本科實(shí)驗(yàn)課程中的主觀能動(dòng)性激勵(lì)方法

王奇峰，項(xiàng)金寶

1吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130012

2吉林大學(xué)藥學(xué)院，長(zhǎng)春 130021

本科生的學(xué)術(shù)能力和素養(yǎng)的提升包括理論知識(shí)的教授和實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)[1]。教育部長(zhǎng)期以來(lái)非常關(guān)注本科生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)，并提出了“科教結(jié)合協(xié)同育人行動(dòng)計(jì)劃”“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃”等，為本科生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力提升提供支持。同時(shí)，大學(xué)教師也長(zhǎng)期探索本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以讓本科生獲得更高的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰2,3]?；瘜W(xué)領(lǐng)域作為一門(mén)重要的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，其對(duì)本科生的實(shí)踐操作能力要求更為嚴(yán)格，這一方面關(guān)乎學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和運(yùn)用，旨在能夠使學(xué)生在實(shí)際的化學(xué)工作中合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件和路線，以更為簡(jiǎn)潔和高效的方式完成工作任務(wù)；另一方面也是對(duì)實(shí)驗(yàn)安全以及操作人員安全的重要保障，為將來(lái)的化學(xué)相關(guān)事業(yè)的發(fā)展提供最初步的安全保障。

在目前國(guó)內(nèi)的高校中，基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)非常普遍和重要的教學(xué)科目，其教學(xué)方式通常以教學(xué)參考書(shū)為指南，每學(xué)期從中選取10-12次的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按照課本中的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。在這種教育模式下，作者在長(zhǎng)期的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生通常不能理解每一步實(shí)驗(yàn)中所采用的數(shù)據(jù)和信息的來(lái)源、注意事項(xiàng)的理由，以及理論上合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更不明白實(shí)驗(yàn)按照該步驟進(jìn)行的科學(xué)意義。因此，學(xué)生在一學(xué)期甚至一學(xué)年實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)之后并不能合理地設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)步驟安排、試劑用量、檢測(cè)方法等，甚至出現(xiàn)潛在危險(xiǎn)都渾然不知。針對(duì)這種現(xiàn)象，不同高校的教師曾提出多種解決方案，包括“做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”[4]、“培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)習(xí)慣”[5]、或者“對(duì)本科生開(kāi)放高級(jí)實(shí)驗(yàn)室”[6,7]等方法，但情況并沒(méi)有因此獲得有效的改善，抄寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告反而成為學(xué)生的負(fù)累，進(jìn)入高級(jí)實(shí)驗(yàn)室成為本科生獲取學(xué)分的捷徑。為改善和解決此類(lèi)相關(guān)問(wèn)題，作者在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過(guò)程中提出了“理論質(zhì)疑”和“步驟調(diào)整”的方法，以提高本科生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性，激發(fā)思考問(wèn)題的興趣，并鍛煉應(yīng)付突發(fā)情況的能力。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這兩種方法對(duì)于改善學(xué)生主觀能動(dòng)性具有非常明顯的效果，學(xué)生會(huì)由此對(duì)參考書(shū)中的步驟和數(shù)據(jù)進(jìn)行更為深刻的理解，進(jìn)而以更為簡(jiǎn)潔高效的方式完成實(shí)驗(yàn)工作，體現(xiàn)出了“盡信書(shū)不如無(wú)書(shū)”的價(jià)值。

1 “理論質(zhì)疑”方法的提出與實(shí)施

“理論質(zhì)疑”法是作者依據(jù)自然辯證法中“否定之否定”規(guī)律針對(duì)學(xué)生填鴨式教學(xué)提出的一種方法，旨在讓學(xué)生對(duì)參考書(shū)中的實(shí)驗(yàn)步驟要求提出合理的質(zhì)疑，并在實(shí)驗(yàn)可控的條件下對(duì)質(zhì)疑的內(nèi)容進(jìn)行探索性嘗試，根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象闡述參考書(shū)中實(shí)驗(yàn)步驟的合理性，即對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟要求首先進(jìn)行“否定”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象決定對(duì)“否定”的結(jié)果進(jìn)行“肯定”或“否定”，最終達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟更為準(zhǔn)確和合理的認(rèn)識(shí)。

