工程特色的有機化學(xué)實驗教學(xué)改革

陳世清

(武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

有機化學(xué)實驗作為化工類本科的一門技術(shù)基礎(chǔ)課,多年來其教學(xué)基本沿用理科模式。課程的重點是基本操作技能(要有一定的重復(fù)訓(xùn)練次數(shù))以及基本的有機物合成方法(涉及的反應(yīng)類型不得少于5個)[1]。多年來對工科基礎(chǔ)實驗課已有許多改革的構(gòu)思與舉措，其中特別強調(diào)了化工類化學(xué)系列課程要充分體現(xiàn)工科特色和工程意識[2-3]。我國已故橋梁專家茅以升先生曾經(jīng)這樣定義工程的含義：“所謂工程，就是物理學(xué)揭示的普遍原理加專業(yè)局部技術(shù)”。可見工程主要是對業(yè)已成熟的科學(xué)原理的具體應(yīng)用與實踐，而這種技術(shù)性的應(yīng)用與實踐必然涉及多學(xué)科而非單一學(xué)科，因此“應(yīng)用性、實踐性、綜合性”是工程的基本特征。就有機化學(xué)實驗這門課程而言，如果說化學(xué)專業(yè)的學(xué)生在本課程教學(xué)中更注重有機化學(xué)的研究方法、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系以及對某一化合物新的合成方法，那么化工類專業(yè)的學(xué)生則應(yīng)更多關(guān)注實現(xiàn)某一合成反應(yīng)的最佳工藝條件以及產(chǎn)品合成(或開發(fā))可能涉及的諸多影響因素(包括成本、節(jié)能、環(huán)保等問題)。換言之，化工類專業(yè)的學(xué)生不是“做化學(xué)”而是“用化學(xué)”的(實際上就一個產(chǎn)品的制備過程而言，所涉及的也決不僅僅只是化學(xué)學(xué)科)。因此化工類專業(yè)的基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程應(yīng)該充分體現(xiàn)工科特色和工程意識。然而“脫胎”于理科的工科有機化學(xué)實驗課程以及同樣來自理科的且多年來已習(xí)慣于理科教學(xué)模式的教學(xué)人員往往使得化工類基礎(chǔ)化學(xué)實驗的教學(xué)基本停留在理科教學(xué)模式上，忽視了課程應(yīng)有的工科特色和工程意識。工程化視野下的教育及教學(xué)應(yīng)將強化工程意識、培養(yǎng)工程能力貫穿于學(xué)校教育及教學(xué)的全過程。那么作為一門工科基礎(chǔ)實驗課，應(yīng)該如何圍繞工程意識、工程能力做文章，努力形成具有工科特色的教學(xué)模式，仍然是一個需要不斷探索與完善的問題。

