基于创新人才培养的有机化学实验教学改革

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  摘  要:有机化学实验是高校环境工程、食品科学与工程、中药学等专业的基础性实验课程,有利于培养学生的科研能力和创新能力。为提高有机化学实验的教学质量,文章分析了实验教学中存在的不足,并以学生为主体,对实验教学的教学内容、学生自身、教学方法、考核方式等方面提出一些建议,探索更科学、更有效的实验教学方式,为创新人才的培养提供经验与参考。
  关键词:创新人才;有机化学实验;教学改革
  中图分类号:G642       文献标志码:A         文章编号:2096-000X(2021)21-0122-04
  Abstract: Organic chemistry experiment is a basic lab course of the university for the major of environmental engineering, food science and engineering, traditional Chinese medicine etc., the research and creative abilities can be improved by this course. In order to increase the teaching quality of the organic chemistry experiment, the shortage of the experimental teaching was analyzed. The advices were given on the teaching contents, students themselves, teaching method and  assessment methods from the viewpoint of the students main body role, therefore provide experience and reference for the cultivation of innovative talents by exploring more scientific and more effective experimental teaching methods.
  Keywords: creative talents; organic chemistry experiment; teaching reform
  有机化学实验是一門以实验为基础的教学课程,教学目的不仅仅是使学生掌握实验的基础操作技能以及有机化合物的制备、分离、提纯等方面知识,也为了培养学生理论联系实际的实践能力,对所学知识有更深入的认识和理解,促进他们在理论知识、实践能力、综合素质方面的协同发展[1]。有机化学实验作为我院食品科学与工程、中药学及环境工程等专业的一门很重要的基础课,对后续专业课的学习起到非常重要的作用,因此,学好该门课程对于培养学生在专业实践操作过程中分析问题并解决问题的能力具有重要意义。
  一、有机化学实验教学现状
  (一)学生自身不够重视
  部分学生存在学习自觉性差,学习态度不端正的问题,对有机化学实验不够积极。实验课的课前预习做得不好,缺乏学习的主动性,只是将预习作为一种形式,对实验手册上的实验内容进行照搬照抄,对实验进行的原理、操作的流程、需要注意的事项并没有进行深入了解,从而造成了在实验操作的过程中只会使用仪器进行机械操作[2-4]。实验手册上加什么试剂学生就加什么试剂,完全模仿实验手册上的内容,不去思考加入材料或者试剂的目的和意义,忽略了实验现象的产生和思考。部分学生会因为课前预习不充分,当教师在讲解实验步骤的过程中难以理解掌握操作要点和注意事项,最终导致实验失败。
  实验最终数据及实验过程中出现问题时,学生不会通过本身的思考、同学间互相交流解决问题,而是立刻向教师询问,自身的创新实践能力难以得到提升[5-6]。最后提交的实验报告格式不规范,出现抄袭现象,数据分析并不全面,与具体的实验操作难以有效结合。另外,由于实验教学的课时并不充足,学生有机化学的基本实验操作不能得到很好的锻炼,掌握的技能十分有限,难以达到专业人才培养的要求,与学校要求的应用型创新人才的培养也存在一定差距。