以《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[8]中“乙醇的蒸餾”實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)處于本科生進(jìn)行基礎(chǔ)有機(jī)實(shí)驗(yàn)的最初階段，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況的結(jié)合充滿(mǎn)了好奇。在實(shí)驗(yàn)步驟中關(guān)于現(xiàn)象的描述如下：“當(dāng)瓶?jī)?nèi)只剩下少量液體時(shí)，若維持原來(lái)的加熱速度，溫度計(jì)的讀數(shù)會(huì)突然下降，即可停止蒸餾?！边@段文字的表達(dá)，是指當(dāng)主餾分蒸餾完畢之后，剩下的高沸點(diǎn)后餾分由于溫度不夠而不能揮發(fā)，所以溫度計(jì)的液泡檢測(cè)不到任何蒸汽的溫度，“溫度計(jì)的讀數(shù)會(huì)突然下降”，也意味著主餾分蒸餾完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

盡管這是一個(gè)正確的現(xiàn)象描述，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，作者通過(guò)多年的觀察，發(fā)現(xiàn)只有較低比例的學(xué)生會(huì)觀察到該現(xiàn)象，而大多數(shù)學(xué)生會(huì)觀察到溫度出現(xiàn)急劇上升的“反?！爆F(xiàn)象，這些學(xué)生對(duì)于自己遇到的與課本描述不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生迷茫或者產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)失敗的恐懼心理。為此，作者嘗試鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)書(shū)本文字進(jìn)行“理論質(zhì)疑”。作者對(duì)學(xué)生提出以下問(wèn)題：“已知乙醇的沸點(diǎn)是78 °C，后餾分的沸程在100-110 °C，如果反應(yīng)瓶的實(shí)際加熱溫度達(dá)到120 °C，請(qǐng)問(wèn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否會(huì)觀察到書(shū)本所說(shuō)的溫度突然下降的現(xiàn)象？”針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生經(jīng)過(guò)激烈的討論，統(tǒng)一認(rèn)為不能下降，而是應(yīng)該上升，進(jìn)而學(xué)生開(kāi)始重新審視課本的描述為什么和他們所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一致，經(jīng)過(guò)“理論質(zhì)疑”他們進(jìn)一步明白，對(duì)加熱溫度非常精確的控制，才有機(jī)會(huì)觀察到“讀數(shù)會(huì)突然下降”的情況，而當(dāng)溫度設(shè)置過(guò)高之后，高沸點(diǎn)后餾分的揮發(fā)，引起了溫度的上升，而這同樣是主餾分蒸餾完畢的現(xiàn)象。事實(shí)上，在環(huán)境溫度、保溫條件、加熱器功率、加熱模塊與燒瓶的距離和接觸面積等諸多復(fù)雜因素的綜合影響之下，學(xué)生非常難以控制實(shí)際的加熱溫度，通過(guò)溫度控制蒸餾速度也很困難，溫度設(shè)置偏高是非常常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)課本所描述的現(xiàn)象的質(zhì)疑，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也使他們能更深刻地理解實(shí)驗(yàn)原理，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。

再以《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[8]中實(shí)驗(yàn)“2-甲基-2-己醇”為例，該實(shí)驗(yàn)中有如下步驟描述：“A.與丙酮反應(yīng)：將制好的格氏試劑在冰水浴冷卻和攪拌下，自滴液漏斗中滴入5 mL丙酮和8 mL無(wú)水乙醚的混合液，控制滴加速度，勿使反應(yīng)過(guò)于猛烈。加完后，在室溫繼續(xù)攪拌15 min。溶液中可能有白色粘稠狀固體析出?！币约啊癇.分解格氏試劑：將反應(yīng)瓶在冰水浴冷卻和攪拌下，自滴液漏斗分批加入50 mL 10%硫酸溶液，分解產(chǎn)物(開(kāi)始滴入宜慢，以后可逐漸加快)?！?/p>

