大学化学, 2021, 36(7): 2010026-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202010026

 

“PBL”模式下有机化学实验的教与学

谭德新, 梁家仪, 宁明月, 王艳丽,

Teaching and Learning of Organic Chemistry Laboratory Course under "PBL" Model

Tan Dexin, Liang Jiayi, Ning Mingyue, Wang Yanli,

通讯作者: 王艳丽,Email: ylwang1998@163.com

收稿日期: 2020-10-15   接受日期: 2020-12-15  

基金资助: 岭南师范学院校级教研项目

Received: 2020-10-15   Accepted: 2020-12-15  

Fund supported: 岭南师范学院校级教研项目

Abstract

Combining the characteristics of chemistry practical teaching, this paper analyzes the problems existing in organic chemistry laboratory teaching and discusses how to apply PBL model to organic chemistry laboratory teaching. A new teaching model of "students-oriented, teacher-assisted" could be formed. At the same time, it explores the practical way of integrating course ideology and politics into organic chemistry laboratory. An emerging engineering education system with the concept of "cultivating people with morality" is formed by integrating ideological and political theories into discipline teaching. It is significant to strengthen ideological education and promote the comprehensive reformation of university organization model, discipline structure, talent training mechanism and teacher evaluation mechanism, systematically. A first-class excellent personnel training system will be built by integrating ideological and political elements into the whole process of new engineering ideas.

Keywords: PBL model ; Ideological and political education ; Organic chemistry laboratory ; Emerging engineering education ; Personnel training system

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谭德新, 梁家仪, 宁明月, 王艳丽. “PBL”模式下有机化学实验的教与学. 大学化学[J], 2021, 36(7): 2010026-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010026

Tan Dexin. Teaching and Learning of Organic Chemistry Laboratory Course under "PBL" Model. University Chemistry[J], 2021, 36(7): 2010026-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202010026

1 前言

PBL (problem-based learning)教学模式是以问题为导向,学生为主体,教师为主导,从“发现问题”“提出问题”“解决问题”的角度进行引导教学,以促进学生的积极性和主动性为主要特征的教学模式。它是一种“以学生为主体”,实施要领、设计理念以及评估和审核体系等诸要素与传统的教育模式差异明显的新型教育教学方式。这种模式主要利用学生的自主性进行学习探索和合作讨论,从而解决存在的问题并学习隐含在问题背后的综合知识,形成解决问题和自主学习的技能,养成科学创新的思维方式[1]

PBL模式优势如下:(1) 在学习上,学生是主动者与研究者,需要培养对知识的敏感度;而教师是组织者和指导者,需要激发学生对新知识的兴趣,进而利用此教学模式有效促进学生自主学习;(2)此模式以问题和兴趣为导向,核心是基于问题的学习,这种方式的学习可以提高学生的学习热情,培养学生的创新思维;(3) PBL模式强调学科综合性,在解决问题时,教师需要积累各科知识并整理,通过对学生进行引导,拓展学生的知识层面;(4)在教学过程中注意信息反馈和总结,当学生会自主思考并善于总结问题时,即表明学生自身解决问题的能力和理解能力得到了提高;(5)注重引导学生学以致用,大胆实践,将多门知识融会贯通,提高解决复杂问题的能力,以适应未来社会对人才的需求[2]

化学实验设计与实施过程中应用PBL教学模式,在激发学生学习内驱力上成效明显。以有机化学实验为例,传统有机化学实验常常是教师“灌输式”的教与学生“填鸭式”的学的过程。学生在实验前预习不充分,实验过程中只会一板一眼模仿教师的操作,缺乏自主思考和大胆实践。尤其是教师缺少课程思政教育进行改革与创新的精神,与“高素质”人才培养目标不一致。而PBL教学模式恰恰能够有效地弥补传统有机化学实验教学的不足之处。以“乙酰乙酸乙酯的制备”实验为例,实验前学生需要查阅大量文献资料,了解原料的相关物性,对Claisen酯缩合反应原理有更全面的了解及认识,同时学生也需对实验目的、操作步骤、误差分析、实验结论以及注意事项等有一定的理解,以此培养其思考能力、创新精神及科学素养,因此在有机化学实验的课堂上引入“PBL模式”进行课堂教学的同时,引入思政教育的内容以激发学生的学习积极性,培养学生的化学核心素养十分必要。

