綜合化學(xué)實驗課程的思考和實踐

牛國興 高翔 徐華龍

(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海 200433)

我系本科生實驗教學(xué)體系猶如金字塔結(jié)構(gòu)(圖1)。在大三前，進行各種基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)，這些課容納量大，課時數(shù)多，是我系本科生實驗教學(xué)體系的堅實基底。處在“塔尖”的科學(xué)研究訓(xùn)練實驗課是由我系多位教授從科研中提煉的一些內(nèi)容構(gòu)成，面向大三(下)～大四(上)本科生開設(shè)，旨在培養(yǎng)學(xué)生從事化學(xué)研究的基本思路和方法。

處在“金字塔”中間的綜合化學(xué)實驗所起的作用是承前啟后,為我系本科生能力階梯培養(yǎng)的實驗教學(xué)體系構(gòu)建堅實的橋梁。

圖1 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系本科生實驗教學(xué)體系示意圖

1 綜合化學(xué)實驗課程的教學(xué)理念

基礎(chǔ)化學(xué)實驗的教學(xué)重點是培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，幫助學(xué)生形成良好操作習(xí)慣并理解基礎(chǔ)課程知識點,這猶如讓學(xué)生掌握每個零部件的工作原理和制造方法。科學(xué)研究訓(xùn)練實驗旨在訓(xùn)練學(xué)生如何運用正確的科研思路，合理選用各種手段和方法，猶如訓(xùn)練學(xué)生從繁雜工具箱中選擇最有效最便捷的工具來解決一個具體問題。

至于工具箱中的工具(方法)從何而來？如何對各零部件進行合理組裝，形成多種合適的工具？這就是綜合化學(xué)實驗需承載的主要教學(xué)任務(wù)，即培養(yǎng)學(xué)生在面臨具體問題時，能夠?qū)A(chǔ)化學(xué)實驗中學(xué)到的各個知識點及各種實驗技能進行串聯(lián)和組裝，形成可有效解決問題的一種能力。依據(jù)這種教學(xué)理念[1-2]，我們認為綜合化學(xué)實驗在鞏固學(xué)生基本實驗操作技能的基礎(chǔ)上，在引入新實驗方法和新知識點、增加學(xué)生知識面、做好承前啟后工作的前提下，特別需要加強對學(xué)生分析和解決問題能力的培養(yǎng)[3-4]。因此，需要在原有驗證性實驗的基礎(chǔ)上，增加一些生動的例子，告訴學(xué)生應(yīng)該怎樣思考，如何在多種方法、手段及應(yīng)用中進行合理選擇，引導(dǎo)學(xué)生挖掘?qū)嶒瀮?nèi)容、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)中隱含的深層次信息，并嘗試進行歸納和總結(jié)。

2 綜合化學(xué)實驗課程的內(nèi)容編排

根據(jù)上述理念，我們利用“211項目”、世界銀行貸款，特別是2003年我校教務(wù)處專項課程建設(shè)費用的資助，著重對實驗內(nèi)容、各實驗間聯(lián)系及講義編排等進行了調(diào)整，增加了多個新實驗。這些新實驗設(shè)計是在加強實驗間聯(lián)系，確保實驗貫穿合成、表征和應(yīng)用整個過程的指導(dǎo)思想下完成的，目的是在增加實驗趣味性的同時，加強學(xué)生對實驗設(shè)計意圖的理解，了解知識點串連和方法選擇上的一些基本要點。

我們根據(jù)不同實驗的特點，分別將它們納入到8個不同專題中(表1)。這種編排雖然只是形式上的變化，但卻可以加強實驗間的聯(lián)系，讓學(xué)生從中體會到化學(xué)二級學(xué)科間的交叉，使學(xué)生能從更寬角度理解當今化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

