美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；?shí)驗(yàn)課程教學(xué)

葉向群，陳豐秋

（浙江大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)系，浙江 杭州 310027）

“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”。實(shí)驗(yàn)課程是工科類(lèi)學(xué)生重要課程，化工實(shí)驗(yàn)對(duì)于化學(xué)工程類(lèi)學(xué)生的重要性是顯而易見(jiàn)的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的延續(xù)，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本技能訓(xùn)練的主要環(huán)節(jié)，在實(shí)踐中培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力。世界各類(lèi)著名高等學(xué)府對(duì)于實(shí)驗(yàn)類(lèi)的課程歷來(lái)都相當(dāng)重視，國(guó)情的差異使得我國(guó)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)教學(xué)與國(guó)外存在或多或少的多項(xiàng)差異［1-4］。

作為威斯康星大學(xué)系統(tǒng)的旗幟性學(xué)?！绹?guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面有其獨(dú)到且系統(tǒng)的教學(xué)模式。該校在美國(guó)擁有全國(guó)性的學(xué)術(shù)聲望，2014年美國(guó)大學(xué)綜合排名第41位，美國(guó)大學(xué)化學(xué)工程排名第6位，學(xué)校亦有公立長(zhǎng)春藤之稱(chēng)。該校還是美國(guó)中西部知名的十大聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一。該校的化工與生物工程學(xué)系（CBE）早在上個(gè)世紀(jì)30年代就因Bird等學(xué)者的Transport phenomena而享譽(yù)世界。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校化學(xué)與生物工程學(xué)系為本科生開(kāi)設(shè)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程，筆者作為訪問(wèn)學(xué)者，參與了該校夏季化工實(shí)驗(yàn)課程（Summer Course CBE 424--Operations and Process Laboratory）的全過(guò)程教學(xué)，從而全面了解了其化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及教學(xué)內(nèi)容。相對(duì)于國(guó)內(nèi)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，其教學(xué)方式和教學(xué)理念方面有諸多值得借鑒之處。

1 威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；?shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該課程由2名教授、1名回聘退休教師、1名實(shí)驗(yàn)設(shè)備技師和1名助教組成指導(dǎo)教師小組，指導(dǎo)一個(gè)批次36名本科生。整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程是由formal和informal兩部分組成。

formal實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有5項(xiàng)，這5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)屬于綜合性的大型或較大型化工實(shí)驗(yàn)，包括離心泵的綜合特性實(shí)驗(yàn)、換熱器的綜合性能實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)器的綜合特性實(shí)驗(yàn)、精餾塔的綜合特性實(shí)驗(yàn)以及干燥和增濕過(guò)程的綜合實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)由4名學(xué)生一組協(xié)同完成，這與國(guó)內(nèi)高校現(xiàn)行的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式比較類(lèi)似。

除了formal實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更多的時(shí)間是用于informal實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是由指導(dǎo)教師列出多個(gè)課題，這些課題涵蓋了多門(mén)化工專(zhuān)業(yè)課程的內(nèi)容，包括化工熱力學(xué)、化工反應(yīng)工程、化工過(guò)程原理等，2名學(xué)生一組，一周完成一項(xiàng)選定的課題，一個(gè)月的課程每組學(xué)生就要完成4個(gè)課題。學(xué)生選定項(xiàng)目后，需查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，自主搭建實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程均是各組的2名學(xué)生相互討論共同完成，之后學(xué)生再各自完成自己的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告。整個(gè)過(guò)程中，教師只是解答學(xué)生提出的疑問(wèn)。實(shí)驗(yàn)室的倉(cāng)庫(kù)可提供給學(xué)生實(shí)驗(yàn)所需的各類(lèi)物資和分析儀器，實(shí)驗(yàn)室的加工車(chē)間有各類(lèi)金工機(jī)械器具供學(xué)生使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Formal類(lèi)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備與國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成也比較接近，一般屬于固定化設(shè)備，其規(guī)模較大且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同臺(tái)設(shè)備上可以進(jìn)行多項(xiàng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的切換。令筆者感慨的是，雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其自動(dòng)化程度卻并不高，甚至不及國(guó)內(nèi)大學(xué)，實(shí)驗(yàn)裝置上除了溫度集中顯示，幾乎沒(méi)有流量控制以及溫度控制，且不使用電腦自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。交流中得知，這并非經(jīng)濟(jì)條件限制所致，而是學(xué)校在刻意地使用這樣的少自控、多手動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有更多的參與，而學(xué)生只有積極參與才能有更大的收獲。

1.3 教學(xué)方式

美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排在暑期完成，學(xué)生在該時(shí)段里只有這一門(mén)課程，

formal實(shí)驗(yàn)由指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)前大致講解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，之后完全就是這個(gè)小組的學(xué)生配合完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生分工協(xié)作，包括測(cè)量數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)，操作設(shè)備，組成分析，處理數(shù)據(jù)等。

