有机化学实验教学对科研素养...的研究性实验与创新能力培养_赵卫光.pdf

32 Univ.Chem.2023,38(2),3237 收稿：2022-05-08；录用：2022-06-16；网络发表：2022-07-07*通讯作者，Emails:(关英);(赵卫光)基金资助：南开大学2020年和2022年本科教育教学改革一流课程建设项目(NKJG2020115,NKJG2022028)教学研究与改革 doi:10.3866/PKU.DXHX202205024 有机化学实验教学对科研素养的培养有机化学实验教学对科研素养的培养 目标导向的研究性实验与创新能力培养 赵卫光*，关英*南开大学化学学院，天津 300071 摘要：摘要：针对本科生科研素养的培养，我们在本科有机化学实验教学中开展了一系列教学探索。本文总结了目标导向的研究性实验教学活动，通过方案设计、实施和总结三阶段的教学过程设计，让学生在实验教学过程中体验到科学研究的全过程，培养了基本的科研能力，取得了良好的教学效果。关键词：关键词：本科教学；研究性实验；科研素养；创新能力 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Teaching of Organic Chemistry Laboratory for Improving Scientific Literacy:Research-Type Experiment and Innovation Ability Weiguang Zhao*,Ying Guan*College of Chemistry,Nankai University,Tianjin 300071,China.Abstract:A series of teaching exploration is carried out in organic chemistry laboratory to improve scientific literacy of undergraduate students.This article details our efforts in designing teaching activities on research-type experiment to introduce students to the scientific process and impart basic research ability through program design,implementation and summarization.Key Words:Undergraduate teaching;Research-type experiment;Scientific literacy;Innovation ability 国家中长期教育改革和发展规划纲要(20102020年)中指出，高等教育的“重点是面向全体学生、促进学生全面发展，着力提高学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实际能力”。华东师范大学校长钱旭红院士在该校第二十六届本科教学与教学管理研讨会上指出：“硏究型教育教学应该做教育硏究、教学硏究，特别是高水平的教育硏究，学科的教育硏究，而不仅仅是科学研究1。”在本科学习期间开展研究性实验是培养学生创新能力和解决问题能力的重要方式2,3，目前已经有一些学校在实验课中引入了一些研究性内容47。然而由于本科教学的特殊性，研究性实验和创新能力的培养很难面向全体学生。笔者在本文中就如何面向全体学生，在不改变教学大纲的情况下，在本科有机化学实验教学中开展研究性实验的体验课程，让学生初步了解研究性实验的基本思路和过程，并培养创新能力的问题进行探讨。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205024 331 目标导向的研究性实验教学设计目标导向的研究性实验教学设计 创新能力的培养不是一蹴而就的，首先需要对学生逐步进行科研基本能力的培养。