| 标题 | 提供中学生深度科研体验的高端有机合成课程开发与实施 |
| 范文 | 陈鹤 董素英 刘作亮 孙士元 周逸清 周瀚洋?? 摘要： 构建高端有机合成项目课程平台，该平台为对化学、科研感兴趣的学生提供了一个深度的科研体验。专业实验室和高学历的指导教师队伍，保证项目研究的学术性。多样化的研究课题为学生提供多种选择。具有包容性和开放性的课程实施策略满足学生个性化发展需要。实践结果表明： 高端有机合成课程对学生科研素养培养有积极作用。采用自主研发的中学生科研素养评价指标体系进行自评，参加高端有机合成课程的学生，科研素养得分有所提高。 关键词： 中学化学教育； 科研素养； 校本课程； 科学教育 文章编号： 10056629（2018）8003406 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 北京市十一学校秉承“以学生为主体”的理念，构建了4个层次的化学课程[1]，高端有机合成项目课程是学校化学教学课程体系的完善与补充，使得中学化学教学形成了从学科知识到项目实践研究的完整课程体系。 中学生接触科研项目其实不是一件新鲜事，比如北京的“翱翔计划”、“英才计划”及“后备人才计划”等等[2， 3]，都是立足于中学阶段培养学生的科研素养。但是，主要依靠大学的资源和力量对中学生进行培养，存在“水土不服”的问题[3]，且对于学业繁重的中学生而言，奔波于大学和中学之间，时间成本太高。其次，由于资源的稀缺性，以及参与资格竞赛性的特点，能够进入到这些活动的学生人数是非常有限的。在中学阶段，更多学生没有真正接触过科研，因此给对科研有好奇心、有兴趣的学生提供一个平台，通过深度的科研体验，让他们了解科研，从而激发他们对科研的兴趣，引导他们树立将来从事科研的志向，这有利于国家科研创新人才的培养。 高端有机合成项目课程关注学生科研素养的早期培养。具体表现在： 使学生获得亲身参与科学研究的体验；培养发现问题和解决问题的能力；培养收集、分析和利用信息的能力；养成科学态度与科学道德；培养创新能力和实践能力；熟悉进行科研课题研究的一般方法；掌握基本的科研技能，包括文献查阅能力、实验设计与评价能力、实验仪器与仪器操作技术、论文写作能力、答辩与表达能力和团队合作能力。 1 构建高端有机合成项目课程平台 1.1 高端有机合成项目课程的实验室建设和师资要求 要达到以普通中学为主要阵地，依靠中学资源培养学生科研素养的目的，学校就要承担大部分研究工作的开展。因此，必须在中学建立专业的有机合成实验室，以满足常规的有机合成实验及有机物结构鉴定的需要。鉴于中学化学教材已经引入利用红外光谱、核磁共振氢谱、质谱等现代仪器分析有机物结构的知识，且这些仪器和分析手段是有机合成研究中不可缺少的，我校在筹建高端有机合成实验室时，优先保证上述结构分析仪器的配备，之后根据学校拟定的课题研究方向，配置了如表1所示的大中型仪器。 实验室内配有一个通风橱；各实验台上均有万向通风罩；其他的小型仪器，则根据课题的需要，指导教师可以随时向学校申请购买。 在师资配置上，为保证科研课题的学术性，让学生的研究工作能够深入，尽可能接近真实的一线科研工作，高端有机合成项目课程的指导教师要求硕士以上学历，自身必须具有科研经历。目前高端有机合成实验室共有5位指导教师，其中，1位是清华大学毕业的博士，2位是中科院化学所毕业的博士、1位是北京理工大学毕业的博士，1位为清华大学毕业硕士。这5位指导教师均是本校教师。本校教师担任项目课题的指导老师，可以最大程度地方便学生和教师之间的交流，真正做到依靠中学力量培养学生。 1.2 选课、上课与学分获得 高端有机合成项目课程建设的初衷是给对科研有兴趣的学生提供深度的科研体验，因此，有兴趣的学生就可以参加。怎么解决学生人数的问题呢？经过研究，我们的实施方案是缩短课程链，增加选课次数，让有兴趣的学生都有机会参与，通过课程实践进行淘汰，只有那些非常有兴趣和有天赋的学生才能坚持深入研究。即每学期选课一次，第一次没有抢到课的学生，以后的每个学期都有机会参加抢课。而抢到课的学生需要完成两个大学段的学习，通过课程考核可得2个学分。为保证科研的基本质量，规定每个学段至少需要16小时（每周至少两小时，根据具体课题和教师的要求，有些课题可能需要更多学时）。初中学生选课后需要进行面试，面试合格后才可以参加。为保证选课学生在实验开展过程中能与指导教师有充分交流的机会，同时考虑实验场地、资源的限制，最终决定每个指导教师开展的课题限报12人。 上课时间的确定是高端有机合成项目课程的一个难点。