2 PBL模式下有机化学实验课程引入课程思政教育的探索

2.1 课前准备阶段

以“乙酰乙酸乙酯的制备”实验为例,在开课前,学生需自主查阅资料文献,了解实验的主要流程和实验注意事项并完成思考题。(如问题1–4)。

【问题1】原料的物理、化学性质如何?

【问题2】如何提纯产物乙酰乙酸乙酯?

【问题3】如何设计反应的装置和实验步骤?

【问题4】减压蒸馏的原理、实验注意事项是什么?如何正确安装装置?

将学习融入到复杂却有意义的问题情境中是PBL模式教学设置的关键环节。本节课的重点难点是问题1、4,学生可通过查询资料,初步认识原料的性质,减压蒸馏的装置、原理、操作和注意事项等。而教师可以从问题中有效引入思政教育元素,以问题1为例:通过学生查阅资料,了解反应原料的物理、化学性质与应用,增强学生的绿色化学理念,同时在其中特别强调实验安全理念,比如本实验中乙酰乙酸乙酯、乙酸、甲苯或二甲苯都是有毒性的,因此实验过程必须全程在通风橱内进行;本实验所用到的金属钠更是危险化学品,它本身具有特殊的危险性,在安全使用和管理方面具有严格的规章制度,学生要佩戴干燥的手套、口罩,称量时要油下切割,轻拿轻放,远离水源,用后及时放入煤油中储存;而实验废液的处理要分类存放,避光、远离热源,以免发生不良化学反应等。

而问题2、3是对学生实验知识综合运用能力的考查。如问题2可以有效地引发学生的积极思考,从而培养学生的创新精神和发散思维,提高学生深入分析问题的能力等。从实验安全理念考虑,引导学生考虑原料成本、转化效率和对环境的影响程度等要素,从而选择绿色环保的方案路线,树立绿色化学理念。如将传统的金属钠催化剂换成离子交换树脂或者固体酸催化剂,有文献分析显示该种催化剂可以重复利用5–6次。通过绿色合成理念的引入,培养学生的创新思维和思辨精神,提高学生的社会责任感和环保意识。

由此可知,实验前进行问题设置能够让学生巩固基础理论知识,了解实验目的及原理等内容,有效提高学生学习主动性并拓展其知识面。并且可以从各种纪录片和新闻时事引入实验安全和思政教育,近年来发生多起化学品安全事故,如“山东烟台绿环再生资源公司‘12.12’危废处置中毒”“2018年北京交通大学东校区实验室在进行科研实验期间现场发生爆炸造成3名学生死亡”“2015年清华大学化学系实验室使用氢气做化学实验时发生爆炸”等,这些事故的发生越发让人警醒。教师可以借助这些案例树立学生的法制安全意识,自觉遵守法律法规,为学生今后走向正确的职业道路打下基础。

2.2 课堂实施阶段

教学效果取决于课堂实施。以学生为主体、教师为主导的PBL课堂教学,将课堂分为四个阶段,分别是发现问题、分析问题、解决问题和结果展示。

2.2.1 发现问题阶段

首先,教师课前在雨课堂、微信群、QQ群等平台发布有关本节实验课的思政教学案例,鼓励学生深入思考、查阅资料等来撰写小论文,然后在课堂上展开讨论,形成师生互动、生生互动的学习氛围。学生不仅可以学习优秀的治学态度、思想品质和为国家利益、民族利益献身的集体主义情怀,而且在看见化学家们在科研道路上经历的曲折和艰辛后,更会激发他们的专业自豪感和献身祖国化学事业的热情和决心,为思政教育的良好开端提供了条件[3]。如学生有任何问题,都可以在这个平台分享自己的看法。教师要积极热情地回答学生的问题,及时了解学生对教师及所授课程的动态评价,以便针对性地整改教学过程中存在的问题,加深“大思政”格局的构建基础。

其次,教师在介绍实验仪器与试剂、讲授实验原理和步骤时采用“提问”关键点的方法,通过“问答”方式让学生“学透”相关知识点和难点(如问题5)。

【问题5】合成乙酰乙酸乙酯的方法有哪些?反应机理是何种?如何提高反应产率?

