目標導向的研究性實驗與創(chuàng)新能力培養(yǎng)實例
——超聲波輔助的Fischer酯化反應條件初探

王茹玘，王佩新，王兆鈺，方睿劍，趙衛(wèi)光，關英

南開大學化學學院，天津 300071

高等教育的“重點是面向全體學生、促進學生全面發(fā)展，著力提高學生服務國家服務人民的社會責任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實際能力”。在本科有機化學實驗教學中，我們利用翻轉(zhuǎn)課堂、思想實驗、研究性實驗等方式對學生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)進行了研究[1-4]，并取得了良好的教學成果。特別是在《有機化學實驗教學對科研素養(yǎng)的培養(yǎng)——目標導向的研究性實驗與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》一文[4]中，我們詳細介紹了目標導向的研究性實驗教學的設計思路和實施方法，并通過方案設計(包括研究進展綜述、設計思路和實施方案設計、可行性分析和實施方案三個環(huán)節(jié))、實施(包括方案實施、論文撰寫兩個環(huán)節(jié))和總結(包括論文評審和評審意見反饋)三階段的教學實踐，讓學生在本科實驗學習過程中體驗到科學研究的全過程。本文對目標導向的研究性實驗教學過程進行總結，并以2021-2022年度學生未發(fā)表的研究性實驗論文“超聲波輔助的Fischer酯化反應”為案例進行討論，為實際教學應用提供參考和借鑒。

1 教學改革實踐

2021-2022學年第二學期初，我們將酯化反應設為研究性實驗主題，讓全班學生自由組合成四個研究小組；在課下充分利用微信和視頻會議等方式參與各研究小組關于選題綜述、方案設計和修改的討論，并利用實驗課上的教學間隙組織各小組在全班進行了一次綜述報告和兩次研究方案的匯報講演、討論和評價，對科學研究中的一些基本手段和方法進行了討論和總結。例如，第一組提出了在超聲波輔助下研究均相和非均相催化劑催化酯化反應效果的方案；第二組提出利用量化計算軟件計算不同有機酸在氧化鋁和硅膠上的表面吸附能，并與實驗結果相對比，研究催化劑的催化性能的方案；第三組提出考察不同吸水劑和吸水方式對酯化反應速率和反應程度的影響，并探討利用吸水劑的變色特點來實現(xiàn)反應監(jiān)測可視化的可行性的方案；第四組提出了用陽離子樹脂以及負載路易斯酸的陽離子樹脂取代濃硫酸為催化劑，考察樹脂型催化劑對酯化反應的影響的方案。四個組的方案都有一定程度的創(chuàng)新，第三組的方案主要考慮的是實驗方法的改進，另外三組主要考慮的是催化劑的優(yōu)化，但又各有特色，第一組考慮了超聲輔助反應的優(yōu)點，第二組則考慮了如何用計算機輔助設計指導實驗。此外，針對酯化反應進程監(jiān)測，學生們還提出了多種方法，如薄層色譜法、核磁內(nèi)標法、氣相色譜定量法和液相色譜定量法等，并主動自學了相關課外知識。教師全程參與指導，并在課堂上以案例分析的方式與學生充分討論各種方案的優(yōu)點與不足，改進方法，并完善相關知識體系。這種逐層深入的方式也在討論和講演過程中，讓同學們的視野和思路更加開闊。

受疫情的影響，最后的研究性實驗方案實施沒能在實驗課堂上完成，但其中一半的學生仍自發(fā)利用指導教師和其他教師的實驗資源完成了方案實施，并對實驗結果進行了分析歸納；另外一半的學生做完了預實驗，并根據(jù)預實驗結果進行了思想實驗的預判。這充分說明目標導向的研究性實驗可以積極調(diào)動學生的科研興趣和主觀能動性，增強其未來致力于科學研究的信心。全班所有學生按照《有機化學》的投稿模板完成了實驗報告的撰寫，初步學習了科研論文的結構和撰寫格式。為了加深理解、互相學習和深入總結，讓學生互評報告，并邀請參與過本課程已完成本科畢業(yè)論文的優(yōu)秀學生進行論文評審，結合教師評審，并將所有意見反饋給每一位學生。學生們在這個過程中除了全景式地體驗科學研究的全過程，還學到了大量傳統(tǒng)課堂上學不到的知識，包括學生自學的知識。

