鄒曉川，王貴鳳，穆仕盼，楊怡萌，王存，李倩，代秦琴，張迪，楊晶,*

1重慶第二師范學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 400067

2南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院，南寧 530100

當(dāng)前，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然采用知識(shí)與技能相結(jié)合的傳統(tǒng)傳授型教學(xué)方法，這種方法存在講授時(shí)間長(zhǎng)、學(xué)生自主操作能力弱以及安全隱患突出等特點(diǎn)。近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不斷進(jìn)行探索和研究，已取得了一定的研究成果，如有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)專題式教學(xué)法[1,2]，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)參與式教學(xué)法[3]，基于網(wǎng)絡(luò)資源的PBL教學(xué)法[4,5]以及有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法[6–9]等。此外，南開大學(xué)韓杰[10]提出了“講一練二考三”新理念，旨在從教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面對(duì)本科教學(xué)進(jìn)行改革，切實(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。邊磊等[11]通過(guò)設(shè)計(jì)開發(fā)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在線測(cè)試與學(xué)習(xí)平臺(tái)改進(jìn)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。平臺(tái)除了具備考試系統(tǒng)的基本功能外，還可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果推送相關(guān)學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)教學(xué)。筆者采用拍照輔助改革實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫作方式，能夠有效避免學(xué)生相互抄襲的現(xiàn)象，圖片的再編輯過(guò)程能夠讓學(xué)生最大程度地再次熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12]。盡管學(xué)者們對(duì)于有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)理念、在線平臺(tái)建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等方面進(jìn)行了大量的探索與實(shí)踐，取得了令人鼓舞的成績(jī)，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程如何提高師范生教研教改能力以及如何通過(guò)教學(xué)改革和創(chuàng)新從而提高師范生技能報(bào)道較少。本文以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯為例，基于“一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念，采用“翻轉(zhuǎn)+分段式”混合教學(xué)模式，通過(guò)課前師生共同準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課中分段講解，互動(dòng)交流、教學(xué)探究以及課后評(píng)價(jià)與教學(xué)基本能力培養(yǎng)，詳細(xì)展示如何提高化學(xué)師范生教學(xué)改革能力以及提升教學(xué)技能。

1 “一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念

“一核”是指師范生的教研教學(xué)能力。學(xué)生畢業(yè)后主要從事的工作是中學(xué)化學(xué)(含實(shí)驗(yàn))的教研和教學(xué)，相應(yīng)的，在校期間，人才培養(yǎng)方案一方面要強(qiáng)化學(xué)生的教學(xué)基本技能，另一方面還要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教研教改，而后一方面也是很多中學(xué)化學(xué)教師面臨的難點(diǎn)。“三段”分別是課前、課中以及課后，不同階段對(duì)應(yīng)學(xué)生不同能力的培養(yǎng)(圖1)。為了達(dá)成“一核”，在課前段包括師生共同準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源、學(xué)生自主學(xué)習(xí)兩環(huán)節(jié)，教師提供參考文獻(xiàn)、操作視頻、安全視頻等，學(xué)生整理文獻(xiàn)、撰寫課程綜述、確定研究主題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以及查閱物質(zhì)安全信息等。課中兩環(huán)節(jié)主要包括分段講解、互動(dòng)交流以及實(shí)驗(yàn)探究。課堂教學(xué)以學(xué)生為主體，將實(shí)驗(yàn)分段講解，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，在等待期進(jìn)行教學(xué)探究、找錯(cuò)糾錯(cuò)、技能強(qiáng)化、安全提醒以及課程思政等。課后的評(píng)價(jià)與教學(xué)基本能力培養(yǎng)主要要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，錄制微視頻，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生轉(zhuǎn)換為教師角色進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、撰寫教案、制作PPT，同學(xué)之間說(shuō)課、試講等。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)階段中對(duì)學(xué)生能力的訓(xùn)練

2 “翻轉(zhuǎn)+分段”教學(xué)模式

“翻轉(zhuǎn)課堂”是一種新穎的教學(xué)模式[13]，主要是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，在課前學(xué)生通過(guò)觀看視頻、查閱資料等方式代替教師的傳統(tǒng)課堂講授，而課堂內(nèi)的寶貴時(shí)間，學(xué)生則更專注于實(shí)踐和對(duì)于相關(guān)知識(shí)更高層次的理解。但是由于受模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程和視頻制作成本限制，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)法在地方高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還未廣泛普及，更多的是一種嘗試，或者微翻轉(zhuǎn)。此外，分段教學(xué)法是國(guó)外學(xué)者普遍采用的一種教學(xué)方法[14]。通常將一堂課的活動(dòng)過(guò)程分為五個(gè)階段來(lái)進(jìn)行，其中包括講授、閱讀、要點(diǎn)書面論述、小組討論、鞏固總結(jié)等，每個(gè)階段按照一定的時(shí)間安排來(lái)進(jìn)行。受此啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)講授過(guò)程可分為若干不同的時(shí)間段，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)先講解一部分內(nèi)容，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)視實(shí)驗(yàn)進(jìn)行程度分批講解。

3 以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯實(shí)驗(yàn)為例提升師范生教研教學(xué)能力實(shí)踐