如“綠色化學(xué)”專題中的實驗原本彼此關(guān)聯(lián)度較低，學(xué)生很難進行比較、分析?，F(xiàn)在通過“綠色、環(huán)境友好”主線，增強了彼此間聯(lián)系，告訴學(xué)生這些實驗的共同目的就是使化學(xué)與環(huán)境和諧統(tǒng)一，既可從處理化學(xué)污染物角度著手，也可通過“原子經(jīng)濟性”減少廢物排放來實現(xiàn)。讓學(xué)生明白一個問題可從不同角度，采用不同手段來解決。在“手性技術(shù)”專題中，原有的“二茂鐵合成”和“二茂鐵衍生物合成”實驗由于沒有應(yīng)用例子做支撐，除了訓(xùn)練無水無氧操作外，實驗意義略顯單薄，很難讓學(xué)生感興趣?，F(xiàn)在通過增加“手性含膦二茂鐵的合成和應(yīng)用”實驗，使學(xué)生明白前兩個實驗是后者的重要基礎(chǔ)，這樣不僅很自然地將這些實驗內(nèi)容聯(lián)系起來，而且還向?qū)W生提供了從簡單工作入手，逐步深入到研究核心的科研思路。

3 綜合化學(xué)實驗課程教學(xué)方式的更新

我們對綜合化學(xué)實驗課程的教學(xué)方式也做了適當調(diào)整，主要有以下幾點：

(1) 重視學(xué)生的參與性，培養(yǎng)學(xué)生挖掘、提煉深層次信息的能力。

為培養(yǎng)學(xué)生能力，很多高校均開設(shè)了設(shè)計性實驗，要求學(xué)生通過查閱文獻，設(shè)計出實驗過程[5-6]。但我們發(fā)現(xiàn)這種方式實施時有一些困難：一是學(xué)生的設(shè)計方案很難掌控，教學(xué)實驗室也很難滿足學(xué)生設(shè)計方案所需的試劑和儀器。二是教學(xué)安排有困難。設(shè)計實驗的連貫性往往較差，從文獻查閱、設(shè)計審核到最后實施等環(huán)節(jié)存在大量時間斷檔；而且受課時、場地限制，實驗中心很難大規(guī)模開設(shè)這些實驗。因此，有些學(xué)校將這類實驗安排在課題組中進行，或只安排一部分學(xué)生進行這種模式的實驗，受益面較小。

為了克服這些困難，讓所有學(xué)生都能接受這種能力培養(yǎng)，我們調(diào)整了實驗計劃。由教師根據(jù)實驗內(nèi)容先做前期文獻收集，以小型文獻綜述的方式總結(jié)出與實驗結(jié)果有關(guān)的影響因素，然后給出一個無具體實驗參數(shù)的操作步驟。學(xué)生通過閱讀這部分內(nèi)容，再根據(jù)自己的理解設(shè)定目標，選出認為合理的實驗參數(shù)和操作方案，完成自己的實驗。

比如，“納米氧化鈦合成及其在光催化降解中的應(yīng)用”實驗，講義給出了一些合成條件，如pH、溫度、投料比等對納米TiO2粒子尺寸和催化能力的影響規(guī)律。在“絲光沸石合成及其甲苯歧化活性測定”實驗中，給出了一些制備條件對絲光沸石結(jié)晶度、離子交換容量和催化性能的影響規(guī)律。要求學(xué)生閱讀這些輔助材料后，完成具體的設(shè)計方案。由于每個學(xué)生只能做一個條件實驗，獲得的信息比較少，很難分析其中的規(guī)律，也不便于進行討論。因此，我們要求一組學(xué)生(4～8名學(xué)生)共同商定1～2個因素，每個學(xué)生完成其中的一個條件實驗，結(jié)果大家共享。最后，每個學(xué)生根據(jù)自己對數(shù)據(jù)的理解，以小論文形式獨立完成實驗報告。

表1 綜合化學(xué)實驗課程的內(nèi)容

這種調(diào)整既有利于培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)文獻、分析數(shù)據(jù)、解讀規(guī)律、提煉結(jié)論的能力，而且也使教學(xué)過程容易控制，讓所有學(xué)生都能從中受益。

