趙衛(wèi)光，關(guān)英

南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中指出，高等教育的“重點(diǎn)是面向全體學(xué)生、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，著力提高學(xué)生服務(wù)國(guó)家服務(wù)人民的社會(huì)責(zé)任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)際能力”。華東師范大學(xué)校長(zhǎng)錢(qián)旭紅院士在該校第二十六屆本科教學(xué)與教學(xué)管理研討會(huì)上指出：“硏究型教育教學(xué)應(yīng)該做教育硏究、教學(xué)硏究，特別是高水平的教育硏究，學(xué)科的教育硏究，而不僅僅是科學(xué)研究[1]?！痹诒究茖W(xué)習(xí)期間開(kāi)展研究性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題能力的重要方式[2,3]，目前已經(jīng)有一些學(xué)校在實(shí)驗(yàn)課中引入了一些研究性內(nèi)容[4-7]。然而由于本科教學(xué)的特殊性，研究性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很難面向全體學(xué)生。筆者在本文中就如何面向全體學(xué)生，在不改變教學(xué)大綱的情況下，在本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展研究性實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)課程，讓學(xué)生初步了解研究性實(shí)驗(yàn)的基本思路和過(guò)程，并培養(yǎng)創(chuàng)新能力的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，首先需要對(duì)學(xué)生逐步進(jìn)行科研基本能力的培養(yǎng)。我們?cè)谇拔闹幸呀?jīng)介紹了線上教學(xué)期間，如何利用家中實(shí)驗(yàn)室提升學(xué)生的化學(xué)興趣和培養(yǎng)化學(xué)思維[8]，通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)和翻轉(zhuǎn)課堂的方式，培養(yǎng)學(xué)生基本的化學(xué)科研能力，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從“聽(tīng)你講-我做”到“我-想-說(shuō)-自己做”的初步轉(zhuǎn)變[9]。在教學(xué)實(shí)踐中，我們還將唯物辯證法思想與思想實(shí)驗(yàn)相結(jié)合[10]，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣、文獻(xiàn)檢索歸納、文獻(xiàn)閱讀、化學(xué)軟件使用、PPT制作和專業(yè)表達(dá)、分析和解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)合作等基本科研能力進(jìn)行了培養(yǎng)[9,10]。然而學(xué)生學(xué)到的依然是零散的基本能力，如何將這些基本能力學(xué)以致用，將科學(xué)素養(yǎng)融化進(jìn)學(xué)生的血液里，如何在不打破已有教學(xué)體系的情況下，讓學(xué)生體驗(yàn)相對(duì)完整的科學(xué)研究過(guò)程，開(kāi)始熟悉和理解科研過(guò)程，把所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通？這是我們?cè)诮虒W(xué)設(shè)計(jì)中一直關(guān)注并思考的問(wèn)題。目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)可能是個(gè)很好的切入點(diǎn)。這里的目標(biāo)導(dǎo)向是指選定某個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生設(shè)定一個(gè)具體的研究目標(biāo)，以這個(gè)目標(biāo)為導(dǎo)向讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

南開(kāi)大學(xué)化學(xué)專業(yè)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)面向大學(xué)二年級(jí)本科生，包含有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)2-1和2-2課程，分兩個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)。第一學(xué)期主要是基本操作的學(xué)習(xí)，第二學(xué)期主要是連續(xù)合成實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)基礎(chǔ)操作的理解。因此在第二學(xué)期開(kāi)始時(shí)，開(kāi)始準(zhǔn)備研究性實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)課程是一個(gè)比較理想的時(shí)機(jī)，我們選擇了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)2-2中的第12次實(shí)驗(yàn)“苯甲酸乙酯的合成”作為研究性實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)課程。對(duì)于前30%左右的學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)主動(dòng)性強(qiáng)并有相對(duì)獨(dú)立的見(jiàn)解，我們充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，盡可能提供其所需要的實(shí)驗(yàn)條件，同學(xué)生一起自由討論，讓學(xué)生自由發(fā)揮，釋放天性。對(duì)于中間40%左右的學(xué)生，有學(xué)習(xí)的動(dòng)力，囿于經(jīng)驗(yàn)或創(chuàng)新性不足，我們注重對(duì)學(xué)生的研究方法、思維方式和邏輯性的培養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；對(duì)于后30%左右的學(xué)生，學(xué)習(xí)興趣不高或沒(méi)有從事科學(xué)研究的打算，我們主要是調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生能夠按照要求完成任務(wù)，體驗(yàn)科研過(guò)程，熟悉研究方法和流程，期望學(xué)生能在今后的工作中將這些技能學(xué)以致用。