  (二)实验室利用率不够
  由于实验室的环境和条件的影响,有机化学实验课只能通过分组进行。每次上课有10~15组,每组由2~3名学生组成,每次实验由小组成员分工合作完成。但是由于需要指导的学生太多,教师在学生实验过程中会存在一些纰漏,缺少有效的监管。学生的不规范操作不能得到及时纠正,间接造成学生对实验的不重视。有些小组会出现一个人做实验,其余人站在旁边看而不进行操作,动手能力不能得到锻炼。
  许多学生对做实验是很有兴趣的,对丰富多彩的化学世界也充满了向往,但是仅仅依靠课堂上的理论教学和简单的实验课程是难以满足他们的需要的。学生更希望能够在教师的指导下,进行实验研究,这样能明显认识到自己存在的不足,锻炼自身的实践能力,但在课余时间实验室并不对外开放,学生就没有了进行化学实验的条件,实验室的资源也并未有效地利用起来,在一定程度上会限制学生实践能力的发展。
  (三)教学内容和实验模式单一
  在高校开设的有机化学实验教学中主要包括理论知识的讲解及实验操作两个方面。教师会先讲解实验的原理、操作步骤及实验过程中的注意事项,而后学生会完全按照教师讲述的内容和实验课本的内容进行实验[7]。教师讲解的理论知识内容过多,会造成学生自我的思考空间太少,难以培养学生的自学能力和创新思维,降低了他们的学习兴趣;内容过少,学生不能熟悉整个实验流程和原理,达不到学习思考的目的。   当代的实验教学内容大多是基础性、常规性的实验[8],教师没有在课堂上说明的一些要点,实验手册上也会进行详细的解释,学生按照实验手册细心操作,一般不会出现太大的问题,实验结果也都较为理想,但是整个实验过程学生如果不积极思考会造成学生思维僵化,而且实验内容也相对枯燥,难以提升学生的学习兴趣。此外,缺少创新性和综合性的实验,实验模式单一,学生的创新实践能力得不到锻炼,难以培养学生思考问题、分析问题和解决问题的思维模式。
  二、有机化学实验教学改革内容
  (一)改善实验教学课程内容,调动学生学习积极性
  在高等院校非化学专业中开设的有机化学实验课程存在总学时不足的问题,一般只有24~32学时,涵盖的内容却十分广泛,一共有四大类别分别是实验室安全知识、基础操作技能实验、有机合成验证性实验和综合设计性实验,每个类别中又夹杂许多小型的实验项目,实验内容比较复杂多样。以本学院有机化学实验教学项目为例,仅基础操作实验就包含蒸馏、提取、萃取、重结晶、热过滤及柱层析等7项内容,如果对实验教学内容进行合理安排、优化组合,会使教学效率更高,对实验教学具有非常重要的意义。
  第一,提高综合性、设计性(自主创新性)实验数量,降低基础操作实验比例。综合性、设计性(自主创新性)实验是指实验内容包括课程的综合知识和相关专业知识融合的实验,可以锻炼学生的创新实践能力,将书本知识应用于实际操作中。在实验教学的初始阶段通过基础操作实验的锻炼,培养学生的动手能力,为后期的综合性、创新性实验打下良好的基础。等学生的实践能力达到一定水平,在实验教学中加入综合性较强的实验,让学生自行设计实验方案、操作流程,在教师的指导下进行相关实验,这也相当于是对学生实践创新能力的一次考验。综合性实验是存在一定挑战性的,但从一定程度上激发了学生的求知欲和自主学习的动力,综合性实验结束时,学生也能产生极大的成就感,进一步提升学习兴趣。综合性实验能够打破实验课程单一的模式,让学生认识到有机化学实验课程和专业知识的重要性,由被动学习转化为主动学习,充分调动学习的积极性,锻炼了实践能力和创新思维。
  第二,对所用教材中的实验进行深入研究,挖掘创新思路,训练学生科研思维;以乙酸乙酯的制备为例,经典教材都是利用硫酸催化回流1小时,这是学生第一次碰到实验的反应时间较长的情况(学生要等待近1个小时),学生会流露出没有耐心。利用学生的这种心理,教师可以提前引导学生利用学过的平衡移动知识或通过查找资料找到缩短时间的办法。这样既可培养学生的创新意识,又可使理论指导实践,激发学生理论学习的热情。
  (二)開放实验,培养创新能力