在步驟A中提到“滴入5 mL丙酮”，學(xué)生按照“控制滴加速度，勿使反應(yīng)過(guò)于猛烈”的實(shí)驗(yàn)要求，以將近30秒/滴的滴加速度滴入丙酮，做到了“勿使反應(yīng)過(guò)于猛烈”。然而，學(xué)生并不理解怎么達(dá)到合理的滴加速度，也不理解“反應(yīng)過(guò)于猛烈”所描述的實(shí)際意義是什么，只能在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前消磨時(shí)間。按照每一滴0.02 mL計(jì)算，滴加5 mL需要2 h。基于這種情況，作者對(duì)學(xué)生提出如下問(wèn)題：1)該反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理是什么，應(yīng)該出現(xiàn)什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？2)反應(yīng)為什么不能過(guò)于猛烈，猛烈會(huì)導(dǎo)致什么后果？其中第二個(gè)問(wèn)題即是對(duì)理論的質(zhì)疑。學(xué)生在經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考和討論之后，對(duì)第一組問(wèn)題都能夠正確回答：“反應(yīng)遵循親核加成的機(jī)理，有放熱的現(xiàn)象”，但對(duì)于第二組問(wèn)題，學(xué)生基本無(wú)法正確回答。這種現(xiàn)象一方面說(shuō)明學(xué)生不明白危險(xiǎn)產(chǎn)生的原因和危險(xiǎn)的表現(xiàn)形式，而只能按照因噎廢食的狀態(tài)循規(guī)蹈矩；另一方面，一旦出現(xiàn)相關(guān)危險(xiǎn)，學(xué)生由于不知道危險(xiǎn)產(chǎn)生的原因，也不知道該怎么應(yīng)對(duì)，可能會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。為此，安排學(xué)生首先保證有充足的冰水浴冷卻以及完善的回流裝置，在能夠保證實(shí)驗(yàn)安全的情況下，要求學(xué)生將滴加速度加快，在此基礎(chǔ)上觀察反應(yīng)猛烈的狀態(tài)。

對(duì)于這種實(shí)驗(yàn)方式的改變，學(xué)生產(chǎn)生了極大的探索性興趣。通過(guò)滴加速度的提升，學(xué)生觀察到反應(yīng)由于放熱而產(chǎn)生了明顯的沸騰現(xiàn)象，冷凝裝置出現(xiàn)了回流，由于冰水浴的存在，反應(yīng)并沒(méi)有出現(xiàn)危險(xiǎn)和無(wú)法控制的猛烈狀態(tài)。通過(guò)這種操作，反應(yīng)時(shí)間至少縮短至預(yù)計(jì)時(shí)間的1/2，且實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿?。基于這個(gè)操作，與學(xué)生經(jīng)討論之后得出結(jié)論：參考書(shū)中要求的“勿使反應(yīng)過(guò)于猛烈”旨在防止反應(yīng)放熱造成溫度過(guò)高，溶劑回流無(wú)法控制，繼而出現(xiàn)危險(xiǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中，由于反應(yīng)試劑用量比較小，且有冰水浴控制溫度，以及回流裝置控制回流，反應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法控制的局面；如果在反應(yīng)試劑用量過(guò)大、甚至工業(yè)級(jí)小試以上規(guī)模的情況下，或冷卻以及回流裝置缺失的情況下，反應(yīng)一定需要控制滴加速度，“勿使反應(yīng)過(guò)于猛烈”。

在步驟B的操作中，課本同樣要求了“開(kāi)始滴入宜慢，以后可逐漸加快”的操作規(guī)程，由于對(duì)“理論質(zhì)疑”法的準(zhǔn)確理解，學(xué)生在滴加硫酸溶液的過(guò)程中充分考慮了加入硫酸由慢到快的緣由，因此能根據(jù)反應(yīng)放熱所表現(xiàn)的狀態(tài)，靈活地控制滴加速度，游刃有余地完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且極大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