鼓励学生上台讲解对于反应机理的见解,这样可以检查学生对知识的掌握情况。教师在讲解过程中可以适当地补充介绍其他的合成方法,扩宽学生知识体系。而提高反应产率实际上涉及化学反应条件优化过程,教师可以直接提问学生来了解学生的知识掌握情况。根据平衡移动原理可知,及时除去、移走新生成的产物或适当减少产物含量的方法可进一步提高产率。那么自然就引出问题6。

【问题6】如何得到较纯的产物?

产物纯化问题,首先要知道体系中存在哪些物质,再根据其性质进行分类处理。本实验反应后体系可能有乙酸乙酯、苯、水、氯化钠等物质。经过分液分离出有机层,但是有机层里还有苯、乙酸乙酯等多种物质。如何减少有机层杂质呢?这个问题综合性较强,为了简化问题,我们将这个问题分解成以下几个小问题,一步步引导学生去思考和探讨:

(1)为什么用50%的醋酸使溶液酸化至pH约为6–7?由于乙酰乙酸乙酯分子中活性亚甲基的氢酸性比乙醇酸性强得多,如果要顺利得到乙酰乙酸乙酯,须用醋酸酸化才能使其游离出来。但醋酸过量又会使乙酰乙酸乙酯的溶解度增加而使产率降低。

(2)加入饱和食盐水的目的是什么?通过降低酯在水中的溶解度从而提高产率。

(3)为什么最后一步用减压蒸馏?乙酰乙酸乙酯沸点95 ℃,常压蒸馏易分解,通过降低压强而降低沸点以此达到分离提纯的目的。

而如何设计本实验装置和实验步骤是本实验的【问题7】。通过诸多问题探讨,学生逐渐理清了问题的解决思路和方法,在教学过程中提高了实践创新能力。

接下来,教师进行实验演示环节,引导学生分享在预习阶段经小组讨论探究后已解决的相关问题和信息或未解决的“问题”,让学生共同讨论。教师适时进行引导或答疑,并根据课前准备好的内容创设问题情境,引导学生进行深入思考和讨论。一方面,学生通过对比教师的实验操作,会自觉改正并规范自己的操作习惯;另一方面,学生由于生动的案例开阔了眼界,拓宽自主思考的空间,锻炼发散的创新思维。

2.2.2 分析问题和解决问题阶段

此阶段重点在于实际操作过程中学生对实验中的现象和原因进行剖析和解释。比如“实验中反应液为什么会析出黄白色沉淀而不是橘红色透明溶液?”“实验蒸馏时温度一直达不到产物的沸点,为什么?其中哪些步骤又蕴含着节约环保的理念?”带着疑问,小组成员分工合作,查找资料(图 1),讨论分析出现的问题,根据实际情况制定相应的解决方案。教师在此过程中要引导学生树立团队意识,充分调动学生的团队积极性和参与度。例如“实验中出现黄白色沉淀是由于饱和析出而得到的乙酰乙酸乙酯”是学生通过查阅文献资料了解乙酰乙酸乙酯的物化性质,部分学生通过实验现象观察,小组成员沟通交流,最终得出的结果。

图1

图1   小组成员分工合作流程示意图


在学生实验操作过程中,教师应巡查指导学生的实验过程,并适时启发学生发现问题、解决问题。在实验的“闲暇时间”应对学生的实验报告进行针对性的互动点评,对其中存在的问题与学生进行讨论,让学生能充分理解吸收本节实验课的相关知识内容,弥补学生实验报告的不足之处。在实验条件相同的情况下,学生得到的实验结果可能千差万别,为了避免学生修改或伪造实验结果记录,教师要引导学生正确看待实验结果,如实记录,从根源上杜绝造假行为。

