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(1)适应人才培养的时代特征与现实需要,是学习能力培养的需要。
伴随着信息与知识数量累积的爆炸式增长、更新周期的日益缩短、知识细分的迅速演进,对于新知识的快节奏、大容量、自适应的学习,已经成为当代学习的显著特征,也是当前社会对人才诸多能力需求中的关键要素。大学毕业生是否具有良好的社会适应能力与职业发展前景,取决于自身的学习能力。当前每学期19~21周的长学期制度,在一定程度上导致“平时不刻苦、考前靠突击”现象的大量存在,教师讲得多而学生自主学习少,教学周期长而教学效率低,不能适应新时期学习能力培养的需要。
(2)是教学内容优化的需要。
目前,在培养方案的设置上仍然存在知识单元顺序颠倒、内容重复、环节疏漏等问题,在培养方案的执行上也有重点偏移、难点回避、亮点不足、特点不强等客观问题存在,使得人才培养不能达到满意的效果。在学生总体学习时间约束条件下,在学生考研、就业等迫切要求下,如何能够制定更加科学、合理、紧凑的培养方案,已经成为人才培养的首要问题。
(3)是实践教学改革的需要。
实践环节是大学教学越来越重要的组成部分,是学校以“三实一创”为核心的“两型两化”人才培养模式改革的关键环节。而目前实习、实训和创新环节的时间安排零散,学院难于组织、学生难于深入、教师难于指导、企业难于接受,往往流于形式,对学业、就业的促进作用被弱化、淡化。因此,实践环节需要进一步的突出和优化,其“时间较为分散、基地过于集中”的模式要逐步向“时间相对集中、基地有机分散”的模式转变,保障有独立、连续、较长的时间段来进行实习实训和创新活动。
(4)是学业预警援助的需要。
大学生在学习过程中可能出现学业波动、学习效果偏差的现象。在目前的学期制度下,学业预警周期为半年,学业援助周期为半年、一年乃至更长,已直接影响了其他后续课程的学习或实践训练,甚至对学生毕业、获取学位等产生严重影响。均衡课业负担、加快学习节奏、及时进行预警援助,有助于形成团结紧张、严肃活泼的良好氛围,更有利于育人目标的达成。
1.2目前我校安排的学季制
学校每学年按40周安排校历,仍然分为两个学期(semester),即第一学期(20周)、第二学期(20周)。第一学期分为秋季(10周)、文体活动周(1周,含运动会)、冬季(9周);第二学期分为春季(9周)、学术活动周(1周)、夏季(10周)。从而每个学年分为4个学季(quarter),四年学制共16个学季,五年学制共20个学季。原则上每个学季最后1周为考试周,集中安排全校性和跨学院课程考试,院内课程考试时间由学院根据规定自主安排。理解了我校学季制改革的目的和意义以及安排后,作为一门大多数院系设置的基础技能培养的公共实验课———有机化学双语实验课,笔者将对此提出相应的改革探索,以体现学季制改革后课程的改进。
2新形势下有机化学实验的改革
2.1传统学期制下有机化学实验的模式与不足
我校的有机化学实验课程虽然于2009年评为“国家双语教学示范课程”,在教学上全部采用双语教学,但由于班级多(每学期48个班级)、每班人数多(平均35人/班)以及有机化学实验本身的一些诸如反应时间长、副反应多、产品处理花费大量时间等客观原因,为了能完整的安排每一个班级的实验时间,实验课程都安排在周六周日两天,在目前的教学计划中第一学期32学时,需要三个周六或周日,第二学期24学时需要二个周六或周日。学生上午下午分别要完成两项单元操作,实验任务重,时间紧。由于是双语教学,学生同担负着学习语言和学习专业知识的双重任务,在传统学期制度下,无法给教师足够的时间去阐述问题,也无法给学生足够的时间去理解消化问题,与正常教学进度对比,双语教学需要的教学时数势必要更长,因此,无法保证学习效果。除了上课时间,无法给学生安排更多的课余时间让他们熟悉各类仪器设备并完成从实践到理论的升华,只是机械的完成了一份实验报告,无法得到更多的锻炼,更是限制了学生创新能力的培养。这种学期制度下,规定内容与时间表的传统实验教学模式不利于培养学生的兴趣与爱好、创新思维与能力。此外,也是由于计划学时数以及课堂时间的限制,造成教师无法开展一些综合设计性的实验,只能交给学生一些步骤详尽,基础性、验证性和重复性的实验,掌握一些基本的操作和单元合成。虽然完成了教学任务,却无法充分调动学生的积极性和创造性,实验教学效果较差。
2.2新学季制下有机化学实验的改革探索
针对我校进行的新学期制度的改革方案,以有机化学课程为例,本学年度2014-2015第二学期,有机化学理论课程计划学时数为32学时,一周安排为四个学时,第八周可以结束理论课程的学习,相应的其他基础课程也会在春季完成。这样,对于实验或者实践课程来说有了新的教学模式的探索改革。以有机化学双语实验为例,第一,教学时间的安排,由于接受了完整的有机化学的基本理论,那么在对于实验课程关键的预习问题就有了充足的时间。通过对实验项目的预习,调动了学生学习的主动性,提高了学生的自学能力,更能提高学生在实验中的安全防范意识。另外,在实验时间安排上可以不占用学生的周末时间,用一周灵活的时间集中进行实验,让学生有个连贯性的系统性的时间进行有机化学实验。教师更加认真地备课,更注重实验教学讲解的规范性,在实验过程中对学生要求更加严格,实验操作指导也更加耐心细致。学生实验结束后有更多的时间总结所做过的每一个实验,完成实验报告不再照着书本抄而是有了自己的理解和认识,加深已经学习过的有机化学理论课程的印象,最终能够达到实践和理论的有效结合,提高了学生分析问题和解决问题的能力;第二,教学内容和教学模式的调整,传统的有机化学实验多为验证性实验,内容单调,形式呆板,与实际生活及时代的发展有很大距离;药品用量大,易挥发、有毒、有害、有腐蚀性等危险药品多;实验设备仪器陈旧、过时,实际科研中已经淘汰;学生没有了兴趣,实验只是“照方抓药”,不利于学生素质的全面培养。在新的学季制度下,我们拟对实验内容进行调整,重新优化重组,从“基础、综合、设计”三个层次上全面培养学生的动手能力和创新意识。基础实验主要训练学生的基本操作技能,使得学生规范操作,养成良好的实验习惯,为以后的科研打下坚实的基础。基础实验内容包括实验室的安全和注意事项、工具书的使用、常规仪器的熟悉和使用、化学药品的性质、规格和使用等;还包括基本操作如蒸馏分馏、萃取和洗涤、重结晶及熔点的测定等,采用讲解和演示再由学生亲手操作,让学生尽快掌握;综合实验以单元制备实验为主,在各种制备实验中反复训练基本操作技能。例如在Perkking反应制备苯甲酸和苯甲醛的实验中,分别训练了液体有机化合物的提纯操作和固体有机化合物的提纯操作如萃取洗涤蒸馏以及重结晶等,强化了有机化学实验的基本操作。适当设计一些开放性的题目,考查学生吸纳外文文献的能力、创造性思维和独立解决问题的能力。在接下来的新学期改革下,新的有机化学实验的教学模式是(3+1)型,即“基本操作实验”,“基本单元实验”,引领提高的“基本设计实验”,最后外加一项培养学生创新能力的“开放实验”,与其配套的教学程序,教学方法,测评方法等也都将做全新的改革。教学模式的改变。第三,双语课程的加强。帮助学生提高专业英语听说和写作能力,将双语教学渗透到整个学科专业中。作为双语教学的授课对象,国内高校学生英语的听说能力普遍较差,学生的外语水平参差不齐,考虑到学生对双语教学的接受能力,我们也将重点解决采取什么样的教学手段,不但可以让学生听的轻松,学的轻松,讲的轻松,而且在学生掌握学科知识的同时,提高他们的外语水平。在新学期改革下,如何有效改革双语教学模式,加强学科双语课程建设对真正实施有机化学实验双语教学具有十分重要的意义。