我們將目標導向的研究性實驗作為學生的期末考核實驗，成績評定包含方案設計30%，方案實施(本學期沒有條件完成實驗的同學，可根據(jù)預實驗進行思想實驗預判) 40%，論文撰寫30%。2021-2022學年春季學期全班同學平均分89分，與以往未實施教改的2017-2018學年春季學期全班同學的期末考核平均成績(83分)相比，增長了6分。

2 學生意見反饋

在2022春季學期末，我們通過調(diào)查問卷的形式征詢了學生們“關于我們的教學方式是否有必要取代傳統(tǒng)教學模式的問題”的意見，全班23人，有效反饋22人，41%的同學認為非常有必要，50%的同學認為有必要，9%的同學認為可以取代傳統(tǒng)教學模式。

在學生們的具體信息反饋中，其中3人覺得有點累，3人覺得比較累，1人因為想轉(zhuǎn)專業(yè)，希望按部就班地上課，但對于教學方式仍予以了肯定。學生普遍認為本課程有以下優(yōu)點：1) 培養(yǎng)了他們獨立思考的能力；2) 培養(yǎng)了他們的自學能力；3) 提高了他們的合作能力；4) 有助于今后的科研工作。下面是部分同學的反饋信息。

學生一：我和我們小組的大佬一起做了有機的研究性實驗，讓我對有機科研有了更多的了解，受益頗多。我們小組氛圍也很好，大家都很認真、努力。

學生二：激發(fā)學生積極思考，鼓勵討論，讓學生們可以在實踐中自主創(chuàng)新，自主學習。(現(xiàn)在感覺大部分課程都有渾水摸魚的空間，或者說學習效率不高。而且感覺現(xiàn)在同學們都沒有很高的積極性，也不太愿意主動溝通，沉默是大多數(shù)的情況。但如果給大家平臺，就會發(fā)現(xiàn)大家真的可以碰撞出思維的火花，真的可以學到很多！)見到很多大佬，感受到大佬們的邏輯，也更加了解每一個實驗的設計，更注重細節(jié)，同時實驗科研技能upup！

學生三：就我個人感受，相比于其他班，在這個班更能學到干貨。因為這一模式能夠在很大程度上解決“驗證性實驗”的弊病，形式上更加偏向于“探究性實驗”，防止了做實驗的時候“有手無心”，能讓學生從實驗中學到更多。

學生四：可以增加和同學間的交流。之前實驗課和周圍同學一個學期過后也可能不認識。但這次研究性實驗中，和同學之間的交流大大增加了。

學生五：和老師的互動性增加，從老師的點評中學到了很多，批評也讓人更加認識到自己的錯誤。真的有收獲，不管是知識面還是各種能力，學到了很多。在這過程中，也看到了很多優(yōu)秀的同學的能力，也學習到了。

3 教學案例

為了更好地體現(xiàn)教學效果，下面以全文的形式展示了第一小組王茹玘同學的研究性實驗論文。從該論文可以看出該小組的同學閱讀了大量的文獻、精心設計了實驗方案和監(jiān)測方案，進行了必要的預實驗對方案進行改進來保證正式實驗的順利完成，最終取得了比較理想的結果，并花了大量時間精心撰寫了論文。盡管該論文寫作略顯稚嫩，論文的系統(tǒng)性稍差，但仍很好地體現(xiàn)了學生在研究性實驗中的主觀能動性和良好的科研精神，表明我們的教改取得了預期的教學效果。文中所有數(shù)據(jù)未在其他刊物發(fā)表，我們對論文進行了適當?shù)男抻?，基本反映了論文的原貌，并以教師批注的形式進行了點評。

3.1 前言

小分子酯類是一種重要的精細化工產(chǎn)品，在溶劑、醫(yī)藥、香料與食品工業(yè)、化工合成、農(nóng)藥殺蟲劑、傳感器、新型高分子合成等方面有重要作用，廣泛地作為電池載液[5,6]、偶聯(lián)試劑[7-9]、碳負離子給體[10,11]、羰基化試劑[12]、芳化試劑[13,14]、酶或受體抑制劑[15,16]、傳感器涂層[17]、香味調(diào)配[18]、高分子單體[19]、藥物中間體[20,21]、腫瘤治療與標記物[22,23]、食品穩(wěn)定劑[24]等。因此，對酯類分子的高效合成已經(jīng)成為了眾多行業(yè)研究的焦點，具有重大的技術、經(jīng)濟、戰(zhàn)略意義[25]。

