浅析专题式教学方法在有机化学实验教学中的应用探索

　　教学方法的改革始终是高校课程建设的重要内容之一。在大学实验教学改革过程中，各校都通过新的实验教学体系的建立，除开设原有的基础规范性实验外，纷纷开设了各类综合设计性实验、研究探索性实验等，并在一级学科的层面上开设大型综合性实验，用于培养学生综合实践能力和研究创新能力，由此，带来了一系列实验教学方法、手段的改革，成效也是显著的，建立了一大批国家级、省级实验教学示范中心、精品课程等等。那么，今后大学实验教学改革还有什么要做，如何进一步深化？这是值得我们深思的一个问题。在大学有机化学实验的教学过程中，我们研究探索将专题式教学法应用其中，力求通过这种方法，将有机化学理论与实验紧密结合，促使理论教学与实践能力协同提高。
　　一、专题式教学法的概念
　　专题式教学法从20世纪80年代开始已有研究，在欧美比较流行，至今所涉及的学科包括历史、政治、语文、生物、医学等，但将其引入理工科课程教学的较少。专题式教学法的英文意思是projectbasedlearning，虽然它与通常讲的问题式教学法（problembasedlearning）的英文缩写都是PBL，但两者有本质上的区别。问题式教学法学生的活动涉及的是studying，而专题式教学法中，学生的活动是针对构建一个产品（product）。它的两个显著特征是：（1）由于一个问题的存在，从而驱动了构建问题解决方案的一系列活动；（2）以最终方案的形成驱动问题的解决。因此，芬兰学者对专题式教学法的定义是：专题通常是由学生自主提出一个解决问题的方案，并形成最终产品（例如：论文、报告、计算机程序或模型设计方案等），涉及单个学生或一组学生的主动性参与，工作往往在一个相当长的时间内完成，所有教学工作人员只参与咨询，而不下独断的结论，在各个阶段起启蒙、引导和助推的作用。
　　专题式教学法组织的课程内容多维立体，教学可以从任何一个维度开始，也可以在任何一个维度结束，整个教学过程随学生自身需要、学力水平、知识经验的变化而变化，整个教学过程以教学的终极目标为核心，向多个维度聚合辐射。聚合的是学生思考时所需要研读的学习材料，辐射的是学生在阅读后形成的多元路径、多维发展、丰富多样的研究问题。与传统的单元式教学法相比，将专题式教学法应用到大学有机化学实验教学中，其优势是很明显的。主要是：（1）组合更新优势。可以在单元学习内容的基础上，根据需要组合新的学习内容，跟踪学科发展的新内容、新趋势。（2）综合交叉优势。可以将有机同系物设计在一个专题中，从化合物的提纯、反应、应用等多方面进行实验，反复练习，从而将性质实验、制备实验、应用性实验聚集到一起。（3）协同提高优势。将有机化学理论知识充分应用到实验过程中，用于解决实际问题，同时，通过实验，在比较、归纳相关学习内容的基础上，加深对理论的理解和掌握，形成上位的、理性的认知。（4）自主教学优势。不同的学生可以在基本一致的框架内有自己的选择，包括实验项目、实验内容、实验条件等。教师也可以最大限度地发挥主观能动性，整合、开发教学资源。
　　二、传统实验教学方法的缺陷与改革的意义
　　近几年来，我们在有机化学实验教学改革方面做了许多有益的尝试，开设了综合性实验、系列性实验等等，教改的成果得到了推广，也获得了同行的认可。但在日常教学过程中，我们深刻地体会到传统的有机化学实验教学模式和教学内容还存在许多不足之处，主要有以下3个方面：
　　（1）有机化学理论知识学习僵化。学生不能正确地运用所学理论知识来解释实验现象，解决实际问题，将学习有机化学的重点只放在记忆有机化学中的基本理论、基本概念和一些反应式，不能理论联系实验深刻理解有机化学的反应规律，造成有机化学理论空洞学，有机化学实验盲目做的僵化局面。（2）实验内容零散，相互独立分割，重点不突出。实验的主要内容过多地局限于基本技能训练、基本操作实验和一些简单的制备实验，实验与实验之间无关联，系统性不强，学生只能零打碎敲地做实验，对实验的统筹性整体性把握能力较弱。（3）实验教学中创新能力培养的原动力不足，教学效果背离有机化学实验教学设计的初衷。在设计有机化学教学实验时，本意是将有机合成的全过程，即文献查阅原料提纯条件优化实验操作产品表征等环节贯穿其中，培养学生独立完成一个完整的操作流程的能力，但由于教学时数的限制或其他课程的冲突，学生只能按课本作机械式的操作练习，大家同一步骤、同一进度，缺乏创造性的激励机制。
