提高学生创新和科研能力的有机化学实验课程体系

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(中国海洋大学化学化工学院 ,山东 青岛 266100)

有机化学实验课程是我校化学相关专业的重要的专业核心基础课之一，是验证所学理论知识、训练学生基本技能、培养学生动手能力的首要环节，对培养学生的创新性思维、创新能力和科研能力均有着重要作用。坚实的有机化学实验操作技能，有利于学生对化学专业知识的进一步学习，而且对日后承担的教学、科研和生产工作也产生很大的影响。

但长期以来在有机实验教学中，教学内容除了基本操作外，主要为验证性合成实验。教学的方法仍然以传统的教师为中心[1]，课堂上教师对实验原理、目的、方法、注意事项等逐步讲解，并仔细演示实验装置的搭建，学生照猫画虎，按照教师的指导机械的完成实验内容。这种实验教学形式，虽然使学生的基本操作得到训练，但学生会产生很大的依赖性和惰性，不能锻炼学生解决问题、分析问题的能力，更谈不上激发学生的兴趣及创新能力的培养。因此对现有的传统的有机化学实验课程体系进行改革，建立一种既能提高学生创新及科研能力的有机化学实验课程体系，是新时代有机化学实验课程教学面临的新的挑战，也是新时代高素质人才培养的需要。

新的时期，随着化学学科的飞速发展及学生普遍素质的提高，要求有机化学实验的课程教学体系也要进行相应的改革，以助于学生素质的培养及教学质量的提高。本文针对化学专业有机化学实验开设中的问题，结合作者十几年从事有机化学及实验的教学实践，多次进行了有机化学实验教学大纲的修订，并从实验内容、实验开设方式及教学方法等方面，对如何利用有机化学实验课程体系提高学生的创新和科研能力进行了探讨。

1 严格规范学生的基本操作，夯实有机化学实验基础

规范基本操作技能是学生进行后续实验的基础，也是学生科研和创新能力培养的前提。因此，应把规范学生基本操作技能的训练放在提高学生实验能力的首要位置[2]。有机化学实验课程设置时先进行“有机化学实验的一般知识”、“蒸馏及简单分馏”、“水蒸气蒸馏、液体有机化合物的干燥”、“重结晶及过滤”及“熔点的测定”等基础的单元操作实验。学生第一节课进入实验室就要严格强调有机化学实验规范性操作的必要性及实验室安全注意事项。在单元操作实验训练中更要严格要求、规范操作。首先要从简单的实验仪器装置抓起，仪器的洗涤、圆底烧瓶的选用、仪器装置的搭建及拆除等都要符合实验规范。如最基本的简单蒸馏，装置的安装与连接要注意"自下而上，从左到右"；实验时要先通水后通电，冷凝水下进上出；温度计水银球的位置等等。其次，单元操作实验中，对类似的方法或仪器的应用范围要进行对比讲解，如蒸馏、简单分馏、减压蒸馏和水蒸气蒸馏都可以用于液体分离，但是各种方法都有一定的适用范围，通过基本操作训练要让学生掌握每种方法的选择依据，以便于学生在后面的实验或相关科研工作中进行正确的选择或应用。另外，在进行蒸馏操作时，冷凝管的选用也是一个非常值得注意的问题。在有机实验过程中常用的冷凝管有直形冷凝管、空气冷凝管和球形冷凝管三种，学生在初始阶段就要知道三种冷凝管的差别和适用范围，以便于在后面的实验过程中进行正确的选择和应用。

因此，单元操作实验教师应精讲实验原理和操作注意事项，并进行详细的示范，使学生不但要学会规范的操作，更要懂得为何这样做才是科学规范的操作。经过严格的规范操作训练，学生就可以在今后的实验中正确选择实验方法，这样既训练了学生的操作能力，又提高了他们解决实际问题的能力。