1.1整合强化基本操作内容
根据教育部高等学校化学类(即师范类)专业教学指导委员会制定的“化学专业实验教学基本内容”,将基本操作和基本技能作为一个单元单独训练,该阶段主要训练学生的基本技能,强调操作的规范性。在开始基础训练阶段,我们发给学生写实验预习报告的样本,要求学生按规范的样本格式写好预习报告和实验报告。要求学生在预习报告中要查阅写上实验所用药品试剂的物理常数。实验报告一定要实事求是的详细记录实验步骤现象,实验目的原理,要总结出实验的重难点、实验成败的关键步骤和操作、问题讨论及说明等。这样既要求学生在实验中动手,又要动脑。对于难度较大的基本操作实验如:减压蒸馏、纸层色谱、薄层色谱、重结晶、熔点测定、分馏、旋光度测定、萃取与洗涤等独立安排实验进行,并要求学生单人单做。对较简单的基本操作实验如:蒸馏及沸点的测定、折光率的测定、液体化合物的干燥、机械搅拌、磁力搅拌及密闭合成搅拌等均在相应的合成实验中一并进行,这样可使学生在少学时下学到更多的实验技能。其次删掉一些简单陈旧的实验,增加一些复杂的应用实验,趣味实验及前沿科学的新知识实验。该实验教学内容的重组提高了学生对实验的兴趣,激发了学生的求知欲,强化了学生娴熟的基本操作能力的训练。
1.2在实验内容的安排上注意实用性、趣味性、时代性
经典的有机化学实验都是成熟的验证性实验,对于师范本科生而言,通过这些实验掌握了相关的基础知识、基本操作技能、基本实验原理和方法,在培养学生的逻辑思维、推理、严谨的科学态度等方面是有益的。而且符合学生的认知规律。但我们要培养学生的创新能力,必须改进有机化学实验教学内容的知识结构,加强应用实验、趣味实验和涉及科学前沿课题的实验。如删去了一些简单陈旧缺乏应用性、趣味性的传统实验,增加了一些应用性实验,如:①药物阿司匹林的合成;②磺胺药物的合成;③从槐米中提取药物有效成分芦丁及鼠李糖;④从黄连中提取黄连素等。增加了一些趣味性实验如:①从烟叶中提取烟碱;②从茶叶中提取咖啡因;③合成减少农作物落花落果的防落素对氯苯氧乙酸;④合成除草剂2,4-二氯苯氧乙酸。增加一些与时俱进的前沿科学实验如:①冠醚合成;②纳米材料的合成与应用;③手性化合物的合成拆分及表征。通过增添应用实验、趣味实验和涉及科学前沿课题的实验,激发学生的学习兴趣和创新精神,将不愿学变为我要学。同时开阔了学生的知识视野,增加了学习的广度和深度,使学生看到了在人类生产和生活中有机实验的重要性,形成了自觉渴求新知识的意识,促进了教与学,提高了教学质量和水平。
1.3加强有机化学实验绿色化
化学专业培养的师范生是肩负着教育下一代重任的人类灵魂工程师—中学化学教师,故“安全—环保”理念和意识的形成以及具体实施就显得尤为重要[2],且具有深远的社会效益和现实意义。为此我们在以下几个方面进行了实践:
1.3.1采用半微量实验和微量实验
有机实验易耗品多、产率低、“三废”排放多、能耗大、污染重。为此我们在不影响实验效果的情况下将教材上化学实验的药品用量均减半,或用半微量实验或微量实验方式进行,这样不仅大大降低了实验成本,实验环境也变得清洁,最重要的是学生的节能减排和环境保护意识也得到培养和强化。且有机化学实验的绿色化也得到彰显。
1.3.2尽可能减少或不用有毒害的化学试剂或原料
有机合成实验所用的化学试剂、溶剂、催化剂或多或少有一定的毒性,为了使有机化学实验绿色化,我们在实验内容的安排上减少或去除毒性大的有机实验,弃用毒性大的有机试剂或溶剂。如将水蒸气蒸馏实验中早期使用的有毒性的苯胺、苯甲醛和溴苯改为花椒和桂皮,使之为纯天然的绿色实验。将从茶叶中提取咖啡因和烟叶中提取烟碱的装置改用乙醇在索氏提取器中进行,这样既将实验时间缩短了2h,又消除了毒性。在有机合成实验中删除一些毒性大的实验,如苯和溴制溴苯、硝基苯的制备、苯胺的制备等。并结合专业特点新增一些对环境友好的药物合成实验如:合成口服治疗尿道感染药物扁桃酸、局部麻醉剂苯佐卡因等。将乙酰乙酸乙酯合成实验中用的有毒溶剂二甲苯和钠珠原料改为钠丝,用钠丝可不用二甲苯溶剂,从而有效地减少了环境污染,所有这些均使绿色化学教学在实验中对学生起到了潜移默化的作用,培养了学生的绿色化意识。
1.3.3采用“一条龙”化学实验
在有机化学实验中我们安排了“一条龙”合成实验,即将多个合成实验串联起来,前一个实验的产品作为后一个实验的原料,这样既节约了化学试剂,防止和减少了环境污染,又使学生把学过的知识系统化,也培养了学生综合分析问题和解决问题的能力[4]。如我们将苯胺乙酰化乙酰苯胺对乙酰氨基苯磺酰氯对乙酰氨基苯磺酰胺对氨基苯磺酰胺(磺胺)。在甲基橙制备实验中将3个串联起来,即苯胺磺化对氨基苯磺酸(重氮化)重氮盐(偶联)甲基橙。在局部麻醉剂苯佐卡因的制备中,将2个实验串联,即对硝基苯甲酸酯化对硝基苯甲酸乙酯(还原)对氨基苯甲酸乙酯(即苯佐卡因)。
2在有机化学实验教学内容的组织上分层次分阶段进行教学
有机化学实验教学内容改革重组后,以基本操作、简单合成、多步合成、综合实验、设计实验、开放实验的顺序组织教学内容。这样一个从基本技能训练、应用技能训练、综合技能训练到创新能力训练的四个层次的实验体系,使学生由浅入深、由简到繁、由单元技能训练到综合能力训练、再至创新能力训练,使学生的实验技能循序渐进,逐步提高,最终初步掌握简单的科学研究方法和创新能力。在实验操作中,又将合成、分离提纯及鉴定测试或表征等环节连成一体,形成系列化实验。这样做可使学生看到自己的实验成果,他们会更认真主动完成和掌握实验的全过程,并给他们带来成就感,从而调动学生的学习积极性和主动性,不断地提高教学质量。
3有机化学实验教学方式的改革使教学质量稳步提高
3.1要求学生课前认真预习,培养学生自学能力和查阅文献资料能力
学生每次进行实验前,教师要认真检查学生的实验预习报告,无预习报告者不得进入实验室做实验,写实验预习报告的目的是使学生在做每个实验前,必须认真查阅所使用药品试剂的理化性质,明确实验原理、目的及步骤,了解有关药品、仪器的使用方法,掌握实验的重难点,挖掘实验成败的关键问题及注意事项,明确每一步操作的目的任务,做到有的放矢,为做好每个实验奠定基础。通过检查学生的预习报告和口头提问,促进了学生学习的主动性和积极性,激发了学生做好实验的热情。通过在预习中查阅资料和网络化学资源,不仅可以帮助学生了解有机物的理化性质,解释实验现象,预测实验结果和选择正确的合成路线,而且还可以使学生了解相关科研方向的研究现状与最新进展。并使学生掌握了查阅文献的基本方法。从而培养了学生的综合能力、独立分析问题和解决问题的能力、创新能力以及初步的科研能力[5]。