我们在前文中已经介绍了线上教学期间，如何利用家中实验室提升学生的化学兴趣和培养化学思维8，通过思想实验和翻转课堂的方式，培养学生基本的化学科研能力，实现了学生从“听你讲我做”到“我想说自己做”的初步转变9。在教学实践中，我们还将唯物辩证法思想与思想实验相结合10，对学生学习化学实验的兴趣、文献检索归纳、文献阅读、化学软件使用、PPT制作和专业表达、分析和解决问题、团队合作等基本科研能力进行了培养9,10。然而学生学到的依然是零散的基本能力，如何将这些基本能力学以致用，将科学素养融化进学生的血液里，如何在不打破已有教学体系的情况下，让学生体验相对完整的科学研究过程，开始熟悉和理解科研过程，把所学知识融会贯通？这是我们在教学设计中一直关注并思考的问题。目标导向的研究性实验可能是个很好的切入点。这里的目标导向是指选定某个教学实验，给学生设定一个具体的研究目标，以这个目标为导向让学生自行设计实验。南开大学化学专业的有机化学实验面向大学二年级本科生，包含有机化学实验2-1和2-2课程，分两个学期学习。第一学期主要是基本操作的学习，第二学期主要是连续合成实验，加深对基础操作的理解。因此在第二学期开始时，开始准备研究性实验的体验课程是一个比较理想的时机，我们选择了有机化学实验2-2中的第12次实验“苯甲酸乙酯的合成”作为研究性实验的体验课程。对于前30%左右的学生来说，学习主动性强并有相对独立的见解，我们充分发挥学生的主观能动性，尽可能提供其所需要的实验条件，同学生一起自由讨论，让学生自由发挥，释放天性。对于中间40%左右的学生，有学习的动力，囿于经验或创新性不足，我们注重对学生的研究方法、思维方式和逻辑性的培养，提高学生的创新能力；对于后30%左右的学生，学习兴趣不高或没有从事科学研究的打算，我们主要是调动学生的积极性，让学生能够按照要求完成任务，体验科研过程，熟悉研究方法和流程，期望学生能在今后的工作中将这些技能学以致用。在第二学期伊始，我们将全班按照每56人一组，自由组合，分作不同的团队。每个团队需要针对苯甲酸乙酯的合成查阅文献、通过团队讨论设计实验方案，并分配实验任务。在实验实施前4周，每周在实验开始前抽出半小时时间，或利用实验中合成阶段的等候时间(如加热回流期间)，各团队根据课下的学习情况用PPT向全班汇报各自的实验方案，每周2个团队，每个团队的方案讨论两次。课下学生还可以通过微信群与教师进行讨论，不断调整实验方案，最后在教师的指导下制定切实可行的实施方案。然后，各团队按照最终确定的实施方案内容分别进行实验，共享实验结果。实验结束后，要求每个人独立分析和总结数据，并按照有机化学杂志的投稿要求撰写研究论文。研究论文、可行性报告和设计方案一起作为期末考试成绩的评定依据。我们已经在2018级和2019级学生中开展了研究性实验的教学探索，其中2018级受新冠肺炎疫情的影响仅提交了可行性报告和进行了方案论证。2 目标导向的研究性实验教学过程实例目标导向的研究性实验教学过程实例 按照科学研究的基本规律，我们将研究性实验教学过程分作三个阶段，分别是方案设计、实施和总结阶段。教学设计示意图见图1。2.1 方案的设计方案的设计 在方案设计阶段，我们要求学生提交的方案必须包含研究进展综述、设计思路、实验方案设计和可行性分析。下面我们结合学生的PPT和课堂讨论具体分析。2.1.1 研究进展综述研究进展综述 撰写研究进展综述是科学研究的第一步，只有全面了解前人的工作，才能确定正确、合理的研究方向和研究目标，同时避免重复性的工作。在教学中为了帮助学生们理解，我们要求学生从苯甲酸乙酯的性质、用途和安全性以及合成方法等方面进行总结。34 大 学 化 学 Vol.38 图图1 研究性实验教学设计示意图研究性实验教学设计示意图 图2摘自不同小组的总结PPT，限于篇幅，PPT中仅展示了部分内容，但已经可以看出学生对苯甲酸乙酯的合成具备了初步的文献查阅和综述能力。大部分同学也注意到了文献的引用，但却没有采用惯常的文献同页引用方式，如图2中没有同页引用文献；有的文献引用格式也不符合要求，我们在讨论时逐一进行了订正，使之符合惯例。