面向新工科的有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式探索*

黑金培，尹曉杰，秦國旭，吳鳳義，王新運(yùn)

(巢湖學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 238000)

近年來，以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在全球范圍內(nèi)蓬勃興起，新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)層出不窮，產(chǎn)業(yè)體系加速重構(gòu)。為滿足產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求、支撐國家發(fā)展戰(zhàn)略和提升國際競爭優(yōu)勢，教育部于2017年啟動新工科建設(shè)，旨在發(fā)展新興工科專業(yè)，改造傳統(tǒng)工科專業(yè)，加快培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、工程實踐與創(chuàng)新能力突出，具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型工科人才[1]。實驗教學(xué)作為高等工程教育實踐教學(xué)體系中重要的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能、實踐能力、科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的主要途徑。因此，全面推進(jìn)實驗教學(xué)模式改革對于培養(yǎng)新工科背景下應(yīng)用型工程技術(shù)人才具有十分重要的意義。

有機(jī)化學(xué)實驗是化學(xué)類專業(yè)本科生必修的一門基礎(chǔ)實踐課程，其目的是訓(xùn)練學(xué)生掌握安全規(guī)范的實驗操作技能，逐步形成制備和分析有機(jī)化合物的能力，加深對有機(jī)化學(xué)基本原理的理解。通過該課程的教學(xué)，能夠系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生觀察、思考和解決問題的能力，樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度和良好的實驗素養(yǎng)[2]。目前，有機(jī)化學(xué)實驗已成為高校培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的必要環(huán)節(jié)，對于造就適應(yīng)未來發(fā)展的應(yīng)用型工程技術(shù)人才起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式主要以講授型教學(xué)為主，不能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性[3]。因此，為了更好的實現(xiàn)新工科建設(shè)目標(biāo)，培養(yǎng)創(chuàng)新型引領(lǐng)人才，針對高等教育有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)的改革勢在必行。

1 有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

有機(jī)化學(xué)實驗作為與專業(yè)理論學(xué)習(xí)相配套的技能課程，通常開設(shè)于大學(xué)三、四年級，在本科教學(xué)中占有極其重要的地位。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，有機(jī)化學(xué)實驗課程已經(jīng)形成了完善的教學(xué)內(nèi)容和系統(tǒng)的教學(xué)方法[4]。然而隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式已不能滿足新工科建設(shè)對培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型工程人才的要求。總體來說，有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)主要存在以下三方面的問題。

1.1 實驗內(nèi)容陳舊，缺乏創(chuàng)新性培養(yǎng)

當(dāng)前有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)主要以驗證性實驗為主，側(cè)重于基礎(chǔ)實驗技能的訓(xùn)練。實驗項目大多為單一知識點，相互之間聯(lián)系不明顯，缺乏設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗項目。這樣的課程安排雖然能夠使學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗技能，但是不利于知識的融會貫通和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。此外，現(xiàn)行的有機(jī)化學(xué)實驗內(nèi)容多為一些典型的有機(jī)合成反應(yīng)，鮮有涉及新興的實驗方法和設(shè)備。實驗項目的設(shè)置與實際應(yīng)用及行業(yè)發(fā)展相脫節(jié)，難以鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識解決實際問題的能力。

1.2 教學(xué)模式單一，學(xué)生主動性不足

長期以來，有機(jī)化學(xué)實驗課程一直沿用講授型教學(xué)模式，即課前學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容并書寫預(yù)習(xí)報告，課上教師講解實驗原理、步驟和注意事項，學(xué)生根據(jù)教師演示重復(fù)實驗操作，課后學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告。整個實驗過程中學(xué)生只是按部就班地完成實驗流程，學(xué)習(xí)積極性不高，存在應(yīng)付了事的心態(tài)。這種單一的教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力，不能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，無法達(dá)到預(yù)期的課程目標(biāo)。

1.3 考核方式簡單，成績評定片面化

現(xiàn)階段有機(jī)化學(xué)實驗課程的考核方式主要由平時成績和期終考查兩部分組成，其中平時成績作為整個課程考核的重點，占據(jù)課程總成績的70%以上。但在實際成績評定過程中，平時成績主要通過歷次實驗報告的平均成績來衡量，學(xué)生為獲得良好的實驗成績，往往會篡改實驗數(shù)據(jù)和抄襲實驗報告。這種以報告為主體的考核方式存在較大的片面性，并不能真實反映學(xué)生的實際實驗水平、自主動手能力和工程創(chuàng)新思維，難以達(dá)到新工科建設(shè)的目標(biāo)。

2 有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式探索

針對當(dāng)前高校有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，筆者結(jié)合新工科人才培養(yǎng)要求以及自身教學(xué)經(jīng)驗，對有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)模式改革提出了幾點思考和建議，具體內(nèi)容如下。

