1根据教学大纲合理安排实验教学进度
有机化学与有机化学实验相辅相成,合理安排实验教学进度对深入学习、理解有机化学内容起着重要的作用。在实验课程进度安排方面应尽可能跟理论课的进度一致。如,学习醛酮的性质后安排开展“苄叉丙酮和二苄叉丙酮的制备”、“呋喃甲醇和呋喃甲酸的制备”以加深对羟醛缩合及康尼查罗反应的理解;在学习羧酸及其衍生物后,安排学生进行“乙酸乙酯的制备”、“乙酰水杨酸的合成”两个实验来加深对酯化反应的认识。此外,还可以将教学内容合理安排成多步骤的“串联反应”。大学基础有机化学实验一般难安排多步骤的合成实验,在实验项目的安排上可以将单个的单元合成实验串联成一个系列,形成一个多步合成实验。通过这种比较复杂的单元实验组合,可以促进学生系统掌握各类有机化学反应机理、各种官能团之间的转化方法,全面了解有机化合物之间的相互联系[3]。如己二酸二乙酯是重要的有机合成中间体以及日化和食品工业原料,它的合成可用串联实验来设计合成:环己醇→环己烯→己二酸→己二酸二乙酯。
2规范实验仪器、落实实验准备
有机化学实验是一门实验基础课,是化学专业、高分子化学与物理专业、生物专业、环境专业必开课程。长期以来存在教学任务重、实验室紧张等问题。一套实验设备在一周内有3~4组同学使用,时间一长,造成实验仪器乱放、损坏、丢失现象严重。要杜绝这种现象,关键是要加强实验室的管理。(1)所有任课老师和实验员首先要掌握教学大纲及教学进度,明确学生应有的仪器设备及数量,制定明确的仪器存放和使用细则。(2)首次上课时学生在老师的监督下清点并补充所缺的仪器,要求签字认领,并严格要求学生每次实验时均需按细则规定正确存放和使用仪器。(3)加强仪器的清洗、整理、存放等方面的监督,对乱丢、乱放的学生加强思想教育与警告,并落实仪器的丢失、损坏、补给的登记,对屡次犯错的同学给予必要的惩罚。(4)加强各组学生信用度、责任心的教育,约束各组同学只能使用自己的仪器,必要时可在各组仪器柜子上外加锁头。此外,实验室公共仪器的准备和维护也有待进一步的加强。如,公用液体药品准备时,不仅要准备液体药品,还要准备一个贴有标签的烧杯和滴管,这样大大减少样品的流失与污染;再如减压循环水泵长时间使用有压力不足现象、某些电热套不能加热或有漏电现象、水池下水管堵塞、漏水等现象都需要实验员及时维护,以保证实验的畅通有序。
3优化教学策略、侧重PBL教学法
长期以来,有机化学实验传统的教学模式是老师介绍实验原理、板书好实验过程、讲解注意事项,学生再按部就班的完成实验内容。思考整个过程不难发现存在诸多弊端,如老师机械性按教材进行指导、实验方案一成不变、学生缺乏对实验的主动思考。如此一来,实验过程变成了单纯的体力劳动,学生很难明白实验设计的思路及每步骤的操作目的,更谈不上对实验的兴趣及创造性。这种实验教学模式已经不能适应高中新课改的要求和满足研究性实践型人才培养的需要,必须加强对有机化学实验教学改革。PBL教学法(Problem-basedLearning)是以问题为导向的教学方法,1969年由美国神经病学教授Barrows在加拿大的麦克马斯特大学首创,强调以问题为基础,以学生为主体,以教师为导向的启发式教育,以培养学生的能力为教学目标。PBL教学法的精髓在于发挥问题对学习过程的指导作用,调动学生的主动性和积极性。根据笔者多年的实践经验,在有机化学实验教学中引入PBL教学法可有效提高学生自主学习、团队合作的动力,对于提高课堂教学质量、培养学生自主学习分析解决问题的能力具有良好的教学效果。以“溴乙烷的制备”为例说明如何将PBL教学法应用于有机化学实验课程的教学。第一环节:教师提前一周根据实验内容设置问题并分发给学生,指引学生通过各种渠道解决问题。