基于科研素养和创新能力培养的有机化学实验教学改革与探索.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：基于科研素养和创新能力培养的有机化学实验教学改革与探索姜洪丽，董建，林晓辉，申世立，朱焰，庞现红（山东第一医科大学（山东省医学科学院）化学与制药工程学院，山东泰安 ）摘要：为培养学生的科研素养和创新能力，我们在乙酰水杨酸的合成实验教学中，将常规实验教学和开放实验教学相融合，构建了以常规实验基本技能训练为基础，以开放性实验综合素质培养为目的实验教学模式，并对教学效果进行评价。教学实践表明，该模式的实施在强化学生的实验技能，激发学生对科研的兴趣，加强对学生科研素养和创新能力的培养等方面收到较好的效果。关键词：科研素养；创新能力；乙酰水杨酸；常规实验；开放实验教学中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；培养富有创新精神和科研素养的综合性人才是高等教育的重要任务之一。实验教学作为培养学生实践能力有效载体，在教学体系中具有重要的地位。有机化学是学校制药工程、应用化学等专业的一门必修基础课，在大学一年级下学期开设。有机化学实验课程的教学，不仅要使学生掌握化学知识和基本操作技能，培养学生用科学方法与思维解决化学问题的能力，还要培养学生科学精神与品德。良好的实验技能、科研素养与思维模式的养成，也能为学生在大学二年级后申请大学生创新创业训练计划、参与导师的科研项目及各类学科竞赛打下良好的基础。目前有机化学实验设置主要按专业大类进行普及式教学，未体现专业的特点和实用性；常规实验教学采用非开放的管理模式，学生只能在有限的时间内完成规定的实验内容，受课时和场地的限制，学生无法对实验操作进行进一步的练习和巩固，也无法对实验过程中产生的新的设计想法进行验证；现有的实验教材都是详细罗列了实验原理、实验步骤、试剂用量 ，学生只需“照方抓药”，这种教学模式缺少给予学生更多思考和实践创新的机会 ，从而不利于学生能力的培养和整体思路的建立。因此，很多高校教育工作者采取多种措施，来加强实验课的教学质量 。年以来，课题组对制药工程、应用化学等专业的部分有机化学实验项目的教学模式和方法进行了探索与改革，在调动学生实验课的兴趣，训练逻辑思维、团队意识和动手能力，培养科研素养和创新意识方面，取得了一定的效果。实验教学改革措施选取综合性实验，遵循科研训练的基本思路，把常规实验和开放实验的教学模式相融合，在常规实验教学中开展验证实验，夯实基本操作技能，利用开放性实验对实验条件进行优化及方法改进，开展探索及设计性实验，培养学生综合素质和整体思路，构建多层次教学、课堂内的实验和课堂外学生的自主实验相辅相成的实验模式。实验准备、课堂教学及实验小结采用常规教学模式，实验探索采用开放性实验教学。制定实验考核标准，保证实验改革的顺利进行。教学效果通过学生座谈会及指导过大学生创新创业项目、学科竞赛的教师反馈进行评价。具体实施细节如图 所示。OM,OMO3?*KOEAOOO NK(/OD/*7O图 实验教学改革实施方案 年 月云南化工 第 卷第 期 ，实施过程 实验内容及条件乙酰水杨酸（阿司匹林）的制备，该实验系统完整、思维容量大，对学生有较高的能力要求，安排在有机实验课程教学的后半段。学生经过了前面几个基础实验的训练，对实验设备、实验流程比较熟悉，为实验改革奠定了基础。另外，阿司匹林作为医药史上的经典药物，制药工程、应用化学等专业的学生有必要学习药物的合成途径，了解制药化工领域的新设备和新技术，可作为个性化的实验教学。教学过程）实验准备。教师在学习平台布置任务，提供与实验相关的思政内容及拓展知识、实验视频（包括重结晶、简单过滤、减压过滤等基本操作）、设计问题、操作虚拟实验、实验测试题。这里的问题主要侧重与理论知识相关的问题，比如水杨酸与普通醇与酸酐的酰化反应，哪一个更容易？如何利用产物和副产物的溶解性的不同来提纯产物？如何检验产品的纯度？理论与实践相结合，利用理论知识解决实践问题是培养科研意识的前提。虚拟实验操作，使学生熟悉实验流程，可以更专注于实验过程的细节把控。最后学生自学，完成前测，检验预习是否充分到位。）课堂教学。教师针对关键实验操作进行现场演示，提出引导性问题，启发学生理性思考，进一步建构对实验的理解。教师问题的提出，要遵循学生思维的规律，引导学生注意观察哪些现象，为什么会出现这些现象。观察是通过实验获取知识的重要手段，通过实验训练提升观察能力，可以锻炼学生的思维能力，更有利于发现问题。