酯的常用的合成方法包括酸-醇Fischer酯化法[26]、酰鹵-醇酯化法[27]、羧酸鹽-鹵代物酯化法[28]、酯交換法[29]、Baeyer-Villiger氧化法[30]；在工業(yè)生產(chǎn)上也可通過烯、醇、醛類物質(zhì)氧化偶聯(lián)得到[31,32]。而酸催化的Fischer酯化作為最基礎、最簡單的酯化反應，由于其原料簡單、成本較低、副反應少、對催化劑要求不高、收率穩(wěn)定等特點而被廣泛應用，因而具有較高的研究價值。由于Fischer酯化為酸催化的平衡反應，故成功進行該反應的關鍵是在動力學上使用更高效的催化劑，并在熱力學上控制平衡右移。傳統(tǒng)的合成方法以濃H2SO4為催化劑、甲苯為帶水劑，通過加熱回流的方式分水，促進平衡右移[33]。但這種方式存在著溶劑毒性較大、催化效率較低、副反應發(fā)生較多、反應裝置與后處理方式復雜、熱量消耗較多等缺點。

超聲波在流體中產(chǎn)生的力場能夠通過周期變化的流體剪切力對分子產(chǎn)生力矩，微觀上體現(xiàn)為分子運動得更加劇烈，同時，超聲波對流體產(chǎn)生的高頻變化的剪切力會造成瞬時的高溫高壓空穴，即“空化效應”，宏觀上體現(xiàn)為被活化的分子比例升高，促進反應的進行，具有催化效率高和節(jié)能的特點，因而在有機合成中有著廣泛而良好的應用[34]。

因此本文選取具有代表性的苯甲酸與乙醇作為模型底物，嘗試超聲波輔助條件下，使用更低的溫度和不引入其他溶劑的情況下，比較不同催化劑對Fischer酯化反應的影響，實現(xiàn)苯甲酸乙酯的高效和安全合成(圖1)。

圖1 超聲波輔助的Fischer酯化反應路線設計圖

(教師批注：這是學生按照《有機化學》雜志格式設計的目錄圖，設計得非常有意思，較好地體現(xiàn)了目錄圖準確、美觀的要求，是一個很好的設計，在此作為路線設計圖展示。)

3.2 結果與討論

為探究超聲波輔助條件下，均相催化劑與非均相催化劑對反應的影響，本文選用了濃硫酸、鐵離子負載的NKC-9樹脂(Fe(III)@NKC-9)、質(zhì)子負載的蒙脫土K10 (MMT)三種催化劑進行探究?；诠?jié)能的酯合成思想，我們將反應溫度從常用的乙醇-甲苯回流溫度降低到了40 °C，并使用可以重復利用的分子篩作為吸水劑。由于苯甲酸在乙醇中的溶解度較差，我們增加了乙醇的用量，使用了5倍的乙醇。具體反應條件與結果見表1。

表1 苯甲酸酯化反應條件設計a

首先比較了傳統(tǒng)加熱方式和超聲波輔助方式對反應的影響(表1中樣1和樣3)，在濃硫酸催化、40 °C反應條件下，超聲波輔助的轉(zhuǎn)化率明顯高于傳統(tǒng)加熱方式。圖2是苯甲酸轉(zhuǎn)化率隨時間變化的折線圖?？傮w上，不同反應條件苯甲酸的轉(zhuǎn)化率隨反應時間增加而上升。對于傳統(tǒng)的濃硫酸催化反應(樣1)而言，前60 min反應速度較快，90 min以后，反應速度降低。而輔以超聲波(樣3)后，轉(zhuǎn)化率顯著性提高，隨反應時間延長逐步增加，反應120 min后轉(zhuǎn)化率達到55%，與文獻報道的超聲波酯化反應一致[35]。推測原因為反應溫度的降低導致酯化反應的速率降低；而在超聲環(huán)境中，超聲波在流體中產(chǎn)生的力場同樣能夠通過周期變化的流體剪切力對分子團產(chǎn)生力矩，微觀上體現(xiàn)為分子運動得更加劇烈，同時，在“空化效應”的作用下，反應體系中被活化分子的比例升高，從而能夠很好地提高反應速率常數(shù)，促進反應的進行。相較于使用甲苯作為帶水劑的反應方式而言，樣3的條件能夠在基本保證產(chǎn)品收率的同時，顯著降低反應溫度，溶劑可以回收套用，避免了毒性較高的甲苯使用，同時避免了甲苯乙醇混合回收套用的困難，工藝更加環(huán)保。