2.1 優(yōu)化調(diào)整實驗內(nèi)容

傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)實驗注重驗證性，缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性[5]。為提升實驗教學(xué)質(zhì)量，急需對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，構(gòu)建以學(xué)生為主體的分層漸進(jìn)式有機(jī)化學(xué)實驗課程體系，使其適應(yīng)新時代高等教育的發(fā)展需求。

(1)取消簡單基礎(chǔ)操作實驗,將其與有機(jī)合成實驗合并。基礎(chǔ)操作實驗主要用于學(xué)生的實驗技能的練習(xí)，如溶沸點測定、折光率測定、蒸餾、萃取、抽濾、結(jié)晶等。這類純操作性實驗內(nèi)容單一，單獨開設(shè)既枯燥無味又占用大量學(xué)時。而合成實驗包涵多種基本操作，完全可以代替基礎(chǔ)操作實驗用于學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練。例如,我們可以通過肉桂酸的制備實驗,綜合學(xué)習(xí)蒸餾、抽濾、熔點測定等基本操作。利用合成實驗聯(lián)系基礎(chǔ)實驗操作有助于打破重復(fù)單一的技能訓(xùn)練，讓學(xué)生在具體的合成過程中明白各種基本操作“為什么做”和“該怎么做”，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高綜合實驗技能。

(2)減少驗證性實驗，增加設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗。設(shè)計性實驗主要用于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)知識自主設(shè)計實驗的能力。創(chuàng)新性實驗更加注重各種專業(yè)理論知識的融會貫通，主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識和實驗方法進(jìn)行實踐探究的能力。在實驗教學(xué)的初期，學(xué)生通過經(jīng)典有機(jī)合成實驗掌握基礎(chǔ)實驗知識和實驗技能。隨著學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奶岣?，逐步引入一定深度的設(shè)計性實驗，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下設(shè)計實驗方案，完成實驗操作，分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。當(dāng)學(xué)生初步掌握實驗設(shè)計方法時，再進(jìn)一步引入綜合性較強(qiáng)的創(chuàng)新性實驗。教師可將創(chuàng)新性實驗與各類學(xué)科競賽、科研項目或企業(yè)需求相結(jié)合，使實驗教學(xué)更加貼近學(xué)科前沿動態(tài)和實際生產(chǎn)需求。設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗?zāi)軌虺浞终{(diào)動學(xué)習(xí)積極性，有效提高實踐操作能力，培養(yǎng)科研思維和創(chuàng)新能力，為以后的研究和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2 運(yùn)用多元教學(xué)模式

隨著高等教育教學(xué)信息化進(jìn)程不斷深入，越來越多的互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)被應(yīng)用到教育教學(xué)中，“互聯(lián)網(wǎng)+實驗”已成為當(dāng)前有機(jī)化學(xué)實驗課程的改革方向[6]。高校教師應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢，改變以往實驗教學(xué)觀念，引入微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等多元化教學(xué)手段，構(gòu)建混合式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

混合式教學(xué)模式是將線上教學(xué)與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合的一種新型教學(xué)模式,基于其教學(xué)理念可將有機(jī)化學(xué)實驗課程分為課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)和課后總結(jié)三個階段。在課前預(yù)習(xí)階段，教師根據(jù)實驗原理、重難點、操作技巧等內(nèi)容有針對性地錄制微課視頻，構(gòu)建以選擇題、填空題為主的測試題，篩選與課程相關(guān)的慕課資源和文獻(xiàn)資料，設(shè)置課堂討論題和課后思考題，并將上述素材導(dǎo)入超星學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺。學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)，自行學(xué)習(xí)相關(guān)微課和資料，完成預(yù)習(xí)測試并撰寫預(yù)習(xí)報告。在課堂教學(xué)階段，教師隨機(jī)抽取學(xué)生回答實驗原理、儀器裝置和操作步驟等問題，并對容易出錯的環(huán)節(jié)進(jìn)行講解和演示。實驗過程中，學(xué)生按規(guī)定認(rèn)真完成實驗操作，并通過視頻、圖片、文字等方式如實記錄實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)。教師全程巡視并記錄學(xué)生課堂表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生錯誤操作時需及時糾正。同時，教師需組織學(xué)生針對課堂討論題進(jìn)行分小組討論并點評。在課后總結(jié)階段，學(xué)生將記錄實驗現(xiàn)象的視頻、圖片以及實驗數(shù)據(jù)上傳至超星學(xué)習(xí)通平臺，及時處理分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告并完成課后思考題。教師需批改實驗報告，總結(jié)并反饋學(xué)生存在的問題，做好在線答疑工作?；旌鲜浇虒W(xué)模式體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和分析問題和解決問題的能力，為有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)注入了生機(jī)與活力。