3.2在课堂上认真讲解耐心指导
在教学内容改革整合后,教学方式对于落实教学目的起至关重要的作用。在基本操作实验部分,教师必须抓住重难点讲清实验原理,实验成败的关键问题,让学生理解每一步操作的原理,然后在学生做实验过程中认真检查学生的每一步操作,耐心纠正不规范操作。如在分馏和蒸馏的基本操作中,注意检查学生的装置是否规范美观,冷凝管的选择是否正确,温度计插得高低是否得当等,所有这些细节问题都直接影响到实验的效果和规范性。通过这部分基本操作培训,不仅培养了学生的动手能力,还培养了学生实事求是的科学态度和严肃认真的工作作风。
3.3在“一条龙”实验、综合实验、设计实验、开放性实验中进行分组实验教学
即让每组成员以既相对独立,又相互合作的方式完成整个实验。这样学生在独立完成部分实验之后与其他组员之间共享实验成果,共同分析解决实验中所遇到的问题。这种组合实验教学方式,可以培养学生的团队精神和协作精神,提高学生的科研素养和责任心。
按照11版教学培养方案的修订,有机化学由原来的126学时减少到108学时,上下半学期各54学时。同时,有机化学实验也做了相应的修改,由原来的90学时减少到70学时,上下半学期各35学时。在此次教学方案修改的同时,有机教研室依据教育部规划教材特点,结合我校化学专业长远发展需求,立足于学生可操作性,本着“微型化、节约化”原则,进一步梳理与完善了有机化学实验教学内容。在坚持熟练基本操作的基础上,将教师科研方向中的一些原料合成作为教学内容引入到了有机化学实验操作中,例如,将降冰片烯二酸酐的制备引入教学环节,让学生在巩固双烯合成理论的基础上,进一步熟练如何利用已知原料合成目标产物的方法。再如,在重结晶实验操作中,由于原料的恒定性,学生实验往往很容易形成机械操作、简单重复和照方抓药等特点。为了打破重结晶原有实验原料的单一性,我们借助重点实验室这一平台,跟有科研项目的老师一起交流并达成共识,他们合成的粗产物直接应用到有机化学教学实验中,形成了原料种类多样性。变换原料,学生就得通过重结晶的步骤,合理选择理想溶剂,提高了学生参与实验的主动性,同时也为老师科研提供了保障,避免了实验产品的浪费。另外,对先前的常量化实验也进行了改进,引入了微量实验仪器,树立学生节约意识,进一步强化学生的实验技能。
1.2教学模式的转换
传统的实验教学模式只注重学生实验结果,往往忽视了实验过程。有机化学实验教改过程,首先,注重实验前的准备。让学生通过相关文献检索,吃透实验操作中的一些问题,熟悉物料性质,确保实验顺利进行(见图1)。其次,全面干预学生实验操作过程。在实验操作过程中既要强化学生的实验操作技能,对于违规操作行为,要及时纠正,必要时要作为典型案例,引导全体学生注意,同时还要全面跟踪学生实验过程,设立专门教师实验台,实现学生和教师共同实验,在实验操作中及时将实验过程中出现的问题反馈给学生,进一步培养学生对一些反常现象的理解和认识,锻炼学生分析与解决问题的能力(见图2)。第三,做好实验结果总结与实验报告信息反馈。对于实验结果来说,由于个人的操作或多或少存在差异,尤其在现象描述、收率计算和物理参数测定等方面都多少存在分歧,采取集中讨论与分散交流相结合的方式,干预学生实验结果讨论,引导学生对实验结果做出正确的判断,为后续实验报告的书写奠定基础;对于实验报告信息反馈,一要坚持原有认真批改实验报告的做法,二要在新的实验开始时做好实验报告的点评工作,既要突出表扬优秀的实验报告,也要指出不合格的实验报告,通过以“优帮差”,切实发挥好“传帮带”的作用,逐步完善学生对实验报告的书写。三是对学生在实验创新中提到的一些改进措施要给予合理的解释,激发学生积极尝试实验的热情,增进学生对化学实验的兴趣。
1.3教学评价体系
老师通过实验教学中的“预习、操作、卫生和实验报告”可以直观地给学生在某个实验中给予合理的分数。反过来,学生也要发挥监督老师的作用,通过教学评价体系,可以反映出教师在实验教学中的投入。学校虽然每年都通过教学评价系统,让学生对老师教学做出客观公正的评价,进一步激发教师的教学热情,但效果往往不是很理想。我们在有机化学实验教学环节中引入了“一个实验一评价体系”,采取无记名信息反馈,梳理后将意见转达给任课教师,通过教研室活动讨论,确定整改措施,并及时地应用到下一个实验中,并将有用信息扩大到了整个教研室活动中,使得教师在教学中丰富阅历,使得学生在学习中长了见识。这种做法在学生与教师中已经形成了良性互动,并得到了很好的评价效果。
1.4科研协助教学改革
有机化学实验是在大学二年级开设,学生已经初步掌握了一些基本的实验技能操作,在有机化学实验实验教学过程中,积极引导学生参与教师科研活动,增强学生对学科前沿知识的了解,提升学生对化学实验的兴趣。具体可通过内蒙古每年举办的“挑战杯”科技作品竞赛和毕业生毕业论文的设计两个途径进行尝试,让学生以兴趣小组形式参与到教师科研项目中,让学生从教师科研活动中吸取宝贵的信息资料,获得长足的进步。例如,β-氨基酮类化合物的合成(Mannich碱)是有机化学理论知识中的内容,基本的有机化学实验教学中并没有此类化合物的实验操作内容,是一个综合性很强的实验操作,学生要从多组分溶剂的选取、TCL(薄板层析)、重结晶、熔点测定等一系列实验技能入手,扩展了学生的思路,增强了有机实验手段的连续性和衔接性。截至目前为止,已有两届学生10多人次,借助教师科研平台,参与“挑战杯”科技作品竞赛,并获奖;有三届学生15人次,通过参与教师科研活动,发表了高水平的学术论文。当然,这些成绩的取得反过来又促进了实验教学的运行,在培养学生实验技能的同时,进一步拓展了学生在实验中“敢想、敢问、敢做”的理念,从某种意义上也完善了新版教学培养方案。
2.实现有机化学实验“绿色化“教学目标的若干措施
2.1绿色化学意识的树立与培养若想树立学生的绿色化学意识要求教师能够率先把握环保低碳理念,并积极实施环境无害化学实验管理模式。为此,应首先将绿色化学的相关概念及原则融入到课堂管理中,并进行科学指导。例如,在课前预习阶段积极引导学生以查找资料的方式初步了解相关实验试剂的毒性及其对环境产生的损害和影响,并鼓励学生不拘泥于教材,通过改良步骤或运用技术手段减少对生态环境有害的原料、催化剂的使用,并有针对性地降低有害副产物的产生和排放。再如,应密切关注实验整体的进行情况,及时纠正一些因意识疏忽而造成的装置安装问题,阻止因其导致的仪器损害或有毒物质泄漏现象的出现。通过教学过程,潜移默化地影响学生,使之在观念上重视化学实验绿色化,在学习中掌握更新实现绿色化学目标的方法途径。另外,可在教学过程中将能否贯彻绿色化学意识、积极实施对环境友好举措作为考核项目之一,杜绝学生在实验过程中不慎造成的药品浪费、随意丢弃废物等现象的发生。
