大學化學實驗課程設計與線上教學:大學基礎化學實驗後之選修實驗課的設計與實施 /黃立心

星期一 , 8, 8 月 2022 Leave a comment

大學化學實驗課程設計與線上教學:大學基礎化學實驗後之選修實驗課的設計與實施

黃立心

國立陽明交通大學應用化學系/理學院科學學士學位學程

lshuang@nycu.edu.tw

n  前言

    化學是門極重視實驗實作的科學,國內外各大學的化學科系皆安排學生於大一到大三期間必修普化、有機、分析(含儀器分析)和物理化學實驗課程,以習得基本實驗操作技巧並驗證講座課程所學,也為專題研究或實務應用做準備。然而因學生先備知識技能、課程目標與時間限制,這些課程的內容多為敘述條列詳細也缺乏單元間關聯的食譜式實驗,並未能提供學生類似完整實際研究或實務工作的經驗。

    為了回應未修習專題研究但仍想繼續接觸、探索化學實驗,以及已在進行專題研究但對其他領域實驗有興趣的大三或大四學生,陽明交通大學應用化學系自99學年度開始為大三大四學生開設「整合型化學實驗」選修課程,以一個學期的時間進行兩個主題實驗,其內容設計精神著重於培養學生閱讀、思考、規劃到實行實驗的能力。以下將對課程的進行方式、內容以及實施經驗做簡單介紹。

n  課程要求

    做為必修基礎實驗課程和進階研究間的轉換銜接,整合型化學實驗課程對學生的基本要求為:

l   閱讀參考文獻,深入思考實驗設計和操作原理,提出問題並嘗試回答;

l   規劃並實踐完整的連貫實驗流程,注意包含安全在內的各種操作細節。但不要求實驗快速完成或高反應產率;

l   詳實且合乎規範的實驗紀錄,有正式論文架構的期末報告;

l   能獨立操作實驗,也能和同學充分交流經驗和意見。

n  課程進行方式

    本課程希望學生能更深入的參與討論以及合作,教師和助教也要進行更細緻的觀察、協助和指導,加上實驗場所的限制,所以修課人數上限訂為十人,助教一名則由實驗主題相關之研究室推薦碩博士班研究生擔任。每周課程表定時間為三小時,但會視實驗需要而彈性增減或另外安排時間,實驗時間規畫管理能力的養成也是課程目標之一。學生分為兩組,交替進行兩個主題實驗,目前活動時程(以一學期18周計)安排及內容如下:

l   開學前:提供參考文獻請學生先閱讀

l   第一周:課程說明說明課程要求與進行方式;介紹過往修課學生曾遭遇之困難與常見疏失;因學生幾乎沒有閱讀期刊文獻後重複其實驗的經驗,故詳細具體提出文獻簡潔敘述中該思考的原理以及技術面上的問題,請學生於預習報告時嘗試回答。

l   第二周:預習報告以組為單位,對選定的主題實驗進行口頭預習報告,內容包含:簡介各步驟的基本原理和設計(含回答第一周提出的問題);列出實驗所需各項材料以及安全注意事項;估計實驗成本和所需時間;預測實驗可能遭遇狀況和解決方法。

l   第三至九周:分組實驗操作(含貴重儀器如核磁共振光譜儀之實務教學課程)每次實驗前各組報告上周的實驗進度和檢討、本周的工作內容;結束時教師和助教檢查實驗紀錄本。

l   第十周:期中分享以組為單位口頭報告,交換上半學期各自主題實驗的操作經驗,使下半學期交換實驗主題後能更順利進行;回答預習報告未解的問題;自選各人期末閱讀報告主題,和本學期實驗相關即可。

l   第十一至十七周:分組實驗操作

l   第十八周:期末報告以組為單位口頭報告,總結這一學期的實驗結果和心得,回答預習和期中報告未解的問題;每人1015分鐘的主題閱讀報告。

l   繳交書面期末實驗報告、主題閱讀報告。報告電子檔上傳學校教學網站供所有修課同學閱覽,教師提供書面報告意見。學期成績依照歷次口頭報告40%、實驗態度30%、實驗紀錄和期末書面結報30%之比例評量。

n  主題實驗內容

一、有機主題:四步驟的2-聯苯丁酸(xenbucin)抗發炎藥物合成

    採用Kuuloja等人發表(Kuuloja et. al., 2008),可調換步驟順序的合成方法如圖1

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a.Ph4BNa, cat. Pd/C, b. EtOH, cat. H2SO4, c. NaH, EtI, d. NaOH.

1:可調換步驟順序的2-聯苯丁酸合成方法

    學生可習得在無水環境下利用氫化鈉及碘乙烷進行乙基化的實驗技術,其他使用技術如酯化保護/去保護、水相鈴木偶聯反應(Suzuki coupling reaction)以及液相萃取、管柱層析等皆已在大二的有機化學實驗課程中習得。此外也學習核磁共振光譜的樣品製備及儀器操作。

    此實驗和有機化學實驗課程主要差異處在於:(1)這是完整的多步驟合成工作而非單一步驟的反應,每個步驟皆須要確實對產物進行純化、光譜鑑定和定量等工作,方能使接續的步驟順利進行;(2)學生需要對文獻實驗設計和方法,如溶劑/層析沖提系統的選擇、反應藥劑和催化劑的用量、反應終止的時間和方法、萃取純化工作等等,有更深入的認識和思考。