分配任务，进行实验。根据实验室的容纳量，对学生进行分组，按组号分配任务，各组分工见图 。任务相同方案小组的位置尽量集中，便于实验过程中可以对比实验现象，讨论出现的问题。教师加强对实验过程中的监控、指导，要求学生规范操作，培养良好的实验习惯；督促学生如实、客观记录实验现象及实验结果，培养学生实事求是的科学态度；对实验中出现的异常现象，引导学生认真分析异常现象出现的原因并找出对策 ，作为下次实验改进的依据，通过剖析问题的根源，加强了学生对理论知识的掌握，也有利于学生形成思维探究能力，培养良好的科研态度。!FFF-F !FFF*8.F1-5 36-9 310-14315-18 31 F-9N!F3 1 NNaHCO3HCl#图 乙酰水杨酸制备任务分工图）实验小结。实验小结是学生立足于观察基础上，发现问题，对问题进行分析，是培养学生科研思维和能力的关键环节。每组同学首先对彼此的实验现象和数据进行分析比较，提出问题：制备方法一中，部分同学获得的粗产品为粘稠猪油状物，提纯后产率明显偏低，这些粘稠猪油状物是什么？加入反应试剂的时候应注意什么问题？粗产品的结晶步骤中，冰水滴加冷却的速度不同，对产率有无影响？精制方法二中，按照教材给出的 和 的使用量，精制品的产率不高，什么原因造成的？催化剂相同，反应的的温度、时间不同，粗产品的产率有无差异？催化剂不同，对粗产品的产率有无影响？是否可用别的催化剂催化这个反应？除了水浴加热方法外，还有什么方法？问题 属于实验操作问题，实验过程中尽管仪器、试剂和实验步骤相同，实验操作的细微差异会引起实验现象和产品的产率、纯度不同。确保实验操作的规范性，注意操作细节，培养学生严谨细致的科学态度。问题 是实验条件优化及方法的改进，学生只有真正理解了自己所要进行的实验，才会自动思考教材中给出的实验温度、反应物比例、反应时间是否是最佳的，是否有新的实验合成方法来完成这个实验，科学思维开始逐步形成。）实验探索。实验的优化、升级、改进作为开放实验开展。学生作为项目执行主体，自主查阅文献资料，分组制定实验方案，评估实验方案的可行性，以此培养学生文献检索能力和创新探索意识，提升学生统筹安排实验、团队协作的能力。开放实验给予学生足够的时间和空间，让学生充分的接触实验，完成实验的全过程以及对实验结果的分析和处理，锻炼学生的科研思维和科研实践能力。开放的实验设备，学生有机会使用大型仪器表征产品，增强学生的综合实践能力。常规实验的操作基础，使学生在完成实验探索的时候，错误率降低，也更加重视实验记录的书写。）实验报告。实验结束后，每组同学上传自己的开放实验记录，实验记录包括实验时间、实验药品、操作步骤、每一步的实验现象及数据、实验结果。学生通过分析归纳大家的实验数据，连同自己的实验数据，写出实验研究报告。实验研究报告是介于实验报告和毕业论文之间的一种论文模式，整理总结常规实验及开放试验的实验内容及相应的数据，撰写 年 月云南化工 第 卷第 期 ，出规范、条理清晰的研究报告，对学生创新能力和科研实践能力的培养尤为重要。制定多元化考核体系传统的实验教学往往只注重结果、不注重过程，最后教师根据实验报告的书写情况给出一个总分即可。以培养学生科研素养及创新能力为目标的实验教学模式，不仅要重视学生对理论知识及基本技能的掌握，更要增加对科研实践能力的评价。我们确立了全过程的实验考核，分三个考核项目制定评分标准（见表 ）。其中过程性考核是对常规实验的考核，学生活动表现是对开放实验的考核。实验教学改革的成效学生在整个实验过程中的积极性和主动性明显增加，学生参与实验全过程示意图见图 。表 实验教学评价指标序号考核项目考核内容分值过程性考核虚拟实验的完成情况、前测题的正确率、预习报告情况、问题回答情况 操作过程是否规范、观察记录是否完整、实验安全意识、环保意识 产品外观、产率、纯度 学生活动表现制定方案试验方案是否合理、实验准备是否充分操作实验装置安装是否正确、操作是否规范记录观察是否全面、实验记录是否规范应变能力异常现象、突发状况的应变处理合作与组内成员的沟通、组与组之间的协作实验素养实验药品是否合理取用、仪器是否归位、台面是否整洁 目标性考核研究报告的条理性和清晰性、实验结果与分析、讨论 图 学生参与实验的全过程对近两年参与实验教学改革的学生进行问卷调查，见表 。绝大多数同学对本次实验改革的认同度比较高，但如果在其他实验中也采用类似的模式时，学生的态度差别较大。