有机化学实验教学中实验设计能力培养

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近年来，随着教学改革的不断深入，教学体系的进一步完善，在实验教学方面，传统的以验证性实验以及少量综合性实验为主的教学模式在培养学生的创造性思维和主动学习、探索式学习等方面存在明显不足,难以适应新形势下对人才培养的要求.因此，减少验证性实验，增加综合和设计性实验成为实验教学改革的重点内容.按照“普通高等学校本科教学工作水平评估”的指标要求,“综合性、设计性实验”至少应占实验课程总时数比例的50%～60%以上[1].其中设计性实验是学生在教师的指导下，根据给定的实验题目和实验条件，通过自己查阅资料，设计实验方案，选择实验器材，拟定实验程序进行操作，并对结果进行分析处理的实验.设计性实验的开设，打破了传统实验固定的教学模式，使学生由被动学习转变为主动学习，学习的积极性得到有效调动，不但锻炼解决问题的综合能力，还培养学生的创新思维，同时由于设计性实验具有一定的难度,可以激发学生的挑战欲望,增加学生的成就感，从而给实验教学注入了新的活力.[2]设计性实验一般比较新颖，与科研和生活实际密切相关,涉及的知识面较广，而学生的知识不够全面，知识链断裂，综合训练欠缺，所以实验设计能力普遍偏低，在设计性实验开设过程中往往难以达到预期效果.本文结合我校近两年有机化学实验中设计性实验的教学实践，探讨在有机化学实验中学生实验设计能力的培养.

1.加强实验思路和方法的初步训练

1.1充分利用基础实验，强化实验技能训练，强调基本操作及其应用

能力的培养不是孤立的,而是知识的积淀、转化、升华和运用.没有知识的积累就谈不上能力,没有基础就谈不上提高.[1]在开始设计性实验之前，应遵循认知规律,符合循序渐进的科学培养方法，对学生进行基本实验技能的训练，使学生掌握基础实验原理、基本操作及利用各种操作所能达到的实验目的.如对蒸馏、分馏、萃取、重结晶、熔点和沸点测定等操作，不但使学生了解其原理，更进一步地能规范操作，并且明确在什么情况下应选用何种操作方法.

1.2通过综合性实验训练，明晰实验思路与方法，培养学生综合考虑问题的思维方式

综合性有机化学实验往往以简单的原料合成复杂的分子，当中涉及制备、分离、分析测试、性能研究等环节，会用到各种实验方法和手段.因此，可以借助实验内容和实验要求，使学生明晰实验思路与方法，并通过对实验方法和实验手段的综合应用，培养学生综合考虑问题的思维方式以及运用综合的方法、手段分析问题、解决问题的能力，进而使学生具有初步的实验设计能力.例如乙酰水杨酸的制备实验，可以通过问题式教学和实际操作，使学生在了解实验原理的基础上，要清楚怎样才能减少副产物、主副产物应该采取什么样的办法才能得以分离，依据什么选择合理的实验装置、如何减少产物的损失以及怎样验纯等等，实验中哪些操作对结果至关重要，又当如何进行？实验方案的设计基于哪些方面进行，有无其他可行的方案？通过课堂实验有意识地启发学生思维，才能使学生逐渐掌握实验设计思路，具备初步的实验设计思维能力，为后期设计性实验奠定基础.