2 增加综合性的制备实验内容，培养学生的动手和分析问题能力

学生经过单元操作基本实验技能训练后，就要开始加强综合性实验的训练。综合性实验是实验课程知识的综合体现，在有机化学实验课程设置中占有较大的比重，其中包含着大量的基础实验知识和基本操作，使学生不仅可以学到新的知识内容，还可以巩固学生的基本操作能力，培养学生严谨的科学态度和良好的实验技能。如乙酸正丁酯的制备、苯乙酮的制备、正溴丁烷的制备、乙酰乙酸乙酯的制备等实验，学生会学到新的分水器装置的使用方法、带有尾气吸收装置的回流装置的搭建，还会涉及到回流、简单蒸馏、减压蒸馏、萃取、液体化合物的干燥等基本操作；肉桂酸的制备、甲基橙的制备、乙酰苯胺的制备、苯亚甲基苯乙酮的制备等实验，会涉及回流、水蒸气蒸馏、分馏、重结晶、抽滤等基本操作。并且每个实验都要求学生详细记录实验现象、计算和记录最后得到产品的产量和质量、分析实验结果并找出影响所合成样品的产量和质量的主要因素。通过一定的综合性实验训练，进一步巩固学生对基础有机化学实验基本操作技能的掌握，使学生初步掌握合成实验的路线、方法，着重培养学生的动手能力、根据实验现象分析解决问题的能力。

3 加设应用性实验，提高学生的学习兴趣

兴趣是学习的动力，学生有了兴趣，便能全神贯注，主动积极地去认识、实践和创造。为了提高学生的积极性，适当增加了精细有机合成、天然有机物提取[3]等实验内容。如通过在茶叶中提取咖啡因的实验，学生从茶叶的研磨开始，初步了解了天然产物提取的方法，掌握索氏提取器的工作原理和使用方法，同时还训练了升华操作，进一步巩固蒸馏及熔点的测定等操作。最近实验大纲修订中，又增加了阿司匹林的制备实验，阿司匹林是一种历史悠久的解热镇痛药，药物是大家都熟悉的食物，通过实验可以使学生简单了解药物的发现及制备过程、药剂的作用机理等常识，同时又加强了酚酯制备过程的理解及重结晶等单元操作。通过这些实验开设，可以引导学生进一步思考身边相关的与生活密切相关有机化学问题，从身边熟悉的事物出发，激发学生对有机化学实验的兴趣，进一步提高学生的科研和创新能力。

4 开设设计性实验，提高学生的创新和科研能力

在基础性实验、综合性等实验训练基础上，学生已具有了一定的有机化学理论知识和实验技能，因此，在实验课的后期阶段可以安排一定的设计性实验。设计性实验是由任课老师提前给出实验题目及实验要求和条件，布置学生先利用课下时间查阅各类文献资料，按照科技论文的格式写出文献综述；并根据要求及实验要求及条件，设计出合成路线、实验装置图及实验方案，并按照自己设计的实验方案完成操作的实验类型。设计性实验从资料查阅、实验路线的设计等都由学生独立完成，通过实验训练，学生独立动手、动脑的能力，及综合运用所学的有机化学理论知识与实验技能的能力都得到了进一步的提升，提高了学生学习的自主性、创新及科研能力[4-5]。

设计性实验的内容难易适中。过于简单，学生得不到锻炼；太难，打击学生积极性。只有选择典型的、难度适当的、具有多种设计方案和实施可行性的实验项目，才可有效地训练学生的思维。因此有机化学设计性实验应该是在实验室现有条件下选择包含知识点多、合成路线多、基本操作多、安全可靠的实验。如大纲中选择了由苯甲醛为原料设计合成二苯乙醇酸的实验。在实验时至少提前2周，把题目布置给学生，让学生利用课下时间充分利用图书馆资源查阅各种文献资料，找出各种可能的合成路线、实验原理及反应条件，并对各路线进行分析汇总，设计出自己认为合理可行的实施方案。这个阶段要求学生提交科技文献格式的综述及实验设计报告，并附参考文献。学生可以查到近三十种合成路线组合，然后再利用课堂讨论由学生讲解可行的方法，将各种合成路线进行分类、找出各种方法的优缺点，在教师的引导下根据实验药品的毒性、实验过程的可操作性、反应收率及现有实验条件等方面确定自己的实施方案，并写出最终、详尽的实验步骤。最后学生按照自行拟定的实验方案进行实验，在实验过程，教师不再进行详细讲解、强调实验要点。因为实验过程中，不同学生采用不同的合成路线和实验条件，因此，要求学生实验过程中详细记录实验现象，并及时对实验中出现的问题进行分析总结，比较各方法所得产物的外观、纯度及产率，判断设计方案的可行性。实验完成后，学生需按照科技论文格式提交实验报告。

总之，设计性实验的开设，学生自己查阅文献、自行设计实验方案、选择合适的实验仪器和试剂、独立完成实验操作，最后提交论文报告；巩固了课堂理论知识，训练了学生查阅及分类整理文献能力，培养了独立进行综合操作技能及综合运用知识的能力，能够充分发挥学生的主动性、积极性和创造性，因此设计性实验是一个帮助学生提高实验技能、树立正确的科研精神、培养创新能力的重要途径。