1 對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的分析

無論是化學(xué)類還是化工類專業(yè)的學(xué)生，都需要基本的化學(xué)素養(yǎng)。從這個意義上說，基礎(chǔ)化學(xué)實驗課的傳統(tǒng)教學(xué)模式有其合理性。然而對于化工類專業(yè)的學(xué)生來說，在有限的學(xué)時數(shù)內(nèi)過于強調(diào)基本操作重復(fù)訓(xùn)練次數(shù)及有機合成反應(yīng)類型，在一個實驗項目只能限做一次的情況下，傳統(tǒng)教學(xué)模式只能使學(xué)生停留在驗證式的訓(xùn)練水平上。學(xué)生在實驗課中往往滿足于按照書中的既定步驟完成實驗，缺乏對問題的發(fā)現(xiàn)、分析與思考。過于學(xué)科化傾向的另一個表現(xiàn)還在于對合成實驗的結(jié)果只考慮有機產(chǎn)品，忽視了對其中經(jīng)常存在的無機物或溶劑的回收，更缺乏從工程角度對整個合成實驗過程的分析與思考。實際上實驗課程相對理論課程具有更加明顯的綜合性，每一個有機合成實驗項目從反應(yīng)、分離到產(chǎn)品檢測都包含諸多工程問題，可是在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，“有機化學(xué)”的意識始終占據(jù)主導(dǎo)地位，基本不涉及工程與技術(shù)問題。這顯然不能適應(yīng)當前培養(yǎng)化工高級工程人才的需要。隨著化學(xué)學(xué)科的發(fā)展，新的反應(yīng)、新的合成方法以及新的實驗技術(shù)(如：相轉(zhuǎn)移催化、微波技術(shù)、超聲技術(shù)等)不斷涌現(xiàn)，而網(wǎng)絡(luò)時代使得信息資源的獲取更加方便(包括各種化學(xué)數(shù)據(jù)庫以及各種計算機模擬的仿真實驗)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的途徑已經(jīng)成為越來越多人的選擇。這些不可能不對傳統(tǒng)教學(xué)模式及理念形成沖擊[4]：教材中還有必要敘述那么多需要學(xué)生“記憶”的知識嗎？在實驗教學(xué)有限的學(xué)時數(shù)內(nèi)基本操作的重復(fù)訓(xùn)練次數(shù)以及不得少于5個反應(yīng)類型的要求是否可以淡化，是否應(yīng)該更加突出學(xué)習(xí)能力、工程能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)？基礎(chǔ)實驗課的“基礎(chǔ)”就不能延伸至綜合性、設(shè)計型及至研究型的實驗項目嗎？就不能更多體現(xiàn)工程意識嗎？實驗課中學(xué)生未必非得按一人一組進行實驗才能獲得最佳效果(這對于突出基本操作訓(xùn)練的驗證式實驗的確有其合理性，但是對于綜合性、設(shè)計型以及研究型的實驗項目，按兩人一組進行實驗或許更加有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作精神)。顯然，工科基礎(chǔ)化學(xué)實驗課的改革要順乎時代的發(fā)展，順乎未來化工高級工程人才培養(yǎng)的需要，敢于對傳統(tǒng)教學(xué)理念突破和更新。

2 基于工程特色的有機化學(xué)實驗課程改革

近年來對基礎(chǔ)實驗課程比較一致的改革舉措是引進綜合性、設(shè)計型及至研究型實驗項目[5]，相應(yīng)的教材也已出版[6]。然而在實際教學(xué)過程中，仍然存在一個如何在有限的學(xué)時數(shù)內(nèi)既能遵循課程的基礎(chǔ)性，又可突破驗證式教學(xué)模式的框架，更多體現(xiàn)對學(xué)生工程能力及創(chuàng)新意識培養(yǎng)的問題。筆者對此采取了以下原則與做法：

2.1 課程改革的基本構(gòu)思

保持并更好、更全面體現(xiàn)課程的基礎(chǔ)性。有機化學(xué)實驗畢竟是化工類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，因此課程改革不能違背這一基本定位。傳統(tǒng)教學(xué)模式要改革，但是許多至今仍然積極有效的教學(xué)理念與方法要保持并發(fā)揚好，比如實驗項目的安排應(yīng)該由易到難,由簡單到復(fù)雜，要體現(xiàn)循序漸進原則；基本操作、基本合成方法的訓(xùn)練仍然是課程的一個基本要求(盡管綜合性實驗的引進或許會減少合成實驗的反應(yīng)類型及某些操作的重復(fù)訓(xùn)練次數(shù))；還有培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)以及實驗的預(yù)習(xí)、記錄、討論要求等等。另一方面，實驗課教學(xué)應(yīng)該是一種全面、綜合性訓(xùn)練[7]，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的突破口[5]。換言之，它不僅要對學(xué)生進行基本實驗技能的培訓(xùn)，更要突出對學(xué)生工程能力(包括觀察能力、分析能力、應(yīng)用能力、設(shè)計制作能力等)的培養(yǎng)，其教學(xué)過程不應(yīng)局限于成熟的實驗方法、重復(fù)性的操作訓(xùn)練以及驗證型的思維模式上,而應(yīng)把基本訓(xùn)練(包括引入綜合性、設(shè)計型以及研究型的實驗項目)與強化學(xué)生工程能力及創(chuàng)新意識聯(lián)系起來,融為一體。而這些是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)，是課程改革的著力點。從這個意義上說，基礎(chǔ)實驗課中“基礎(chǔ)”的內(nèi)涵應(yīng)更加豐富、全面[4]。