2.2实验试剂的选用与教学内容的革新完善在有机化学实验中,难免使用一些易燃易爆、有毒或有腐蚀性的原料,这些试剂不但用量大,而且存在危险和污染,如果能勇于突破定性思维和教材,在保证实现原有教学目标的同时,有针对性地选取低碳无害试剂,也能起到推广“绿色化学”的目的。比如在原料与催化剂的革新方向上,可用无毒高效原料代替有毒原料,用新型催化剂取代腐蚀性严重的催化剂。在此试举两例:在利用硝酸氧化环己醇和环己酮制备1.6—己二酸的实验中,传统教科书一般选用高锰酸钾作为氧化剂。高锰酸钾具有放热强烈、有毒等不良特性,并不符合低碳环保标准,但若改用过氧化氢做氧化剂,则副产物是水,其污染程度不会随反应的进行而增加,部分实现了绿色化学目标的达成。又如,在乙酸正丁酯制备过程中,将具有腐蚀性、易产生碳化异构化等副反应的催化剂浓硫酸,改为固体催化剂一水合硫酸氢钠,不但能够降低实验过程中“三废”的生成量,还能将产品率由70%提高到90%,起到了事半功倍的效果。另外,可选用学生熟悉的天然食品代替有机药物完成教学任务,如在利用茶叶提取咖啡因的过程中使学生掌握索氏提取器的用法;采用橘皮改良过去使用的苯甲醛完成水蒸气蒸馏实验,而蒸馏得到的柠檬烯又具有光学活性,可将其进一步用作测定旋光度的原料。在教学设计环节,应使实验内容及实施方式趋向低碳环保。内容低碳化主要反映在合成路线的设计上,可用综合性较强、合成路线较复杂的实验代替目的过于单一的项目。如仅选取溴乙烷的制备这一个实验,就能够学习吸收有害气体、蒸馏、分液、萃取、干燥等重要方法,可大大降低实验项目无意义的重复性。另外,可适时设计一些具有连续性的实验,使回收到的产物作为反应物而被重新利用。如在甲基橙的制备实验中得到的产物可作为重结晶实验的主要试剂而被循环使用,将制备好的乙酰水杨酸用于阿司匹林原料药的检验等。这样设计的优势还在于,因前一产品质量的优劣将影响后续实验的进行,可提高学生对结果真实性与可靠性的感悟,通过连续的实验过程,培养其环保节约意识。实施方式的低碳化主要在剂量的半微量或微量化过程中得以体现。将一些污染较严重实验的规模进行相应的缩小处理,是运用预防化学污染的新方法新技术对常量实验进行改革的必经之路。例如在茶叶提取咖啡因的实验中,将乙醇用量从150ml降低至70ml即能提取到产物咖啡因,再如环己酮的制备及苯乙酮的制备实验中,可将有害原料环己醇和乙酸酐用量减少到原量的1/5,除提高实验绿色化外又能有效地提高产率。由此可见,微量实验值得推广的原因在于节约能源减少污染,降低有机实验的危险性,同时减少了因处理“三废”带来的压力。除此而外,微量及半微量实验的规模更接近于科研现状,它的安全性和低成本大大促进了开放式实验教学项目的开出率,提升了学生的动手能力和胆大心细的实验态度,因此,在教学过程中采取常量和微量实验交替配合的模式,将更有利于化学实验绿色化目标的实现。
2.3合理进行三废处理在有机化学实验中,若不将“三废”进行合理有效的处理而直接排放,将会对环境和人体产生一定的污染和伤害。因此在实验过程中应结合以下几点有效提高实验室中对“三废”的处理效率:
(1)废气的处理:实验中应合理使用通风橱,并在尾气排出装置处安装气体净化装置。对于在实验进行过程中产生的有害气体应用专门的吸收装置进行吸收。
(2)废液的处理:可将废液分类为酸碱及有机试剂进行分别处理。酸碱可混溶中和并调节pH值在6.5—8.5之间,并用水将其稀释后排放;对于乙醇、乙酸乙酯等有机试剂,可在积攒到一定体积后进行重蒸提纯,并作为反应物应用于后续的实验中。对于一些在学校条件内无能力进行处理的废产品,切不可直接将其倒入下水道或排放到大气中,应定期送到专门地点进行生化处理。
(3)废渣的处理:有机实验所产生的废渣一般为有毒易燃易爆的固体,应统一回收并将其埋于地下固定地点。尤其需要注意的是特殊但常用试剂的处理方式,如在破损温度计洒落的微小汞珠上撒上硫粉,使其合成毒性较小的硫化汞,减少环境损害等。
2.4将节约意识与绿色化学观念相结合建设节约型社会是赢得国际竞争优势的重要战略之一,作为未来化工行业的主流人才,我们有必要在化学实验的学习过程中重视资源意识和节约意识的养成。除去精简实验项目,控制原料使用量外,也要注意水电的使用,从小处做起,才能将此观念深植于学生的头脑之中。比如在蒸馏回流等步骤中,冷凝装置一组组相连的搭建方法即可大大降低自来水的用量。
2.5科学技术的引入与完善科学技术的不断发展为实验室实现绿色低碳目标提供了技术支持和保障,在教学过程中适当引用微波技术、多媒体技术已成为实践教学的大势所趋。
(1)微波技术。微波作为一种新能源,可用于多种化学实验之中,已成为一种加速有机反应的经典技术。它具有极大提高有机反应时间,使受热体系升温均匀、控制方便、产率高和产品易于纯化等特点。如在合成肉桂酸的实验中,将苯甲醛等反应物的加热时间由回流1.5小时缩短为微波辐射条件下的20分钟,在此条件下可降低副产物产量,随之而来的分离提纯步骤减少,基本实现了“零排放”目的。据目前研究表明,利用微波技术的化学反应,可减少甚至不用溶剂,对环境污染极低。酯化反应、重排反应、偶联反应、酯交换反应及有机金属反应均可利用微波技术实现反应速度的最大化。
(2)多媒体技术。采用多媒体技术模拟实验进程是“绿色化学”理念下值得重视和使用的科学技术之一。在有机教学中,存在一些污染严重却又不得不要求学生全面掌握的实验项目,此时借助于计算机技术呈现真实完整的反应过程,可以弥补因实验条件不足带来的负面影响。学生也可学会在接受传统课堂教学的方式外,充分利用网络资源,展开全方位学习,有利于其自主性及创新意识的提高。
《机械优化设计》课程理论教学体系的建设主要包括优化课程内容、制定课程教学大纲、编写课程教案几个方面。如前所述,机械优化设计课程教学需要克服“四个脱节”。因此在课程体系研究方面主要解决实现理论基础教学和应用能力培养相结合,以及课程内容与技术发展相结合两个问题。
(1)实现理论基础教学和应用能力培养相结合针对因该课程数学基础较多导致工科学生畏难情绪大,学习热情不高等问题,在课程数学理论基础等知识点方面,侧重算法原理的讲解而非算法过程的介绍;侧重使学生掌握使用现有数学工具解决工程问题,而非自行编制算法程序求解数值问题。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来,提升到知识的应用的层次。
(2)课程内容与技术发展相结合机械设计问题已经从求解小规模单一问题发展到求解大规模复杂性问题。因此优化方法也从经典的优化方法发展到多学科设计优化、智能优化方法、基于仿真的优化等领域。因此课程内容应和技术发展相结合,适当引入先进优化方法的介绍。为学生从解决简单数值问题过渡到今后解决复杂工程问题提供知识储备。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
1.2《机械优化设计》实验课程体系的建设