目前，合成乙酸乙酯的催化劑較多，如質(zhì)子酸、離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸、雜多酸以及離子液體等[15–17]。大部分教材如蘭州大學(xué)編寫的《有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》(第4版)等，均選取濃硫酸為催化劑[18]，但是濃硫酸存在反應(yīng)溫度不易控制且使用不安全，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率較低，副反應(yīng)較多，最后產(chǎn)生的廢液污染環(huán)境等問(wèn)題。因此尋求安全、價(jià)廉和低腐蝕的綠色催化劑催化合成乙酸乙酯是目前解決這些問(wèn)題的有效途徑。白銀娟等[19]總結(jié)了FeCl3·6H2O催化長(zhǎng)鏈脂肪酸與醇的酯化反應(yīng)，十六烷基醇、大分子的固醇(包括高膽固醇)與芳香族羧酸、C10–C18脂肪酸進(jìn)行酯化，也獲得較高的產(chǎn)量。分析認(rèn)為：反應(yīng)中鐵離子水解形成的陽(yáng)離子簇具有催化活性，三價(jià)鐵離子利用其價(jià)層空軌道與羧酸的羰基形成了穩(wěn)定的復(fù)合物，加入醇后，水與羧酸羧基部分交換配體活化羧酸，從而催化反應(yīng)發(fā)生。此外醇的用量可能對(duì)羧酸-Fe3+復(fù)合物的形成有影響[20]。鑒于FeCl3·6H2O的催化效率高，與傳統(tǒng)酸催化方法相比具有用量少、反應(yīng)時(shí)間短、醇酸比小、產(chǎn)率高及催化劑重復(fù)使用性能好的特點(diǎn)，且產(chǎn)品純度高、不腐蝕設(shè)備、處理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、無(wú)污染、符合綠色化學(xué)[21]的要求，本文以FeCl3·6H2O為催化劑，詳細(xì)展示催化合成乙酸乙酯的教研教學(xué)過(guò)程。

3.1 課前準(zhǔn)備

課前，教師團(tuán)隊(duì)在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采取“專題研討探究式”教學(xué)方法，以科研問(wèn)題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生自主探索、自主創(chuàng)新能力。以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯為例，教師提前兩周通過(guò)班級(jí)QQ群以學(xué)習(xí)資源包形式發(fā)布此次實(shí)驗(yàn)的安全知識(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、基本操作視頻以及課程要求。在這個(gè)階段，首先要求學(xué)生熟悉課程資源包(表1)，掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约盎驹恚浞至私獗敬螌?shí)驗(yàn)內(nèi)容的背景以及會(huì)使用到化學(xué)藥品的安全信息，了解基本儀器的使用方法、注意事項(xiàng)等。其次，要求學(xué)生主要查閱CNKI、維普、萬(wàn)方等專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，撰寫課程綜述代替預(yù)習(xí)報(bào)告，著重要求學(xué)生總結(jié)不同催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)，以及展望是否有更優(yōu)的催化劑？隨后，以寢室為單位制作PPT通過(guò)在線或第二課堂時(shí)間向教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行匯報(bào)，教師對(duì)學(xué)生提出的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生思考方案的科學(xué)性以及可操作性，最后形成可執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)方案。最后，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織學(xué)生組建不同的催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等研究小組，在課堂上對(duì)FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯進(jìn)行詳細(xì)的研究。

表1 學(xué)習(xí)資源包

3.2 課堂教學(xué)

改革之前乙酸乙酯的合成，通常是一個(gè)班級(jí)所有學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件完全相同。這種教學(xué)方法雖然可以培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能，有利于理解有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，但在培養(yǎng)學(xué)生的科研思維及創(chuàng)新能力方面具有一定局限性，尤其是不利于師范生教研教改能力的提升。因此，將科研方法融入有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，即采用探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的教學(xué)能力。課堂教學(xué)總體原則是把實(shí)驗(yàn)過(guò)程分成三個(gè)階段，以學(xué)生為主體，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期。第一個(gè)階段主要是根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況，采用啟發(fā)式教學(xué)，首先引導(dǎo)學(xué)生思考為何要采用FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯，F(xiàn)eCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯比傳統(tǒng)催化劑的突出優(yōu)點(diǎn)在哪里？其次，教師根據(jù)學(xué)生分組數(shù)，設(shè)定單因素考查變量，如不同的催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等，并對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行編號(hào)，學(xué)生隨機(jī)抽簽確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而對(duì)最優(yōu)條件開展探究。第二個(gè)階段主要向?qū)W生描述本次實(shí)驗(yàn)可能存在的安全隱患，包括藥品隱患、操作隱患以及環(huán)境隱患。第三個(gè)階段主要是找錯(cuò)糾錯(cuò)、技能強(qiáng)化、安全提醒以及課程思政等。尤其是充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，如加熱環(huán)節(jié)、冷卻結(jié)晶環(huán)節(jié)以及干燥環(huán)節(jié)，如果不充分利用該段時(shí)間，學(xué)生會(huì)閑聊、嬉戲、看課外書、看抖音甚至打游戲。為了更加充分利用這些時(shí)間，我們會(huì)邀請(qǐng)同學(xué)介紹傳統(tǒng)催化劑濃硫酸催化合成乙酸乙酯的基本原理，邀請(qǐng)同學(xué)分享濃硫酸的應(yīng)急處理、離子液體的優(yōu)點(diǎn)、固體酸的常見制備方式以及乙酸乙酯的用途等。