时间和精力是制约学生课题开展及课题深入程度的一大要素，没有固定的时间要求，课程的质量、项目的进展得不到保证；而完全依靠周末和寒暑假的时间，无疑会打击参与学生和教师的积极性。另外，很多有机合成实验，仅合成反应一步就需要数个小时，因此必须有整块的时间投入，才可能保障实验的正常进行。经过研究，我们采取固定每周上课时间，同时利用小学段大块时间相结合的方式开展课程。具体为每周上课时间固定在4：20～5：20，這个时间段是放学前的最后一个时间节点，如果有实验没有完成，可以顺延到晚上，不与学生的其他课程冲突，而对于需要连续几个小时才能完成的合成实验，则集中在小学段完成（小学段在期中考试后，持续2周，这2周学生完全自主学习）。 1.3 课程资源建设 真实的科研必需要查阅文献，文献查阅是科研课题开展很重要的一部分，只有阅读大量与课题相关的文献，才可能提出合理的实验方案。课程开设之初，由于时间和经费的限制，文献主要由指导教师查阅，然后筛选出来给学生阅读，课堂仅介绍文献查阅的方法。然而这种文献查阅处理方式的结果是，在后续的实验开展阶段，学生遇到问题后，不会主动检索文献解决，比较依赖教师。为更好地培养学生查阅文献、独立解决问题的能力，我们最终决定向学生开放购买的中国知网数据库的账号和密码，学生在实验开展的各个阶段，都必须自己查阅文献，提出实验方案，解决实验中遇到的问题。 高端有机合成項目课程对全校学生开放，由于学生层次水平的不同，对有机知识的了解程度不同，指导教师编撰了课程手册《有机合成简介》，方便学生有需要时翻阅。课程手册结合实验室的课题方向和实验室配置的大中型实验仪器，介绍了部分有机合成的基础知识以及常见分析仪器的使用方法。 2 高端有机合成项目课程的实施 2.1 课程实施具体流程 高端有机合成项目课程实施流程如图1所示。学校课程管理办公室全面负责高端有机合成项目课程的管理工作，包括组织科研课题的申报以及组织化学学科科技教育负责小组对申请课题进行审查筛选。课题指导教师每学期只能申报1个科研课题，尚未结题者不得另外申请新的课题，对选定的课题应精心设计、论证，实事求是地制定研究计划和经费预算。课题研究周期一般为1学期或1年，最长不超过3年。 2.2 课程实施策略 指导教师在申报课题时，必须充分考虑学生的实际情况，不宜开设过于艰深的课题，尤其注意不宜开设诸如在加热情况下反应超过10小时的研究课题，合成时间太长，学生在时间上无法保证。高端有机合成项目课程目前有5个不同的研究课题： （1）酶促水凝胶的制备及表征；（2）具有光学特性的有机小分子探针合成，并对其性能进行研究；（3）以马来酸酐为原料合成含有烯二炔核心结构的小分子，进而制备高分子；（4）荧光素的合成与表征；（5）乙酰水杨酸的合成与表征。这5个课题中，前三个课题，属于原创类研究课题，因此没有现成的实验方案，学生必须和教师一起阅读文献，制定实验方案，实验过程中遇到的问题也必须依靠学生自己解决，对学生和教师的挑战都很大。后两个研究课题文献中可以查到成熟的实验方案，指导教师对实验比较了解，仅对学生而言是全新的，且与前三个课题相比，也相对简单。5个研究课题，2个研究层次，供学生选择，使学生能更好地根据自己兴趣和水平选择相应的课题。 由于学生每学期选课一次，课程的设计必须满足学生既可以多个学期选定一个研究课题进行深入研究，也可以在一个研究方向上只进行一个学期的学习，第二学期更换其他感兴趣的研究方向。因此课程必须具有包容性和开放性。 （1） 不要求所有的学生课堂内容统一，课题研究进度统一。中学生做科研，首先遇到 的是知识储备的问题。由于课程面向全校学生开放，学生年级跨度大，学生知识水平差异大。比如有的学生刚刚接触化学，完全没有学过有机；有的学生正在学基础有机化学 模块；有的学生已经学完了基础有机化学模块；而参加化学竞赛的学生，已经开始学大学的有机化学。因此，必须依据学生的知识水平进行分组，制定不同的学习内容，同时将课程内容进行“切块”处理。高端有机合成项目课程共切为五块： 分别是文献检索、理论知识、基础实验、课题实验、科技论文撰写。文献检索和科技论文撰写部分可以统一教授，而理论知识、基础实验、课题实验三个部分，根据学生水平差异，进行分组指导。 （2） 允许学生自主实验，确保课题持续性。在基础实验和课题实验之上，设有自主实验，允许和鼓励学生将课题做深做大，提出自己后续的想法和方案，自主研究。这种提供学生进阶空间的实施策略，可以满足不同程度学生发展的需要。如上学期教师带着做小课题，做得好的学生，下学期独立开展课题，进行自主实验。董素英老师第一学期带领一组学生进行“乙酸戊酯的合成和紫甘蓝色素提取、光学分析的研究”；第二学期，学生在此基础上提出自己的想法，自然而然分离出两个课题“紫甘蓝色素与酸碱反应可逆性研究”和”紫甘蓝色素定量测定水的pH”。