科学实验是知识的源泉,是推动社会进步及科学技术发展的重要动力,科学实验是人类认识自然及最终改造自然的最直接的活动,只有在不断的实践中改革和发展,才能推动社会进步,有利于人类的生存。时代要求人才培养模式由专科型向综合型发展,因此我们必须在有机化学教学中重视学生对实验理论知识的掌握,为培养学生综合能力和创新能力奠定基础;时代要求化学实验改革既要满足创新人才的培养要求,又要实现绿色化,为人类生存和自然和谐发展提供良好的环境,也就是说,改革后的实验要把创新能力的培养和实现绿色化结合起来;时代要求我们培养具有独立分析问题和解决问题及综合能力强的复合型人才,为此我们为学生开设具有创新性的综合实验和设计性实验,从而为培养新型化学工作者奠定基础。为此,我们在制药专业有机化学实验教学中进行了一些大胆的改革,我们的具体做法如下:
1重视学生对理论知识的掌握,为培养学生综合能力和创新能力奠定基础
长期以来,不少实验课教师认为,实验课就是让学生动手做实验,实验原理请学生自己看教材就行了,其结果是培养的学生只会照方抓药。笔者认为,实验理论知识的掌握,对于学生实践能力的提高和创新能力的培养具有重要作用。有机化学实验中涉及的实验理论知识主要是实验技术原理和化学反应原理。我们在实验课的基本操作和基本技能训练阶段,由教师向学生讲解实验操作原理和反应原理,使学生在实验过程中明确每一步操作需要解决的问题和可能出现的实验现象,知其然,也知其所以然,并引导学生将相关的理论知识应用于具体实验中,训练他们正确设计实验(设计正确方法、实验条件、仪器和试剂)和解决实际问题的能力。重视对实验理论知识的掌握,不仅为综合性、设计性实验的顺利实施提供保证,而且为学生综合能力和创新能力的培养奠定了重要的基础。
如在环己烯的制备中环己烯粗产品用饱和食盐水洗涤,既有利于分层,又可利用盐析效应来减少环己烯在水中溶解造成的损失。而在正溴丁烷制备中正溴丁烷粗品用水洗即可。完成这两实验后,学生基本掌握了有机物粗品洗涤液的选择原理,在以后的合成实验中,学生依据所查阅的物理常数中化合物在水中的溶解度,即可掌握洗涤液的选择。在设计实验苯甲酸、苯酚及环己醇的分离提纯中,设计分离苯酚的步骤时,学生均考虑到用盐析效应降低苯酚在水中的溶解度,有部分学生选用氯化钠固体来饱和苯酚水溶液,取得了较好的效果。
又如,酸催化下醇和酸的酯化是典型的可逆反应,从化学反应原理上说,促使平衡向生成产物酯的方向移动的主要措施是增加反应物浓度及将产物从反应体系中分离出去。但从实验技术原理看,反应体系不同,合成反应所采用的装置不同。教师在讲解乙酸正丁酯的制备实验时,讲清楚反应原理和实验技术原理,介绍采用分水器把产物中小分子物质(水)从反应体系中分离出去的方法促使平衡向生成酯的方向移动。在讲解分水器分水原理及使用方法后,提出在什么情况下可使用分水器分水的问题请同学思考。在设计实验冬青油的制备实验方案设计中,由于甲醇的沸点低且可与水互溶,想用分水器的同学就提出在分水器中加入吸水剂,还有的同学提出将吸水剂置于索氏提取器中吸收所生成的水来实施酯化反应。虽然有些设想不成熟,但已体现出实验理论知识的掌握在激发学生创新性思维中的作用。
2使有机化学实验内容绿色化,为人类的生存和自然的和谐发展提供良好的环境
2.1研究开发绿色化的教学内容
绿色化的教学内容是实施绿色化教学的核心问题。绿色化的基本内容是:由无毒害的原料,在无毒害的催化剂、溶剂等反应条件下获得对环境友好的产物。必须根据这些要求来选择、组合和规范教学内容,才能符合真正意义上的绿色化教学。目前我们虽然还不能完全达到这些要求,但长期以来都是在不断朝这一方面努力实践。