《机械优化设计》实验课程体系的建设主要包括实验内容与实验项目的设置、制定实验教学大纲、编写实验指导书几个方面。实验体系建设的主要目的是使实验项目设置与工程问题相结合,实验内容与工程实践所需的综合性知识应用相适应。
(1)首先在实验项目设置时,根据“卓越计划”的要求,以培养学生的工程能力和知识的综合运用能力为目标。通过建立知识-能力-实验内容关系矩阵。将各个知识点的能力培养落实到各个实验项目环节。并且实验项目的设置突出和其他相关课程内容、工程问题相结合。避免知识点与工程应用脱节,从而达到工程技术人才的具备知识的综合运用能力的培养要求。
(2)其次在实验项目设置时,对不同类型的实验项目,优化其实验方法及其目的。主要改革体系现在以下三个方面:算法原理类实验,避免要求学生采用通用语言编写成熟优化算法的实验。而采用数值计算软件验证,并要求主要对比分析不同算法的求解过程的特点。工程问题类实验。侧重于工程优化问题数学模型的构建,如何选择合适的优化方法求解。综合类实验,和考核环节的课程project相结合,采取开放式的实验方式。侧重于培养学生对知识的综合运用能力、工程素质和合作意识。
1.3《机械优化设计》教学方法研究
教学方法有多种,不同的方法有不同的特点和其适应性。本项目研究的一个重要内容之一是拟比较几种方法的特点,将其融入到不同实验的教学过程中。
(1)对于基础理论的介绍,以板书教学为主,多媒体教学为辅。这样有利于学生理解理论基础,克服学生对数学推导的畏惧心理。
(2)对于各种算法的介绍,在简单介绍其原理的基础上,采用对比教学的方法,侧重于各种算法特点和适用性的比较。并应用结合成熟的数值计算软件,采取现场实验教学的方法进行讲解。
(3)在考核形式方面。除日常的考核和实验成绩考核以外,结合课程项目教学的方法,让学生以组为单位完成一个自选的项目(Project),并以组为单位做一个展示(Presentation)。一方面锻炼学生运用知识综合解决问题的能力,另一方面培养学生的团队协作和工程素质。
2改革特色及成效
“卓越计划”强调学生工程实践能力的培养。因此结合“卓越计划”的实施契机,在对课程建设中存在的问题进行系统深入地分析的基础上,经过不断的教学研究与实践,我校《机械优化设计》实验教学已初步形成了特色。并取得了一定的成效。主要体现在以下几个方面:
(1)在理论教学建设方面实现理论基础教学和应用能力培养相结合;课程内容与技术发展相结合。从而使学生从算法原理和理论基础中跳出来,提升到知识的应用的层次。适应“卓越计划”提出的培养学生工程能力的要求。
有机化学实验是高等学校农林各专业学生必修的一门独立基础实验课,也是有机化学教学的重要组成部分。学生在有机化学实验中形成实验习惯和思维方式的好坏,不仅影响有机化学的基本知识和实验技能的掌握,还会影响到后续实验课、课程设计乃至毕业设计。本课程对大学生化学知识和实验技能的培养有着至关重要的作用。
“有机化学实验”是有机化学中不可缺少的主体课程,在实验内容设置上,应遵循由浅入深,由简单到复杂的原则。但农林院校的“有机化学实验”是一门课时数较少的基础课程,为了解决这一矛盾,我们采用了第一课堂教学平台加第二课堂教学平台的教学模式。根据农林科和理工科各专业培养不同应用型人才的情况,我们在充分有效的利用第一课堂平台的同时也积极拓展第二课堂的教学功能,第二课堂既与第一课堂密切相关,又具有相对独立性,既解决学时不足,又达到了教学目的,同时也是素质教育中不可缺少的重要组成部分。
1 第一课堂的教学平台
第一课堂的教学平台包括3个模式,分别为:基本操作实验的教学模式,综合性实验的教学模式,设计性实验的教学模式。
1.1 基本操作实验的教学模式
根据基本操作实验是训练学生基本实验技能的特点,我们对全校农林、理工科各专业学生的学时不同(24—36学时),开设了统一的基本操作实验教学模式(即公共平台),在这个教学模式中,以农林科和理工科各专业有机化学实验教学大纲要求为基础,将实验分为不同类别,每一类别有2个以上不同的可选项目。教师可根据各专业的特点进行选择,学生也可根据自己的专业方向、创新课题、导师课题进行选做。具体实验内容见表1。
在本教学模式中,我们要求学生做实验之前必须预习实验内容,写好预习报告,做到做实验时心中有数。进入实验室后,任课教师进行检查,预习报告纳入考核范畴。在课堂教学过程中,教师根据实验内容的特点,讲解实验原理、操作要点等,缩短讲解的时间,更多的时间留给学生。这样既能给学生有更多的空间去思考,同时也有利于学生更主动的去完成实验。实验的过程中,学生遇到原理、操作疑问时,可通过学生之间的相互讨论或学生与教师之间探讨得到解决,培养了学生分析问题、解决问题的能力,实现了以学生为主,教师为辅的教学模式。
例如:分液漏斗的使用,主要用于液体的萃取和洗涤,操作流程为:首先检查漏斗是否漏水,这是关键的一步;第二漏斗的正确握法;第三漏斗的摇法;最后静置分层、分液等步骤。操作不规范会导致产品的流失,尤其是天然产物的分离,振荡不到位,会降低萃取效率。振荡过火,会产生大量的泡沫而发生乳化现象,给分离造成了极大的难度。这样既耗费了时间,也同样造成了产率的降低。
又如熔点的测定,怎样才能准确读出固体化合物的熔点。在操作中看来似乎比较简单,但实际的实验中操作不当都会出现一定的误差,如毛细管封管是否正确、样品的填装是否适量、肉眼观测是否准确以及温度计是否校正等,总之做到准确无误不那么简单,掌握的要点也较多。因此,要很好地完成基本操作实验,都离不开对实验原理和操作技能的全面理解和高度重视。
1.2 综合性实验的教学模式
综合性实验模块涵盖了有机物的合成、化合物的鉴定及结构的分析、天然产物的提取、纯化及鉴定等内容。考虑到我校大类招生的现状,针对食品科学、环境科学、农业科学、林学、植物保护、木材科学等专业的特点,我们对综合性实验采取了模块化的教学模式,具体实验内容见表2。
综合性实验模式中,实验相对复杂,所需要的学时数又较多,针对专业的特点,进行选做。
例如,食品科学类开设了八角茴香油的提取及鉴定的实验,结合本专业的特点,扩展了思路,了解挥发油的用途,以及天然产物在食品工业中应用的重要性。
又如,环境科学类在茶叶中咖啡因的提取实验中,对有机溶剂三氯甲烷的回收,则可避免对环境造成的污染,也可使溶剂循环使用,也加强了学生对环境的保护意识。
而对林学、植物保护、木材科学类开设了植物中有效成分的提取,经过了植物中化学成分提取过程的复杂性操作,使学生懂得了自然界资源的丰富多彩,另一方面也说明了人类对大自然的依赖性,从而使学生感受到人类应善待大自然,并肩负起对大自然保护的使命,开拓维护发展大自然生态平衡的创新思维,尤其是农林大学生更应具有这种责任感。
1.3 设计性实验的教学模式
设计性实验模块涵盖了基础理论知识、基本实验操作技能和综合性实验内容。设计性实验内容以及实验方案的设计和实施是考验学生能否将理论知识运用到实验中,能否熟练掌握基本操作技术和方法,以实现目标分子合成的很好的训练途径,设计性实验模块设立的目的是进一步提高学生的综合实验能力,并引起学生对化学实验的兴趣,为今后的研究工作奠定基础。实验内容见表3。