这样的课程实施策略，符合、尊重学生的个性化发展，为学生进行自己感兴趣的课题，提供了充足的空间。 3 高端有机合成项目课程的评价考核 高端有机合成项目课程的评价采取过程性评价、论文、课题答辩三者相结合的评价方式。由于不同课题之间差异性较大，过程性评价由各个教师自主设计评价指标及标准。最终成绩中过程性评价占40%，终结性评价占60%。所有的过程性评价随课程开展上传学校课程平台，师生可以查看。根据课题开展情况，在学期末，进行终结性评价，即学生进行中期汇报或结题答辩，提交中期汇报或结题论文，由指导教师负责质量把关。所有课题由学校课程办公室统一安排集中答辩，答辩向全校师生开放，按照10分钟自述，3～5分钟提问进行，会场学生和教师均可提问。按照课题周期，如是一学期结课的课题本学期末进行结题答辩；一年结课的课题进行中期答辩。评委教师当场给答辩小组进行评审。答辩结束后，评审团将结果反馈给各指导教师，指导教师将成绩上传网络平台，并赋学分。 4 实践结果 4.1 课程实施的效果 高端有机合成课程自2014年开设以来，历经3年，参与学生近200人，受到学生的喜爱和肯定。学生在总结中写道：“我惊奇地发现自己在课上变得自信、活跃起来，这和初中那个只会埋头记笔记的我是完全不同的。在下一个学期，老师更多的时候就是站在旁边看着我们实验，或者帮助我们跑腿，去给我们到处借橡胶管……，所以我们学会过柱子、学会点板、学会通氮气、学会旋蒸、学会写论文、学会答辩、学会主动收拾实验室卫生”“高端课是学校送给我们一份珍贵的礼物”“高端课教会了我科学严谨的证明态度，为我以后的化学学习打下了良好的基础，而我也能乐在其中，发现化学的美”。在课程开展的3年中，有的课题组发现自己研究的结果和文献相矛盾，通过反复验证，提出方案，最终给出了自己的结论；有的课题组根据自己的实验，总结撰写论文，并公开发表[4]。也有很多学生选了一学期的课后就放弃了，他们表示科研比想象中苦和累。但是无疑地，高端有机合成课程给了中学生一次真正认识科研，了解科研的机会，同时帮助他们更清楚地认识自我，有助于学生今后发展的规划。 为评价高端有机合成项目课程对学生科研素养的培养作用，我们研究开发了中学生科研素养评价模型，利用模型调研学生科研素养得分。 （1） 数据采集及学生基本信息说明 学生调研对象是北京市十一学校在校高中学生，覆盖我校高一至高三年级学生，发放自评量表300份，回收255份，有效问卷255份。 （2） 调研结果及分析 各指标满分是5分，按照“非常符合”、“比较符合”、“一般符合”、“不符合”、“很不符合”五个等级，分别赋分5、 4、 3、 2、 1。根据中学生科研素养的总评价模型计算结果显示，上过高端有机合成项目课程的学生，在各指标的得分都有所提高。一级指标中，高端项目课程对学生科研精神的影响最大，其次是科研能力。二级指标中，高端项目课程使学生“撰写科技论文的能力”提升最大，说明高中常规科学教育在培养撰写科技论文方面比较薄弱；二级指标中提升最小的是“团队合作精神”，这说明我校在常规教学中广泛采取的小组合作学习方式取得了一定的成效，较好地培养了学生的团队合作精神。 进一步分析高端项目课程对学生科研素养的培养，我们把参与高端项目课程时间长短不同的学生分数进行对比，如表3所示。随学生参与课程的时间增加，科研素养评价得分均增加。 4.2 存在的问题 每学期的答辩和论文撰写时间与期末考试时间接近，学生较难两者都兼顾好，导致有些论文写得比较粗糙，论文水平较难有进一步的提升，这一直是一个困扰，目前没有想出特别好的解决方案。另外，指导教师投入大量的时间和精力，对教师来说也是一个挑战，如何能将学校最优秀的教师吸引到课程中？已經加入到课程中的教师，高端课大量的时间精力投入，是否会影响他们常规化学 课的教学？如何平衡好高端课和常规化学课的时间投入比例？这些问题需要今后继续加强研究。 参考文献： [1]王笃年.选课走班形势下的分层化学课程建设实践研究[J].化学教学，2017，（1）： 30～34. [2]罗洁.高中阶段创新人才培养模式的探索—北京市“翱翔计划”的思考与实践[J].教育研究，2013，（7）： 54～60. [3]俞水.高中大学联弹，弹出好曲有多难[N].中国教育报，2012630（003）. [4]陈鹤，王少琛，张文阳等.可注射型酶促高分子水凝胶的制备及表征[J].化学教育，2018，（5）： 73～77. |
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