淺談有機化學實驗的教學改革*

李歡歡

(南京郵電大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210023)

有機化學實驗是高?；瘜W、材料、化工專業(yè)學生的一門重要的必修課程，不僅可以培養(yǎng)學生掌握基本的實驗操作和實踐技能，而且可以培養(yǎng)學生良好的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。但是，以往的有機化學實驗的教學安排形式單調(diào)，學生通常是按照特定的教材上已有的操作方法以及步驟完成實驗內(nèi)容，導致學生在實驗過程中缺乏對于實驗的興趣、探索以及求職欲望，只是接收實驗課本或者教師的內(nèi)容，并不能完全理解實驗涉及的現(xiàn)象和實驗原理，并且缺乏對于實驗過程中涉及的知識和理論的深入理解，最終導致學生對于有機化學實驗的教學參與度較低，學生在實驗操作過程中，完全按照老師給定的實驗步驟和藥品用量進行操作，對實驗現(xiàn)象的觀察和實驗數(shù)據(jù)的分析不夠深入，學生實驗操作能力和動手能力不足，很大程度上影響了有機化學實驗的教學效果和學生科研能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，不能達到有機化學實驗課程的設計初衷[1]。因此，在有機化學的實驗教學過程中應該與時俱進地轉(zhuǎn)變教育思想，結(jié)合新時代教學模式的變化，需要革新現(xiàn)有的教學觀念以及教學模式，使得學生開啟科研創(chuàng)新之路，充分激發(fā)學生的實驗興趣，提高學生的課堂參與度，培養(yǎng)出具有較高理論水平和較強實驗能力的創(chuàng)新型人才[2]。

有機化學實驗的教學內(nèi)容是以最簡單、綠色環(huán)保的原料為起點，通過一些合成手段制備一些復雜的化合物為主線，主要涉及分子合成、材料制備、化合物分離與提純、分析測試與性能研究等實驗環(huán)節(jié)，整個過程既包含有機化學實驗的操作方法，又體現(xiàn)有機化學與其它學科間的交叉融合。因此，在有機化學實驗中開展翻轉(zhuǎn)課堂和思想實驗相結(jié)合的實驗設計，再輔助采用研究型、課題式教學模式，在教學中有意識地、創(chuàng)新性的引入科研思維訓練，將課程思政理念滲透到教學的過程當中[3]?，F(xiàn)在針對在有機化學實驗教學中的一些經(jīng)驗總結(jié)如下：

1 實驗課程安排與學生所在學院研究內(nèi)容相結(jié)合

近年來，隨著一些新的反應類型、新的技術(shù)路線、新的合成方法的不斷涌現(xiàn)、新的現(xiàn)代分析及表征技術(shù)在有機化學實驗中廣泛應用[4]。因此，在實驗課程安排中有必要設計到此方面的內(nèi)容。在課程的編排過程中，要加強學生的基本操作訓練以及科學方法的培養(yǎng)等，還要適應不同的培養(yǎng)目標包括教學、科研人才的培養(yǎng)以及將來從事工業(yè)化生產(chǎn)的相關能力。此外，為了使學生盡快的了解自己所在專業(yè)的研究內(nèi)容，研究重點以及研究特點，可以在實驗課程中安排與其所在學院的科研方向和研究內(nèi)容密切相關的、有代表性的、典型的有機反應類型，特別是相關領域近年來所取得的新方法、新成果、新技術(shù)等。我們團隊在自編教材《有機化學實驗》的基礎上，經(jīng)過近10年多次修訂，完善了有機化學反應的基本操作知識點，注重安全和規(guī)范操作在實驗中的重要性，著重培養(yǎng)學生嚴謹、科學、認真和規(guī)范的工作態(tài)度和化學實驗技能。2019年出版了《有機化學與光電材料實驗教程》這本書，與原教材相比，內(nèi)容上保留了有機化學實驗基本技能的相關操作和典型反應，著重增加了有機電子學的相關知識、實驗操作要點和技能訓練，包括有機分子及其光電功能性質(zhì)介紹、有機化合物特殊制備技術(shù)、有機半導體器件應用、材料分析技術(shù)與方法等方面的內(nèi)容[5]。