圖2 苯甲酸轉(zhuǎn)化率(面積歸一法)與反應時間的關系

(教師批注：設計對照實驗考察反應條件對化學反應的影響是科學研究的基本功，表1中的條件設計體現(xiàn)了學生們的科研思維。然而，學生們選擇反應起始溫度一致進行實驗設計，忽略了超聲加熱時體系的溫度從40 °C升高到50 °C的現(xiàn)象。如果將樣1的油浴溫度設定為50 °C，再進行結果對比和分析將更嚴謹。)

樣2為不使用濃硫酸催化的超聲波輔助反應，表1和圖2的結果表明即使沒有添加強酸催化，酯化反應同樣可以進行；對比樣2和樣3，發(fā)現(xiàn)強酸可以顯著提高酯化反應速率和轉(zhuǎn)化率。因此酯化反應時添加酸催化劑是十分必要的。

(教師批注：在本科學習階段，常用薄層色譜定性監(jiān)測反應，判斷反應終點。該小組的學生先后研究了氣相色譜、液相色譜定量方法以及定量核磁的實驗方法，選定核磁共振氫譜定量方法，并進行了嘗試，最終選用核磁面積歸一法和內(nèi)標法兩種方式計算反應的轉(zhuǎn)化率。內(nèi)標法是核磁共振定量分析方法之一，但作為反應監(jiān)測使用準確性較差。因此建議學生以歸一法的數(shù)據(jù)作圖，考察轉(zhuǎn)化率隨時間的變化。)

此外，為了使反應工藝更加環(huán)保，我們嘗試采用非均相催化劑的方式催化該反應，這樣通過過濾即可除去催化劑，催化劑可以重復利用，避免了大量廢水的產(chǎn)生。在強酸催化的基礎上，我們同樣想嘗試非質(zhì)子的Lewis酸在酯化催化上的表現(xiàn)，而FeCl3在酯化催化中應用廣泛且普遍收率較高[36,37]，因此我們嘗試將Fe3+負載在NKC-9樹脂上(樣4)進行反應催化，結果表明收率與不加濃硫酸效果接近。我們認為可能原因是超聲波會導致NKC-9樹脂結構破壞，在容器內(nèi)形成凝膠狀物質(zhì)，使得催化劑難以與反應物充分接觸，并且生成的產(chǎn)物分子被吸附在凝膠狀物質(zhì)中難以分離，由此可見負載樹脂不適于在超聲條件下催化反應進行。

為探索結構穩(wěn)定、不易被超聲破壞的非均相催化劑，我們嘗試制備H+負載的K10型蒙脫土(MMT)，催化該反應(樣5)。由于在反應過程中是取上清液檢測并計算轉(zhuǎn)化率，沒有考慮MMT中吸附的產(chǎn)物，導致樣5的轉(zhuǎn)化率整體偏低，因此圖2中樣5的結果不具有實際意義。反應2 h后，洗脫MMT中吸附的產(chǎn)物，分離純化后稱重，結果表明該反應實際收率為76%，明顯優(yōu)于濃硫酸催化(55%)。

(教師批注：雖然在反應監(jiān)測過程中取樣和樣品的后處理過程中仍有不足之處，學生還是敏銳地發(fā)現(xiàn)了這一點，并在后處理過程中予以了糾正。)

我們分析后認為，MMT對反應催化效果較好的原因是蒙脫土K10具有多個片層結構，片層與片層之間空隙很大，經(jīng)無機酸負載處理后，其Hammett酸度函數(shù)(H0)從+1.5 - -3.0降低到-5.6 - -8.2[38]，幾乎與濃硝酸(-5)、濃硫酸(-12)相當，并且極大地降低了所用濃硫酸的氧化性，提高反應選擇性，減少副反應的發(fā)生。文獻也表明其在催化成醚[39]、催化?；痆40]、催化酯合成[41,42]與酯交換[43]等方面都有著廣泛的應用。同時，由于蒙脫土比表面積大，超聲波輔助條件下，在蒙脫土表面更容易形成空化作用，可以更好地與反應體系相互作用[44]，酸催化位點的效率更高，有利于反應的進行。