我们对设计性实验采取了课堂讲授(大班化)和课堂讨论以及实验操作(小班化)相结合的教学方式,具体的流程如下:学生根据设计性实验内容的要求,先查资料,了解实验的相关内容,写出设计方案、原理、主要的仪器及试剂、装置图、产物的理化数据、参考文献。提前一周交于任课教师审核,教师批阅后给出意见,方可进入实验室做实验。若不合格,教师签上修改意见,返回修改。这样做,教师花费很大的精力以确保实验的顺利进行。在基础实验模块和综合实验模块的基础上开设设计性实验取得了良好的教学效果。
2 第二课堂的教学平台——开放性实验的教学模式
有机化学实验是有机化学教学的重要组成部分,对巩固学生的理论知识、训练学生的动手能力、提高学生的操作技能及运用理论知识解决实际问题和科技创新的能力、培养学生实事求是的科学态度等方面起着无可替代的作用[1]。随着素质教育的逐步推行,在学校各级领导的关心、支持下,有机化学课程组的全体教师共同努力,经过不断改革与实践,形成了新的实验教学体系,在教材建设、师资培养、教学内容、教学形式与方法和考核制度等方面取得了一些成果。
1.实验教材建设得到加强
为提高有机化学实验教学质量和学生学习的兴趣,我们对实验教材进行了大胆改革,自编了一套适合本校各专业实际的有机化学实验教材。教材秉承现代教育理念,摒弃“小而全、面面俱到”的常规编法,选择了有机合成实验的基本操作,使学生在学习过基本知识、基本理论后,通过实验能够掌握有机化学实验的基本操作技能,并能应用多种实验技术和方法来探究化学反应,掌握化合物的制备、分离和结构鉴定及表征的方法;精选了涵盖近年来有机化学发展起来的有代表性的新反应、新技术、新方法等的基础性实验和综合性、设计性及创新性实验,使教材体现了学科前沿,体现了对学生工程素质和意识的训练,体现了素质教育和创新能力与实践能力的培养,有利于学生知识、能力、素质的协调发展。
2.实验教学人员专业素质得以提高
实验教学质量的保证,实验教学改革深化,对学生动手能力和创新能力的培养,需要一支爱岗敬业、实验技术水平高、结构合理的高素质的教师队伍。为适应新的教学要求,我们对实验教学人员进行了全方位的培训,采用专职和兼职相结合、一带一的教学方法,提高实验教学人员的专业素质。结合实验课内容,教师把个人的科研项目介绍给学生,让学生充分地认识到实验教学的重要性。经过建设,已经形成了一支由教授、学科带头人带队,实验教师积极参与的教学理念先进、学术水平较高、科研能力强、精于实验教学并热爱实验教学的实验教学人员队伍。
3.加强实验内容和形式的改革
有机化学的实验内容和教学形式方面的改革主要体现在以下几个方面:
3.1精选基础实验。
每学年都要根据实际情况修订各专业有机化学理论课及实验课的教学大纲,课程组教师根据大纲精选基础实验,这些实验旨在训练学生掌握实验基础理论和基本操作技能与实验方法、数据测定与记录及分析实验结果的方法。通过训练,学生都能掌握基本操作技能和技巧。
3.2精心设计增开综合性、设计性实验。
除基础实验外,学生还须选做一定数量的综合性和设计性实验,进行新实验项目的“开发”[2]。为此,我们指导学生查阅文献,提出设计方案,并由教师组织学生讨论实验方案的可行性,修改实验方案,从药品试剂的准备到实验结果的分析都要求学生独立完成。在实验中遇到的问题,教师不直接告诉学生解决方法,而是要求学生自己分析,寻找问题的答案,培养学生解决实际问题的能力,并要求学生最后写出实验小结[3]。
综合性、设计性和创造性实验项目的开设,提高了学生学习有机化学实验课的兴趣,加深了学生对所学理论知识的理解,培养了他们独立思考、综合运用、创新思维等适应科研工作的能力[4]。
3.3加大实验室开放力度,培养学生的创新能力。
开放包括两方面:一是实验时间开放,有机化学实验室面向全校学生全天开放,学生可任选指导教师和实验时间,也可网上预约实验时间,学生还可以选择多次重复实验,实验做得不满意的学生可以重新再做实验;二是实验内容开放,无论是基础实验还是综合性、设计性、创新性实验,学生都可选择,在学习中遇到的困难,学生可设计成科研方案到实验室进行实验。
3.4设立学生科研基金,吸引学生参加科研。
为激发学生参与科研的积极性,鼓励师生共同从事科研,每学期设立一定数量的学生参与的科研课题由学生申报,学生自己选择指导教师,对通过“评审”的项目,由系里提供一定的科研经费资助。学生可以从实验准备工作入手,逐步过渡到承担部分科研工作。参与或承担科研工作,可以极大地提高学生学习的兴趣,为进一步学习打下良好的基础,且学生活跃的思维也对教师的科研起到促进作用。
4.利用多媒体课件,改进实验教学方法
我们在教学中引入有机化学素材库和仿真实验软件,通过多媒体演示,帮助学生理解和掌握实验全过程,让学生从视、听等各个角度全面获取教学信息,尤其是动画演示使学生有身临其境的感觉,调动了学生学习的积极性。
5.改革实验考核办法
在多年的实验教学实践中,我们不断探索、改进学生实验考核办法,形成了一套完整的、操作性强的实验考核办法。有机化学实验成绩由平时成绩和期末成绩两部分组成,前者占总成绩的60%,期末成绩占40%。平时成绩由实验预习、实验纪律和实验态度、实验操作过程、实验报告或实验小结的成绩按一定的权重相加构成。其中,实验预习、实验纪律和实验态度各占10%;实验操作过程占50%,主要根据实验内容、实验有无改进性诉求、有无创造性发挥、独特性等来综合评定;实验报告或实验小结占20%。对于基础实验,要求学生写出规范的实验报告,而对于综合性、设计性和创新性实验,要求学生写出实验小结,以培养学生的科技写作能力。期末成绩包括理论考试成绩和操作考试成绩,各占50%,理论考试在学期结束前统一进行;操作考试则由教师根据实验教学内容,选配操作组合,并制成卡片,由学生随机抽取,教师根据题目按照实验原理、操作过程的注意事项及实验中常见的现象等提出问题,学生口答或笔试后再进行操作,根据学生回答问题的准确性、操作的规范性、结果的准确度综合给予评分。
结束语
通过对有机实验课程的教材建设、师资培训、教学内容、教学形式、教学方法、考核办法和教学管理等领域的改革与实践,一个以学生为主体,重在培养学生创造性思维、开发学生创造力的“研究性教学”模式已经构建并实践。这种教学模式在有机化学实验教学中引入学科前沿知识和教师自身的科研工作,将实验内容改为以“三性”实验,即综合性、设计性和创新性实验为主,基础实验为辅的研究型教学模式,启迪了学生的创新思维,激励了学生的创新行动,培养了学生实事求是的科学态度,提高了学生观察、分析、思考、解决问题的能力。经过几年的改革与实践,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]兰州大学,复旦大学.有机化学实验[M].北京:高等教育出版社,1994.