如“溴乙烷的制备”问题设置如下:(1)溴乙烷的制备方法有哪些?溴乙烷的状态、沸点、密度、溶解性如何?目的:让学生学会通过工具书或互联网查阅物质的物理常数及制备方法,进一步明确溴乙烷具有易挥发、沸点低、密度比水大、难溶于水的特点,为后续的冷却、纯化做好铺垫。(2)用溴化钠和硫酸代替HBr进行实验有哪些好处?目的:通过NaBr和硫酸现制HBr的案例,进一步巩固强酸制备易挥发酸的原理,加深对HBr具有强酸性、挥发性、易分解特性的认识。(3)反应物中除乙醇、浓硫酸、NaBr外,为何要加入适量的水?各样品加样的顺序可否交换?目的:让学生深入思考加水的目的,进一步巩固浓硫酸稀释的知识点,即必须是将浓硫酸滴加入水中,从而得出加样的顺序不能随意交换。(4)从反应原理上看,水是生成物,为何要在反应物中加入适量水,是否会影响反应的平衡?目的:让学生在复习化学平衡及影响化学平衡的因素等知识点的基础上深入分析溴乙烷易挥发、沸点低的的特性,反应中一旦有溴乙烷生成便会被蒸馏出来,从而得出加水不影响反应的平衡结论。此外,水的存在可减少HBr的挥发,防止反应中产生大量的泡沫。(5)反应中有大量的NaBr固体,如何确保反应平稳的生成溴乙烷?目的:通过问题的设置,暗示学生要关注实验条件的控制,实验过程中需调节电热套电压在小火微热条件下来进行。(6)如何减少溴乙烷在制备过程中的损失?目的:让学生查阅低沸点物质的处理方法,掌握在实验室用冰水或冰盐浴冷却易挥发物质。(7)溴乙烷中含有哪些杂质?如何纯化?目的:让学生自主分析实验的副产物,并设计合理的纯化方法,训练学生的发散思维;此外还可以加深“相似相溶”原理,进一步巩固萃取操作。(8)如何检验产品溴乙烷的纯度?目的:让学生掌握有机实验中常用的鉴定单元操作,如沸点测定、熔点测定、折光率测定、旋光率测定、色谱对照法等。(9)溴丁烷是溴乙烷的同系物,沸点为101.6℃,是否可以用蒸馏装置制备?请设计合理的方案。目的:通过已学知识和已知条件学会推理、设计实验方案,培养学生的创新思维。第二环节:学生通过多渠道自主学习获取知识,拟出解决实际问题的方案。学生的自主学习过程是PBL教学法的关键。学生通过自主学习而解决了实践问题,就会增强学习兴趣与自信,进一步加深对该课程的兴趣,同时也锻炼了学生自主查阅资料、自主学习的能力。为了督促学生的自主学习,保障该环节的有效实施,教师应该把该环节的实施情况和学生实验成绩考评相结合,对回答较好的同学给予适当的鼓励[4]。第三环节:在正式上实验课时由学生代表小组提出解决问题的方案,其他学生对此方案进行讨论和补充,最后教师进行归纳点评,并给出合理的实验方案及理由。在学生发言讨论过程中既锻炼了语言的表达能力及及同学之间的沟通能力,又在潜移默化中训练了教学基本功。该环节是对学生前期自主学习的检验,是知识的提升过程[4]。和传统的教学方法相比,有机化学实验PBL教学法对提高教学效果和教学质量有着积极的推动作用,无论是对学生知识的掌握,还是学习能力的培养方面都有一定的促进作用。PBL教学法的实施活跃了学生的思维,提高了学生解决问题和自主学习的能力,为他们创新能力和科研素质的培养打下了良好的基础。
4加强进程监控、确定实验结果