2 “步驟調(diào)整”方法的提出與實(shí)施

“步驟調(diào)整”是作者根據(jù)現(xiàn)有反應(yīng)路線設(shè)計(jì)的合理性提出的一種嘗試性改變方法的策略，一方面能增加學(xué)生的創(chuàng)新性體驗(yàn)，另一方面能讓學(xué)生更加理解原有實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)合理性。

以《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[9]中“正溴丁烷”為例，其中部分反應(yīng)步驟描述為：“由于無(wú)機(jī)鹽水溶液有較大的相對(duì)密度，不久會(huì)分出上層液體即是正溴丁烷?；亓?0 min。待反應(yīng)液冷卻后，移去冷凝管，加上蒸餾頭，改為蒸餾裝置，蒸出粗產(chǎn)物正溴丁烷?！?/p>

該步驟要求學(xué)生在反應(yīng)生成的正溴丁烷和硫酸氫鈉水溶液分層之后，將混合物通過(guò)蒸餾操作將產(chǎn)物正溴丁烷和水蒸餾出來(lái)，之后將混合液進(jìn)行分液后處理。針對(duì)這個(gè)步驟，作者通過(guò)對(duì)本科生多年的觀察發(fā)現(xiàn)，從未有本科生對(duì)該步驟有過(guò)任何異議，即為什么在反應(yīng)瓶中產(chǎn)物已經(jīng)和水溶液分層(如圖1(a)所示)，卻不能直接分液，而是采用繁瑣的蒸餾操作？對(duì)于此操作，作者要求學(xué)生對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行“理論質(zhì)疑”。非常有趣的是，對(duì)于這個(gè)提問(wèn)，學(xué)生會(huì)突然意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題非常有價(jià)值，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的激烈探討和思索，卻無(wú)法給出合理答復(fù)，并一致認(rèn)為直接分液是非常值得嘗試的一種方案。由于實(shí)驗(yàn)沒(méi)有危險(xiǎn)性，作者果斷讓部分實(shí)驗(yàn)操作能力較好的學(xué)生進(jìn)行了“步驟調(diào)整”，進(jìn)行分液操作，學(xué)生因此而產(chǎn)生了極大的興趣。

圖1 正溴丁烷合成反應(yīng)后靜置狀態(tài)以及轉(zhuǎn)移至分液漏斗的分層狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在溫?zé)岬臈l件下，將反應(yīng)后的混合液轉(zhuǎn)移到分液漏斗之后，需要快速的分液操作。一旦冷卻，會(huì)有NaHSO4固體析出，造成分液困難。在此情況下，需要在混合液中補(bǔ)加水，以溶解析出的鹽。當(dāng)補(bǔ)加等體積的水時(shí)，NaHSO4能夠溶解且溶液密度仍大于正溴丁烷，此時(shí)正溴丁烷在上層；當(dāng)補(bǔ)加二倍體積的水時(shí)，NaHSO4能夠溶解且溶液密度小于水，正溴丁烷轉(zhuǎn)移至下層(如圖1(b)和(c)所示)。正是由于溶液密度變化的復(fù)雜性，產(chǎn)物正溴丁烷在水相的上層或下層會(huì)不一致，所以為了簡(jiǎn)化這種操作，課本中直接采用了蒸餾的方法，以便于實(shí)驗(yàn)步驟的統(tǒng)一管理。參與“步驟調(diào)整”實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，分別通過(guò)三個(gè)方案的實(shí)施，均以非常高的產(chǎn)率獲得了相應(yīng)的產(chǎn)品，且由于去掉了蒸餾操作的搭建、蒸餾等步驟，效率顯著提高，滿(mǎn)意度和體驗(yàn)度極高。