此外，在PPT制作和讲演过程中存在的问题，我们也按照学术报告的要求进行了细致的辅导。图图2 不同小组的研究进展不同小组的研究进展PPT 2.1.2 设计思路和实施方案设计设计思路和实施方案设计 经过四周的讨论，每个团队都在文献综述的基础上，提出了自己独特的设计思路和和实施方案。图3是部分学生给出的设计思路和实施方案，虽然略显稚嫩，但整体思路清晰，逻辑性较强。图图3 学生的研究思路和实验方案展示学生的研究思路和实验方案展示 No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205024 352018级和2019级学生中都有小组提出了对实验装置进行改进的方案，巧合的是两届学生都采用了无水硫酸铜作为吸水剂，只是装填硫酸铜的装置分别是恒压滴液漏斗或索氏提取器，代替实验教材中的分水器进行实验，见图4。在课上讨论中，我们通过提问的方式，与学生一起进行思想实验，是否有更好的仪器或脱水剂替代？2018级的学生立即想到索氏提取器，我们和2018级和2019级两届学生分析了索氏提取器在该实验中的优势和不足，优势是吸附时间较长，而且吸水剂不容易泄露到反应瓶，不足是需要的溶剂量较大。同时，我们拓展了干燥剂的相关知识，分析了几种干燥剂的优缺点、使用和回收方法。比如氧化钙、分子筛等。如分子筛具备价格便宜、吸水量大、干燥速度快、干燥能力强、可以再生等优点，不同型号的分子筛还可以吸附不同大小的分子，并介绍分子筛作为催化剂的载体的应用实例。图图4 学生关于实验装置的改进学生关于实验装置的改进PPT 2.1.3 可行性分析和实施方案可行性分析和实施方案 可行性分析是科学研究中重要的一环，也是撰写项目申请书的必备技能。在教学中，我们引导学生从方案可行性、安全性、成本和环保等方面进行分析。有的小组给出了相对完整的可行性分析，对试剂成本、环保、不同催化剂的催化机理、产率和产物纯度分析以及是否适用于实验教学都进行了分析，并给出了初步结论，见图5a，5b。对于化学学科而言，成本分析和环保分析在化学研究中越来越重要。尽管学生受限于视野和常识积累，导致有的分析有失偏颇，但是发现问题、分析问题才是创新的开始，也是我们大学实验课程教育的主要目的。图5c是2018级姜同学的可行性报告目录，可以看出报告内容严谨，条理清晰。经过四周的讨论，每个团队都在文献综述的基础上，提出了自己独特的设计思路和和实施方案。任何实验的设计都要有明确的目的、可执行的操作步骤、可预期的结果和可衡量的标准，否则就是无效的工作。由于经验的缺乏，学生在实验方案的设计时，或多或少都出现了一些问题。比如由于课上时间有限，学生考虑设定同样的时间考察催化剂的效果，但不清楚如何比较催化剂的优劣。通过引导式提问，大部分学生都可以意识到第一学期用的薄层色谱法和气相色谱法可以监测反应的进程，同时结合收率就可以初步比较催化剂的优劣。更进一步地，告诉学生有机合成实验必须随时进行反应监测，判断反应是否发生、有无副产物或中间体生成以及什么时间反应完成，做到心中有数。在课堂上的研究性实验，由于每个人的水平差异，收率其实没有可比性，主要是在实验报告中合理分析现象、结果及可能的原因，体验科学研究的基本方法。为了增强学生们的参与感，我们还设计了实验方案论证教学环节，以寻找天使投资人的心态，说服老师投资，购置教材外的试剂和玻璃仪器来支持他们完成研究计划和实验方案。2.2 实验方案实施实验方案实施 受疫情影响，2018级未能进行方案实施，2019级完成了全部的实验数据采集。尽管学生的动手能力强弱不同，存在个体差异，但由于实验方案中每个人的实验步骤不同，实验结果全组共享，因而每个人的实验成败关乎小组所有人的最终结果，迫使每个人都尽力做到最好。学生们在实施过程36 大 学 化 学 Vol.38中充分体现了高度的责任感和小组内的协调配合，也进一步锻炼了团队合作与协同作战的能力。面对个别同学的实验失败，我们还引导学生对实验数据进行取舍和深度分析，以及如何设计后续实验进行验证等，帮助学生认识和理解科研过程中的失利。