2.2 課程改革的基本框架

根據(jù)上述基本構(gòu)思,將整個實驗課程按教學(xué)目標分為兩個階段。第一階段為基本實驗階段。該階段的教學(xué)目標是使學(xué)生掌握有機化學(xué)的實驗方法及最基本的操作技能,同時著力培養(yǎng)一絲不茍的實驗作風(fēng),實事求是的科學(xué)態(tài)度以及認真預(yù)習(xí)、仔細觀察與記錄的良好習(xí)慣。在基本實驗階段要采取切實措施改變“照方抓藥”式的低水平訓(xùn)練。第二階段為綜合訓(xùn)練階段。該階段的教學(xué)目標是增強學(xué)生的工程能力,包括對實驗問題的分析與討論、實驗方案的設(shè)計與改進、實驗參考文獻的查閱以及對實驗過程的合理安排、實驗技巧的合理應(yīng)用等等。在綜合訓(xùn)練階段，可引入教師的科研課題作為開發(fā)型實驗，亦可將某些常規(guī)實驗項目按開發(fā)型實驗的要求來進行。開發(fā)型實驗的具體做法是：

①實驗項目至少進行兩次，要求第二次實驗過程相對第一次要有新意。

②給學(xué)生更多的自主權(quán)，如允許并鼓勵學(xué)生對實驗提出改進設(shè)想，并且在可能的情況下通過實驗驗證自己的設(shè)想。

③引導(dǎo)學(xué)生更多地從從產(chǎn)品開發(fā)以及工程角度認識和把握有機化合物的制備(如怎樣提高產(chǎn)品的產(chǎn)率及質(zhì)量、怎樣改進操作技巧，還有成本意識、環(huán)境意識等)。

④在實驗分組上采取兩人一組做實驗(目的是增強討論與合作意識，但是實驗報告各人獨立完成)。教學(xué)中盡量選擇產(chǎn)率較高，合成方法及反應(yīng)條件可做適當改變并能讓學(xué)生通過制備實驗領(lǐng)悟產(chǎn)品開發(fā)研制的基本途徑的實驗項目，且將液體產(chǎn)品與固體產(chǎn)品的合成實驗分別相對集中,以達到強化和鞏固相同操作技能重復(fù)訓(xùn)練的效果。

2.3 課程改革中的“一票否決”教學(xué)法

本著“每一個實驗項目的教學(xué)過程都應(yīng)是一次綜合性訓(xùn)練”的想法,對學(xué)生的每次實驗都從5個方面來評價[1]：實驗預(yù)習(xí)、實驗安排與操作、實驗觀察與記錄、實驗結(jié)果與討論、實驗紀律與作風(fēng)。學(xué)生在實驗中只要有一方面達不到基本要求,該次實驗成績即為“不及格”，稱為“一票否決”教學(xué)法。顯然，實驗成績的評定應(yīng)有綜合性指標,且每項指標均為必要條件,否則就難以實現(xiàn)實驗教學(xué)應(yīng)該達到的全面、綜合性訓(xùn)練的特點[7]。如果認為只要學(xué)生做完實驗,拿出合格產(chǎn)品,就可以及格,而不究其是否注意了觀察與記錄,實驗結(jié)果有無分析見地,這顯然不利于學(xué)生整體工程能力的培養(yǎng)。當然,在具體要求上,可采取階段性漸進方式。比如,有些方面是從一開始就必須嚴格要求,不允許馬虎的,如實驗紀律、實事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng),還有實驗的預(yù)習(xí)要求等等，這些在整個教學(xué)過程中，尤其是實驗的初始階段必須緊抓不放、嚴格要求。而在基本操作、實驗合理安排、實驗觀察與記錄、實驗結(jié)果與討論等方面,則應(yīng)有一個階段性重點。如前幾次實驗著重抓好基本操作訓(xùn)練、實驗觀察與記錄。在此基礎(chǔ)上,后面的實驗就要引導(dǎo)學(xué)生更加合理安排實驗過程,提高效率,同時把著眼點更多地放在加強學(xué)生對實驗問題的分析討論上。

