結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展第二課堂的實(shí)踐與探索

趙 光 李 珺 朱明玥 彭鈺婷 張佳寧 張 妍

（1.首都醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，北京 100069；2.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京 100069）

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要改革

化學(xué)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，很多化學(xué)知識(shí)最初來(lái)源于人們生產(chǎn)生活實(shí)踐，化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)也應(yīng)遵從科學(xué)發(fā)展規(guī)律，結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)總結(jié)、提煉升華。化學(xué)學(xué)科與生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科結(jié)合日趨緊密，高素質(zhì)的醫(yī)藥學(xué)人才也需要有扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)，掌握化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)技能也是培養(yǎng)醫(yī)藥學(xué)生的一個(gè)重要方面[1]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課可以培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新思維、解決問(wèn)題的能力。

然而，在傳統(tǒng)的化學(xué)課堂教學(xué)中，容易出現(xiàn)重理論輕實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)看作是理論課程的輔助部分，從而把實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)放在驗(yàn)證理論和觀察現(xiàn)象上，對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度不夠，難以發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主動(dòng)性和創(chuàng)造性[2]。另一方面，很多院校開設(shè)的傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容陳舊。一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)際聯(lián)系不夠緊密，與所學(xué)專業(yè)無(wú)太大關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不夠，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，被動(dòng)地應(yīng)付學(xué)習(xí)的需要，沒(méi)有主動(dòng)去了解思考問(wèn)題的來(lái)龍去脈。一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目鑒于當(dāng)時(shí)的設(shè)備限制，測(cè)量方法需要改進(jìn)，雖然實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已延用了很多年，但是在當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)大環(huán)境下，有些內(nèi)容需要更新，與時(shí)俱進(jìn)。在設(shè)備快速更新，各種高科技先后出臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)通訊的迅猛發(fā)展下，如何將學(xué)生吸引到實(shí)驗(yàn)室課堂上，需要對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革。

2 第二課堂補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)

順應(yīng)當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展潮流，可以結(jié)合學(xué)生的生活實(shí)踐，開設(shè)一些可行的受學(xué)生歡迎的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生去思考。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，開設(shè)一些讓學(xué)生既感興趣，又不至于難度太大、學(xué)時(shí)占用太長(zhǎng)，而讓學(xué)生望而生畏的科學(xué)小實(shí)驗(yàn)。可以進(jìn)一步發(fā)展成小課題，針對(duì)課題討論實(shí)驗(yàn)方案，指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探索，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。要在學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)之上，才可以拓展其他的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技能，而這些實(shí)驗(yàn)受制于教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，為了不影響正常的教學(xué)秩序，可以開展第二課堂來(lái)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)課。

第二課堂是指在教學(xué)大綱范圍外，學(xué)生自愿參加的教學(xué)和科研活動(dòng)[3]。第二課堂是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，可以提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。首都醫(yī)科大學(xué)開設(shè)了第二課堂教學(xué)項(xiàng)目，幫助本科生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，圍繞第一課堂教學(xué)開展的各類課外實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)[4]。廣義上，第二課堂教學(xué)形式可以形式多樣，可以是學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)、開放性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新基地實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)、本科生導(dǎo)師制等[5]。第二課堂活動(dòng)還可以融入當(dāng)前熱門的教學(xué)方式，比如以學(xué)生為主的翻轉(zhuǎn)課堂[6]、問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)方式、學(xué)生小組討論的模式[7]等等，不受課堂教學(xué)形式的限制，更加靈活方便。

相對(duì)理論課堂，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，在實(shí)驗(yàn)課堂上，可以結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)踐可能出現(xiàn)的問(wèn)題，多方面地培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)和能力，實(shí)驗(yàn)室更方便開展第二課堂活動(dòng)。通過(guò)開放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生根據(jù)自己的特長(zhǎng)，結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，利用現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源，設(shè)置實(shí)踐性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，啟發(fā)學(xué)生思考，成為常規(guī)課堂教學(xué)活動(dòng)的延伸和補(bǔ)充[8]。第二課堂還可以與導(dǎo)師的研究課題相結(jié)合，或者在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容、形式、設(shè)計(jì)、實(shí)施過(guò)程中融入科研的思路和想法[9]。