此外，通過比較負載前后蒙脫土K10的pXRD數(shù)據(jù)(圖3)，負載后的蒙脫土與原K10的晶體結構基本相同，而其c軸方向晶胞參數(shù)有延長，揭示了其片層之間的距離增大，對H+的負載能力增強，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生被認為與負載時體系中的Zn2+有關，其半徑較大，可以作為類似模板劑的角色，將蒙脫土晶體片層間距離撐開[45]。根據(jù)pXRD偏移與Bragg方程計算，其c軸晶胞參數(shù)延長了5.9%。

圖3 蒙脫土(MMT)負載前后pXRD衍射信號

(教師批注：學生通過文獻閱讀和自學，嘗試計算負載后蒙脫土的結構參數(shù)，從而探討其催化機理，這一行為正是科學研究中“知其然，知其所以然”的典型案例。盡管在學習和數(shù)據(jù)分析過程中還存在疏漏和待改進之處，對于本科生的能力拓展卻是值得鼓勵和肯定的。)

3.3 實驗部分

3.3.1 儀器與試劑

超聲反應在昆山超聲KQ3200DE型超聲波清洗器中進行，標準頻率40 kHz，額定功率150 W。1H NMR在Brucker AVANCE 400 MHz型核磁共振儀上測定，溶劑CDCl3，內(nèi)標CH2Br2。pXRD在日本理學Ultima IV型X射線粉末衍射儀上測定，光管為Cu靶，功率2 kW。

催化劑有濃硫酸、負載Fe3+的NKC-9樹脂(Fe(III)@NKC-9)和負載H+的蒙脫土K10 (MMT)，吸水劑為3A分子篩。所有實驗試劑均為市售分析純及以上試劑。

3.3.2 實驗方法

3.3.2.1 催化劑的制備與表征

NKC-9樹脂的負載：準確稱量0.510 g FeCl3·6H2O，溶于81.00 mL 5% HCl中，加入4.53 g NKC-9樹脂，樹脂浸入溶液，靜置150 min后過濾，以10 mL去離子水洗滌樹脂三次，合并濾液與洗滌液為待測液。

Fe(III)@NKC-9負載量的測定：準確稱量一定量Na2EDTA，定容配制EDTA標準溶液。準確移取一定量的待測液，加入1-2滴KSCN指示劑，以EDTA標準液滴定至紅色褪去，計算負載率，結果見表2。

表2 Fe(III)@NKC-9 負載量的測定a

蒙脫土K10的負載：取6.5 mL濃H2SO4溶于15.0 mL水中，加入1.35 g無水ZnSO4，攪拌溶解。取5.00 g蒙脫土K10，加入16.0 mL上述溶液，90 °C回流4 h。將混合物抽濾，分別以20 mL水、20 mL乙醇洗滌(最后一滴洗滌液pH ≈ 6)。將濾出物置于75 °C下真空干燥過夜，再在180 °C下烘烤4 h，取出密封待用，為灰白色粉末。

蒙脫土K10負載量的測定：先以鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)基準物標定KOH標準溶液的濃度，見表3。再取10 mL水，攪拌條件下加入準確稱量的蒙脫土，以酚酞為指示劑，以KOH標準液滴定至溶液變?yōu)榈凵嬎阖撦d量，結果見表4。

表3 KOH標準溶液的標定a

表4 MMT負載量的測定a

3.3.2.2 酯化反應及反應監(jiān)測

合成方法一(樣1)：取6.1 g (50 mmol)苯甲酸、14.6 mL (250 mmol)乙醇加入至100 mL燒瓶中，加入15 mmol酸當量催化劑，液體總體積為21.5 mL，水浴恒溫40 °C，磁力攪拌2 h。

合成方法二(樣2-5)：取6.1 g (50 mmol)苯甲酸、14.6 mL (250 mmol)乙醇加入至100 mL燒瓶中，加入15 mmol酸當量催化劑，液體總體積為21.5 mL，保持超聲池初始溫度40 °C，開啟超聲維持2 h。

酯化反應監(jiān)測：利用核磁監(jiān)測反應進程，具體操作如下：反應液總體積為21.5 mL，反應開始后每30 min取0.1 mL反應液或上清液，過濾膜，濾液旋蒸除去乙醇，剩余物質(zhì)溶于0.5 mL含0.2 mol·L-1二溴甲烷的CDCl3中，裝入核磁管檢測。選取內(nèi)標CH2Br2的特征峰為δ4.92 (s, 2H, CH)，苯甲酸乙酯中亞甲基的特征峰為δ4.38 (q, 2H, CH,J= 8.0 Hz)。通過兩峰的積分面積(S)計算苯甲酸乙酯在體系中的含量，計算不同時間點的轉(zhuǎn)化率(α)。轉(zhuǎn)化率計算公式如下：

