引言
实验教学是培养大学生创新意识、创新能力和创新思维的重要环节,不断改进和完善实验课程的教学模式,不仅有利于实验教学的发展,还有利于学生的综合能力的提高,调动学生学习的主动性与积极性,促进教学质量与人才培养的全面发展。有机化学实验作为农林及理工院校应化、生命、林工、食品等本科专业的必修实验基础课程,其学习效果对后续课程的学习和知识体系的构建具有重要的作用。学生可以通过机化学实验获得一定的感性认识,进而加深对有机化学理论知识的理解,如果有机化学实验能有效地配合有机化学的理论教学,不但能很好地培养学生理论联系实际、解决分析问题的能力,还能够掌握一定的实验技能,养成良好的实验操作习惯,为后续的专业课实验打下坚实的基础。针对现有实验教学模式存在的不足和新时代培养本科应用型、创新性人才要求,笔者将从以下几个方面来改进有机化学实验模式。
一、改进授课方式 强化学生责任意识
在原有授课方式的基础上,改变传统的教师为中心的授课方式,在“以学生为中心”的教学观念指导下,对现有实验教学授课方式进行改进,提出“学生责任制”式的教学模式并引入到有机化学实验的教学中,使形成层次化的授课方式。如图1所示,为了充分调动学生的责任意识及担当精神,考虑学情,实行分组制。教师作为任务安排的发起点,以组长形成的线上必须高效全面地领会老师传达的任务,组长进一步传递给组员组成的面上,从而使所有学生全面地接受到所有信息,实施步骤如下:
首先,老师根据班级情况确定分组和组长,根据实验条件或实验项目形成6人/组或8人/组。在新学期初,就将分组和组长确定好,通过调查了解可以先选取主动积极具有责任心的同学作为组长,组长负责团队合作及实验过程,随着实验项目的进展,组长可以轮流承担,以培养学生适应不同角色的能力。
然后,在组长组成的这条线上,狠抓实验前预习的各个环节。老师分配给组长任务,要求实验前组长汇报实验目的、原理、操作所用仪器与试剂、内容、方案以及实验注意事项,教师根据组长汇报情况,有针对性的进行授课。在授课过程中改变传统授课方式,教师选择每次实验预习优秀的组长来讲解本次实验,根据讲解的情况老师最后再做一些补充。在整个过程中,组长是重点的注意对象,确保每位组长能掌握到重要的内容,从而在组长的带领下组员能领会全部信息。除此之外,多种教学方法的应用也是教学效果提高的保证,例如在具体实验操作演示环节,为了避免距离远近或声音的大小影响教学效果,可以在实验桌面上张贴可以观看本次实验操作视频的二维码等现代化教学手段。以期改善授课传递信息的效率。
最后,学生在实验操作过程中,由于组长是每次实验的重点培养对象,确保组长能完全领会本次实验所有内容,实验中组长在完成自己实验的基础上,也要时刻留意本小组成员实验情况,有实验操作不规范的组长要及时纠正,组员有问题可以及时问组长,组长实在不能解决的再向老师反馈,在所有实验结束时每小组要对所有实验内容做一次总结。这样的操作确保每个学生都能深刻领会本实验内容及意义所在,从而提高学生的实验操作能力及组长责任感。以下是上课实际操作过程。
图1. 改进实验课程授课方式示意图
组长给操作不规范的同学演示实验
二、丰富教学内容 开拓学生视野
有效的教学模式是培养创新-应用型人才的必备条件,而丰富的教学内容则是培养新时代具有创新意识的应用型人才的有力支撑,丰富教学内容可以使“学生责任制”式教学更加立体,让传统的实验课程教学模式更加立体化,同时也可以实现教学与创新的有效结合。针对传统教学内容的不足,可做以下调整。