  实践能力是创新能力的体现方式,创新能力需要扎实的基础知识以及善于发现问题和解决问题的能力作为支撑,因此培养学生的创新能力不仅仅在于简单的课堂教学,更需要提供良好的实践平台,将理论转化为实际。学院将有机化学实验的教学拓展到实验室开放项目,学科竞赛与教师的科研项目中去,为学生提供一个实践平台。通过这一措施,鼓励学生在课余时间积极参与到实验室开放项目和学科竞赛,在实践的过程中勇于发表自己的见解和看法,有利于提高学生的综合素质。
  学科竞赛是以比赛的形式来检验学生团队对专业知识的掌握程度以及创新实践能力与实际操作的结合程度。团队要有扎实的基础知识储备,学习必要的化学处理软件加上一定的实践能力才能完成质量较好的参赛作品,在参赛的过程中,学生的创新意识和团队协作能力会得到极大的提升。学院的有机化学实验室提供给学生一个良好的实践环境,可以将自己的思路转化为实际作品,验证参赛作品的优劣,并对其进行优化升级。在这个过程中专业教师也会提供相应的指导,引导学生在正确的方向上展开思考和创新,让他们少走弯路,形成更加系统化的认识,以此培养学生的创新能力。通过学科竞赛能让学生深刻地认识到有机化学实验教学的重要性,理论知识要辅以一定的实践能力才能获得最好的效果。
  学院专业教师会提供一些子项目和开放性实验,对有机化学实验感兴趣的学生按自愿原则加入。在不影响教学的情况下开放实验室,可以是周末或者晚上,让有兴趣的学生在实验室的科研环境下进行交流讨论。在课余时间专业教师会对学生进行必要的指导,教导学生如何查阅相关的论文和材料,通过更多的学习去构建全新的知识框架,优化实验方案,改进实验操作,获取最好的解决方法。当学生有一定实践基础后,开放性实验可以以学生为主体,实验的方案可交由学生自行设计,教师负责监督和指导,充分调动学生学习的积极性和主动性,引导学生在碰到问题时进行主动思考,在进行实验的过程中,学生分析问题、解决问题和实践创新的能力得到了极大的锻炼。对一些综合素质高的学生,鼓励他们申报大学生创新实践项目,在有机化学实验室提供的科研环境下,提高科研水平。通过这些拓展实验,可以提高学生文献查阅、知识归纳总结及创新能力,同时使他们接触一些大型的仪器设备,为今后相关毕业论文及继续深造奠定基础。在指导学生过程中,教师自身的创新能力和指导能力也会得到提升,反哺教学,达到双赢。
  (三)加强实验管理与指导
  完善实验预习、实验现象和实验总结记录,强化实验的现场指导,加深实验过程的精细化管理。尝试实行实验预习内容、实验现象和实验总结分开记录。这样既能使教师掌握学生的实时学习动态,又能体现出不同阶段对学生的要求,提高学生总结和撰写科研论文的能力。预习报告要有对本实验的拓展性内容(个人思考心得或查文献所得的结论均可)。比如做合成乙酸丁酯实验时,可以要求学生总结出乙酸丁酯的合成实验与乙酸乙酯的合成实验有什么不同,根据自己的理解作出合理的解释等问题。
  (四)改进教学手段,提高教学质量
  在教学手段上,学院充分利用现代信息技术,积极采用先进的教学手段,不断扩大和普及多媒体课件、微信、QQ等新媒体的使用,结合书本知识开展多媒体教学,从多方面提高教学质量,弥补传统教学模式存在的不足。   有机化学反应复杂多样,尤其是学习分子构型构象的部分,没有一定的空间想象能力,学生很难理解和接受其中的内容。通过多媒体教学,可以将一些微观的分子反应模型用动画的形式表现出来,有机化学反应的整个过程和分子结构形态的转换一目了然,让学生直观地了解化学反应,加深对反应和书本知识的理解,以此培养学生的空间想象能力,教学效果非常好。涉及有毒有害或实验结果对环境造成污染的实验可通过虚拟仿真实验来完成,这样学生既能体验实验过程,也能有效防止由于操作不当而产生的意外情况,保证师生的人身安全。
  教师通过微信、QQ等交流平台,将有机化学试验的操作流程、注意事项、实验目的等以音频的形式提前交给学生,能够克服传统教学的局限性和单一性。通过交流平台,实现教学模式的现代化,弥补有机化学实验教学存在课时不足的问题,提高学生对有机化学实验的兴趣和效率。这种教学模式,可以让教师有更多空余时间去讲解实验的重难点和易错点,检查课前预习效果,纠正学生在实验过程中存在的操作问题,为学生答疑解惑。借助信息化的优势,学生可以充分利用网上实验操作指导及纠错视频等丰富资源进行课前预习和课后复习巩固。在实验过程中出现意料之外的反应状况,可以用手机将其拍摄下来上传到交流平台,与教师和同学共同讨论,既能够提高学生的学习效率,也能加深对实验操作的理解。
  (五)改良教学方法,践行绿色化学
