鄒曉川，王貴鳳，穆仕盼，楊怡萌，王存，李倩，代秦琴，張迪，楊晶,*

1重慶第二師范學院生物與化學工程學院，重慶 400067

2南寧師范大學化學與材料學院，南寧 530100

當前，有機化學實驗仍然采用知識與技能相結(jié)合的傳統(tǒng)傳授型教學方法，這種方法存在講授時間長、學生自主操作能力弱以及安全隱患突出等特點。近年來，學者們對有機化學實驗教學方法不斷進行探索和研究，已取得了一定的研究成果，如有機化學實驗專題式教學法[1,2]，有機化學實驗參與式教學法[3]，基于網(wǎng)絡(luò)資源的PBL教學法[4,5]以及有機化學實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學法[6–9]等。此外，南開大學韓杰[10]提出了“講一練二考三”新理念，旨在從教學方式、教學內(nèi)容和考核方式等方面對本科教學進行改革，切實提高教學質(zhì)量。邊磊等[11]通過設(shè)計開發(fā)有機化學實驗課程在線測試與學習平臺改進有機化學實驗教學。平臺除了具備考試系統(tǒng)的基本功能外，還可以根據(jù)測試結(jié)果推送相關(guān)學習資源，實現(xiàn)個性化精準教學。筆者采用拍照輔助改革實驗報告寫作方式，能夠有效避免學生相互抄襲的現(xiàn)象，圖片的再編輯過程能夠讓學生最大程度地再次熟悉實驗內(nèi)容[12]。盡管學者們對于有機化學實驗教學方法、教學理念、在線平臺建設(shè)以及實驗報告撰寫等方面進行了大量的探索與實踐，取得了令人鼓舞的成績，但是對于實驗過程如何提高師范生教研教改能力以及如何通過教學改革和創(chuàng)新從而提高師范生技能報道較少。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)”教學理念，采用“翻轉(zhuǎn)+分段式”混合教學模式，通過課前師生共同準備學習資源，學生自主學習，課中分段講解，互動交流、教學探究以及課后評價與教學基本能力培養(yǎng)，詳細展示如何提高化學師范生教學改革能力以及提升教學技能。

1 “一核三段六環(huán)節(jié)”教學理念

“一核”是指師范生的教研教學能力。學生畢業(yè)后主要從事的工作是中學化學(含實驗)的教研和教學，相應(yīng)的，在校期間，人才培養(yǎng)方案一方面要強化學生的教學基本技能，另一方面還要引導(dǎo)學生對教學內(nèi)容進行教研教改，而后一方面也是很多中學化學教師面臨的難點?！叭巍狈謩e是課前、課中以及課后，不同階段對應(yīng)學生不同能力的培養(yǎng)(圖1)。為了達成“一核”，在課前段包括師生共同準備學習資源、學生自主學習兩環(huán)節(jié)，教師提供參考文獻、操作視頻、安全視頻等，學生整理文獻、撰寫課程綜述、確定研究主題、設(shè)計實驗方案，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、互動交流以及實驗探究。課堂教學以學生為主體，將實驗分段講解，充分利用實驗等待期，在等待期進行教學探究、找錯糾錯、技能強化、安全提醒以及課程思政等。課后的評價與教學基本能力培養(yǎng)主要要求學生撰寫實驗報告，錄制微視頻，根據(jù)實驗內(nèi)容要求學生轉(zhuǎn)換為教師角色進行教學設(shè)計、撰寫教案、制作PPT，同學之間說課、試講等。

圖1 不同實驗階段中對學生能力的訓練

2 “翻轉(zhuǎn)+分段”教學模式

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

3 以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯實驗為例提升師范生教研教學能力實踐

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、固體超強酸、雜多酸以及離子液體等[15–17]。大部分教材如蘭州大學編寫的《有機化學實驗》(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)時間較長，轉(zhuǎn)化率較低，副反應(yīng)較多，最后產(chǎn)生的廢液污染環(huán)境等問題。因此尋求安全、價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題的有效途徑。白銀娟等[19]總結(jié)了FeCl3·6H2O催化長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脂肪酸進行酯化，也獲得較高的產(chǎn)量。分析認為：反應(yīng)中鐵離子水解形成的陽離子簇具有催化活性，三價鐵離子利用其價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，且產(chǎn)品純度高、不腐蝕設(shè)備、處理簡單、操作簡便、無污染、符合綠色化學[21]的要求，本文以FeCl3·6H2O為催化劑，詳細展示催化合成乙酸乙酯的教研教學過程。

3.1 課前準備

課前，教師團隊在教學設(shè)計過程中主要采取“專題研討探究式”教學方法，以科研問題為導(dǎo)向，培養(yǎng)學生自主探索、自主創(chuàng)新能力。以FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯為例，教師提前兩周通過班級QQ群以學習資源包形式發(fā)布此次實驗的安全知識、實驗內(nèi)容、基本操作視頻以及課程要求。在這個階段，首先要求學生熟悉課程資源包(表1)，掌握實驗?zāi)康囊约盎驹?，充分了解本次實驗?nèi)容的背景以及會使用到化學藥品的安全信息，了解基本儀器的使用方法、注意事項等。其次，要求學生主要查閱CNKI、維普、萬方等專業(yè)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計實驗方案，撰寫課程綜述代替預(yù)習報告，著重要求學生總結(jié)不同催化劑的優(yōu)缺點，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通過在線或第二課堂時間向教師團隊進行匯報，教師對學生提出的方案進行評價，引導(dǎo)學生思考方案的科學性以及可操作性，最后形成可執(zhí)行的實驗方案。最后，教學團隊組織學生組建不同的催化劑用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等研究小組，在課堂上對FeCl3·6H2O催化合成乙酸乙酯進行詳細的研究。