2.3 研究论文撰写研究论文撰写 总结实验数据，撰写研究论文也是科学研究的必备技能。在教学过程中，我们要求学生参照 有机化学的论文要求，整理实验结果并撰写研究论文。在撰写研究论文的过程中，学生了解了专业期刊的格式要求、写作规范等。图6为2019级郭同学的研究论文展示。从郭同学的作业中可以看到学生对学术论文形式的理解、对实验工作的分析和总结、对数据的整理都有了很大的提高。当共享数据无法给出可信的分析结果时，也能对产生的原因进行深入分析和总结，并对实验提出改进建议等。2.4 成绩评定及反馈成绩评定及反馈 由于对教材实验有所改进，显然我们不能以收率作为成绩评定的唯一影响因素。因此，我们按照学生的实际能力进行评价，并作为期末考试成绩。评价主要以论文为主，参考学生的实验过程和前期的可行性报告和制定的方案。其中团队方案设计占30%；小组成员分工合作进行方案实施占30%；小组数据共享，个人独立撰写研究论文占40%，满分为100分。受疫情影响，2018级调整为团队设计方案占40%，独立撰写可行性报告占60%。对于论文，我们也按照刊物通讯评审的方式进行了审阅，对每篇论文进行了认真的审阅和修改，并给出了评审意见反馈给每个学生，受到了学生的肯定和好评。3 结语结语 开展研究性实验的过程中，学生和教师都付出了大量的劳动，课下的准备工作量远远超过了课上，但付出是值得的，在一起学习的过程中，师生都在成长。“是故学然后知不足，教然后知困。知不足然后能自反也，知困然后能自强也。故曰教学相长也。”2018级学生在线上课程中，姜、赵两位同学对绿色蔬菜烹饪过程中褪绿的科学原理产生了兴趣，图图5 学生们的可行性分析展示学生们的可行性分析展示(a)环保分析；(b)用于实验教学的可行性；(c)可行性报告目录示例 No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202205024 37在教师的指导下，学生在家中自行设计实验，用照相比色法判断褪绿程度，对网上流传的防止蔬菜褪绿的方法进行了验证，并给出了科学的结论，撰写并根据审稿意见修改了论文，成功在大学化学杂志上发表11。这很好地说明了学生已经初步掌握了科学研究的方法，为他们今后的科学研究打下了很好的基础，这也是对我们教学探索的一种肯定。在期末调查问卷中，不论是2018级还是2019级，都有91%的学生赞同思想实验、翻转课堂和研究性实验相结合的教学方式。尤其2018级同学在最后一堂线上课结束时，久久不愿下课，直到约好返校后，即便不上课也要相聚一次，学生们才依依不舍地离开了空中教室。这让我们深受感动，也是我们长期坚持教学改革的源动力。致谢：致谢：感谢南开大学化学学院2018级和2019级姜雅茹、郭佳磊、张晨曦、朱俊华、田园、王泽溶、赵亮、赵桐、王澳然、吴楚维、许家祺、许琳、张志远、罗一诚、孙太康、张凡、李向阳、董世宸、韩帅龙、彭荌、任汉杰、田朋晏、程馨月、毛淑扬、王天晨、龙江爱、王晓静、杨光、蔡佳君、郑洪琛、徐子宁、吴桐、王涌、宋亚澎、包巍、宋逸华、潘夏凯、马思齐、杜宇轩、于志超等同学的积极参与和提供的课件图片。参参 考考 文文 献献 1 钱旭红.华东师范大学校刊,2019-10-22(专版).2022-07-06.http:/ 2 张树永,朱亚先,张剑荣.大学化学,2018,33(10),1.3 张树永,张剑荣,陈六平.大学化学,2016,31(9),1.4 李厚金,陈六平.大学化学,2018,33(10),13.5 兰泉,郑媛,查正根,刘艳芝,刘晓红.化学教育,2020,41(4),41.6 樊玲玲,李永,王颖,范菊娣,谢珺,张珏,王建塔.化学教育,2019,40(22),32.7 杨彩玲,饶红红,张鸣,张丽.教育教学论坛,2015,No.48,272.8 赵卫光,关英.大学化学,2020,35(5),256.9 赵卫光,关英.大学化学,2021,36(4),2005076.10 赵卫光,关英.化学教育,2021,42(18),125.11 姜雅茹,赵亮,赵卫光,关英.大学化学,2020,35(11),195.图图6 学生的研究论文示例学生的研究论文示例