3.3 課后要求

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一方面要求學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中基本信息部分必須與教學(xué)日歷一致，如實(shí)驗(yàn)名稱、日期；原理部分使用化學(xué)方程式表示；實(shí)驗(yàn)報(bào)告中最重要的是步驟、現(xiàn)象以及結(jié)果討論部分；這些板塊均要求學(xué)生盡量以圖文并茂的形式描述。涉及到的表格需要使用三線表，含有中英文表頭，使用Chemdraw1996版ACS模板繪制分子式，采用PS軟件編輯美化圖片，利用Origin處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。結(jié)果與討論部分中，要求學(xué)生對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率與理論值進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和一些外因進(jìn)行剖析。另一方面要求學(xué)生翻轉(zhuǎn)教師角色，以“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”以及“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)為依據(jù)，利用如錄屏大師、Pr視頻剪輯等軟件錄制微視頻，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、寫教案、做PPT，說(shuō)課、試講等環(huán)節(jié)。如微課部分要充分融入五要素，詳細(xì)展示核心素養(yǎng)中的過(guò)程屬性和結(jié)果屬性，從催化劑的改變、反應(yīng)物的用量到最終產(chǎn)品的出現(xiàn)，從濃硫酸造成的嚴(yán)重安全事故到路易斯酸催化劑的應(yīng)用范圍等；再?gòu)闹庇^的液體、固體原料再到微觀的分子原子。實(shí)驗(yàn)過(guò)程要利用字幕或者語(yǔ)言提示關(guān)鍵操作步驟和總結(jié)性內(nèi)容，要體現(xiàn)探究式的學(xué)習(xí)模式。在錄制過(guò)程中，要求師范生突出語(yǔ)言的魅力，滲透教育情感，融入課程思政等內(nèi)容。此外，還要求師范生查閱《化學(xué)教育(中英文)》《化學(xué)教學(xué)》以及《大學(xué)化學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊相關(guān)論文，跟蹤學(xué)科前沿，焦聚教研教改。

3.4 課程效果

課程結(jié)束以后，以隨機(jī)的方式對(duì)班上同學(xué)展開調(diào)研，目的在于了解師范生對(duì)于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念的理解和認(rèn)識(shí)，以及通過(guò)融入該理念在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中是否可以提高他們的教研教學(xué)能力。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍認(rèn)為“一核三段六環(huán)節(jié)”教學(xué)理念十分新穎、非常實(shí)用并具有吸引力。課前翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)學(xué)生可以了解到更多與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)，不再拘泥于教材；課中的探究環(huán)節(jié)有利于教研能力的提高，能夠找到改革突破點(diǎn)，分段式教學(xué)充分利用了課程等待期，非常值得借鑒。此外，通過(guò)增加課后錄制微視頻、撰寫教案、制作教學(xué)PPT以及分組試講等環(huán)節(jié)(圖2)，要求學(xué)生不僅要會(huì)做實(shí)驗(yàn)，還要會(huì)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，會(huì)表達(dá)，會(huì)分享，會(huì)編輯，會(huì)制作。學(xué)生們認(rèn)為這個(gè)過(guò)程既提高了實(shí)驗(yàn)技能，又翻轉(zhuǎn)角色，還強(qiáng)化了師范生技能，從“我”做實(shí)驗(yàn)到“我”組織實(shí)施此次實(shí)驗(yàn)，這是一種師范生全程融入的過(guò)程。

圖2 視頻實(shí)驗(yàn)報(bào)告

近年來(lái)，學(xué)院積極鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)學(xué)?？蒲许?xiàng)目，參加挑戰(zhàn)杯、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、數(shù)學(xué)建模大賽、化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能大賽等，取得突出成績(jī)，其中本草止癢產(chǎn)品在“創(chuàng)青春”全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽中獲得了國(guó)賽銅獎(jiǎng)。在2020年，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目市級(jí)立項(xiàng)5項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化項(xiàng)目7項(xiàng)，校級(jí)大學(xué)生科研立項(xiàng)15項(xiàng)，第一作者公開發(fā)表論文14篇，授權(quán)實(shí)用新型專利4項(xiàng)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念實(shí)施有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與探索，我們發(fā)現(xiàn)師范生對(duì)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度和規(guī)范性也得到明顯的改善。課前課中教學(xué)能夠顯著促進(jìn)師范生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握，充分利用實(shí)驗(yàn)等待期，還能促進(jìn)師范生教研教改能力的提高。另一方面課后環(huán)節(jié)有利于提高師范生在課程設(shè)計(jì)、課堂組織、語(yǔ)言表達(dá)以及多媒體應(yīng)用、軟件使用等方面的能力。對(duì)于提升學(xué)生的教研教學(xué)能力有一定的推廣價(jià)值。