在第二學(xué)期伊始，我們將全班按照每5-6人一組，自由組合，分作不同的團(tuán)隊(duì)。每個(gè)團(tuán)隊(duì)需要針對(duì)苯甲酸乙酯的合成查閱文獻(xiàn)、通過(guò)團(tuán)隊(duì)討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施前4周，每周在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前抽出半小時(shí)時(shí)間，或利用實(shí)驗(yàn)中合成階段的等候時(shí)間(如加熱回流期間)，各團(tuán)隊(duì)根據(jù)課下的學(xué)習(xí)情況用PPT向全班匯報(bào)各自的實(shí)驗(yàn)方案，每周2個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的方案討論兩次。課下學(xué)生還可以通過(guò)微信群與教師進(jìn)行討論，不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，最后在教師的指導(dǎo)下制定切實(shí)可行的實(shí)施方案。然后，各團(tuán)隊(duì)按照最終確定的實(shí)施方案內(nèi)容分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求每個(gè)人獨(dú)立分析和總結(jié)數(shù)據(jù)，并按照《有機(jī)化學(xué)》雜志的投稿要求撰寫(xiě)研究論文。研究論文、可行性報(bào)告和設(shè)計(jì)方案一起作為期末考試成績(jī)的評(píng)定依據(jù)。

我們已經(jīng)在2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生中開(kāi)展了研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索，其中2018級(jí)受新冠肺炎疫情的影響僅提交了可行性報(bào)告和進(jìn)行了方案論證。

2 目標(biāo)導(dǎo)向的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程實(shí)例

按照科學(xué)研究的基本規(guī)律，我們將研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程分作三個(gè)階段，分別是方案設(shè)計(jì)、實(shí)施和總結(jié)階段。教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

2.1 方案的設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，我們要求學(xué)生提交的方案必須包含研究進(jìn)展綜述、設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和可行性分析。下面我們結(jié)合學(xué)生的PPT和課堂討論具體分析。

2.1.1 研究進(jìn)展綜述

撰寫(xiě)研究進(jìn)展綜述是科學(xué)研究的第一步，只有全面了解前人的工作，才能確定正確、合理的研究方向和研究目標(biāo)，同時(shí)避免重復(fù)性的工作。在教學(xué)中為了幫助學(xué)生們理解，我們要求學(xué)生從苯甲酸乙酯的性質(zhì)、用途和安全性以及合成方法等方面進(jìn)行總結(jié)。

圖2摘自不同小組的總結(jié)PPT，限于篇幅，PPT中僅展示了部分內(nèi)容，但已經(jīng)可以看出學(xué)生對(duì)苯甲酸乙酯的合成具備了初步的文獻(xiàn)查閱和綜述能力。大部分同學(xué)也注意到了文獻(xiàn)的引用，但卻沒(méi)有采用慣常的文獻(xiàn)同頁(yè)引用方式，如圖2中沒(méi)有同頁(yè)引用文獻(xiàn)；有的文獻(xiàn)引用格式也不符合要求，我們?cè)谟懻摃r(shí)逐一進(jìn)行了訂正，使之符合慣例。此外，在PPT制作和講演過(guò)程中存在的問(wèn)題，我們也按照學(xué)術(shù)報(bào)告的要求進(jìn)行了細(xì)致的輔導(dǎo)。

圖2 不同小組的研究進(jìn)展PPT

2.1.2 設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)四周的討論，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，提出了自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路和和實(shí)施方案。圖3是部分學(xué)生給出的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方案，雖然略顯稚嫩，但整體思路清晰，邏輯性較強(qiáng)。

圖3 學(xué)生的研究思路和實(shí)驗(yàn)方案展示

2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生中都有小組提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)的方案，巧合的是兩屆學(xué)生都采用了無(wú)水硫酸銅作為吸水劑，只是裝填硫酸銅的裝置分別是恒壓滴液漏斗或索氏提取器，代替實(shí)驗(yàn)教材中的分水器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖4。在課上討論中，我們通過(guò)提問(wèn)的方式，與學(xué)生一起進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，是否有更好的儀器或脫水劑替代？2018級(jí)的學(xué)生立即想到索氏提取器，我們和2018級(jí)和2019級(jí)兩屆學(xué)生分析了索氏提取器在該實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)和不足，優(yōu)勢(shì)是吸附時(shí)間較長(zhǎng)，而且吸水劑不容易泄露到反應(yīng)瓶，不足是需要的溶劑量較大。同時(shí)，我們拓展了干燥劑的相關(guān)知識(shí)，分析了幾種干燥劑的優(yōu)缺點(diǎn)、使用和回收方法。比如氧化鈣、分子篩等。如分子篩具備價(jià)格便宜、吸水量大、干燥速度快、干燥能力強(qiáng)、可以再生等優(yōu)點(diǎn)，不同型號(hào)的分子篩還可以吸附不同大小的分子，并介紹分子篩作為催化劑的載體的應(yīng)用實(shí)例。