2改革实验教学,探索层次递进的开放性实验教学模式
有机化学实验包括基本操作技能、分离纯化、有机合成、结构检测训练几大块,结合课堂实验教学、课外项目实验、科技创新等形式,逐渐形成了基础认知、综合设计、研究创新三个层次的实验教学体系[5]。基础性实验就是传统的课程实验,训练基本操作技术和技能;综合设计性实验是学生综合运用所学理论知识进行设计开发实验,培养学生的综合素质和创新能力,使学生初步具有分析问题和解决问题的能力;研究创新性实验是在提出实验项目后,由学生根据已有知识和实验条件进行实验方案设计,指导教师审查通过后,在教师的协助和指导下完成。根据我校的情况,基础实验采取全面预约开放形式;综合设计实验由课程小组共同确定实验项目,提出目的要求,以学生为主体、教师为主导完成实验,教师及时检查实验记录,并适当进行学生实验心得交流;研究创新实验可以由指导教师结合自身科研课题、企业项目或结合课程建设等提出具体探究性实验,或有学生与实际生活结合提出的趣味性题目,采用项目教学法[6]完成该层次实验,该层次实验通过项目立项管理,学生作为实验项目的第一责任人,充分调动了学生的主动性,又能培养学生的管理意识、责任意识和团队协作精神,通过文献查阅、方案设计、实验操作、应对突发事件、实验总结、交流讨论等实践活动,训练了学生各方面的综合素质。总结近期开放性实验教学已取得的经验,未来开放性实验教学的改革发展趋势将集中体现在以下几方面:(1)实验教学体系的构建与完善。根据学生的专业培养要求、知识结构、学校办学特色和实验条件,以及实验的难易程度等分级分层次组织实验教学,及时修订并完善实验实践教学计划和教学大纲,从实验教学整体出发,明确实验课程的任务和目标,调整实验项目和内容,构建层次递进的实验课程体系。(2)实验项目和内容不断更新。为了开放性实验进行得有声有色,首先要激发学生的实验兴趣,即要求开放性实验项目及内容能对学生产生足够的吸引力,这就要求实验项目及内容要充分体现实验室的特色和建设水平,让学生有机会接触到本学科专业发展的前沿,让学生尽可能多的学习使用常规实验接触不到的仪器设备,让学生紧跟现代科学技术的发展步伐和适应新时期的人才需求。(3)开放性实验室管理体制的完善。随着科技的进步,开放实验教学及其管理体制需要不断进行改革创新,即管理理念、管理技术手段、管理制度、管理模式的创新,充分运用计算机技术,建立与开放实验教学相适应的管理信息系统,涵盖开放实验预约、学生自主学习、仪器设备管理、实验耗材管理、实验是安全和成绩查询等。(4)质量考核和评价体系的完善。在整个实验教学过程中,不仅进行实验结果的考核,更应加重对实验过程的考核,指导教师在每次实验操作结束时及时对学生的实验思路、操作能力等方面做出定量或定性的评定。另外,开放性实验教学的质量对于培养大学生创新能力、实践能力又很重要的影响,因此,需要对开放性实验教学质量进行评价,建立科学性、系统性、可操作性的评价指标体系是很必要的。
3层次递进开放性实验教学模式的实施效果
实施层次递进开放性实验教学模式,学生预约确定实验项目,自主实验,提高了学生学习的主动性和积极性,促进了学生知识、能力、素质的协调发展。实验室开放预约一年来,实验室几乎成了学生的家,实验室全天都有学生实验,每班一半以上的学生参加了校级或省级大学生实践创新创业项目。
2主要试剂及用量范围
环已醇9.90~10.10g、浓硫酸0.20~1.00ml、浓磷酸1.00~5.00mL。均为化学纯。
3实验时间
实验室开放一周。
4实验方法
在干燥的圆底烧瓶中加入沸石和一定量的环已醇、浓硫酸或浓磷酸或硫-磷混酸,摇匀,按文献[1]进行实验,记录反应时间、反应体系的炭化程度,计算转化率。产品测完红外光谱和折光率后回收。
5结果与讨论
(1)因环已醇黏度大,不能准确量取,可用称量法称取,并将用量控制在9.90~10.10g。
(2)因每位同学实验时的加热速度及环已烯精制过程中的损失量有所差别,使得实验参数相同的同学,其脱水反应的反应时间及环已醇的转化率也略有差别。所以,由实验得到的脱水剂的最佳用量是一个范围值。
(3)连续三年共274名学生的实验结果表明:环已醇用量为9.90~10.10g,浓硫酸作脱水剂,用量为0.8~0.9mL时,转化率最高为50%~55%,反应时间在29~36min之间,反应后期炭化现象严重;浓磷酸作脱水剂,用量为4.0~5mL时,转化率最高为46~52%,反应时间在80~95min之间,炭化现象轻微;硫-磷混酸作脱水,浓硫酸用量0.6mL、浓磷酸用量3.0~4.0mL时,转化率最高为62%~66%,反应时间在36~45min之间,炭化现象较轻。因此,用硫-磷混酸作脱水剂,转化率更高、反应时间短、炭化现象轻微,实验效果好。
6教学效果
(1)本实验是在化学工程与工艺专业二年级学生的第一学期末进行,学生已修完无机化学和分析化学,且有一定的有机化学实验基础,能独立完成本实验。
2有机化学实验的教学实践内容改革的举措
鉴于以上存在的问题我主要从授课方式、教学内容和实验报告的撰写等方面对有机化学实验进行研究。
2.1授课方式的探索首先,在上课程之前,批改学生的预习报告,知道学生预习实验的认真程度,老师在讲课的时候可以进行补充,如果是学生预习知道的东西可以简略的带过,对学生没有预习到的知识进行补充,并提出在实验的时候可能出现的问题抽学生回答;也可以让学生和教师相互交换角色,让这“教师”讲解该实验,最后教师再针对该学生的不足加以点评。在此过程中教师要鼓励学生积极发言、各抒己见,对有创意的学生要给予热情、肯定和赞扬。这样既激发了学生的学习积极性和对实验课程的热情,使学生做到上实验课之前积极配合教师完成安排的工作。在每次课的结尾时,向学生宣布下一次实验。其次,在实验准备的全过程中让全班学生分组参与,在教师引导下,学生可按照实验要求来对实验仪器的选择和所用试剂的配制等。同时,给一个题目,让学生自己去查找资料,进行实验的设计,自己根据所找资料写出实验方案,实验药品,并在老师的指导下对实验方案可行性的判断,得到老师的批准后,让学生自行实验准备,这样有助于提升学生对实验设计、实验操作技能以及对整个实验内容的整体把握都是非常有效的。但是这对生物科学专业化学基础知识较差的学生来说难度较大,对化学基础知识较好的学生对实验的积极性和创新能力都将得到很大的提高。对于大一的学生来说,主要是对基础实验技能的操作实践和设计实验原理的初步理解,比如熟悉提纯的原理及操作、简单的制备等,从而对化学实验有了基本的认识,并能够掌握比较基本的化学实验理论,对学习以后的课程打下基础。