表 问卷调查评价（）序号问卷调查内容很好一般没有对知识理解的程度 对实验操作能力的提高 对发现、思考、解决问题能力的提高 对创新意识的培养 表（续）序号问卷调查内容很好一般没有对科研素养的培养 与其他实验比较的收获程度 在其他实验中进行类似改革的程度 与参与大学生创新创业训练、化工技能大赛的指导教师进行交流时，他们普遍反应参与本实验教学改革的学生，其实验技能和素养明显好于其他学生。（下转第 页）年 月云南化工 第 卷第 期 ，结语基于“两性一度”标准，本文在“药物分析实验”课程教学改革探索中，建立“超星学习通”线上教学与线下课堂有机融合的混合教学模式；深入挖掘药物分析实验课中所蕴含的思政元素，构建“课前 课中 课后”全方位的思政教育；将虚拟仿真实验引入教学内容，实现优势教育资源互补；推行科产教融合助力课程金课建设。“过程 结果”、“教师 学生”相结合的教学评价方式，提升课程教学效果。此次教学改革坚持以立德树人为根本目标，确立以人为本、以学生为主体、教师为主导，价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的教育理念，提升课程的高阶性，突出课程的创新性，增加课程的挑战度，努力培养全面发展的高素质本科应用型药学人才，为建设高等教育高质量发展作出积极贡献。参考文献：教育部 教育部推出第二批国家级一流本科课程 ：曹玉嫔，潘小姣，梁洁 过程考核导向的药物分析实验考核模式改革探索 广州化工，（）：张永春，李艳，陶芙蓉，等药物分析课程教学改革的探索与实践 高教学刊，（）：于海雁，庞杰，李晓游，等 线上线下混合式“金课”的建设与实践 以“模拟电子技术”课程为例 高教学刊，（）：王磊，李新霞药物分析实验课程的思政教学理念融合设计探讨 中国医药导报，（）：许煜静，魏晓鹏，董林毅，等“虚实结合”下的药物分析综合设计性实验改革 实验科学与技术，（）：林天然，侯丽，董家新，等“三位一体”助力分析化学相关实验类课程的改革 大学化学，（）：刘荟萃，陈霞，秦艳婷，等“虚实结合”和“线上 线下”教学在“食品工程原理实验”中的应用 农产品加工，（）：收稿日期：基金项目：广州新华学院高等教育教学改革（）；广州市科技计划项目（）。作者简介：罗兰（），女，广东梅州人，硕士，副教授，主要从事药物分析教学研究。通讯作者：陈锐娥（），女，广东汕头人，博士研究生，讲师，主要从事药物分析教学研究。（上接第 页）结语科研素养和创新能力的培养是一项长期的工程。我们在有机化学实验教学中，引入一些基本科研能力的训练，将常规实验和开放性实验相融合，训练学生的文献检索能力、实验操作能力、分析归纳能力及思考问题、解决问题的能力等基。在大学初级阶段，引导学生关注自身实验技能的提高，注重科研素养和创新意识的培养，逐步形成与之相适应的智力结构，对于学生后期不管是参与学科竞赛还是参与教师的科研平台都是很有裨益的。但是在此模式的推广中，也遇到了一些困难：一是，开放性实验是在正常教学任务完成的基础上进行的，指导教师以及实验室的工作人员需投入大量的时间和精力；二是，学生的基础相对薄弱，对于异常现象、复杂问题的解决能力有欠缺、实验耗费时间较长，是部分同学抵触教学改革的主要原因。在今后的实践教学中，我们会继续探索建立与人才培养模式相适应的新的教学体系，提升学生的科研素养及创新能力。参考文献：耿会玲，逯嫒琳，于新池，等 乙酰水杨酸合成实验教学改革与探索 高等理科教育，（）：苏飞，束良勇，舒永钢，等 开放性实验在大学生创新能力培养中的作用 高教学刊，（）：廖业欣，韦伟婷，李媚，等 融合 理念和 教学模式的本科有机化学实验课程教学方案的设计探究以 乙酰水杨酸的制备 实验为例 广东化工，（）：施小宁，陈晖，戴红霞，等 基于医学生科研素养培养有机化学实验教学改革实践与思考 甘肃中医药大学学报，（）：赵卫光，关英 有机化学实验线上教学对科研素养的培养 大学化学，（）：陈震，曹晓群，姜洪丽，等 大学化学实验对学生思维能力的培养 中国现代教育装备，（）：收稿日期：基金项目：年山东省本科教学改革研究项目（）；年山东第一医科大学教育教学改革研究项目（课题编号：，）；年山东第一医科大学教育教学改革研究项目（课题编号：）。作者简介：姜洪丽（），女，山东平度人，硕士，讲师，主要从事有机化学教学及科研工作。：；董建（），女，山东济南人，博士，教授，主要从事高分子材料教学及科研工作；林晓辉（），男，山东宁阳人，硕士，副教授，主要从事有机化学教学及科研工作；申世立（），男，山东菏泽人，博士，教授，主要从事有机化学教学及科研工作；朱焰（），男，山东单县人，硕士，教授，主要从事有机化学教学及科研工作；庞现红（），女，山东郓城人，硕士，高级实验师，主要从事化学实验室教学及管理工作。