表1 學習資源包

3.2 課堂教學

改革之前乙酸乙酯的合成，通常是一個班級所有學生完成一個實驗，實驗條件完全相同。這種教學方法雖然可以培養(yǎng)學生的基本操作技能，有利于理解有機化學基礎(chǔ)理論知識，但在培養(yǎng)學生的科研思維及創(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化學實驗，即采用探究性實驗教學，這有利于培養(yǎng)學生良好的教學能力。課堂教學總體原則是把實驗過程分成三個階段，以學生為主體，充分利用實驗等待期。第一個階段主要是根據(jù)學生預(yù)習情況，采用啟發(fā)式教學，首先引導(dǎo)學生思考為何要采用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)點在哪里？其次，教師根據(jù)學生分組數(shù)，設(shè)定單因素考查變量，如不同的催化劑用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度等，并對每個變量進行編號，學生隨機抽簽確定實驗內(nèi)容，從而對最優(yōu)條件開展探究。第二個階段主要向?qū)W生描述本次實驗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。第三個階段主要是找錯糾錯、技能強化、安全提醒以及課程思政等。尤其是充分利用實驗等待期，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間，學生會閑聊、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間，我們會邀請同學介紹傳統(tǒng)催化劑濃硫酸催化合成乙酸乙酯的基本原理，邀請同學分享濃硫酸的應(yīng)急處理、離子液體的優(yōu)點、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

實驗結(jié)束后，一方面要求學生撰寫實驗報告。實驗報告中基本信息部分必須與教學日歷一致，如實驗名稱、日期；原理部分使用化學方程式表示；實驗報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處理實驗數(shù)據(jù)等。結(jié)果與討論部分中，要求學生對反應(yīng)產(chǎn)率與理論值進行分析，引導(dǎo)學生從化學反應(yīng)的本質(zhì)和一些外因進行剖析。另一方面要求學生翻轉(zhuǎn)教師角色，以“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認識”“實驗探究與創(chuàng)新意識”以及“科學精神和社會責任”等五個要素的高中化學核心素養(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，進行教學設(shè)計、寫教案、做PPT，說課、試講等環(huán)節(jié)。如微課部分要充分融入五要素，詳細展示核心素養(yǎng)中的過程屬性和結(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)，從濃硫酸造成的嚴重安全事故到路易斯酸催化劑的應(yīng)用范圍等；再從直觀的液體、固體原料再到微觀的分子原子。實驗過程要利用字幕或者語言提示關(guān)鍵操作步驟和總結(jié)性內(nèi)容，要體現(xiàn)探究式的學習模式。在錄制過程中，要求師范生突出語言的魅力，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《化學教育(中英文)》《化學教學》以及《大學化學》等學術(shù)期刊相關(guān)論文，跟蹤學科前沿，焦聚教研教改。

3.4 課程效果

課程結(jié)束以后，以隨機的方式對班上同學展開調(diào)研，目的在于了解師范生對于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念的理解和認識，以及通過融入該理念在有機化學實驗中是否可以提高他們的教研教學能力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生普遍認為“一核三段六環(huán)節(jié)”教學理念十分新穎、非常實用并具有吸引力。課前翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)學生可以了解到更多與實驗內(nèi)容相關(guān)的知識，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，分段式教學充分利用了課程等待期，非常值得借鑒。此外，通過增加課后錄制微視頻、撰寫教案、制作教學PPT以及分組試講等環(huán)節(jié)(圖2)，要求學生不僅要會做實驗，還要會寫實驗報告，會表達，會分享，會編輯，會制作。學生們認為這個過程既提高了實驗技能，又翻轉(zhuǎn)角色，還強化了師范生技能，從“我”做實驗到“我”組織實施此次實驗，這是一種師范生全程融入的過程。

圖2 視頻實驗報告

近年來，學院積極鼓勵學生申請學?？蒲许椖浚瑓⒓犹魬?zhàn)杯、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、數(shù)學建模大賽、化學實驗技能大賽等，取得突出成績，其中本草止癢產(chǎn)品在“創(chuàng)青春”全國大學生創(chuàng)業(yè)大賽中獲得了國賽銅獎。在2020年，學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目市級立項5項，校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化項目7項，校級大學生科研立項15項，第一作者公開發(fā)表論文14篇，授權(quán)實用新型專利4項。

4 結(jié)語

基于“一核三段六環(huán)節(jié)”理念實施有機化學實驗的實踐與探索，我們發(fā)現(xiàn)師范生對有機化學實驗的學習興趣明顯提高，實驗操作的熟練程度和規(guī)范性也得到明顯的改善。課前課中教學能夠顯著促進師范生對實驗內(nèi)容的理解和掌握，充分利用實驗等待期，還能促進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、課堂組織、語言表達以及多媒體應(yīng)用、軟件使用等方面的能力。對于提升學生的教研教學能力有一定的推廣價值。