2.联系生活实际，创设情境，在问题驱动下激发学生的实验设计兴趣

美国心理学家布鲁纳指出：“学习的最好剌激乃是对所学知识的兴趣.”精心创设情境，将学生置于乐观的学习情境中能够很好地激发学生学习兴趣.比如提取茶叶中咖啡因的实验，首先将大家熟悉的茶叶和白色的针状咖啡因晶体摆放在一起，让学生观察两者在外形、色泽上的区别，在学生惊诧于暗绿色的茶叶中竟然藏有针状晶体咖啡因的时候，顺势启发学生思考咖啡因都有哪些性质？能通过什么办法来获得茶叶里的咖啡因？平日沏茶是否是将咖啡因提取到水中的一种操作？此外都还有哪些提取方法？又如何提高提取效率并最终得到白色针状晶体？在一连串问题的驱动下要求学生分组去查阅相关资料，了解索氏提取、微波提取、溶剂回流提取、超声波提取以及超临界CO2提取和升华法纯化的原理、操作方法及操作要点，比较各种方法的优缺点以及各种不同溶剂的提取效果，写出可能的实验预案，探讨实验可行性.之后在老师的指导下，进一步明确各种方法的特点，梳理设计思路，细化实验设计并付诸实验.为了使学生实验设计兴趣能够真正地被激发出来，指导教师在这一过程中要扮演好“点拨者”和“引领者”的角色，在学生的理解能力和已掌握的知识基础上有针对性地、有目的和有意识地设置问题，并帮助学生解决一些症结难点，提升学生的思维能力，切忌将一大堆问题完全交于学生去完成，使学生产生“畏难”情绪，影响学生探究兴趣和实验进程.

3.进行对比实验，引导学生多方位思考，拓展思维

有机化学实验无论是化合物的制备还是天然产物的提取，大部分都可以利用多种方法去完成，因此设计性实验在实施过程中可以采用不同方法进行对照，在指导教师有目的的组织下让学生从实验原理出发，通过对实验药品、实验条件、实验装置、实验安全性、实验过程的繁简程度以及实验结果等方面进行比较分析，自己发现问题并得出结论.这样做一方面可以加深学生的印象，另一方面更能启发学生进行多角度思考，在实验设计中考虑问题更加全面，更为严谨，从而潜移默化地培养学生分析能力和实验设计能力.同时，也能通过一次实验设计引导学生进行丰富的理性的联想思维，拓展他们的思维空间.例如提取茶叶中的咖啡因实验，依照先前设计好的实验方案，我们通过分组并分别采取超声波提取、溶剂回流提取、微波提取、索氏提取四种不同方法，利用水或酒精作为提取溶剂，在溶剂不同，溶剂的加入量和提取时间也不同的情况下让学生进行实验，最后利用升华的方法获得白色针状晶体咖啡因.实验中，要求学生注意观察提取装置的搭建、提取液的颜色，比较实验的难易和快慢程度、最终的产量，并分析各种影响因素.同时，引发出新的问题启发学生思考，如是否可以利用这样的装置和方法得到花椒、橘皮、玫瑰等精油呢？精油的成分主要是什么？提取中又应当注意些什么？通过在教学设计中始终注意融入开启学生思维的理念，不仅能活跃课堂气氛，调动学生积极思考，增加课堂知识容量，训练学生发散思维能力，并且使学生逐步养成科研思考的习惯.

4.分阶段分层次，由浅入深指导学生进行实验设计

实验设计能力的培养是一个渐进的过程，只有当学生储备了一定的理论基础知识，掌握了一定的设计思路，学会了综合考虑问题，才有可能设计出一个较为合理可行的实验方案.因此在教学过程中，我们一是根据学生已有的知识水平；二是保证实验课题的内容在学生的能力范围之内；三是最大限度地调动学生的知识储备，分阶段分层次遵循由简到难的原则优化设计性实验内容，由浅入深指导学生进行实验设计，尽量使学生在实验过程中少走弯路，犯不必要的错误而浪费时间以及挫伤实验积极性，以达到逐步提高学生的实验设计能力的目的.对于化学专业学生，我们把设计性实验按照由易到难的顺序安排在两个学期来完成。由于前期实验阶段学生实验设计思路和技巧得到了初步训练，因此在进行实验设计时，学生普遍感觉难度并不是很大，比较乐于去完成，而指导教师在学生的主动配合下，也能较为满意地获得预期教学效果.