2.2.3 结果展示阶段

学生经小组讨论后派代表汇报结果,其他成员参与评价,教师再适时地进行补充评价和答疑。通过几次问答,深入探究实验的本质,分析其原因,最终得出合理的结论。每个人都有不同的想法和意识,在这个小组合作的过程中,教师要引导学生认识自己在团队中的定位,每个人发挥自己的长处并帮助其他的同学共同进步。在课堂结束前,教师应适时对表现较好的队伍给予表扬,并给此队伍的同学加分。通过这种奖励的方式让学生能直观地感受到集体意识的收获。

2.3 课后总结阶段

实验结束后,学生通过课后总结对实验有了更深的了解,进一步巩固了专业知识,提高了专业综合能力。在提出问题与解决问题的阶段中培养了发散性的科学思维和探索创新的科学态度。而且日常生活案例也可以作为素材引入有机化学实验教学中,比如制备乙酰水杨酸(阿司匹林,解热镇痛药)、氨基苯磺酰胺(磺胺药物)、硝苯吡啶(药物心痛定)等实验,学生可以主动深入认识和理解生活中的有机化学原理,体会到化学专业在人类衣食住行方面的重要性[4]

教师在课后也可以安排学生完成一些小作业,比如让学生进一步了解其他的克莱森酯缩合反应,以便掌握这一大类实验的共同特征。

2.4 课程评估与审核阶段

有机化学实验课程成绩包括学期成绩和期末成绩两大部分,如表 1。实验的预习问答、操作表现、步骤处理、报告分析(重点考查实验结果的分析处理和实验方法的改进和建议)等都是学期实验成绩的考查部分。其中,课堂表现包括预习阶段提出的问题及解决方案、参与小组与课堂合作讨论、实验过程中的师生即时探讨和上台分享的次数和“质量”等。同时加入自我评价、组员互评和教师讲评3种反馈方法[5]。避免了过去单纯按照实验报告给分的缺点,要求学生积极主动地参与到实验学习中,认真做好实验,营造科学、公正、全面的评分环境。在学习过程中及时对每个阶段的学生进行成绩评估,并及时反馈给学生,让学生及时改正自己的不足之处,促进学生学习过程的有效性。

表1   实验成绩分布表

考核项目考核内容得分总得分
1234
一、学期实验成绩70%1. 考勤(10%)
2. 平时实验成绩(60%)(1) 实验预习内容(10%)
(2) 课堂表现(15%)
(3) 实验操作(20%)
(4) 实验报告(15%)
二、期末考试实验成绩30%1. 实验操作部分(15%)
2. 数据处理及分析(15%)
总得分

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此外教师要根据学生的课堂表现有针对性地改进完善教学大纲,实施实验课与思想政治教育的交叉融合,进而将德育知识落实于整个教学大纲中(表 2)。经过一年多的教学实践,对思政教育融入到有机化学实验教学的情况进行了走访,大部分学生感受到了正确的人生观、价值观教育,对培养学生的责任和担当有一定的积极作用,同时学生对安全意识、环保理念有了更深层次的认识,进一步激发学生学习的主动性,提高了教学效果。