　　在专题式学习时，贯通理论与实践的联系，有机化学理论的学习进一步深入，并在实验中得到巩固、提高，而实验过程中的问题将得到及时地解释、解决。其意义在于：
　　1。理论与实践的贯通提升了实验教学内容的高度
　　建立理论与实践贯通的专题式项目教学，要求学生必须扎实地学好有机化学理论以指导实验。教学过程中，可以以专题的形式将有机化学新理论、新方法、新反应和新技术充实到实验教学内容中，使学生能够更好地掌握当今有机化学实验的先进技术和方法，了解当今化学科学研究的前沿，能够全面考察各个实验之间的转化规律，了解化学化工领域可持续发展的研究思路和方法，使有机化学实验教学内容更新、更广，提升有机化学实验教学的水平。
　　2。专题式探究学习锻炼了学生的综合创新能力
　　改变零散分割的实验教学模式，以专题的形式组合实验教学内容。在每一个专题的制备实验、应用实验中安排一些设计性实验，以发挥学生的主观能动性。在专题的拓展实验中，可以采取项目组的形式，按实验产品的不同分成若干小组，分工合作，归纳总结，从而加深对有机化学理论的理解。这不仅要求学生通盘考虑实验进程，更重要的是要让学生在理论指导下学会创新和创造，在实验训练中学会设计实验以及在实验中利用理论知识去分析实验过程中出现的现象和结果，启发和激励创新意识，锻炼实际的综合创新能力，最终学会初步科研的能力。
　　3。专题式内容组织促进了实验教学的完整性、系统性
　　有机化学实验包括实验的基本理论和基本操作，理论与实践贯通的专题式实验教学组织可以在理论的指导下，尽可能多地将有机化学实验的基本操作、基本技能设计包含在一个实验中，便于学生全面正确地把握有机化学反应规律和实验理论，规范实验操作。对实验中出现的现象、问题，可根据实验前后的关联，做出正确的分析和处理，使有机化学实验教学在形式、内容上更具有完整性。
　　理论与实践贯通的专题式探究学习的创新点在于融理论知识的学习和实验技能的培养、创新能力的锻炼于一体。有机合成是实验课的重点，从单元合成到多步合成，再进入具有科研性的系列合成，层层扩展，不断深入。教师在讲述实验课程时，需要结合理论化学和实验技能让学生全方位巩固有机化学知识。实验前要求学生预习专题实验内容所涉及的理论知识和实验基本操作。实验技能方面要求学生根据合成的目标化合物的不同选用不同的反应装置，学会各种装置的使用方法和应用范围，并且明确各个反应装置的作用，安装反应装置时应注意的事项等。在实验过程中必须利用基础理论知识解决一些常见的问题。实验结束后，根据文献查阅、各专题小组实验情况进行讨论，比较实验方案的利弊，解释实验结果，并对实验结果给出比较和评价，在拓宽学生知识面的同时，把学生初步引领到科学研究的轨道上来。
　　三、专题式教学法的设计与实践
　　影响实验教学效果最重要的因素是实验内容和实验方法，实验内容应该具有先进性和综合性，实验方法则应以新技术、新方法和新手段为主。有机化学实验教学应以培养学生的思维能力、观察能力、设计实验的能力、动手操作能力、提出实验中遇到的问题并设计方案来解决问题的能力、以实验为基础理解化学理论的能力为重点，特别是要以培养具有基本研究能力和综合实践能力的人才为教学目标。在教学中，需要培养学生对有机化学实验现象的观察、分析、比较、综合、归纳、演绎、推理等能力，必然要求教师在教学过程中积极转变教学观念，整合、深化教学内容，创新教学手段，以学生发展为中心，充分调动学生的学习主动性，对有机化学实验教学进行大胆探索与创新。