除了內(nèi)標法，還可以用歸一法計算轉(zhuǎn)化率，即以苯甲酸和苯甲酸乙酯中苯環(huán)上的氫(δ7.3-8.1，5H，CH)的積分總面積(S芳基)為反應物總量，苯甲酸乙酯中的亞甲基的積分面積(S亞甲基)為產(chǎn)物總量計算轉(zhuǎn)化率，見公式2。兩種方法計算所得的轉(zhuǎn)化率匯入表1，從表中可以看到，兩種方法計算所得的轉(zhuǎn)化率不同，但規(guī)律相同。歸一法得到的不同時間點的轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)匯入圖2。

對于非均相催化劑的反應體系，F(xiàn)e(III)@NKC-9和MMT，由于催化劑對產(chǎn)物的吸附，取不同時間點的反應上清液得到的轉(zhuǎn)化率低于實際轉(zhuǎn)化率。為了測得反應120 min時的實際轉(zhuǎn)化率，分別用熱乙酸乙酯洗滌催化劑。由于Fe(III)@NKC-9樹脂在超聲作用下結構被破壞，形成凝膠，很難分離吸附在樹脂中的產(chǎn)物。而MMT催化劑組，經(jīng)過產(chǎn)物分離和提純后稱重，得到的實際收率也記錄在表1中。

均相反應產(chǎn)物的提純方法：向體系中加入飽和Na2CO3溶液，調(diào)節(jié)pH至7-9之間，加入60 mL乙酸乙酯分兩次萃取水層，合并萃取液，用20 mL飽和食鹽水洗滌，分離有機層，MgSO4干燥。減壓脫溶劑，減壓蒸餾，收集107-108 °C/20 mm Hg的餾分，稱量。

非均相反應產(chǎn)物的提純方法：過濾反應液，用20 mL熱乙酸乙酯洗滌催化劑，合并反應后濾液處理液(按均相反應產(chǎn)物的提純方法得到的有機層)和催化劑洗滌液，MgSO4干燥。減壓脫溶劑，減壓蒸餾，收集107-108 °C/20 mm Hg的餾分，稱量。

3.3.2.3 產(chǎn)物表征

苯甲酸乙酯，無色透明油狀液體。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.05 (d,J= 7.2 Hz, 2H), 7.62 (t,J= 7.4 Hz, 1H), 7.55 (t,J= 7.4 Hz, 2H), 4.38 (q,J= 7.3 Hz, 2H), 1.40 (t,J= 7.2 Hz, 3H)。

3.4 結論

對于苯甲酸乙酯的Fischer酯化合成，40 °C溫度下使用超聲輔助加熱、質(zhì)子負載的蒙脫土K10催化反應，產(chǎn)物收率較高。該反應具有收率高、無溶劑、溫度低、后處理簡單等優(yōu)點。這在一定程度上可以優(yōu)化類似的小分子酯的Fischer合成，即在超聲條件下，配合分子篩等吸水物質(zhì)與負載蒙脫土等結構穩(wěn)定的非均相催化劑，可以在較低溫度下使用無溶劑方法以較高的產(chǎn)率合成目標酯分子。

4 學生反思與總結

這次研究性學習促使我們檢索并閱讀了較多的文獻，我在這一過程中學習文獻思路，與同組的同學討論并設計了優(yōu)化苯甲酸乙酯的Fisher合成反應的實驗方案。在查找文獻尋找優(yōu)化這一酯化反應的條件時遇到了不少困難，一方面由于小分子酯化反應的研究已經(jīng)趨于完備，很難尋找到體現(xiàn)出創(chuàng)新之處的改進思路，而簡單地復刻文獻反應并不能體現(xiàn)出“研究性實驗”的“研究性”；另一方面是很少有文獻直接針對苯甲酸乙酯這種分子的酯化反應解決問題，大多針對性不足，難以體現(xiàn)出“目標導向”。于是，如何在文獻中尋找有效信息能“為我所用”來解決問題，就成了我們的第一道坎。最終為解決反應溫度高、使用有害溶劑、濃硫酸催化導致副反應發(fā)生和產(chǎn)生廢液這三個在“微波加熱輔助合成苯甲酸乙酯”教材實驗中出現(xiàn)的問題，我們通過查閱文獻和歸納總結，分別提出了改用超聲波輔助以降低反應溫度、改用無溶劑體系進行反應、換用以MMT為代表的非均相酸催化劑進行催化以解決以上問題。