圖4 學(xué)生關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)PPT

2.1.3 可行性分析和實(shí)施方案

可行性分析是科學(xué)研究中重要的一環(huán)，也是撰寫(xiě)項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的必備技能。在教學(xué)中，我們引導(dǎo)學(xué)生從方案可行性、安全性、成本和環(huán)保等方面進(jìn)行分析。有的小組給出了相對(duì)完整的可行性分析，對(duì)試劑成本、環(huán)保、不同催化劑的催化機(jī)理、產(chǎn)率和產(chǎn)物純度分析以及是否適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)都進(jìn)行了分析，并給出了初步結(jié)論，見(jiàn)圖5a，5b。對(duì)于化學(xué)學(xué)科而言，成本分析和環(huán)保分析在化學(xué)研究中越來(lái)越重要。盡管學(xué)生受限于視野和常識(shí)積累，導(dǎo)致有的分析有失偏頗，但是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題才是創(chuàng)新的開(kāi)始，也是我們大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教育的主要目的。圖5c是2018級(jí)姜同學(xué)的可行性報(bào)告目錄，可以看出報(bào)告內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)，條理清晰。經(jīng)過(guò)四周的討論，每個(gè)團(tuán)隊(duì)都在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，提出了自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路和和實(shí)施方案。

任何實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都要有明確的目的、可執(zhí)行的操作步驟、可預(yù)期的結(jié)果和可衡量的標(biāo)準(zhǔn)，否則就是無(wú)效的工作。由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)時(shí)，或多或少都出現(xiàn)了一些問(wèn)題。比如由于課上時(shí)間有限，學(xué)生考慮設(shè)定同樣的時(shí)間考察催化劑的效果，但不清楚如何比較催化劑的優(yōu)劣。通過(guò)引導(dǎo)式提問(wèn)，大部分學(xué)生都可以意識(shí)到第一學(xué)期用的薄層色譜法和氣相色譜法可以監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)程，同時(shí)結(jié)合收率就可以初步比較催化劑的優(yōu)劣。更進(jìn)一步地，告訴學(xué)生有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)必須隨時(shí)進(jìn)行反應(yīng)監(jiān)測(cè)，判斷反應(yīng)是否發(fā)生、有無(wú)副產(chǎn)物或中間體生成以及什么時(shí)間反應(yīng)完成，做到心中有數(shù)。在課堂上的研究性實(shí)驗(yàn)，由于每個(gè)人的水平差異，收率其實(shí)沒(méi)有可比性，主要是在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中合理分析現(xiàn)象、結(jié)果及可能的原因，體驗(yàn)科學(xué)研究的基本方法。

為了增強(qiáng)學(xué)生們的參與感，我們還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案論證教學(xué)環(huán)節(jié)，以尋找天使投資人的心態(tài)，說(shuō)服老師投資，購(gòu)置教材外的試劑和玻璃儀器來(lái)支持他們完成研究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施

受疫情影響，2018級(jí)未能進(jìn)行方案實(shí)施，2019級(jí)完成了全部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。盡管學(xué)生的動(dòng)手能力強(qiáng)弱不同，存在個(gè)體差異，但由于實(shí)驗(yàn)方案中每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)步驟不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果全組共享，因而每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)成敗關(guān)乎小組所有人的最終結(jié)果，迫使每個(gè)人都盡力做到最好。學(xué)生們?cè)趯?shí)施過(guò)程中充分體現(xiàn)了高度的責(zé)任感和小組內(nèi)的協(xié)調(diào)配合，也進(jìn)一步鍛煉了團(tuán)隊(duì)合作與協(xié)同作戰(zhàn)的能力。面對(duì)個(gè)別同學(xué)的實(shí)驗(yàn)失敗，我們還引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍和深度分析，以及如何設(shè)計(jì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證等，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解科研過(guò)程中的失利。

圖5 學(xué)生們的可行性分析展示

2.3 研究論文撰寫(xiě)