有机合成实验普遍存在反应时间长、副反应多、操作繁琐等问题。如何在有效的课时内既能规范完成实验操作,又能得到预期的实验产品是进行有机实验必须关注的问题。解决这些问题的最好途径是加强进程监控、确定实验结果。在实验过程中,教师要跟踪学生的实验过程,及时发现在药品称量、仪器组装、条件控制、仪器使用、过滤、结晶、干燥等过程中存在的问题,并加以指导更正,这对规范实验操作、提高实验技能有着很大的帮助。实验过程中原始数据的记录也非常重要,督促学生如实的记录每次称量、取样的原始数据,养成科学严谨、实事求是的的科学作风,杜绝实验过程中的弄虚作假现象。此外,反应进程的跟踪也对有机合成实验相当关键[5]。如反应是否发生?反应进行到什么程度?反应物是否完全转化?制备出的产品是否含有杂质,纯度如何?要解决这些问题,有必要在基础有机化学实验教学中加强薄层层析的使用。如“异冰片的制备”实验,反应物为白色固体樟脑,经NaBH4还原后会生成冰片和异冰片两种产物也是白色固体,再通过乙醇重结晶得到主产物异冰片白色固体。但是在实际操作中很难判别樟脑的还原进程,重结晶后的产品是否含有樟脑或冰片也不得而知,最终的产率计算也只能是一本糊涂账。有机实验的进程监控和产物的纯度确定非常重要,传统教学中最容易忽视。有机实验室有必要增补熔点仪、折光仪、旋光仪、薄层层析板等常规仪器以便于监控实验进程和产品纯度,每组的实验产品有必要采用气相色谱或核磁共振来确定产物的组成与含量,从而客观的对各组学生的实验结果作出准确评价。
5注重实验总结、完善报告评价
实验报告是对整个实验目的、原理、方法、结果、分析、总结用文字形式记录下来的书面材料。但长期以来,学生和老师均易忽视它的价值。通常是学生机械性照抄实验原理步骤、加上实验产品质量和产率,最后由老师给出一个笼统的成绩而草草了事。这种机械性书写、按报告中产品产量评分的模式严重制约了学生撰写实验报告的积极性,甚至造成学生为得高分而造假的现象。笔者认为,实验报告的书写和教师的评价都有待进一步完善,从以下几方面改进:(1)实验报告中需体现对前期PBL问题的解答与理解,体现学生个体对PBL问题的思考与解决能力。(2)规范实验装置图及流程图的绘制,体现学生化学绘图的基本功底。(3)实验报告中保持完整的原始数据记录,并根据原始数据实事求是的计算实验结果,养成科学客观的实验态度。(4)注重实验结果的反思,及时分析实验的成败,吸取教训、总结经验。(5)对已进行过的实验方案提出一定的改进措施,发挥创新思维,提出类似物质的制备方案。(6)提倡学生根据不同类型的实验自主设计实验报告格式,有利于培养学生的创作能力。(7)教师要细化评分细则,分别对实验报告的不同栏目给予评分,指出错漏和需改进的地方,加强师生间的交流与互动。总之,实验教学是实现探究性实践型人才培养的重要环节之一,实验教学中要做到学生知识、技能、思维、价值观培养的和谐统一。高校教师要深刻反思自身存在的缺点与不足,加强理论学习、转变教学观念、更新教学方法,培养具有自主学习、团队合作的探究性实践型人才。
作者:刘志平 盛家荣 展军颜 单位:广西师范学院
1优化实验项目,强化实验的绿色设计性
在编制有机化学实验教学大纲时,改变过去一个个实验独立性强、实验所需试剂种类多、产生废弃物多的现象,针对教材中的各个实验项目通过认真安排、精心设计实验内容,进行连续的系列实验,前一个实验的产品为下一个实验的原料.充分利用化学原料,既降低了实验成本,又减少了化学废弃物对环境的污染.如在基本操作“蒸馏及沸点测定”的实验中,我们以工业级乙醇为原料,经过蒸馏之后的乙醇留作“萘的重结晶”实验做溶剂;重结晶的萘可用于“熔点的测定”,重结晶母液则可在“简单分馏”中进行分离;而回收的乙醇收集起来做溶剂用于“从茶叶中提取咖啡因”,实验之后回收的乙醇再次汇集起来,留待下一级学生进行新一轮“蒸馏及沸点测定”实验.除草剂2,4-二氯苯氧乙酸属于多步合成实验,需要分步合成苯氧乙酸、氣苯氧乙酸和最终产品2,4-二氯苯氧乙酸,每一步的产品为下一步反应的原料,学生在每一步都必须认真对待,规范操作,减少药品损耗,才能确保顺利完成实验.