5 拓展研究创新性实验，提高学生实践创新能力

学生的创新和科研能力的提高，不能仅仅限于实验课堂教学。因此，结合本校的相关政策，把有机化学实验教学与开放实验室、本科生研究发展计划(SRDP)、国家大学生创新性实验计划和本科生的导师制有机结合起来，在实验课程后期或实验课程结束后，指导学生参与老师科研活动、申请相关的“研究创新性实验”课题，培养他们的科研能力。“研究创新性实验”课题是与老师一些科研课题相关的题目，涵盖了复杂有机化合物的合成、表征、分离与鉴定等内容，有的题目还涉及有机化学与材料、医药、生物、环境等多个学科的交叉，具有较好的创新性和前沿性。如在茶叶中咖啡因提取实验和大量文献的基础上，我们申请了“冬青叶提取物及其作为盐酸酸洗缓蚀剂的研究”。学生申请到相关的课题后可以在有机开放实验室或相应的科研室进行相关的实验工作。通过查阅文献，学生书写项目申请书，自己设计实验方案和实验步骤，拓宽学生的知识视野，提高其自学能力和理论联系实际的能力；实验过程中，学生对实验步骤、现象、出现的问题详细做好记录，养成良好的科研习惯，增强学生综合实验能力、发现问题和解决问题的能力；通过整理实验数据、撰写报告，使学生掌握了科学研究方法，培养其科学研究能力；通过实验中项目小组同学间的研究讨论，培养学生的团结协助精神。

通过这样的研究设计性实验，学生提前了解了老师科研项目的相关工作，受到了一次完整的科研过程训练，研究与创新能力得到了进一步锻炼和提高，为其今后从事相关的的科研工作打下良好的基础。

6 建立立体化的教学方法体系，提高学生的参与度及科学素养

在强调“以学生为中心”的教育理念的指导下，涌现出各种教学方法。如PBL教学法、探究式教学、雨课堂、翻转课堂等，针对有机化学实验课程的特点，在多年的教学积累下，有机化学教学团队也尝试了很多教学方法，形成一套适用于有机化学实验的教学体系。如教学设计时，蒸馏、简单分馏、水蒸气蒸馏和减压蒸馏这几个单元操作实验采用了比较教学法。进行到某个实验时，要求学生对比着学习每种单元操作的实验原理、

实验装置及应用范围之间的区别和联系，在比较过程中提出疑问，从而提高了实验的教学质量，也为学生后面本科毕业论文或科研中遇到类似的化合物分离的问题打下了基础。另外，有机化学实验中还摸索了一套LBL (Lecture-Based Learning)和PBL (Problem-Based Learning)[6-7]相结合的双轨教学模式，通过精心的教学设计，使学生先通过传统LBL教学法在基础性实验部分打下坚实基础。再选取综合实验中几个代表实验如“乙酸正丁酯的制备”、“茶叶中提取咖啡因”“苯亚甲基苯乙酮的制备”等采用了PBL教学，训练学生的参与、讨论的热情，为了减少学生负担，其它实验仍以LBL教学为主。最后的设计性实验就采用完全教学模式，实验教学分3～4周时间完成，教师以答疑和讨论的形式进行指导。LBL-PBL教学法综合了这两种教学模式的优点，既加强了学生基本实验操作能力，又加强了学生创新、科学素质的培养，符合目前高校实施素质教育、培养创新人才的要求。

7 提高学生创新和科研能力的有机化学实验课程体系

在科技创新的时代，社会对人才素质提出了更高的要求，培养学生的创新和科研能力、提高综合素质已成为全社会的共识。有机化学实验作为我校化学相关专业的一门核心基础课，不仅要给学生传授有机化学实验相关的基本知识与基本操作技能，还要把学生创新和科研能力的培养贯穿于有机化学实验教学过程中，使学生在掌握基础知识的同时获得较高的综合能力，也使这门课程贴近学生需求、激发学生兴趣、更受学生的喜爱。而学生创新和科研综合能力的培养是一个长期的过程，需要在教学实践中不断探索、改革、总结和提高，通过开设基础性实验、综合性实验、应用性实验、设计性实验、创新实践，并结合各种教学方法和教学手段，逐步地提高学生实验过程中的参与性、积极性和主动性，更好地锻炼学生理论与实践结合能力、发现问题、分析问题和解决问题的能力。在现有实验条件下，给学生提供尽可能的广阔的思维空间，提高学生综合的科学素质，需要老师和学生们的共同努力。