(2) 淡化實驗結(jié)果，鼓勵學(xué)生分析討論。

以組為單位、分工合作完成實驗有可能會出現(xiàn)某些條件易獲得較好結(jié)果，而某些條件所得結(jié)果則較差的問題。學(xué)生容易產(chǎn)生顧慮，擔心選到不夠好的實驗條件。對于這種情況，我們會告訴學(xué)生，在科研(實驗)中只有錯誤、失敗的操作，沒有“失敗”的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)并不存在“好”、“壞”之分，只要嚴格認真操作，每個實驗數(shù)據(jù)都是證據(jù)鏈上的重要一環(huán)。例如在極大值曲線中，若沒有其他數(shù)據(jù)陪襯，也就沒有了“極大”的概念和結(jié)論。

有時學(xué)生即使認真操作也不能獲得理想結(jié)果，會很沮喪。碰到這種情況，我們會告訴學(xué)生這個事實一定包含某種信息，解讀其中隱含的信息對以后工作改進會有很好的啟發(fā)作用。我們會鼓勵他在實驗報告中對此進行深刻分析，并解釋原因所在。

對于以上兩種情況，我們認為必須而且應(yīng)該淡化實驗結(jié)果，更加注重對過程的控制和對學(xué)生能力的培養(yǎng)。只有這樣，學(xué)生才會更加關(guān)注實驗過程，并樂于參與實驗設(shè)計。

此外，我們還要求學(xué)生挖掘?qū)嶒灥脑O(shè)計思路，多思考為什么，體會設(shè)計過程的嚴謹性和嚴肅性，領(lǐng)悟嚴格、嚴密的設(shè)計是獲得可信解決方案的重要保障。比如，“水泥全組分分析”實驗采用了化學(xué)滴定、紫外光譜、原子吸收光譜和等離子光譜4種方法測定一些元素的含量，我們要求學(xué)生思考這4種方法的各自特點和使用范圍，如何根據(jù)客觀條件和樣品特性選擇合適的分析方法和排除測量干擾。通過思考這些問題，學(xué)生不僅能鞏固分析化學(xué)知識，而且能理解不同方法的使用是有條件的，只有了解它們的特點，合理選用，才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

(3) 加強教師講解，重點補充外延知識，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。

綜合化學(xué)實驗的很多內(nèi)容與當前研究熱點相關(guān)。因此，我們要求教師加大講解力度，除注意事項外，重點介紹相關(guān)背景和專業(yè)知識，并適當介紹相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向和熱點，以開闊學(xué)生眼界，增加實驗趣味性。比如，在“手性不對稱環(huán)反應(yīng)”實驗中，教師在手性化合物應(yīng)用、獲得方法、手性催化的意義及進展等方面重點進行拓展講解，利用綜合化學(xué)實驗教學(xué)的機會，讓學(xué)生對手性化合物或材料有較全面認識。通常一個1天的實驗，我們會用約2小時進行講解。此外，我們還要求教師多與學(xué)生交流，鼓勵學(xué)生提出問題。

(4) 公開評分標準，讓學(xué)生自覺遵守教學(xué)規(guī)范。

應(yīng)試教育培養(yǎng)出來的學(xué)生，往往對分數(shù)很敏感。很多學(xué)生對成績的關(guān)注超過了對課程本身，要想在短時間內(nèi)解決這一問題并不現(xiàn)實，但若能將實驗要求轉(zhuǎn)化為可量化的分數(shù)，學(xué)生就有可能在“分數(shù)”指揮棒的引導(dǎo)下，自覺地遵循我們的教學(xué)理念。我們將每個實驗的總分設(shè)定為10分，其中預(yù)習(xí)1分，課堂與教師互動1分，安全衛(wèi)生1分，實驗操作2分，實驗結(jié)果2分，實驗報告3分，每遲到或早退10分鐘扣1分。為引導(dǎo)學(xué)生主動參與實驗教學(xué)，加強能力和思維培養(yǎng)，特意增添了學(xué)生與教師課堂互動的分數(shù)，并提高了實驗報告的分值，為學(xué)生在實驗報告中進行問題分析和討論預(yù)留了分數(shù)差異空間；同時，在總分之外另辟了“獨創(chuàng)性”分項，以鼓勵學(xué)生積極思考。