總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)研究論文也是科學(xué)研究的必備技能。在教學(xué)過(guò)程中，我們要求學(xué)生參照《有機(jī)化學(xué)》的論文要求，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果并撰寫(xiě)研究論文。在撰寫(xiě)研究論文的過(guò)程中，學(xué)生了解了專業(yè)期刊的格式要求、寫(xiě)作規(guī)范等。圖6為2019級(jí)郭同學(xué)的研究論文展示。從郭同學(xué)的作業(yè)中可以看到學(xué)生對(duì)學(xué)術(shù)論文形式的理解、對(duì)實(shí)驗(yàn)工作的分析和總結(jié)、對(duì)數(shù)據(jù)的整理都有了很大的提高。當(dāng)共享數(shù)據(jù)無(wú)法給出可信的分析結(jié)果時(shí)，也能對(duì)產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析和總結(jié)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)建議等。

2.4 成績(jī)?cè)u(píng)定及反饋

由于對(duì)教材實(shí)驗(yàn)有所改進(jìn)，顯然我們不能以收率作為成績(jī)?cè)u(píng)定的唯一影響因素。因此，我們按照學(xué)生的實(shí)際能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并作為期末考試成績(jī)。評(píng)價(jià)主要以論文為主，參考學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和前期的可行性報(bào)告和制定的方案。其中團(tuán)隊(duì)方案設(shè)計(jì)占30%；小組成員分工合作進(jìn)行方案實(shí)施占30%；小組數(shù)據(jù)共享，個(gè)人獨(dú)立撰寫(xiě)研究論文占40%，滿分為100分。受疫情影響，2018級(jí)調(diào)整為團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)方案占40%，獨(dú)立撰寫(xiě)可行性報(bào)告占60%。

對(duì)于論文，我們也按照刊物通訊評(píng)審的方式進(jìn)行了審閱，對(duì)每篇論文進(jìn)行了認(rèn)真的審閱和修改，并給出了評(píng)審意見(jiàn)反饋給每個(gè)學(xué)生，受到了學(xué)生的肯定和好評(píng)。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展研究性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生和教師都付出了大量的勞動(dòng)，課下的準(zhǔn)備工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了課上，但付出是值得的，在一起學(xué)習(xí)的過(guò)程中，師生都在成長(zhǎng)。“是故學(xué)然后知不足，教然后知困。知不足然后能自反也，知困然后能自強(qiáng)也。故曰‘教學(xué)相長(zhǎng)’也?！?/p>

圖6 學(xué)生的研究論文示例

2018級(jí)學(xué)生在線上課程中，姜、趙兩位同學(xué)對(duì)綠色蔬菜烹飪過(guò)程中褪綠的科學(xué)原理產(chǎn)生了興趣，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生在家中自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用照相比色法判斷褪綠程度，對(duì)網(wǎng)上流傳的防止蔬菜褪綠的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并給出了科學(xué)的結(jié)論，撰寫(xiě)并根據(jù)審稿意見(jiàn)修改了論文，成功在《大學(xué)化學(xué)》雜志上發(fā)表[11]。這很好地說(shuō)明了學(xué)生已經(jīng)初步掌握了科學(xué)研究的方法，為他們今后的科學(xué)研究打下了很好的基礎(chǔ)，這也是對(duì)我們教學(xué)探索的一種肯定。

在期末調(diào)查問(wèn)卷中，不論是2018級(jí)還是2019級(jí)，都有91%的學(xué)生贊同思想實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂和研究性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式。尤其2018級(jí)同學(xué)在最后一堂線上課結(jié)束時(shí)，久久不愿下課，直到約好返校后，即便不上課也要相聚一次，學(xué)生們才依依不舍地離開(kāi)了空中教室。這讓我們深受感動(dòng)，也是我們長(zhǎng)期堅(jiān)持教學(xué)改革的源動(dòng)力。

致謝：感謝南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院2018級(jí)和2019級(jí)姜雅茹、郭佳磊、張晨曦、朱俊華、田園、王澤溶、趙亮、趙桐、王澳然、吳楚維、許家祺、許琳、張志遠(yuǎn)、羅一誠(chéng)、孫太康、張凡、李向陽(yáng)、董世宸、韓帥龍、彭荌、任漢杰、田朋晏、程馨月、毛淑揚(yáng)、王天晨、龍江愛(ài)、王曉靜、楊光、蔡佳君、鄭洪琛、徐子寧、吳桐、王涌、宋亞澎、包巍、宋逸華、潘夏凱、馬思齊、杜宇軒、于志超等同學(xué)的積極參與和提供的課件圖片。