2.3 改進(jìn)完善考核方式

課程考核是有機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié),是評判學(xué)生學(xué)習(xí)情況和教師教學(xué)質(zhì)量的主要依據(jù)。針對當(dāng)前課程考核中存在的問題，教師應(yīng)改變以往重報告輕實驗的評價方式，更加注重過程考核和實踐能力考核，力求全面客觀的評價學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

為構(gòu)建多角度過程性考核體系，在現(xiàn)有“平時成績+期終考查”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善考核方式，將平時成績細(xì)化為實驗預(yù)習(xí)(10%),實驗過程(30%),實驗報告(30%)三個部分。實驗預(yù)習(xí)成績由觀看微課、在線測試和預(yù)習(xí)報告組成，主要考查學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。實驗過程成績由上課考勤、實驗操作水平和課堂討論等組成，主要考查學(xué)生的實踐動手能力和獨立思考解決問題的能力。實驗報告成績由實驗數(shù)據(jù)處理與分析、實驗結(jié)果與討論、思維拓展組成，主要考查學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和邏輯思維能力。同時，根據(jù)實驗項目類型不同其考核重點也不同。對于基礎(chǔ)合成實驗，重點考核學(xué)生基礎(chǔ)知識和基本技能操作技能。而對于設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗，重點考核學(xué)生的實驗設(shè)計能力和綜合分析能力。

期終考查以設(shè)計性實驗為考試內(nèi)容，教師結(jié)合有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論知識，選定10～15個有代表性的化合物，要求學(xué)生隨機(jī)抽取題目并在規(guī)定時間內(nèi)設(shè)計出完整的合成方案。方案中應(yīng)包括實驗所需藥品和儀器、實驗步驟、反應(yīng)條件、注意事項、產(chǎn)物表征方法等內(nèi)容。隨后學(xué)生進(jìn)入實驗室獨立搭建實驗裝置并進(jìn)行示范性演示，教師根據(jù)學(xué)生實際操作情況進(jìn)行綜合評定。建立多元化的考核方式，有助于引導(dǎo)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，公正評價學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

以有機(jī)化學(xué)實驗中“乙酰苯胺的制備”為例，該實驗主要涉及有機(jī)物的合成、純化和鑒定。通過合理的實驗調(diào)整，將分餾、重結(jié)晶等基礎(chǔ)實驗操作有機(jī)地融入乙酰苯胺的合成過程中，減少單一基礎(chǔ)操作實驗的開設(shè)，讓學(xué)生在有機(jī)合成中熟練掌握苯胺乙酰化反應(yīng)原理、掌握有機(jī)物分離提純方法以及了解利用紅外光譜、核磁共振等技術(shù)分析有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的方法。課程講授前，教師通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布與乙酰苯胺制備實驗相關(guān)的教案、微課和思考題，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的內(nèi)容以及提出的思考題自主完成實驗內(nèi)容預(yù)習(xí)，為課程開展做好充足準(zhǔn)備。課程講授中，教師簡要介紹本實驗的研究背景、實驗原理和操作流程，對實驗過程中涉及的重難點、注意事項、儀器使用方法等內(nèi)容進(jìn)行隨機(jī)提問，并解答學(xué)生在課前預(yù)習(xí)中存在的疑問。學(xué)生分組進(jìn)行實驗，教師全程巡查，及時糾正錯誤操作。同時引導(dǎo)學(xué)生深入思考，如在合成過程中討論乙酸用量對乙酰苯胺產(chǎn)率的影響；在重結(jié)晶過程中討論溶劑種類、用量和結(jié)晶時間對結(jié)晶的影響等。實驗結(jié)束后，教師對實驗過程進(jìn)行總結(jié)，重點對普遍存在的不規(guī)范操作進(jìn)行講解指正。課后學(xué)生通過學(xué)習(xí)通平臺和實驗報告反饋實驗數(shù)據(jù)，教師通過學(xué)生在實驗預(yù)習(xí)、實驗過程和實驗報告中的表現(xiàn)評判平時成績。期終考核可在此實驗的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生結(jié)合自身所學(xué)知識自行設(shè)計乙酰苯胺合成方案，并做示范性演示。

3 結(jié) 語

新工科背景下，有機(jī)化學(xué)實驗作為中一門重要的基礎(chǔ)實踐課程，對其進(jìn)行教學(xué)改革具有十分重要的意義。本文針對傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)實驗課程存在的實驗內(nèi)容陳舊、教學(xué)模式單一、考核方式簡單等問題，提出優(yōu)化調(diào)整實驗內(nèi)容、運(yùn)用多元教學(xué)模式、改進(jìn)完善考核方式的改進(jìn)方式，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力、工程創(chuàng)新思維和人文綜合素養(yǎng)，為造就適應(yīng)國家發(fā)展的應(yīng)用型人才奠定堅實基礎(chǔ)。