　　我校有机化学实验课程作为基础化学实验（），是国家精品课程（基础化学实验）的重要组成部分，2013年已转型升级为国家精品资源共享课，其教学对象面向化学工程学院、材料学院、海洋学院、药学院、生物与环境工程学院以及2011协同创新中心等学院、单位的20多个全日制本科专业，量大面广。目前，有机化学实验课程总学时64学时，教学内容主要包括基本操作和基本技能实验、有机合成实验、基础综合实验3大块，根据化合物的结构种类开设12个左右的实验。为更好地组织实施专题式有机化学实验教学，我们首先在2011协同创新中心的班级中进行试点，将所有实验改成专题式教学，待运行成熟后将逐步推广到其他专业。
　　在基础化学实验国家精品课程建设过程中，我们建立了三层次（基础规范性实验综合设计性实验研究探索性实验）、一创新（创新训练）递进式的化学实验教学新体系，将大学生创新实验项目大学生科技创新项目等课外科技活动和大学生实验竞赛等融入创新实验教学体系，积极构建开放式的创新教学平台、建设学生创新基地，将第一课堂与第二课堂紧密结合起来。这些有利条件为我们开展专题式教学奠定了基础。目前，由于受到本科培养计划总学时的限制，不可能无限制地扩大专题式教学的时数，我们的办法是在规定的64学时内完成所有的基本实验，然后开设专题式实验选修课，将课内实验延伸到课外，学生可利用课外时间尽情地完成应用实验、拓展实验，不受教学时数的限制，从而实现了课内、课外的互动，活跃了第二课堂。
　　专题式教学首先要对学生强化与实验内容相关的理论知识，使学生全面了解实验的基本原理和相关反应的机理，帮助学生从理论上分析实验过程中可能出现的现象和结果，使理论与实践贯通。在实验过程中，将某一化合物的制备实验、应用实验、同类型拓展实验等组成一个专题，用组合式实验替代原有教学体系中分散化的实验，如在现有有机化学实验教学内容的基础上，按化合物种类划分若干专题，如卤代烃、醇、酮、酸、酯、胺等。每一个专题中包含该类化合物的制备实验、应用实验、拓展实验等。实验反应机理、实验条件、实验中出现的相关问题等要求学生从理论的高度给予正确解释。在应用实验、拓展实验中进一步增大实验的信息量，将相关的新技术、新方法引入实验教学中，通过基本实验的学习再进行拓展实验和应用性实验。
　　在实验过程中，必须利用基础理论知识解决一些常见的实际问题，既要了解化合物的性质、反应的类型与条件，又要根据所学的理论知识来指导实验，以此全面掌握实验基本操作和常见有机化学反应，实现理论为实践所用，理论为实践服务的根本目的。实验结束后，根据文献查阅对实验情况进行讨论，比较实验方案的利弊，解释实验结果，并对实验结果进行比较和评价。
　　在每一个专题的拓展实验和应用实验中，可以采取项目组的形式，按实验产品的不同分成若干小组，分工合作，归纳总结，从而加深对有机化学理论的理解。每一次实验都不是零碎的简单实验，而是理论与实践紧密结合、知识与能力协同提高的实验组合群。
　　在专题式教学过程中，指导教师利用基本实验，仔细讲解实验中的知识点、注意事项，培养实验的基本技能，提出拓展实验的要求和应用实验的设计思路。一般情况下，拓展实验可以根据现有教科书的实验方案进行实验，实验结果以实验报告的形式上交，主要目的是多做多练。应用实验以34人为一个实验小组，要求学生查阅相关文献，撰写实验方案，以发挥学生的主观能动性为主，教师起引导和助推的作用，允许实验失败，允许没有实验结果，最后以论文的形式总结归纳，上交指导教师评阅。
　　四、结语
　　通过前期的试行，学生的综合能力逐渐凸显出来，以专题实验的内容和研究为基础，学生已经成功地申报了两项省级大学生科技创新项目（省新苗人才计划项目），在核心刊物上发表了相关的研究论文，并获得全国大学生挑战杯课外科技活动奖多项。自2008年开始，参加每两年一届的全国大学生化学实验邀请赛以来，已获二等奖两项，三等获多项。由此也证明，在大学有机化学实验教学中实施专题式教学，拓展了该教学方法在理工科课程教学中的应用，推动了实验教学方法的创新，关注理论与实践的结合，关注学生在掌握基础理论知识的同时提高实际能力。