1.将前沿科学渗透到基础有机化学实验的教学中;例如我们在讲有机合成实验的时候,有机合成分为几个步骤,为什么做有机合成前要查清楚投入原料的物性,做充分的文献调研,这些准备工作的目的和意义是什么?让学生在做实验前搞清楚,通过这些讲解可以让学生对做科研有一定的认知,再结合最新的科研动态。比如2018年德国马尔堡大学Meggers等人发表了一篇science,作者利用已知的手性钌催化剂,高效地构建了抗艾滋病药依法韦仑的关键中间体(S)-2a和(S)-2b(图2),相比Merck公司最初开发的合成路线和Lonza合成方法,其反应产率和对映选择性都非常好,该方法大大降低抗艾滋病药依法韦仑的生产成本。通过这篇文献的讲解,使他们能深入了解化学合成的意义,体现了化学在人类发展中所发挥的作用,从而激发学生做科研的热情和主动性。
图2. 依法韦仑的关键中间体
2.增加对照试验和自主设计实验;例如由原来的叔丁醇制备叔丁氯的一步反应更改为由叔丁醇制备2-甲基丙烯的两步反应(图3),由于实验课时的限制,可以分两天来做。实际实验教学中,将原来固定的实验条件更新为探索性的多种方法的尝试,例如叔丁基氯的合成实验中,除了醇和氢卤酸制备卤代烃的合成方法之外,还提出另外一种合成卤代烃的方法,即醇与亚硫酰氯的合成方法,让部分同学采用常规的醇和氢卤酸合成方法,一部分同学采用醇与亚硫酰氯的合成路线,实验结束让同学们讨论各自的实验结果,从原料毒性、反应时间、后处理、产率等几个方面讨论哪个合成路线效果更好,通过讨论和对比,不但巩固了所学的理论知识又提高了实验技能,有利于培养同学们科研的思维,设计路线的能力。尤其在第二步反应由叔丁氯制备2-甲基丙烯的实验中,我们可以通过改变实验的条件来验证实验产物,一部分同学在氢氧化钾的乙醇溶液的条件下制备,另外一部分同学则是在浓的碳酸钠的水溶液中制备,通过碱性和溶剂的改变,验证实验产物是否反生改变,尤其在浓的碳酸钠水溶液条件下,最终产物是水解成原来的叔丁醇还是得到产物2-甲基丙烯,还是二者兼有,则通过实验就可以证明。通过此反应可以看到实验条件对反应产物的影响,对书上所说的有机化学反应的不可预见性和复杂性,同学们可以有深入的认识。学生在进行多步骤的实验过程中,不仅可以体会实验检验真理的乐趣,巩固课本中的内容,也能体会到科学的严谨性,让他们更深入领会到必须精心地对待每一步反应的每一操作,才能得到以期的产物。这种多步骤的合成实验的引入给学生提供了发挥各自能力的机会,激发了学生学习的兴趣,培养了学生设计实验的概念和能力、知识应用能力和创新意识,从而提高了学生的综合素质。
图3. 2-甲基丙烯的合成
三、规范实验环节 完善评价标准
从预习、实验记录、实验操作、实验报告等各个环节全方位评价。实验报告结合学术论文的写作标准,要求学生写出包括实验题目、实验目的、实验原理、实验所用仪器与试剂、实验设计路线、实验方法、实验结果、实验分析与讨论以及参考文献等。通过实验报告环节使同学们能学会查阅文献、分析文献,以及画图软件chembiodraw的使用,充分发挥同学们的积极主动性,从而提高同学们的求知欲,使理论和实际更好的结合起来,为以后进一步从事科学研究打下良好的基础。
学生评价
结束语
为了切实提高有机化学实验教学质量,培养更多优秀的应用型、创新型人才,需要不断的对高等院校有机化学实验教学模式进行改革,以提高大学生的科研能力和创新意识。所以针对现有传统教学模式的不足,在现有教学模式的基础上,提出了一种新的教学模式——“学生责任制”式教学模式。再结合丰富授课内容,能使授课对象更具体,教学更有层次感,使扁平教学方式更加完整和立体,从而提高实验课程教学效果。
丰富的教学内容,完善的实验条件,并根据新的教学模式,来充分调动学生学习有机化学实验的主动性和积极性,在具有应用性和创新性的环境里培养学生的实验能力以及责任心,从而达到应用型、创新性人才的培养目的。