應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗中的設(shè)計性與不確定性

徐世美，武榮蘭，阿達來提·阿不都熱合曼

（新疆大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

應(yīng)用化學(xué)是一門介于化學(xué)與化工之間的實踐性很強的應(yīng)用型學(xué)科，而實驗教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)［1］。應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實驗是在學(xué)生進行了相關(guān)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)及實驗的基礎(chǔ)上開設(shè)的，是實驗課程體系中的“提高階段”［2］，是為讓學(xué)生在鞏固和應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，進一步提高實踐與創(chuàng)新能力，為今后從事科研及相關(guān)工作打下良好基礎(chǔ)［3］。因此專業(yè)實驗的設(shè)置內(nèi)容一方面要緊密結(jié)合基礎(chǔ)化學(xué)知識，另一方面要充分體現(xiàn)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)特色。通常專業(yè)實驗課的內(nèi)容更注重專業(yè)性的體現(xiàn)，但對于基礎(chǔ)知識的銜接往往忽略，而且教學(xué)方法也沿用“依照講義，按部就班”的模式。學(xué)生在實驗過后，除了實驗技能有所提高，對專業(yè)課程的內(nèi)容有了感性認知外，其認識的主觀能動性并不能很好發(fā)揮，更無益于思考與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［4－5］。我們結(jié)合多年從事應(yīng)用化學(xué)專業(yè)課程和實驗課的教學(xué)經(jīng)驗，對專業(yè)實驗進行了適當(dāng)改革，除在內(nèi)容選定上突出專業(yè)特色外，還引入了部分設(shè)計性的內(nèi)容，使實驗結(jié)果具有不確定性，因此學(xué)生在實驗前充滿好奇與期待，能夠積極參與到實驗中，從而達到了較好的實驗效果。

1 結(jié)合專業(yè)與學(xué)科研究設(shè)置實驗內(nèi)容

我校應(yīng)用化學(xué)學(xué)科是自治區(qū)重點學(xué)科，學(xué)科重要研究方向是精細化學(xué)品化學(xué)。應(yīng)用化學(xué)專業(yè)本科生在三年級上學(xué)期學(xué)習(xí)了專業(yè)先導(dǎo)課“精細有機合成化學(xué)與工藝學(xué)”之后，下學(xué)期進入“精細化學(xué)品化學(xué)”專業(yè)課的學(xué)習(xí)，該課程配置相應(yīng)的實驗課“精細化學(xué)品實驗”。目前有關(guān)精細化學(xué)品實驗的講義很多，如果能很好地選取實驗內(nèi)容并設(shè)計有關(guān)實驗教學(xué)過程，不僅可以讓學(xué)生在實驗過程中很好地鞏固和運用所學(xué)知識，而且可以更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。因此，實驗內(nèi)容的選取非常重要，要充分體現(xiàn)“應(yīng)用性”的專業(yè)特點［6］。

我們選取了阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試、玉米淀粉黏合劑的合成及黏接強度測試、改性107涂料的合成及性能、酸性藍黑的合成及表征，以及十二烷基苯磺酸鈉的合成及洗滌性能等實驗。所選取的實驗內(nèi)容涵蓋了專業(yè)課程“精細有機合成化學(xué)與工藝學(xué)”所述的鹵化、氧化、縮合、重氮化和偶合、磺化等重要精細化工單元反應(yīng)，而且還包括了精細化學(xué)品的重要品種，且與實際生活息息相關(guān)，容易引起學(xué)生的興趣；另外，除合成技術(shù)外，實驗中還引入了相關(guān)的性能測試，包括阻燃性、黏合性、洗滌性能、吸附性能等測試，充分體現(xiàn)了應(yīng)用化學(xué)的實用性特點［7］。這些測試環(huán)節(jié)還綜合運用了分析化學(xué)和物理化學(xué)等的相關(guān)知識，讓學(xué)生體會到學(xué)以致用的樂趣。

2 將設(shè)計性環(huán)節(jié)引入到實驗內(nèi)容中

在確定好實驗課的內(nèi)容后，還應(yīng)根據(jù)從事實驗的學(xué)生特點適當(dāng)引入新的教學(xué)方法與手段，以達到更好的教學(xué)目標(biāo)。低年級的本科生在基礎(chǔ)化學(xué)實驗課中主要采取“按方抓藥”的方法，以期在實驗過程中加深對基礎(chǔ)知識的認知。而專業(yè)實驗的認知對象為高年級學(xué)生，已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)知識和實驗技能，因此可根據(jù)他們的特點適當(dāng)引入一些設(shè)計性的內(nèi)容，并與當(dāng)前的一些關(guān)注熱點相結(jié)合，以鍛煉他們分析與解決問題的能力，并提高他們的求知欲與實驗興趣［8］。

在阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試的實驗中，實驗講義中以溴素作為雙酚A的溴化劑，乙醇作為溶劑。教師可在實驗前的輔導(dǎo)時提出溴素使用的弊端，包括其強腐蝕性、刺激性以及反應(yīng)的非原子經(jīng)濟性，另外從綠色環(huán)保的要求出發(fā)，建議學(xué)生可以對溴化劑進行更換；此外結(jié)合溴化反應(yīng)特點，作為親電反應(yīng)，反應(yīng)是一個連串反應(yīng)，多溴代速度逐漸減慢，因此如何根據(jù)反應(yīng)機理控制反應(yīng)溫度以及如何利用溶劑效應(yīng)選取溶劑，也建議學(xué)生自行設(shè)計。