現(xiàn)在回頭看這些實驗方案都或多或少存在著對比不充分、控制實驗不嚴謹?shù)葐栴}：例如我們當時忽略了超聲波使體系自然升溫的這一現(xiàn)象，將超聲起始的40 °C直接作為油浴加熱組的反應溫度，而若要顯示出超聲對反應的促進作用則將對比的油浴加熱溫度設置為超聲結束的50 °C更為合適；又如在設計質(zhì)子負載的蒙脫土K10促進酯化反應的實驗時，應當再設置一組未負載質(zhì)子的蒙脫土K10作為對比試驗，以排除蒙脫土K10中Al-Si-Mg氧簇固有結構本身對反應的影響。因此，我們發(fā)現(xiàn)在實驗與報告撰寫后的總結往往能夠促使我們思考并發(fā)現(xiàn)實驗設計與操作上的誤區(qū)，只有不斷意識到不足之處才能讓研究不斷進步。這也說明了目標導向的研究性實驗對于研究能力的提升，不僅體現(xiàn)在實驗前的調(diào)研設計、實驗中的優(yōu)化與實驗后撰寫論文的思考和討論，更體現(xiàn)在這一研究性實驗結束之后的反思和總結。

5 案例分析

學生用超聲波輔助酯化反應的實驗設計有一定的新穎性，同時該反應具有條件溫和、不使用有毒有害溶劑、乙醇很容易回收利用、操作簡單等特點。該實驗使用了超聲波清洗儀，沒能采用教學實驗室的帶攪拌功能的超聲波合成設備，影響了實驗效果。盡管實驗結果有些粗糙，收率僅有76%，但也比實驗教材及以甲苯為帶水劑，微波輔助的合成方法收率要略高[46]，顯示了超聲波輔助方法在Fischer酯化反應中的有效性。學生們的研究結果既對小分子酯類化合物合成有一定的借鑒意義，又可以作為本科有機化學實驗中超聲波輔助酯化反應實驗的一個優(yōu)選項。在實際教學中可以將催化劑合成穿插在實驗時間短的前期實驗中，核磁監(jiān)測反應部分可以在實驗時取樣處理，實驗后利用課下時間測試并分析結果。

作為本科研究性實驗教學，由于時間所限，盡管論文沒能就催化劑套用和收率等問題進行進一步的深入研究，但在實驗過程中學生們自己提出了很多新思路、自學了很多新知識、自行解決了很多實際問題，已經(jīng)充分地體現(xiàn)了目標導向的研究性實驗在本科實驗教學中的優(yōu)勢和對于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學效果。

6 結語

本文是對如何在實驗課堂上培養(yǎng)學生“勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實際能力”的一次探索，也是對《有機化學實驗教學對科研素養(yǎng)的培養(yǎng)——目標導向的研究性實驗與創(chuàng)新能力培養(yǎng)》一文[4]的案例總結。本文以學生期末考試的研究論文“超聲波輔助的Fischer酯化反應條件初探”為例，通過學生論文的全文展示、教師批注和學生反思相結合的方式，呈現(xiàn)了培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和科研能力的過程，直觀地再現(xiàn)了學生們從選題、文獻查閱、方案設計、實驗優(yōu)化直到論文撰寫的全過程，以及學生們發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案和方案驗證與優(yōu)化和對實驗的反思的思維過程。

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是我國建設創(chuàng)新性國家的關鍵所在。傳統(tǒng)的有機化學實驗課教學主要注重實驗的基本操作技能的培養(yǎng)，并不適應創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。如何在實驗教學中給學生提供一塊屬于自己的自由生長的空間是拔尖人才培養(yǎng)的關鍵。從查閱文獻、方案設計、實施、分析問題、找原因到解決的過程是科研實驗室中一個非常普通的過程，但是如何在本科教學中實現(xiàn)，卻是一個非常難的課題。本文希望通過我們的實例與同行共同探討本科教學中創(chuàng)新精神和科研能力的培養(yǎng)方法。

此外，“來源于學生，應用于學生”的故事也將更加激勵學生們未來從事基礎科學研究工作，提高“學生服務國家服務人民的社會責任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實際能力”。