第二課堂主要在課后進(jìn)行，學(xué)生們不受課堂教學(xué)學(xué)時(shí)限制，學(xué)生有輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以自主選題，根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的理解，選擇難度適宜的課題，根據(jù)個(gè)人的興趣特點(diǎn)，可以組成學(xué)習(xí)小組，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)與老師、同學(xué)的互動(dòng)交流，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索[10]。第二課堂提供了師生和外界交流的平臺(tái)，豐富了學(xué)生的知識(shí)，充實(shí)了學(xué)生的生活，為學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)創(chuàng)造了動(dòng)機(jī)。學(xué)生通過(guò)自學(xué)，查找、閱讀文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)方案，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)方案進(jìn)行修正，再反復(fù)去查找、閱讀文獻(xiàn)，跟進(jìn)最新的知識(shí)，讓學(xué)習(xí)成為一個(gè)流動(dòng)的過(guò)程，學(xué)生更有成就感[11]。在大學(xué)生中開展第二課堂項(xiàng)目，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，便于對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)，在選擇第二課堂的項(xiàng)目上、具體實(shí)施等環(huán)節(jié)都需要在實(shí)踐中進(jìn)行摸索。

3 第二課堂探索與實(shí)踐

第二課堂活動(dòng)應(yīng)與學(xué)校開設(shè)的專業(yè)課程相結(jié)合，以問(wèn)題為導(dǎo)向，進(jìn)一步利用活動(dòng)的成果激勵(lì)和改革現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，創(chuàng)新和充實(shí)教師的課堂教學(xué)內(nèi)容[12]。我們結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上的內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備，開展了第二課堂的探索與實(shí)踐。主要是兩個(gè)第二課堂項(xiàng)目，分別是：手工皂制作及其CMC檢測(cè)和共沉淀法制備Fe3O4納米粒子。

首先，布置了兩個(gè)題目給學(xué)生們，讓他們根據(jù)興趣和所掌握的技能分別選擇其中一個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生們進(jìn)行了分組。然后，學(xué)生們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下，查找文獻(xiàn)，閱讀下載的文獻(xiàn)，根據(jù)已有的文獻(xiàn)內(nèi)容，比較項(xiàng)目的意義，并進(jìn)行了分析。其中，手工皂制作及其CMC檢測(cè)的意義是：當(dāng)前市場(chǎng)所用的洗滌用品種類較多，有洗滌液、沐浴液、洗衣粉、肥皂等，市售商品在制作中多用動(dòng)物油脂，且后期添加了香料、色素等，存在日用化學(xué)品的安全問(wèn)題。而手工皂以堿液與天然油脂為主要原料，可以使用天然提取物，有健康、環(huán)保等功效[13]。手工皂一般為個(gè)人小批量制作，符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的個(gè)性化需要。共沉淀法制備Fe3O4納米粒子的意義是：磁性Fe3O4納米粒子具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出不同的特殊用途[14,15]。目前已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、磁記錄材料、磁流體等方面被廣泛應(yīng)用。