這種公開評分標準的好處在于：① 學(xué)生能潛移默化地接受和實踐我們設(shè)定的能力培養(yǎng)方案。最明顯的是杜絕了遲到早退的現(xiàn)象，在實驗報告中增加了針對結(jié)果和現(xiàn)象的討論，課堂氣氛也相對活躍了。② “有分可依”的方式避免了教師的個人喜好，基本杜絕了學(xué)生對成績的抱怨或投訴。

4 教學(xué)中存在的主要問題

我們在綜合化學(xué)實驗教學(xué)過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 教學(xué)宗旨與學(xué)生參與實驗?zāi)康拈g存在差異。

因為各種原因，有些學(xué)生對化學(xué)(包括綜合化學(xué)實驗)不是很感興趣，參加實驗僅僅是為了得到相應(yīng)學(xué)分，對實驗缺乏熱情。對于這些學(xué)生，我們一方面在內(nèi)容設(shè)置和講解中，力求突出興趣點以吸引他們的關(guān)注；同時，在評分上，依據(jù)教學(xué)宗旨，嚴格把握評分尺度，加大能力培養(yǎng)方面的分值，從主動、被動兩方面引導(dǎo)學(xué)生按照我們的教學(xué)宗旨進行。但在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)后者(被動方式)更有效，這是我們的困惑。

(2) 教學(xué)要求與實施效果存在差距。

教學(xué)宗旨能否有效落實，取決于教師的實踐質(zhì)量。雖然每位教師都知道具體教學(xué)要求，但最終實踐效果很難有評定標準，只能依靠教師自身的能力和職業(yè)素養(yǎng)。盡管大多教師都很負責，但也有一些不認真和不負責任的現(xiàn)象發(fā)生。一些教師可能只是出于職務(wù)晉升和年終考評的目的才加入實驗教學(xué)隊伍，缺乏“教書育人”的責任心；也有一些教師可能對教學(xué)宗旨理解不深，以為只是一堂普通實驗課。對于后一種情況，我們可以通過不斷強調(diào)、宣傳、交流加以修正；而對于前一種情況，實際上是很難進行管理的。

(3) 教學(xué)效率不高。

造成這方面問題的主要原因是實驗室場地、設(shè)備資源和實驗內(nèi)容不足。特別是前二者，致使一些教師每次實驗只能帶4名學(xué)生。這樣既浪費教學(xué)資源，也影響實驗周轉(zhuǎn)，延長了學(xué)生的實際實驗時間。目前，每個學(xué)生每學(xué)年要做20天綜合化學(xué)實驗，雖然能滿足學(xué)時數(shù)要求，但實際上大三(下)～大四(上)的學(xué)生，有很多空閑時間，若上述問題得以解決，則可以使教學(xué)資源得到更有效的利用，讓更多有興趣的學(xué)生接受拓展實驗教學(xué)。

[1] 吳性良,陸靖.實驗技術(shù)與管理,2001,18(2):108

[2] 陸靖,吳性良,姚子鵬，等.高等理科教育,2000,34(6):55

[3] 杜志強,李寧,封子先，等.大學(xué)化學(xué),2006,21(4):15

[4] 張逢星,李珺,郭慧林.大學(xué)化學(xué),2009,24(3):18

[5] 呂占霞,賀維軍,高珍，等.大學(xué)化學(xué),2011,26(1):14

[6] 王尊本.綜合化學(xué)實驗.北京:科學(xué)出版社,2003