再以《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》[9]中“甲基橙”為例，該實(shí)驗(yàn)在“偶合”步驟中要求“在小錐形瓶?jī)?nèi)混合1.2 gN,N-二甲基苯胺和1.0 mL冰醋酸，在不斷攪拌下將此溶液慢慢加到上述冷卻的重氮鹽溶液中。”該實(shí)驗(yàn)中由于重氮鹽溶液不穩(wěn)定，始終要求保持低于5 °C，因此操作難度較大。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，是為了將這種不穩(wěn)定的化合物盡快反應(yīng)，所以將N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽滴加到大量的重氮鹽中，使其在反應(yīng)初期能夠盡可能地反應(yīng)，防止大量分解。但在實(shí)際操作過(guò)程中，當(dāng)苯胺醋酸鹽加入到重氮鹽中之后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，混合物黏度越來(lái)越大，攪拌很難均勻，放熱過(guò)程復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)溫度急劇上升難以控制的現(xiàn)象，其原因一方面是黏度過(guò)大導(dǎo)熱不均勻，另一方面，是滴加的苯胺醋酸鹽未能均勻反應(yīng)，而累積到一定量之后與大量重氮鹽突然反應(yīng)，最終導(dǎo)致大量放熱。這種放熱會(huì)加速分解尚未反應(yīng)的重氮鹽，造成產(chǎn)率下降的后果。

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，作者在實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始階段即與學(xué)生探討本實(shí)驗(yàn)滴加的注意事項(xiàng)，并向?qū)W生提出這樣一個(gè)問(wèn)題：“如果我們將實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)為將重氮鹽滴加到N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽中，盡管也會(huì)出現(xiàn)粘稠的現(xiàn)象，但突然的放熱只是已經(jīng)滴加的重氮鹽參與了反應(yīng)，完全不會(huì)分解尚未滴加進(jìn)去的重氮鹽，這樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是否能獲得更高的產(chǎn)率？”學(xué)生顯然對(duì)這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有心理準(zhǔn)備，但經(jīng)過(guò)激烈的討論，認(rèn)為非常值得嘗試。因此，作者從踴躍報(bào)名的同學(xué)中選了部分同學(xué)進(jìn)行“步驟調(diào)整”方案的實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，參與試驗(yàn)的同學(xué)發(fā)現(xiàn)，由于是將重氮鹽滴加到大量的N,N-二甲基苯胺的醋酸鹽溶液中，所以反應(yīng)自開(kāi)始階段，滴加進(jìn)去的重氮鹽就反應(yīng)得非常徹底，而在反應(yīng)的中后期，盡管粘稠的混合物反應(yīng)放熱導(dǎo)致溫度時(shí)而高于5 °C，但在冷卻后繼續(xù)滴加重氮鹽，完全不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而最終參與“步驟調(diào)整”的同學(xué)都以更高的產(chǎn)率完成了實(shí)驗(yàn)，極大提升了實(shí)驗(yàn)的興趣和成就感。

3 結(jié)語(yǔ)

作者在多年的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多本科生有很強(qiáng)的創(chuàng)造性欲望，但往往會(huì)受到一些傳統(tǒng)教學(xué)方法的限制，沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)揮其相應(yīng)的才能；與此同時(shí)，更多的本科生習(xí)慣于按照現(xiàn)有課本知識(shí)非常順從地學(xué)習(xí)和記憶，很少質(zhì)疑其可靠性。作者在科學(xué)研究探索過(guò)程中，深知很多有機(jī)反應(yīng)的理論知識(shí)都是建立在假設(shè)的機(jī)理和探索性的方法上提出的，需要根據(jù)“否定之否定規(guī)律”不斷修正和改進(jìn)，這就需要有創(chuàng)造性欲望的青年一代勇于嘗試，勇于突破，而不是單純地接受填鴨式教育。作者提出的“理論質(zhì)疑”和“步驟調(diào)整”的方法，在課堂上給予了有創(chuàng)造性欲望的學(xué)生展示的機(jī)會(huì)，并有更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是具備榜樣作用的一種展示，并吸引了更多的學(xué)生參與到探索性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。當(dāng)然，在該過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師必須高效精準(zhǔn)地引導(dǎo)，防止將科學(xué)的探索方法演變成無(wú)組織無(wú)紀(jì)律的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。