提出问题，“不同的反应条件对反应过程及结果会有什么影响”，引导有能力的学生在组间作对比试验，探究反应条件对实验结果的影响；由于反应物水杨酸和反应产物乙酰水杨酸具有特征官能团，且有机化学反应中常常伴随着副反应，由此引导学生思考可能发生的副反应，如何控制条件减少副反应的发生提高乙酰水杨酸的产率；通过交流讨论确定实验流程和实验步骤，讨论实验步骤细节，预测实验现象，分析易发生错误的操作步骤及其造成的后果和弥补方案，使学生认识到实验操作程序的重要性；根据实验步骤确定所需要的试剂和仪器.打破以往的实验教学中直接给出实验试剂和仪器，而是由实验步骤确定实验试剂和仪器，逆向思维，打破常规，有利于学生回忆一些基本实验技能的操作过程，及时查漏补缺，避免在实验过程中出现不知如何操作的情况，进一步掌握基本实验技能，提高科学技能.通过问题的提出，引导学生，改变学生的思维方式，处理问题的方式，培养学生的创新能力与发散思维，提高学生科学素养.

3.2.4 实验原理

乙酰水杨酸即阿司匹林（aspirin）它是一种具有双官能团的化合物，一个酚羟基，一是羧基，羧基和羟基都可以发生酯化，而且还可以形成分子内氢键，阻碍酰化和酯化反映的发生.

反应式为：

副反应：

3.2.5 实验流程

3.2.6 实验过程

开始实验，按照实验方案，步骤分小组进行实验，教师在一旁起指导作用，把学生作为学习活动的主体，教师起主导作用.学生在过程中要记录实验中遇到的问题，实验结束后，请各组同学来分享实验中遇到的问题，先让同学们自行讨论解决的办法，教师适时做适当的引导，当场解决问题，探究解决方法的可行性.例如，同学们可能会发现抽滤比较困难（因为反应环境是酸性的，反应液是酸性成分，黏度很大，和滤纸有作用，所以抽滤比较困难），我们可以从学生已有的知识经验，加水可以稀释，降低黏性出发，引导学生，学生可以比较容易地想到多次用水洗涤，或者使用洗涤剂.

实验过程中，组织学生认真观察，如实记录，对出现的意外现象查找并分析原因，寻求解决方案.这样既培养学生严谨的科学态度，又开阔思路，培养其分析问题、解决问题的能力，学会解决问题的一般方法.在完成实验之后，组织学生讨论实验中仪器的装置特点，提出疑问，这样的装置还可以用于哪些实验，发散学生思维，培养学生由特殊到一般的归纳推理的科学方法，可以达到举一反三，触类旁通的效果；实验操作过程的激起学生求真，循理的兴趣，同学们在实验时相互配合，互相合作，学会合作学习；锻炼了动手能力，掌握了有关阿司匹林的知识，提升了实验技能，如蒸馏，抽滤，除杂，干燥，重结晶.

在整个实验过程中，教师只教给学生关于实验的方法，思想，而具体的操作、分工、细节等都要自己动手动脑，这样在学生的头脑中已经形成了一定的基础，虽然整个过程需要花费大量的时间和精力，但学生的思维逻辑，考虑问题的全面性都得到了很大的提升.学生具有了这些基本实验技能之后，还可以对一些学有余力或者感兴趣的同学进行一定的指导，使其可以进行一定的综合性实验、设计性实验，促进学生独立思考、解决问题的能力的进一步提升.药学实验与化学实验的有机结合还可以极大地拓展了学生的知识视野，对事物认识的深度和广度有较大的提升.

3.2.7 交流展示

实验阶段完全结束后，进入交流讨论互评阶段，这一阶段同学们可以在教师的指导下或通过与他人讨论，自由交流讨论此次实验的全部过程，从问题导入，收集信息，实验过程，以及收获.对探究结果的可靠性进行评价，对探究学习活动进行反思、在这个过程中，学生可以，发现自己的长处以及存在的不足，并提出改进的具体建议.再次复习巩固获得知识，提升能力，以及获得知识与能力的策略的提升同时体验到探究活动的乐趣和学习成功的喜悦.