2.1.1取代或改革毒性比较大的传统实验题目
从20世纪80年代起,我们便取代了一些毒性大的有机制备实验,如苯和液溴制备溴苯,由苯的硝化还原制备苯胺、苯乙酮的制备等。其中在苯乙酮的制备和硝基苯的制备中所使用的苯能导致造血系统中毒,无水三氯化铝对皮肤有刺激作用。在苯胺和硝基苯制备实验中所接触的硝基苯和苯胺等有致癌作用。对这些实验中的基本反应用相应的试管性质实验加以强化,以便学生获得感性认识,加强对有机理论知识的理解;对这些实验中的基本操作则选择一些毒性小的制备实验进行训练。另外,在传统的乙酸正丁酯的制备实验中通常采用浓硫酸做催化剂,实验中会产生大量废酸。我们采用高效、无毒、无害的固体超强酸作为催化剂,并可以分离回收重复使用,从而大大减少了环境污染。
2.1.2取代毒性大的反应试剂并开展微型实验教学研究
如经典实验苯乙酮制备中要用大剂量苯作为原料和溶剂,我们用生理毒性比苯小得多的甲苯代替,改为制备对甲基苯乙酮;在苯甲酸乙酯制备中本来都用苯作为共沸除水剂,而我们改用基本无毒性的环己烷共沸除水,平均产率达到85%。在微型实验对氯苯甲醛的歧化反应中尽管需用3mL甲醇为溶剂,我们仍未掉以轻心,改为5mL乙醇代替。其反应产物之一对氯苯甲醇(产量只约50mg),原文献记载其纯化方法是用甲醇进行结晶,在改用其它溶剂试验的过程中我们发现了该产物具有易升华的性质,遂用升华法代替重结晶,效果很好,这样不仅简化了步骤,还增加了一次训练升华操作的机会。
20世纪90年代初我们跟踪国外有机实验教学改革的新走向新潮流,积极开展微型有机实验教学研究。在大量试验的基础上选择出3个具有典型意义的微型实验,经过改造以适合国情之后将它们列人教学计划,实施大面积微型实验教学。
微型实验的宗旨是以尽量少的化学原料和试剂获取尽量多的化学产物及信息。这是现代科学研究的重要方法之一。因此,一方面,微型实验成本低、污染少、效率高,是绿色化学的一部分;另一方面,微型实验是一种新的教学手段和方法,具有多种教学功能。其突出的优点是,实验规模更切合近代科研实际,实验方法更符合科研要求;它的安全性、低成本更有利于进行设计性、开放式实验教学。因此,在提高学生实验水平、培养科研能力、培养创新思维能力、提高科学素质等方面,微型实验教学均可以发挥更为重要的作用。
现在,微型实验在我们的课程中已成为一个负载着特定教学目的的重要环节,是课程体系中不可替代的一个组成部分。研发新的微型实验,发展微型实验教学,扩大教学成果,将是今后进一步推行绿色化教学的一个重要内容。
2.1.3缩减合成实验的合成规模
在实验中我们将大多数的主要原料用量限制在3g左右,少数几个保持在5～10g。在此基础上将合成实验进一步优化组合,形成简单※二步※多步合成和常量※小量※微型实验教学体系,因此,大幅度减少了药品试剂用量,节省了水电煤气等能源资源消耗。学生的产品大部分可以自行消化,自行消化不完的则及时免费送给有关科研组,如三苯甲醇、对叔丁基苯酚、正溴丁烷和对甲基查尔酮等学生产品都成为有关课题组受欢迎的原料。
2.2合理安排实验、节约化学试剂、避免环境污染
近年来,由于教育经费短缺,加之物价不断上涨,造成了实验教学与化学试剂及仪器设备之间的供求矛盾。为了解决这一问题,我们在实验课的安排上做了周密计划,合理安排实验顺序,以节约化学试剂和绿色化为目的,从而收到了用较少的钱办较多的事的良好效果。与此同时也使学生将学过的知识系统化的掌握。