表2   各实验课程蕴含的思政因素

实验思政元素事例预计教学效果
乙酰乙酸乙酯的制备集体主义教育,法治观念,生态环保意识德国“富有创造力”的化学家克莱森对酯缩合反应的研究提升学生的法律知识素质,培养学生建立起可持续科学发展观和绿色生态观。
己二酸的制备爱国情怀和民族自豪感,绿色发展理念湖北大学对于己二酸的绿色、经济合成的研究工作通过中国科学家的光荣事迹激发学生的爱国精神和民族情怀,激励学生奋发图强。
肉桂酸的制备科学家的思想品质和执着追求威廉·亨利·铂金爵士的生平概述近现代化学的发展均凝聚着科学家们伟大的科学精神,通过他们的故事引导学生学习严谨求实、无私敬业的高尚品德。
乙酰水杨酸的制备生活中的科技元素真正的“人造药物”阿司匹林在医药方面的应用通过现实的案例,引导学生认识科学的严谨性,培养学生的社会责任感和职业道德。
安息香的辅酶合成否定之否定规律,环保意识和发散思维生物有机合成和仿生化学的研究现状和应用进展结合环境污染事件,帮助学生树立绿色环保理念。
2-叔丁基对苯二酚的制备科学家的创新精神,和科研兴趣Friedel-Crafts (傅克)反应在食品抗氧剂中的应用引导学生直观感受有机化学与生活的联系,使学生体会到创新精神对于时代发展的重要性。
2-甲基-2-丁醇的制备科学家的科学精神、道德情操和奉献精神命运多舛的维克多·格林尼亚的故事通过故事创设教学情境,向学生强调树立严谨治学精神的重要性,传递崇尚真理的科学精神。
呋喃甲醇和呋喃甲酸的制备严谨的治学态度化学家康尼扎罗的求学经历和实验室小故事从学生的兴趣点入手,帮助学生认识到科学研究要勇于思考和探索,努力从多方面培养学生的科学素养。

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同时教师课程组根据学生的教学评价定期讨论,及时了解学生对教师及所授课程的动态评价,以便针对性地整改教学过程中的问题,树立“大思政”意识,实现“思政课程”向“课程思政”的转化。新教学模式涉及到一整套制度体系改革,工作思路更开阔、眼界要高,要建立适应新模式下的评价体系与管理办法。将传统教学的成绩评价方法和考核体系应用于PBL模式中显然是不合理的,因此我们需要建立科学、公正、全面的考核评估体系。

3 教学效果评估

岭南师范学院化学化工学院近几年以互动访问的方式获取学生对PBL课堂教学效果评估的关注点,以调查问卷形式对有机化学实验课程的问题导向教学法实践效果进行评估[6]。本次评价过程选取我校2018级化学专业1班和2班作为实验对象,两班均为63人,男女比例为1 : 2。事前对两个班级男女比例、年龄、入学成绩等引用统计学对比分析,差异无统计学意义(P > 0.05)。因此课程结束后,对两个班共发放126份调查问卷,其调查统计结果主要针对“课堂互动”“思政教育融入方式”“实验掌握能力”等多方面教学效果分析进行汇总,针对某些重点问题分析见图 2

图2

图2   教学效果调查问卷分析

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从问卷统计结果可以看出,接受新型教学模式的学生占比较大。设置问题情境进行课前预习和小组合作讨论有助于学生理解接受课堂重点内容,也有利于提高学生解决问题能力和组织表达能力,增加教师的“教”与学生的“学”之间的互动,提高了学生的主观能动性。

除此以外,教师也可以鼓励学生积极参与化学实验比赛或通过趣味化学制作一些特别的工艺品,或鼓励学生进入科研实验室参与教师科研项目和参加创新创业大赛,在此过程中都强调让学生以团队的方式参与其中,除了培养学生的科学研究认知和操作能力外,还能促进团队交流和集体意识的培养,让学生在教育中得到实践锻炼,在锻炼中实现自我教育,加快推动思政教育融入有机化学实验课程的改革进程。

4 结语

高校要推进新工科建设,就必须坚持正确的教育方向,着重塑造学生的品格,以立德树人为中心贯穿教育的全过程。将“PBL”模式与思政教育结合引入有机化学实验教学中,就是新工科背景下的一种新型教学模式。这不仅为教学改革指明了一个新的发展方向,还为当今的思政教育开辟了一条崭新的道路,培养了学生的创新能力和科学素养。以学生为主体的教学模式需求随着科技发展也越来越显示其重要性和紧迫性。这种模式不仅将思政教育与专业知识、实践教学融为一体,协调了理论与实践教学的关系,还倒逼了教师自身能力和素质的提升,达到了师生共赢的效果,为新工科建设的发展输出更多卓越的创新型人才。但无法否认的是,当下PBL教学模式应用在有机实验教学中仍有很多需要改进之处,只有在教学实践中改革不停步,才能不断创新教学模式,提升教学实效。

参考文献

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