在已知兩個(gè)項(xiàng)目意義的基礎(chǔ)上，我們開始讓同學(xué)們閱讀比較實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已有的條件和設(shè)備，制定實(shí)驗(yàn)方案。其中，手工皂制作及其CMC檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)開展手工皂的研發(fā)與生產(chǎn)，制備手工皂的實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)便，也便于在學(xué)生中進(jìn)行大量地推廣和使用，激發(fā)學(xué)生的興趣[16]。在提出課題方向和研究問(wèn)題后，學(xué)生紛紛查閱文獻(xiàn)，了解到手工皂有各種類別，可以根據(jù)不同的原料來(lái)進(jìn)行多種方案的設(shè)計(jì)，手工皂制作可利用各種餐飲廢油、大豆油、玉米油等油類[17]，添加多種精油、乳制品、蜂膠等輔助成分[18]。制作方法多樣，可分為冷制皂、熱制皂。以幾種日常生活常見的食用油為原料，使用實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器與藥品，最后利用最大氣泡法測(cè)定手工皂的水溶液表面張力（CMC），從而比較其去污效果，對(duì)手工皂工藝進(jìn)行優(yōu)化。制定出實(shí)驗(yàn)流程為：準(zhǔn)備原料→皂化反應(yīng)→定型、晾干→CMC法測(cè)定表面張力。共沉淀法制備Fe3O4納米粒子中，由于化學(xué)共沉淀法是最早采用的液相化學(xué)反應(yīng)合成金屬氧化物納米顆粒的方法，它是在有兩種或多種陽(yáng)離子的溶液中加入沉淀劑，這種經(jīng)多元體系的溶液經(jīng)過(guò)沉淀反應(yīng)后，可得到各種成份均一的沉淀，化學(xué)共沉淀法是目前最普遍使用的方法。利用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4納米粒子，比較了不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)制備出的Fe3O4納米粒子粒徑大小的影響。

通過(guò)開展第二課堂項(xiàng)目，同學(xué)們學(xué)到了實(shí)驗(yàn)課堂上沒(méi)有接觸的內(nèi)容，選取的題目與生活、科學(xué)前沿密切相關(guān)，學(xué)生們激發(fā)了強(qiáng)烈的興趣，也更加明確了實(shí)驗(yàn)的原理。手工皂制作及其CMC檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)原理是皂化反應(yīng)，也就是堿催化酯的水解反應(yīng)，即在堿性條件下，油脂與氫氧化鈉反應(yīng)，生成甘油和高級(jí)脂肪酸的鈉鹽，也就是肥皂的主要成分[19]。共沉淀法制備Fe3O4納米粒子的實(shí)驗(yàn)原理是化學(xué)共沉淀法，通常是把Fe2+和Fe3+的硅酸鹽或氯化物溶液以1 : 2，更多是2 : 3的比例混合后，用過(guò)量的NH4OH或NaOH在一定溫度和pH值下，高速攪拌進(jìn)行沉淀反應(yīng)，然后將沉淀過(guò)濾、洗滌、烘干，制得大小尺寸為8～10 nm的納米Fe3O4微粒。

項(xiàng)目開展過(guò)程中，針對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的問(wèn)題，和開展實(shí)驗(yàn)的需要，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)條件的摸索和優(yōu)化。手工皂制作及其CMC檢測(cè)中，我們比較了熱制法和冷制法兩種方法。并摸索了不同的實(shí)驗(yàn)條件，包括油脂特性、堿脂比例、冷制法攪拌時(shí)間、皂液量與皂模的選擇、手工皂水溶液的配制等。共沉淀法制備Fe3O4納米粒子中，我們比較了Fe3+與Fe2+摩爾比、pH等條件的影響。

項(xiàng)目結(jié)束后，學(xué)生們整理了自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行了分析討論。手工皂制作及其CMC檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)若僅采用硬度較軟的油脂為原料，如亞麻籽油，會(huì)導(dǎo)致手工皂極軟，難以trace，不利于日常使用；為了使手工皂性能溫和，可以適當(dāng)減少堿的用量，或者增加油脂的量，可以減少對(duì)使用者皮膚的刺激，同時(shí)可以更好地在終產(chǎn)物中保留其營(yíng)養(yǎng)成分；冷制法明顯可見到大量氣泡，熱制法沒(méi)有氣泡，冷制法較熱制法反應(yīng)更均勻；需要在剛形成trace時(shí)，停止攪拌；皂液量的用量需與皂模大小對(duì)應(yīng)；在配制溶液時(shí)，先配置高濃度母液，再進(jìn)行稀釋，比使用定量的固體分別溶解，配制不同濃度的溶液更精確，可排除因固體未完全溶解而導(dǎo)致濃度不準(zhǔn)確，并且操作更簡(jiǎn)便。共沉淀法制備Fe3O4納米粒子的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在Fe3+與Fe2+摩爾比為1 : 1，pH約為9的條件下制備的磁性Fe3O4納米粒子粒徑最小，結(jié)果最好。