过去做实验往往是临时决定实验内容,这样学生来不及进行预习,实验内容从安排上也缺乏系统性。现在每学期开学前便制定好实验教学计划,将计划表贴在教室,以便学生能在实验前做到心中有数,及时预习。在编排实验时,注重将基本操作、制备实验、性质实验合理地结合起来。如在做制备实验回流时穿插进行性质实验,因为在制备实验中常有回流几h的空闲时间,在回流时做些性质实验便提高了时间利用率;把基本操作水蒸气蒸馏实验与苯胺制备实验并人一起进行,既节约了时间,又节约了试剂等等。为了激发学生的学习兴趣,我们就将一些有关联的实验串联编在一起,如在合成实验的安排中设计出一条龙的实验方式,即在多个一系列有机合成实验中,起始用一种试剂制备的产品,作为后一个实验的原料,如此连锁进行多次。如在教材中依据大纲要求在磺胺药物的制备中,有硝基苯、苯胺、乙酰苯胺、对乙酰氨基苯磺酰氯、对氨基苯磺酰胺等的制备,若把这些实验串起来,前一个合成实验的产品可作为后一个的原料。所有这些安排既节约了化学试剂、实现了绿色化,又使学生把学过的知识系统化;既提高了学生的学习兴趣,又培养了学生基本操作技能、使用仪器技能以及合理安排实验、勤俭持家、节约经费开支的好作风。
2.3开拓多元化教学手段,引人实验教学形式绿色化
在有机实验教学中开拓多元教学手段,积极利用计算机多媒体技术引入视听教材、教学软件、播放录像、进行辅助教学。对基本操作、有机化合物性质验证实验、基础有机合成、综合实验的基本原理,操作步骤在基础理论上同样运用多媒体在电教室进行演示和讲解。利用多媒体图像与音响,在电脑中演示三维操作动画,加深对实验操作过程的感性认识,提高实验的操作效率。在每次实验前,要求学生不光预习书本上的内容。还要在电脑上预习多媒体课件相关的章节。在实验课时老师将每个实验涉及到的基本操作流程播放一遍,然后将重要操作步骤进行回放和停顿,引导学生结合实验预习,以减少污染和浪费为目标。对实验方法进行思考讨论,发现需要特别注意的操作,并观察思考实验过程中可能出现的损失,泄漏,污染等问题,然后请同学自告奋勇上讲台进行讲解并示范实验主要操作过程,讨论操作过程中容易造成产物损失,污染环境的步骤,并提出自己的建议和改进方法。讲解过程要求并接受其他同学和老师的提问,最后由老师进行总结和评估指导。
运用计算机软件辅助化学实验正成为绿色化实验教学的重要组成部分。通过形象生动的演示描述过程,学生大大加强了对实验的兴趣,对实验操作绿色化多方位的思考,对正确环保的操作留下深刻的印象,提高了学生对参与绿色化实验教学的热情,激发了学生的主观能动性和创造性,鼓励学生在预习阶段广查文献资料,多思考。改善了绿色化实验教学的效果,克服了学生在实验过程中的恐惧感和畏难情绪。
2.4废液、废渣、废瓶尽可能回收利用
在有机化学实验中应尽可能做到除产品以外的零排放。化学实验产生的大量废弃物,如不及时处理而随意排放,不仅将对环境造成严重的污染,而且还会淡化学生的环保意识,养成不良的实验习惯。为了节约经费、实现绿色化,注意实验产品的回收和利用,如把制备实验的产品环己烯、乙醚、乙酸乙酯、溴乙烷、正溴丁烷、环己酮、己二酸等等经回收处理,作为有关性质实验的试剂和溶剂;用制备的甲基橙作为有关实验的指示剂;用重结晶得来的乙酰苯胺回收后做熔点测定时用;用蒸馏、分溜、萃取的实验产品作为性质实验的试剂、溶剂或燃料进行利用等等。还可以在实验室因地制宜的采取物理法(沉淀、蒸馏、反渗透等),化学法(中和、氧化-还原等),生物法(活性污泥法、生物膜法等)对废液进行处理。废瓶统一收集由生产试剂的厂家回收再利用。这样,可以大大减轻废液、废渣、废瓶对环境的污染。所有这些既避免了制出的产品弃去污染环境,又收到了产品回收利用、节约费用的益处。