二、無機主題:奈米氧化鈰乙醇轉氫觸媒的合成與測試

    無機主題實驗由本系李積琛教授實驗室提供蕭偉印等人的研究成果和實作經驗細節蕭偉印,2006Hsiao
et. al., 2007
),並支援儀器設備。設計課程實驗流程如圖2

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2:奈米氧化鈰乙醇轉氫觸媒的合成與測試流程作者提供

    所使用的水熱法合成奈米材料、固態催化劑製作、X光粉末繞射、掃描式電子顯微鏡、高溫氫氣還原裝置、氣相層析質譜儀等各種技術和儀器都是在大學部必修實驗課程中沒有機會學習操作的,實驗操作結束後的數據整理和計算表格設計製作也需要花費相當的心力和時間。由於實驗難度以及成本較高,實作時不像有機主題實驗由每位學生獨立操作,而是改採二至三人小組合作方式進行,實驗中也會要求學生了解並報告分享所使用儀器和技術的原理。

    此實驗近幾年暫停實施,改以下述光譜儀器組裝實驗取代。

三、儀器分析主題:分光光度計的設計與架設

雖然學生已在普通物理、分析化學/儀器分析等講座課程中學習過基本的光學元件和光譜儀器架構的知識,也在儀器分析實驗課程中操作過數種不同已商品化的光譜儀器,但絕大多數學生其實對於光譜「儀器本身」是相當陌生的。因此我們設計的儀器分析主題實驗採二至三人小組合作,使用光學桌板、聚焦透鏡、凹面反射鏡、反射式光柵、狹縫、濾鏡、偵測器、光學桌板、旋轉座等基本元件,架設一台分光光度計(圖3。由於工作內容和學生過去曾修習過的實驗課程有不小差異,在開始動手架設前需讓學生具備相關基礎知識:(1)拆解已故障報廢的光譜儀,討論其使用的元件和基本架構設計;(2)光學鏡片、各種支撐的基本使用和清潔方法,規格表的閱讀;(3)機械螺絲、手工具、光源及電子零件的規格、選擇和使用,視情況需求帶學生至電子材料行實地說明並選購所需材料。

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3:學生調整接近架設完成的分光光度計

    此外也要求學生在架設前或架設光學元件的同時進行聚焦、分光效果的試算,以免讓實驗淪為憑感覺靠運氣的耗時工作。這個實驗給予學生非常高的自由度,鼓勵嘗試各種不同的原件搭配設計,藉由試算和實際測試互相參照比較,並累積對科學儀器的熟悉感和拆裝經驗。儀器架設完成後會請學生配製不同種類、濃度的有色樣品溶液,實際測試自組儀器,並求得其偵測極限、靈敏度、線性範圍等基本資料。

n  課程施行觀察

   多年下來,我們觀察到這樣的課程安排能建立學生規劃實驗步驟細節的能力和自信心,不再只會被動按照詳細指示操作,特別是期初預習報告和每周實驗前討論的要求,推動學生多思考實驗設計和操作背後的原理。在實驗操作方面,評估實驗流程時嚴重低估所需時間的情形,在累積幾次失誤經驗後可得到明顯改善,學生也體驗到小單元獨立實驗中被忽略的失誤在連續性實驗中可能對後續工作造成很大影響。小班進行讓教師與助教能對操作技巧和觀念提供更仔細的提醒和指導。更重要的是,我們發現學生的主動性、動手解決問題、臨場應變能力也都有提升,遭遇不確定或困難時優先尋求教師或助教給予立即且明確簡短解答的依賴心也降低了。

    另一方面本課程仍是有明顯框架和可依循軌跡的實驗課程,和真正的專題研究尚有所不同,加上課程也未特別要求,這或許是修課學生自發搜尋並研讀相關參考資料的動機和表現仍待加強的原因之一,為此我們在109學年新增了主題閱讀報告活動,希望能補強這方面的不足。

n  結語

    作為大學部高年級學生於專題研究外的另一選擇,或是必修實驗課程和專題研究間的銜接,本課程除了讓學生體驗規劃並實行連貫的實驗流程,也促使學生思考及應用既有知識於動手實作中。除了歷年修課學生於教學評鑑中給予非常正面的評價,課程也獲得本系教師同仁們的認同,於110學年度列入本系核心選修課程之一。

n  誌謝

    感謝王念夏教授於應用化學系主任任內倡議開設課程,李積琛教授和吳彥谷教授慨然提供實驗室研究成果及許多實驗資源,翁聖豐博士於課程設立初期擔任助教協力擘劃。感謝應用化學系在各方面的支持,歷年實驗助教與同學的努力及寶貴意見回饋。

n  參考資料

Kuuloja, N., Kylmala, T., Xu, Y., Franzen, R. (2008).Synthesis of Xenbucin using Suzuki reaction catalyzed by Pd/C in water. Central Eropean Journal of Chemistry, 6(3), 390-392.

蕭偉印(2006)。奈米氧化鈰構形控制對乙醇轉氫效率研究。未出版之碩士論文。國立交通大學應用化學研究所。

Hsiao, W.-I., Lin, Y.-S., Chen, Y.-C., Lee, C.-S.(2007). The effect of the morphology of nanocrystalline CeO2 on ethanol reforming. Chemical Physical Letter, 441, 294-299.

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