另外,在选择实验项目时,强化反应最终产品的实用性设计,充分利用学生实验产品,变废为宝.在传统的实验教学中,一般是按照教材开设实验,实验产品在实验结束后只能当做废弃物丢掉或处理,既浪费试剂又污染环境.在开设实验前就考虑最终产品的实用性,不仅激发学生的学习兴趣,使学生学到实用技术的同时还可以节约资源、变害为利、减少污染,使绿色化学思想在化学教学中得以充分体现.如在甲基橙制备实验中,将全部产品收集后指导学生把甲基橙粗产物进行纯化后作为酸碱指示剂使用;在除草剂2,4-二氣苯氧乙酸合成中,反应最终粗产物经处理后做除草剂使用.另外一些天然产物的提取实验,如从茶叶中提取咖啡因、从槐米中提取芦丁、从菠菜中提取绿色素等,实验用品天然易得,提取溶剂为乙醇或水,安全无毒,提取之后的废渣可以用作肥料.因此这些经过设计后的实验项目不仅充分体现绿色化学原理,同时使学生主动参与其中,既提高了学生的操作技能和实验教学效果,也增强了他们的绿色化学意识.
2增设微型实验,降低试剂消耗与环境污染
近年来,微型化学实验发展迅速,日益受到人们的重视与推广.微型化学实验是以微量的试剂,在小型的实验装置中进行实验,其用量通常是常规实验的1%~10%,具有“小、快、省”的实验特点.微型实验由于其试剂用量少,因此相比常规实验,不仅能节约实验材料和时间,降低实验成本,也能有效地降低爆炸、燃烧、中毒等危险事故的发生率,提高学生操作的安全性,同时大大降低了实验产生的废弃物,改善了实验环境,极大地降低了实验过程对环境的污染.另外,值得一提的是在微型实验中,由于反应剂量的缩小,实验难度也相应加大,这给教师的教学指导和学生的实验技能均提出更高的要求.教师必须精心指导,学生必须认真操作,使他们的实验操作能力和绿色化学意识得到培养,从而也使实验教学质量得以提高.如在己二酸的制备、甲基橙的制备和乙酰水杨酸的制备等实验中,我们均进行了微型化实验探索,取得很好的效果.
3开发绿色教学方法,增设多媒体辅助实验
对于一些因实验条件限制或污染严重、毒性较大难以开设但又比较重要的实验,如芳环的硝化反应、溴化反应等,可通过实验录像、多媒体等形式将实验过程展示在屏幕上.针对基本操作技能和性质实验两部分,目前很多教材都附有CAI教学光盘,此外互联网上此类资源也较多,学生通过观看这些资源既能学习规范操作,深入了解实验原理,又能加深对性质实验的认识,最重要的是这种教学方法最为“绿色”,能有效地降低实验带来的污染,减少不安全因素.
4重视课外实践,践行绿色低碳理念
除对实验室教学内容进行绿色化设计外,我们还重视对学生的课外实践活动进行设计和指导.一是利用开放实验室活动、大学生科技创新活动、毕业论文设计、参与教师科研课题等各种专业的科研实践,让学生主动参与其中,丰富学生的绿色化学知识,自觉实施绿色化实验,在潜移默化中提髙其环保素质.二是注重引导学生积极进行社会实践,宣传绿色理念,践行低碳生活.如利用世界水日、世界地球日等与环保主题相关的日子,结合专业特色,组织学生在校园和社会中开展环保主题宣传活动,使每个人都能积极参与到环境保护的实际行动中,自觉地关心、爱护、尊重环境.这些课外实践活动,不但促进了学生对专业知识的理解与掌握,拓宽了学生视野,培养了他们的科研创新意识、团队意识和组织能力,同时也使他们成为一个环境保护的宣传者和践行者.实践证明,有机化学实验的绿色化设计和实施,不仅能激发学生学习有机化学的兴趣,丰富学生的有机化学知识和实验操作技能,同时也使学生树立强烈的环保意识,使他们在将来走向工作和社会后也能牢记环保使命,用自己的实际行动践行绿色低碳理念,为我国建设环境友好型和资源节约型社会贡献一份力量.