2.2优化实验教学内容因传统教学主要是基础实验和验证性质实验,本文主要将基础有机实验与有机设计实验以及综合实验融合在一起,以增强学生的创新能力,提高学生的学习兴趣,培养学生的创新意识。首先,让学生拥有扎实的基础知识,开设大量的基本实验来规范学生的操作技能,减少验证性实验的个数来为后续的实验做铺垫,比如重结晶的操作实验,可以让学生做苯甲酸、乙酰苯胺以及萘等来巩固此操作。其次,多开设与生物科学专业相关的综合性实验。因综合性实验难度比验证性实验要大,对学生来说具有挑战性。比如从茶叶中提取咖啡因,可以有两种方法,一种方法时间短,设备简单,但是效果不好;另一种方法用索氏提取器做,所需时间久,装置也比较麻烦,效果明显。还有葡萄糖酸钙制备、从槐花米中提取芦丁等,这些实验都与生物相关,能够增强学生的兴趣和提高学生的动手能力。
2.3实验报告的撰写实验报告采用科技论文的格式,包括中英文摘要、引言、仪器与试剂、实验方法、实验结果与讨论、结论、参考文献等[4]。这样写的好处是有利于对学生以后的科研打下基础,知道论文的写法,也为写毕业论文打下一定的基础。
3实验考核体系的完善
传统的实验考核体系是以实验报告为主,不注重学生的具体操作过程,因为预习、操作、报告以及期末考查等贯穿实验的整个过程。传统的体系导致学生只注重实验报告,不注重过程,而使很多基本的操作技能都出现错误。最终不能够地对学生进行公平的评价、更不能够激发学生的学习兴趣,也不利于培养学生的创新意识及创新能力。实验教学的特点是以学生为中心,使学生的主观能动性得到充分地发挥,与此同时也要求教师一定要具备高度的责任意识,将不同教学项目的实验设计其具有不同的功能,并实现各个教学环节上的松紧适度。此外,为提升实验教学效果,教师应该在实验课的不同环节,充分扮演自己的角色定位,在宽松、和谐的氛围中有序、高效地进行实验。通过对有机化学实验的教学内容、教学方式和评价体系的进行改革,既调动了学生的学习积极性,增强了学生观察、分析及解决问题的能力,又准确地考核了学生的综合素质,收到了良好的教学效果。
2根据专业特色和人才培养需要,重组四大化学实验教学内容
《基础化学实验》以实验操作训练、实验方法与技能训练为主,强调综合思维能力和创新能力的培养。基础性实验主要是训练基础化学实验的基本操作和技术,包括实验操作技能、物质的分离方法、物质的制备方法、物质性质与化学鉴定方法、物质定量分析方法、物性常数的测定方法,各种无机物、有机物制备、分离、提纯,基本物理量的测量、基本实验仪器的使用和基本测量方法与误差分析等。综合性实验涉及到四大化学知识和实验技术的综合应用,培养学生综合思维能力。根据专业特点,选择特定物质作为实验目标,全面训练学生掌握物质制备、分离与提纯、组成与含量测定的方法及操作技能,例如贝诺酯的制备、8-羟基喹啉的合成。贝诺酯是一种消炎镇痛药,以阿司匹林和扑热息痛作为原料进行Schotten-Baumann反应合成得到,该实验涉及基础有机化学理论、分离提纯技术、酰基化反应原理等理论和技能的综合使用。8-羟基喹啉是一种合成卤化喹啉类抗阿米巴药物的中间体,以邻氨基苯酚和甘油作原料进行Skraup反应合成得到,该实验综合使用了水蒸气蒸馏、重结晶、基础有机化学等理论和技能。培养学生应用化学知识和实验技能解决专业实际问题的能力以及进行简单科学研究的能力,进一步提高学生对专业的认识和兴趣。以第二课堂、大学生创新训练基地为依托,组织围绕合成工艺、天然活性成分提取工艺等具有专业特色的实验课题,以项目研究方式进行实验。学生在教师指导下,在自行调研的基础上选择课题,写出调研报告、实验方案,最后完成课题,从而培养学生的综合思维和创造能力。例如茶多酚提取及抗氧化作用的研究,让学生根据已经掌握的理论知识和实验技能,设计茶多酚的提取工艺、茶多酚含量的测定方法以及茶多酚清除超氧阴离子的方法。教师对学生设计的实验方案进行可行性分析,并对其中需要注意的事项进行指导调整。学生进一步完善实验方案后,再独立完成实验。
3根据教学体系和教学内容的重构,编写基础化学实验教材
在编写教材的内容上把传统四大基础化学实验按照知识体系与教学顺序整合为一体,涵盖实验化学的基本知识和技能、基础实验、综合实验和研究与设计实验,在基础实验内容的组合上按照研究物质或药物的实际程序进行编排。加深学生对实验实际应用价值的理解,使学生在完成系统的基础训练后能有计划地开展综合实验和设计实验,初步满足培养应用型人才的需要,提高学生解决实际问题的能力和素质。
4建设具有一定规模的基础化学实践教学基地
建设“一站五区”校内实践教学基地,可满足药学、制药工程、药物制剂、给排水工程、环境工程、安全工程等相关专业基础化学实验教学需求。“一站五区”校内实践教学基地是指通过“一站”,即卓越工程师培养站,培养站中“五区”,即基础实验实训区、综合实验实训区、创新与开发实验实训区、中试实验实训区及生产实习实训区,全面开展已有的基础性、综合性、设计与开发实验实训项目,并增加实际生产过程中实验实训环节和创新与开发实验训练项目,围绕复杂的、来自真实情境的工程项目或工业产品的设计生产过程精心设计任务,以强化学生工程实践能力、工程设计能力与创新能力。同时,积极拓展培养应用型技术人才的校外实习基地。
5改革基础化学实验考核办法,重视实践能力考核
基于基础化学实验课程体系、课程内容的改革,进一步规范基础化学实验课程考核的科学性,使考核更加科学、全面、合理。基础化学实验成绩评定采取综合评分办法,由平时预习、实验操作、实验报告和综合实践考核4部分相结合,按照平时预习占10%,实验操作占40%,实验报告占10%,综合实践占40%的比例。其中,综合实践是按照项目方式进行的综合性实验考试,能比较全面地考察学生创新能力和科学探究水平。新考核方式的实施,有利于客观真实地反映学生知识水平,有利于学生创新能力的发挥。