4 第二課堂效果與思考

通過(guò)開展第二課堂項(xiàng)目，老師和學(xué)生都得到了鍛煉，進(jìn)行了頻繁的交流，綜合學(xué)生們的體會(huì)，我們對(duì)第二課堂的效果思考總結(jié)如下：

（1）在設(shè)計(jì)第二課堂的選題上，以食用大豆油、橄欖油、亞麻籽油為原料，采用熱制法及冷制法制作手工皂，用最大氣泡法測(cè)定手工皂水溶液表面張力，并分析實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的技巧，展望手工皂的發(fā)展前景，該課題開設(shè)適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的需要。而化學(xué)共沉淀法是最早采用的液相化學(xué)反應(yīng)合成金屬氧化物納米顆粒的方法，該課題較成熟，另一方面，又能融入納米技術(shù)的概念，結(jié)合了學(xué)生個(gè)性化的特質(zhì)，并且讓學(xué)生能感興趣，激發(fā)去嘗試的內(nèi)在動(dòng)力。取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生們也體會(huì)。

（2）在開展第二課堂活動(dòng)中，皂化反應(yīng)雖然看似簡(jiǎn)單，但在具體實(shí)施過(guò)程中，會(huì)遇到很多實(shí)際的困難[20]。包括肥皂如何溶解，怎樣避免在配制溶液時(shí)形成的大堆泡沫，pH值如何測(cè)定，肥皂軟硬程度如何，表面光滑與否等。而制備無(wú)機(jī)納米粒子的概念比較時(shí)髦，如何制備出來(lái)，學(xué)生們需要一步一步去實(shí)現(xiàn)。要解決這些實(shí)際的小問(wèn)題，需要學(xué)生動(dòng)腦筋去解決，不像平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，老師都將可能出現(xiàn)的問(wèn)題想到，并一一對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，學(xué)生都是心中有數(shù)?？墒牵诘诙n堂中碰到的問(wèn)題很難提前預(yù)計(jì)到，甚至需要查閱文獻(xiàn)，利用周圍可行的工具和手段去解決。并且往往需要重復(fù)許多次，學(xué)生在體會(huì)到挫折后，如何堅(jiān)持，也是一種很大的收獲。

（2）在第二課堂完成時(shí)，學(xué)生拿到自己制作的手工皂成品、制備的納米顆粒，感到很有收獲。又通過(guò)繼續(xù)跟進(jìn)文獻(xiàn)，了解到手工皂的性能、形狀、pH值等，都有進(jìn)一步研究的價(jià)值和意義。學(xué)生們感到參加開放式的第二課堂活動(dòng)，比按部就班地完成老師布置的教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)到更多知識(shí)，覺(jué)得興趣十足。學(xué)生們總結(jié)了很多實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，關(guān)注了平常不會(huì)想到的細(xì)節(jié)，通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的一個(gè)個(gè)困難，完成了對(duì)學(xué)生自身的培養(yǎng)和鍛煉。

（4）在完成第二課堂后，到了后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和文字整理的總結(jié)階段，老師和參與的學(xué)生繼續(xù)通過(guò)微信、郵件等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)一步地交流心得體會(huì)，就實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和文章的撰寫進(jìn)行討論，促進(jìn)了師生之間的互動(dòng)，也激發(fā)了學(xué)生的求知欲望[5]。老師在此過(guò)程中運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，讓學(xué)生培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的基本科學(xué)素養(yǎng)，鍛煉了創(chuàng)新能力，發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)合作的精神。

致謝：本論文獲得“基礎(chǔ)與專業(yè)藥學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（首都醫(yī)科大學(xué)）”和“醫(yī)學(xué)化學(xué)與藥學(xué)北京高等學(xué)校示范性校內(nèi)創(chuàng)新實(shí)踐基地（首都醫(yī)科大學(xué)）”兩大平臺(tái)的支持。