作者:王志玲 李永 单位:河南教育学院化学系
1节约药品,避免重做,从药品的使用管理环节培养学生的环保意识
实验中严格监督学生按照用量要求取用药品,同时尽量避免学生重做实验,这是从药品的使用环节进行的管理。基础实验所做的实验项目都是精心筛选的,如果有失误要分析原因,而不一定要重做。低年级的学生,还没有很好的环保意识和分析问题解决问题的能力,实验过程遇到问题,操作出现失误,常常不是去思考怎么解决,而是追求更高的实验产率,想直接重做这个实验。例如:基础操作实验中的液-液萃取实验,用萃取法将苯甲酸和间硝基苯胺分离,因为这是学生第一次用到分液漏斗,分液漏斗的旋塞处凡士林涂抹不够均匀,或者因为实验过程操作不当,常会遇到漏液的现象,重新处理分液漏斗后,用剩余的溶液继续实验,同样能够实现掌握萃取的基本操作这一实验目的,但多数学生为了追求更理想的实验产率,常将剩余溶液弃置下水道,想重新领取药品试剂重做这个实验,这样既污染了环境又浪费了药品,这种情况,不应让学生重做实验。在药品使用的管理环节,要求学生节约药品,避免重做,通过这样的方式不仅可以做到药品的合理化使用,同时也可以帮助学生培养环保意识和养成分析问题、解决问题的习惯。
2有机化学实验的准备工作
有机化学实验室的管理工作服务性强,涉及的工作内容繁杂而琐碎,但最终目的是要保证实验教学的顺利进行。实践证明,实验教学质量与实验前的准备工作密切相关,因此做好实验教学的准备和组织工作意义重大。实验准备工作包括实验药品和仪器的准备[5],在药品的准备过程中,一点小小的失误,都可能造成全班学生的实验失败,所以药品准备过程要认真严谨、注意细节。要想保证实验过程中不缺任何药品,保证实验效果达到要求,就要做到熟悉每一个实验所需的试剂以及对试剂规格的要求,按照实验要求提供相应级别的试剂。有些试剂保存时间短,则必须在使用时配置;有些实验对化学试剂的要求比较高,实验前必须对试剂进行特殊处理,如2-甲基-2-己醇的制备实验要求所有试剂需干燥,实验前需将该实验所用到的正溴丁烷用无水氯化钙干燥,丙酮用无水碳酸钾干燥,乙醚用分子筛干燥,再经蒸馏纯化后,方可供学生使用。仪器方面,有机化学实验要用到许多玻璃仪器,玻璃仪器是易耗品,在购置时需比计划量多一些,避免实验中途出现短缺。另外,实验前检查调试所需的仪器设备,如天平、阿贝折光仪、循环水泵等,及时排除仪器可能出现的一般故障。准备工作结束后,与实验教师一起做预实验,一方面进一步检验实验物品是否准备齐全,另一方面也为学生实验教学提供借鉴,更明确实验过程中容易出现的问题,提高学生实验课的教学质量。总之,实验准备工作比较烦琐,需要充分认识到实验准备工作的重要性,本着认真严谨的工作态度,保证实验准备工作的质量,从而保障学生实验课的教学质量。
3有机化学实验室的废液管理
3.1实验室废液分类回收的必要性
[6]有机化学实验室产生的化学废弃物主要是有机废液,这些有机废液有些是有很大毒性的,如含浓度较大的二甲苯、氯仿等的有机废液能破坏人体免疫系统,造成人体机能失调;有些化学废液因其含浓度较大的废酸、废碱而具有很强的腐蚀性。如果不经过处理随意排放这些废液,不仅会对环境以及人类健康造成严重威胁,同时会对学生产生不良的示范作用,不利于培养学生可持续发展的理念和环保意识。另外,与工业废水相比,实验室废弃物具有种类多、排放量小、易发生化学反应等特性,如果任意将其混合,容易发生危险,也会给后续处理造成困扰,所以高校化学实验室的废弃物尤其需要科学合理的分类收集、存放和处理。