综上所述,进行有机化学实验绿色化改革,是顺应时代潮流发展,保护人类赖以生存的自然环境的一项必要措施。新实验技术的应用,实验内容的更新,对环境友好的化学试剂和反应的选用,实验的微量化、半微量化,实验的综合化等构成了有机化学实验绿色化的改革方向。只有在实验教学中,从点滴入手,不断研究、发现和探索绿色化反应及条件,加强绿色化教育和环保意识,才有可能从根本上切断污染源。
3开设综合实验及开放性实验,培养学生独立分析问题和解决问题的能力
在基础实验阶段,验证性实验对学生系统掌握有机化学实验基本操作、技能、技巧,培养学生在科学实验过程中规范操作、认真观察、如实记录等基本实验素质、分析问题和解决问题能力及严谨的科学态度上是不可缺少的,但学生的主动性和创造性得不到有效发挥。我们在学生经过必要的基本操作训练并已具备一定实验能力的基础上,开设设计性实验,将实验题目以设计性实验项目任务书的形式在进行设计性实验的30d前布置下去,让学生有充分的时间查资料、整理文献,根据实验条件拟订合理的实验方案,选择合适的产品质量检测手段。实验方案经教师审核后,实施进行,并按要求写出实验报告。实施设计性实验,学生经过了文献查阅、文献总结、实验方案设计及实施、实验总结、撰写报告等多个环节的训练,使学生对进行科学研究的全过程有初步了解,提高了应用知识和技能进行分析、综合解决实际问题的能力,学生的实践能力和创新能力也得到了提高。
在四年级为了提高学生在实验技术方面的综合能力,培养学生初步的科研能力,我们为学生开设了36个学时的综合实验课,实验题目为:①药物青藤碱的提取分离及鉴定;②鬼臼素的提取分离及鉴定;③从槐米中提取芦丁;④药物苯佐卡因的合成及鉴定;⑤复方乙酰水杨酸(APC)的制备及含量测定;⑥氨茶碱缓释片制备和溶出速率测定;⑦药物扁桃酸的制备及表征;⑧药物乌洛托品合成及表征;⑨抗癫痫药苯妥英钠的合成及表征等。通过这些药物合成实验对学生的训练,不仅使学生将学过的知识系统化,而且培养了学生获取分析问题和解决问题的综合能力,从而为今后学生从事科研工作打下了坚实的基础。
实践中,我们注意到与实验效果有密切关系的几个问题。①选题的合理性问题。在基础实验阶段开设设计性实验,题目的难易程度及涉及内容与学生已有的基本理论知识及实验素质的匹配程度,对实验效果有较大影响。题目太难,文献量太少,容易造成学生丧失信心及众人一个方案;题目太简单,则起不到设计性实验的效果。②文献处理能力问题。许多处于基础课学习阶段的学生尚不了解文献资料的来源途径。因此,实验前要对他们进行文献查阅及文献整理基本方法指导,这样才能保证设计性实验的顺利实施并达到教学效果。③设计方案的可操作问题。处于基础课学习阶段,学生对理论和实践的差异尚未充分认识,在设计方案中,常常出现设想合理,实际难以实现的情况。如在苯甲酸、苯酚及环己醇分离提纯实验中,有的学生设计先用NaOH溶液将苯甲酸和苯酚与环己醇分离,然后向水层在通人CO2使苯酚游离出来,分离出苯酚后,再酸化得苯甲酸。该方案理论上没问题,且分离方法最简单。但在一般实验中,却难以实现。因此,如何在实验指导过程使学生逐步认识事物的合理性和可操作性之间的关系,对学生实践能力的提高具有重要意义。
综上所述,通过我们在制药专业有机化学实验教学方面所实施的3个方面的改革,一方面提高了学生的综合能力和创新能力、分析问题和解决问题能力,另一方面也实现了有机化学实验教学的绿色化,使人类和自然得到和谐发展,因为绿色化学造就绿色生活,同时培养了与时俱进的复合型专门人才,起到了事半功倍的良好效果。