最后请同学们将以上所学（知识、方法、技能、情感等）做总结，可以以各种形式体现出来，使同学们在做总结的过程中形成自己的知识体系，内化知识.锻炼了学生用口头、书面等比较明确地方式表述自己的探究过程和结果，与他人进行交流和讨论的能力；培养了同学们既敢于发表自己的观点，又善于倾听别人的意见的能力.

3.3 反思与评价

为了防止有些同学课前不预习，不做充分的准备，我们并不提前安排好具体任务将任务落实到个人，这样可以促进全体学生参与的积极性，保证每个学生都能达到有效学习的目的；这种实验模式耗时较多，需要同学们投入大量的时间和精力，所以应选取典型的实验采用这种教学模式；对教师要求较高，教师准备要充分，现在的同学们都是思维活跃，好奇心强，问题五花八门，为此教师应该做好充分准备，及时做出令学生满意的解答.另外，阿司匹林的多种合成方法，实验条件对实验结果影响，影响其反应速率的因素等，由于课上时间有限，并没有展开探究，对这些感兴趣的同学可以深入查找资料，进行研究，提供必要的技术支持，培养学生未来发展兴趣，挖掘潜能.

针对耗时较多问题，我认为可以调整实验过程，提出问题环节，可以在上一个实验结束时创设问题情境，引出阿司匹林制备实验.给学生留有一定时间，自行整合资料，然后对于耗时较多的小组讨论，确定实验方案、原理、流程、步骤都可以利用现代发达的科技如可移动化信息设备，这样即可以节约大量时间，还可以将整个实验从准备阶段到反思与评价都可以完整的保存下来，方便以后查阅、学习.

4 结束语

以阿司匹林的合成为例，介绍了有机化学实验从以教师为中心讲解实验的模式，转变为以学生为中心的自主学习模式，加强教师与学生、学生与学生之间的沟通与交流，学生成为积极主动的参与者，在学习过程中学生学会自主学习、合作学习，获得科学知识；学生的学习主体性得到充分发挥，培养了学生用科学方法思考问题、解决问题；教师启发引导学生质疑和探究，营造学生与教师间的平等、和谐、创新的课堂学习氛围，培养学生的动手能力、创新思维、创造能力，提高学生的科学素养.

〔1〕魏冰.“科学素养”探析[J].比较教育研究,2000(S1)：105-108.

〔2〕郭元婕.“科学素养”之概念辨析[J].比较教育研究,2004(11)：12-15.

〔3〕訾学红,陈永宝,刘淑珍.生活化学实验课程中对学生科学素养的调查研究[J].中国校外教育,2016(10)：68-69.

〔4〕张宝华,史兰香,牟微，等.阿司匹林制备研究进展[J].河北工业科技,2008,25(2)：119-121.

〔5〕周卫国,戎姗姗,莫清.阿司匹林合成催化剂研究进展[J].化工生产与技术,2009,16(6)：40-43.

〔6〕耿涛,蔡红,蔡艳飞.乙酰水杨酸的制备[J].光谱实验室，2012,29(2)：1103-1105.

〔7〕孔祥平.磷酸二氢钾催化合成阿司匹林的研究[J].应用化工,2009,38(8)：1187-1190.

〔8〕李继忠,王俊梅,田曼.氨基磺酸催化合成乙酰水杨酸的研究[J].工业催化,2008,16(11)：61-63.

〔9〕唐宝华,肖凤娟.碳酸钠催化微波合成阿司匹林的方法探究[J].河北化工,2006,29(6)：24-25.

〔10〕林沛和,李承范.乙酸钠催化合成阿司匹林[J].河北化工,2006,29(4)：19-20.

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