3.2本科生有机化学实验废液的收集
以我校化学实验教学中心有机化学实验室为例,有机化学实验室每学年要承担近400学时的本科生实验,课程主要分为3个模块:有机基本操作实验、有机化合物的性质与鉴别和有机化合物的合成与制备。这些课程的实验内容变动性不大,实验室产生的废弃物成分较为固定,对这些废弃物按照以下方式分类收集:对于有机化合物的性质与鉴别实验产生的废液,分为不含卤有机废液、含卤有机废液、废酸、废碱四种来回收[7]。有机基本操作实验和合成实验所回收的废液(见表1),除了浓硫酸废液外,其他12种废液有些是作为萃取剂被蒸馏得到的前馏分,有些是蒸馏得到的产品,废液成分比较单一,为了方便回收和循环利用,将这12种废液分别收集和存放,贴以标签注明废液成分,同名废液合并存放。的所有本科生实验课程的废液回收情况。表1中预期废液量的估算[8],按照每组实验理论上产生的废液量乘以实验组数得到。对于基本操作实验,不涉及产率,实验室加入的试剂大多变成了废液,所以按加入试剂的量来进行废液量的统计。对于合成与制备实验,每一个实验项目,实验教材上都给出了产量,这个产量是一个经验值,按正常操作完成实验一般能实现这个产量,以这个产量作为每组实验的预期废液量进行统计。实际废液量是每次实验结束后实际收集的废液量。由表1数据可知,虽然经过多年的教学改革,许多有机化学实验项目已经是在不影响实验教学效果的前提下用尽可能少的试剂来进行实验,但由于学生实验组数较多,产生的废液量仍然相当可观。分析表1中的数据可得,实际收集的废液量都比预期废液量小,其中乙醇、乙醚等用量较大的试剂回收率很低。除了统计方法的系统误差外,造成这一现象的原因主要是存在随意排放废液的现象。有些同学环保意识不够强,图省事怕麻烦,直接把废液排入下水道,有些学生没有明确哪些废液需要分类回收,尤其是大一新生,接受的实验训练比较少,还没有养成自觉对废液分类回收的习惯。为了给学生做好示范,每个实验室都应在公共台面放有试剂回收瓶,瓶身贴有醒目的标签写明回收废液的种类、实验项目,并在实验教学过程中多次强调,加强监管,严格要求学生按照对应的名称正确回收废液,逐渐让分类回收废液成为每个学生的习惯和自觉行为。
3.3有机废液的循环利用
废液的循环利用,是节约经费、节省资源的有效手段,对环境保护有重要意义。上述有机废液中,乙醇、乙醚、丙酮、乙酸乙酯等可以通过蒸馏或分馏的方法提纯后再次使用,再次使用这些溶剂时,一般不作为合成反应的试剂,而是作为后处理的试剂,如洗脱剂、萃取溶剂等,这样既不会影响反应的进行,又实现了废液的循环利用[9]。没有得到循环利用的废液,将和学院其他实验室的废液一起送至有资质的专业处理公司回收处理。
4结束语
综上所述,科学的管理方式可以提高有机实验室的工作效率,节约实验成本,减少实验污染,保障实验教学环节的顺利进行,而且还会对学生产生深远的影响。干净整洁的实验室,严格正规的实验规章制度,医学论文代发科学合理的实验安排,准确无误地提供实验所需的药品和仪器,对学生养成严谨的科学态度和工作作风有积极的作用。药品的绿色化管理和废弃物的分类回收利用,是对学生形成环保观念的很好示范,是绿色环保理念很有效的传达方式。因此,本着认真严谨的态度,探索有机化学实验室更科学规范、更绿色环保的管理方式,将为有机化学实验的教学工作提供更有力的保障。
作者:林佳丽 林荣 林双妹 单位:福州大学化学与化工学院