在改性107涂料的合成及性能實驗中，由于甲醛的殘留問題，向?qū)W生提出如何減小甲醛的危害的問題，之后引導(dǎo)學(xué)生通過控制合成中的加料方式及加料比，以及添加不同的改性劑來達到這一目標(biāo)。在提出問題后，交由學(xué)生課下根據(jù)講義并查閱相關(guān)文獻后，對其中的部分內(nèi)容進行適當(dāng)?shù)母倪M，并提交設(shè)計報告。不同于設(shè)計性實驗，后者僅僅提供了一個實驗?zāi)繕?biāo)與要求，幾乎所有的實驗過程與內(nèi)容都由學(xué)生自己設(shè)計完成，對學(xué)生有較高要求，而對剛接觸專業(yè)實驗的學(xué)生可能并不適合。但如果按照基礎(chǔ)實驗課的教學(xué)模式，則達不到啟發(fā)學(xué)生思考的目的。因此作為承上啟下的實驗課，我們就實驗過程的某一方面提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計，不僅有效地達到了實驗?zāi)康?，而且大大激發(fā)了學(xué)生的實驗與科研熱情。然而此環(huán)節(jié)需要注意，問題的提出既要聯(lián)系實際引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又不能過于寬泛或艱深，超越學(xué)生的學(xué)習(xí)能力［9－10］。

3 將不確定性因素引入到實驗結(jié)果中

在對學(xué)生進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)后，學(xué)生根據(jù)自己的想法設(shè)計改進實驗，因此使實驗結(jié)果增加了更多的不確定性，學(xué)生會主動相互比較、討論，在實驗過程中始終保持很高的學(xué)習(xí)興趣［11］。例如學(xué)生在阻燃劑四溴雙酚A的合成及阻燃性能測試的實驗設(shè)計時，認為可以用相應(yīng)的溴化物與氧化劑來生成反應(yīng)所需的溴化劑，且可根據(jù)溶劑效應(yīng)，在醇中加入少量水加速反應(yīng)，然而最優(yōu)化條件并不確定，導(dǎo)致實驗結(jié)果具有不確定性。不同學(xué)生所采取的改性方法不同，也會使實驗結(jié)果有所不同。該實驗結(jié)束后，有些小組得到了固體產(chǎn)品，干燥后為疏松粉末，但有些產(chǎn)品在干燥后熔融；另有一些小組得到了液體產(chǎn)品。這種不確定性使學(xué)生在實驗前非常迫切地希望得到結(jié)果，因此在實驗中非常主動，愿意與其他實驗組進行對比分析，并通過比較實驗結(jié)果的好壞，發(fā)現(xiàn)自己實驗設(shè)計的問題。

在酸性藍黑的合成及表征實驗中，涉及兩步重氮化和兩步偶合反應(yīng)，實驗過程較為復(fù)雜，要求學(xué)生在有限時間內(nèi)完成，對學(xué)生有較高的要求。有些實驗組在實驗中較快監(jiān)控到實驗終點，從而可以進行下一步反應(yīng)，而有些實驗則遲遲不能到達反應(yīng)終點，因此他們會去比較二者實驗的差異，包括加料比以及反應(yīng)pH等。后來證明，由于反應(yīng)液pH的差異，導(dǎo)致偶合速率相差非常大，從而深刻理解了偶合液pH對偶合反應(yīng)的影響規(guī)律。而在改性107涂料的合成及性能實驗中也存在同樣的問題，一些實驗組為減小基料中甲醛的含量，加料時減小了甲醛用量，導(dǎo)致實驗過程中生成的基料分子量較小，甚至觀察不到終點絮凝點的出現(xiàn)。通過與其他實驗組的對比，他們可以分析出自己實驗的問題所在，避免了照方抓藥實驗中毫無懸念的結(jié)果而帶來的思維僵化。

4 統(tǒng)籌合理安排實驗進度

由于選編的實驗中都涉及合成步驟，而合成過程通常需要一定的反應(yīng)時間，造成學(xué)生的“實驗空窗期”。學(xué)生在這期間無事可做，往往出現(xiàn)聊天、上網(wǎng)等現(xiàn)象。為合理利用時間，培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃能力，我們對實驗順序進行了特別編排，并根據(jù)實驗特點，將新增加的性能測試環(huán)節(jié)安插在每一個 “實驗空窗期”，要求學(xué)生根據(jù)自己的實驗進度來自行調(diào)整。由于學(xué)生在實驗中引入了不同的設(shè)計性內(nèi)容，加之實驗?zāi)芰Φ牟煌?，?dǎo)致學(xué)生的實驗進度有所不同，他們可以根據(jù)自己的實驗進展安排上一個實驗的性能測試時間。這樣一方面可以有效節(jié)省時間，避免大家做同一測試時引起的儀器擁擠，另一方面給予學(xué)生更大的自主空間，引導(dǎo)他們進行自覺性和協(xié)作性學(xué)習(xí)［12］。

5 結(jié)束語

通過專業(yè)實驗的改革，可以帶動學(xué)生的實驗與思考熱情。實驗前輔導(dǎo)時對學(xué)生明確指出，實驗講義內(nèi)容均具有可行性，但也存在一定問題，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法提出改進，也可以按照講義來做。盡管并沒有對學(xué)生強制要求進行實驗改進，但學(xué)生表現(xiàn)出較強的主觀能動性，對于部分實驗，甚至出現(xiàn)100%實驗組都在實驗設(shè)計報告中加入了自己改進的內(nèi)容。實驗課采取了與眾不同的教學(xué)方法，使學(xué)生感到真正的“學(xué)以致用”，體會到思考的樂趣。

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