3 教學(xué)改革實施的效果

(1)消除了“照方抓藥”式的訓(xùn)練，有效實現(xiàn)了由“驗證式”向具有工程特色教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。由于教學(xué)中采取了“一票否決法”，基本消除了“照方抓藥”式的實驗現(xiàn)象。許多學(xué)生由不自覺到自覺,在后一階段的實驗中養(yǎng)成了認真預(yù)習(xí)、仔細觀察與記錄、深入總結(jié)與分析的習(xí)慣,并由此感受到了提高實驗技能,增強綜合工程能力的甜頭。一些同學(xué)在最后的考核實驗報告中談了自己的感受：“通過這10次的實驗,我覺得對自己的實驗動手能力、分析和解決問題的能力有了很大提高。”“本次實驗,很多同學(xué)都極少出現(xiàn)差錯,且相互之間交流經(jīng)驗、互相指點、共同提高?！薄耙粋€學(xué)期的實驗結(jié)束了,我感覺自己的動手能力有了很大提高,基本學(xué)會了如何準備實驗、查閱資料、準備預(yù)習(xí)報告、進行實驗及實驗總結(jié)等?！薄袄蠋焽乐?shù)慕虒W(xué)，使我在實驗態(tài)度和養(yǎng)成嚴謹求實作風(fēng)上有了真正的啟蒙發(fā)展?！?/p>

(2)增強了學(xué)生的工程意識,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。工程能力的本質(zhì)在于綜合與創(chuàng)新[8]。通過在實驗教學(xué)中引入開發(fā)型實驗，大大激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性。大多數(shù)同學(xué)都能結(jié)合實驗到圖書館查閱文獻資料(這在以往的實驗教學(xué)中是很少有的)。他們對每次實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果(包括自己和他人的)認真分析、整理,提出各種見解(從反應(yīng)條件到操作技巧,從如何提高分離效果到怎樣回收溶劑、降低成本、減少污染)。有的同學(xué)根據(jù)文獻資料提出新的合成方法；有的同學(xué)為了實現(xiàn)同樣加熱條件下不同攪拌速度或不同反應(yīng)物濃度的比較,設(shè)計出更實用更合理的實驗裝置；還有同學(xué)在實驗討論中分別從實驗室制備與工業(yè)生產(chǎn)角度來分析工藝條件、原料配比等對產(chǎn)品收率、成本及環(huán)境的影響。盡管這里面有這樣那樣的不成熟甚至不合理,但學(xué)生的思維已遠遠超出了教材的范疇,也超出了教師設(shè)計的框架。事實證明開發(fā)型實驗對增強學(xué)生的工程意識,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維起到了很好的作用。在實驗教學(xué)中，經(jīng)常有學(xué)生提出他們在實驗課中所遇到或者所考慮的問題。有些學(xué)生甚至表示希望再多做幾次實驗。作為一門工科基礎(chǔ)實驗課，如果能激勵更多的學(xué)生將實驗由課內(nèi)做到課外，由驗證型做成開發(fā)型，那對于培養(yǎng)工程人才將起著更大的作用[9]。

參考文獻：

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