2 改進實驗操作模式，變通考試模式，啟發(fā)學生創(chuàng)新能力

利用南京郵電大學虛擬方針實驗平臺，近年來虛擬仿真實驗受到了大家的廣泛推廣，如南京郵電大學的國家級金課“傅克反應—螺芴氧雜蒽(SFX)的一鍋法串聯(lián)反應虛擬仿真合成”[6]。利用虛擬仿真技術(shù)，將圓底燒瓶、錐形瓶、冷凝管、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等一些實驗“裝備”一一出現(xiàn)在電腦屏幕上。屏幕右下角的小機器人會提示“取出圓底燒瓶”“稱量藥品”“打開活塞”等一系列的操作，我院本科生可以按照實驗教學項目的演示進行操作。在實驗平臺上，設計了演示與教學實驗、練習與考試實驗及思維拓展實驗三個項目，學生通過演示版學習后，在類似游戲的界面上，點擊鼠標，取反應瓶等“裝備”，完成萃取、重結(jié)晶、干燥和柱層析等任務。在考試實驗中，將根據(jù)學生的實驗操作情況，進行精準評分，讓老師及時掌握學生的學習情況。在思維拓展實驗中，只有對反應的優(yōu)化條件正確選擇，才能最后通關，獲得化學產(chǎn)物。如果進行順利，操作熟練，15分鐘時間就可以完成一個“化學游戲”。學生在此過程中，能夠了解傅克反應原理、芳烴化合物的傅克反應活性，掌握“一鍋法”制備螺芴氧雜蒽的反應原理和方法等，同時對動力學、熱力學、芳烴化學會有深刻的認識，還能順便了解一些關于有機電致發(fā)光器件相關的產(chǎn)業(yè)知識。學生通過一臺電腦便可以輕松學習化學實驗操作，掌握十三年的科研精髓。這種模式的實驗創(chuàng)新不僅可以增強學生的學習興趣、課堂參與度，而且可以利用多種模式提高教學效果，增加學生對于相關知識點的理解以及深化，有利于學生掌握關鍵的實驗技能和方法。2020年，突如其來的新冠肺炎疫情，打破了我們正常的生活，由于學生們尚不能返校學習、實驗。其實線上教學是對所有老師、學生和家長增添了很多挑戰(zhàn)，我們利用MOOC教學、虛擬仿真實驗、chemdraw等軟件、雨課堂線上教學平臺、再輔助騰訊課堂、微信、QQ等多元化的學習網(wǎng)絡，加深學生對線上實驗的操作能力和細節(jié)的把握，加強學生們的操作技能和鞏固實驗的能力。

3 革新實驗教學方法并與先進儀器和設備相結(jié)合

在實驗制備的過程中，學生更加容易接受先進的實驗技術(shù)以及教學方法，從而提高參與的積極性。比如，在虛擬仿真實驗的基礎之上，利用現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，將先進的實驗課程或者新的實驗內(nèi)容結(jié)合，是學生在及其安全的情況下，完成了自己的實驗，從而增加其學習興趣，并且可以加速信息+化學的交叉學科人才培養(yǎng)，培養(yǎng)出更多具有交叉學科融合能力的學生。采用先進儀器教學和設備，利用時下興起的多媒體教學技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC等形式給予學生一些新的課程內(nèi)容來豐富有機化學實驗的課程。

在有機化學實驗課堂教學中引入與當前前沿以及熱點科研方向和研究內(nèi)容密切相關的、有代表性的、典型的有機實驗內(nèi)容，在基礎的實驗教學中引入科研訓練內(nèi)容，一方面，提高學生的積極性和實驗興趣，通過新型的課堂教學方法，加強學生的基本操作以及科學方法的培養(yǎng)，訓練學生科學的思維方式，另一方面，利用最新的科學技術(shù)培養(yǎng)新型的專業(yè)性人才，加速信息與化學的交叉學科人才培養(yǎng)，培養(yǎng)出更多具有學科交叉融合能力的學生，滿足高等教育對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，實現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才的目標。