5.培养绿色环保意识，在实验设计中融入绿色化学理念

环境污染问题是当今社会发展中的一个重要问题，我国各高等院校中所产生的实验室污染物，已成为我国环境污染的一个重要来源，而有机化学实验又是实验室污染中的一个重点.在有机化学的实验教学中有意识地培养学生的“绿色化学”观念，有利于从源头上消除污染，使化学和环境能够协调发展.在每一次实验前，要求学生必须明确实验过程中所要接触到的各种药品的物理常数、毒性、对环境会造成的影响等，了解相关的防护措施；实验过程中，通过对实验药品的实际接触，进一步明确实验药品、实验过程对环境和实验人员安全的影响；实验后，培养正确的实验室“三废”处理观念，杜绝乱丢乱放的习惯.向学生介绍绿色化学的5R原则，培养学生用绿色化学的眼光来适应新形势下的有机化学实验，通过逐渐增强学生的绿色环保意识，把绿色化学理念融入到设计性实验中.在不影响实验效果的情况下我们采取了一系列的绿色化学实验方法.例如，在制备乙酰苯胺和甲基橙等的实验中采用试剂用量减半的方法，减少有害物质的使用；在柱色谱实验中，利用填充长5cm内径1cm的较短的Al2O3柱床，分别以酒精和水为溶剂，对甲基橙和亚甲蓝混合物进行分离，既保证了明显的实验效果又节约了试剂和时间；利用绿色的微波辐照合成技术制备肉桂酸，缩短时间的同时也提高了产率.在萃取实验中，利用水作为萃取溶剂对乙酸乙酯中的冰醋酸进行萃取，避免乙醚的使用；己二酸的合成则以H2O2代替教材中的硝酸，副产物是水，避免了用硝酸氧化氮氧化物的产生.正是在实验过程中不断地向学生渗透绿色化设计理念，因此，学生在设计实验方案时会很自然地从实验原料、试剂、反应条件、废物回收利用、能源消耗以及是否是原子经济性反应等诸多方面进行考虑，教学结果表明在设计的实验方案中总是会体现出学生在这一方面付出的努力.

6.充分发挥教师的主导作用，突出学生的主体性，鼓励学生大胆思考、勇于探索

理想的教学要求教师的主导性与学生的主体性都得到充分的发挥，实现二者和谐完美的统一.在教学过程中，教师要善于发现学生的潜能，排除学生的心理障碍，帮助学生开阔视野、拓宽思维，鼓励学生大胆思考，勇于探索，调动学生的参与意识，把学习的主动权还给学生主体，使学生变被动接受为主动探究，从要我学为我要学，充分达到学生主体作用的发挥，使学生在享受设计性实验的独特乐趣中不断提高参与实验的能力与信心.教学实践证明：作为教师，科学合理地安排设计性实验内容，正确组织和引导学生查阅资料、放手学生去设计实验方案，鼓励学生求新求异的思维方式，尊重学生的设计思路、耐心细致地为学生答疑解惑、加强师生间情感培养，精心为学生准备实验所需，加大学生在实验过程的自主度，将实验课堂这个舞台实实在在地交还学生，并将实验设计完成情况纳入到考核中等都十分有助于调动学生的学习热情，焕发学生主体创新意识，从而使学生的实验设计能力和科研意识得到了逐步提高，并使学生具备良好的科学素养.有机化学实验中的设计性实验在开阔思路、提高学生理论联系实际的能力和知识运用的能力上具有十分重要的作用.但开设的难度较大，对教师和学生都提出了较高要求.合理可行的教学策略和教学方法不仅能使学生具备初步的实验设计能力，更能使蕴藏在学生身上的创造性和学习潜能得以充分发挥,实现学生由被动学习向主动学习的转变，使学生的创新思维能力、科学探索精神得到培养。

作者：杨彩玲 白林 陈明凯 罗榕 单位：兰州城市学院化学与环境科学学院