  通过课程结构的优化、教学方法的改良,形成一套完整的课程体系,提高有机化学实验教学效率,践行绿色化学的理念。改变以教师讲授和示范为主,学生被动模仿的教学方法,将启发式、讨论式、问题式等方法用于实验课程教学。强化学生的课前预习,减少课堂讲解时间,采取师生互动教学。学生可以不使用单一的实验条件,在教师的指导下思考不同实验条件对反应的影响。在整个教学过程中突出教师的主导作用,以传授基本实验操作技能与实验操作训练为重点,启发学生自主进行后期的思考探索和总结。要在经典实验中培养学生的综合能力,通过实验帮助学生从高中时期的化学绝对论渐渐转变为在质疑和求是的实验精神中建立良好的科学观。
  有机化学实验和其他实验相比,使用有毒有害或者造成环境污染的试剂更多,如果反应试剂处理不规范,会造成较为严重的污染。因此,在有机化学实验开始之前,教师应教导学生要有绿色化学的理念。在课程设计方面,基础实验中减少有毒有害试剂的使用,减少常规实验的试剂使用量,这样能够节约材料,也能达到既定的教学效果。在实验中产生的废弃物不能随意倾倒于水槽中,要放置在指定的回收位置,进行分类处理。对于一些经过简单的实验操作就可以进行回收的试剂,可以由教师或者指导学生进行回收利用,这样不但能够减少污染、节约经费,还能锻炼学生的实践能力,让他们对有机化学的知识有更深刻的理解。
  (六)完善实验考核
  传统实验成绩由平时成绩和期末理论考试按30:70的比例折算,主要的标准是依据学生的实验报告内容和平时实验课的课堂表现成绩来评定,这种方法不够细致,有些学生通过抄袭他人的实验报告也能取得较为不错的成绩,不能体现出学生的真实水平。教学改革后,实验成绩由课前预习、出勤、实验操作、实验报告、课堂提问、期末考试(包括笔试与操作考试)、参与实验室开放项目、学科竞赛与教师的科研项目等部分构成(见表1),对学生进行全面考察,促进创新人才的培养。
  1. 平时成绩占总成绩的50%,主要内容包括课前预习、课堂出勤、实验操作、实验报告和课堂提问,5项内容各占10%。实验操作根据实验进行中学生操作的规范性进行评定。每次实验课结束,学生必须要完成实验结果的记录,交由任课教师进行签字,没有教师签字的实验报告视为旷课处理,也能有效减少实验报告抄袭的现象。课堂提问的内容则根据学生回答问题的准确性和互动交流的积极性评定。
  2. 期末考试分为笔试和操作考试,笔试是检测学生对有机化学操作基础知识的掌握程度以及实验原理、操作流程、实验目的和意义等问题的了解程度。操作考试是为了考察学生对实验室常规仪器的掌握程度以及实验操作的规范性,锻炼学生的实践能力,防止他们在教学实验中不进行操作,蒙混过关。
  3. 还有一个加分项,是针对那些参与到学科竞赛和教师项目的学生,以实驗的参与时间来计算,这样也能鼓励更多的学生参与到有机化学实验中来,调动他们的学习积极性。
  三、结束语
  随着社会的发展,各行各业对人才的综合能力和素质要求越来越高,其中最重要的是创新能力。创新来源于实践,因此实践是培养创新人才的必要环节,是高等学校适应时代要求的全新人才培养模式的重要手段和主要内容,也是高校创新体系的重要组成部分。通过有机化学实验的教学改革,不但能够增加学生对书本知识的理解,调动他们对实验的积极性,而且还能增强他们的实验设计思路和灵活运用知识解决实际问题的能力。本文论述的教学改革内容和措施已经落实到实际的教育教学中,学生的创新能力、实践能力、学习积极性都得到了提升,希望未来的教学改革,能够及时更新教学方式,使教学质量不断提高,培养出更多适应社会和行业发展的应用型创新人才。
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  *基金项目:绍兴市高等教育课堂教学改革课题“基于创新人才培养的有机化学实验教学改革”(编号:SXSKG2018057);绍兴市高等教育教学改革课题重点项目“‘四位一体’培养应用型创新人才模式探索与实践——以环境工程专业为例”(编号:SXSJG201812)
  作者简介:金首文(1974-),男,汉族,湖北咸宁人,博士,副教授,分院院长,研究方向:超分子与结构化学;高兴军(1982-),男,汉族,湖北孝感人,硕士,高级实验师,研究方向:分析化学。
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