Informal實(shí)驗(yàn)是由學(xué)生自由選題，首先查閱資料，再討論實(shí)驗(yàn)設(shè)備方案。實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建的過(guò)程十分重要，學(xué)生初次搭建好的裝置大多不能達(dá)到預(yù)計(jì)的效果甚至無(wú)法運(yùn)行，于是再討論如何改進(jìn)，期間可請(qǐng)教師指導(dǎo)，經(jīng)過(guò)多次改建，最終實(shí)驗(yàn)裝置建成，測(cè)出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“興趣是最好的老師”，建立以興趣為導(dǎo)向的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性［5］。搭建實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程可極大地激發(fā)學(xué)生的興趣，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程期間，學(xué)生除了必需的生活時(shí)間，其余時(shí)間幾乎全部都是在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)的，研究如何完成及完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這期間遇到問(wèn)題無(wú)法解決才去詢(xún)問(wèn)指導(dǎo)教師。整個(gè)過(guò)程學(xué)生都會(huì)十分投入。學(xué)生對(duì)自己親手搭建的實(shí)驗(yàn)裝置和做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果充滿成就感。

編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)的最后環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)［6］。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校十分重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分的撰寫(xiě)，要求學(xué)生將測(cè)得的數(shù)據(jù)、觀察到的現(xiàn)象、計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論等用科學(xué)和工程的語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中存在的比較突出的問(wèn)題會(huì)在每天早上集中講解，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，甚至是實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的用詞和語(yǔ)法錯(cuò)誤等，他們把實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)作為學(xué)生開(kāi)始進(jìn)入研究階段的重要基本技能之一進(jìn)行培養(yǎng)。對(duì)formal的實(shí)驗(yàn)課程提出10多個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析相關(guān)的問(wèn)題，對(duì)于informal的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，更確切地說(shuō)是小型專(zhuān)題研究報(bào)告。實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告的優(yōu)劣是學(xué)生將來(lái)被應(yīng)聘單位確認(rèn)的個(gè)人素質(zhì)里最重要的元素之一，學(xué)生獨(dú)立完成各自的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并以此作為自己完成實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的成果。

1.4 成績(jī)?cè)u(píng)定

該課程要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的2日內(nèi)提交初次報(bào)告，延期則按照天數(shù)降低實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)。教師在批完每份初級(jí)報(bào)告后立即返給學(xué)生，指出錯(cuò)誤與不足，并給出初次的分?jǐn)?shù)，要求學(xué)生拿到報(bào)告后及時(shí)修正，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)再次提交。教師再次批改報(bào)告并給出分?jǐn)?shù)，2次分?jǐn)?shù)的加權(quán)和便有了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。該成績(jī)占學(xué)生最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)的90%，另外10%的實(shí)驗(yàn)成績(jī)是課程報(bào)告會(huì)上答辯的成績(jī)。學(xué)生選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程做成PPT，在報(bào)告會(huì)上演講，接受教師和學(xué)生的提問(wèn)，教師和其他組的學(xué)生根據(jù)其課題的完成情況、講解的情況和回答問(wèn)題的準(zhǔn)確率分別進(jìn)行評(píng)分，最后再將教師和學(xué)生的評(píng)分匯總作為課程答辯的成績(jī)。

2 國(guó)內(nèi)高校與威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；?shí)驗(yàn)教學(xué)的相對(duì)差異

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校化工實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生人數(shù)少，且優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)條件使得其實(shí)驗(yàn)室可以提供給學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)裝置和完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需的各類(lèi)儀器、工具及材料，相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)大學(xué)顯然很難做到這點(diǎn)。國(guó)內(nèi)大學(xué)的化工實(shí)驗(yàn)大多為固定實(shí)驗(yàn)（formal實(shí)驗(yàn)），學(xué)生人數(shù)多且受經(jīng)濟(jì)條件的制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全由學(xué)生自由選擇（informal實(shí)驗(yàn)）。這種差異是客觀存在，且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法改變的現(xiàn)實(shí)。

2.2 設(shè)備方面

目前國(guó)內(nèi)高校的化工實(shí)驗(yàn)裝置傾向于“高大全”，新建的實(shí)驗(yàn)設(shè)備愈來(lái)愈龐大，愈來(lái)愈自動(dòng)化，實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生動(dòng)手操作的部件愈來(lái)愈少，更有甚者，學(xué)生只要在電腦上通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能輕松完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)，即使全部完成，也有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)組成、記錄的數(shù)據(jù)以及記錄這些數(shù)據(jù)的目的還是云里霧里，違背了實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程設(shè)置的初衷。

2.3 教學(xué)方面

國(guó)內(nèi)大學(xué)大多把實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為普通課程作業(yè)對(duì)待，并且學(xué)生大多套用固定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過(guò)程實(shí)際上只是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程，于是眾多的實(shí)驗(yàn)報(bào)告除了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之外其他都是千篇一律。這樣的過(guò)程無(wú)法達(dá)到讓學(xué)生以此作為今后科研論文寫(xiě)作基礎(chǔ)訓(xùn)練的目的，這也是我們與國(guó)外大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程存在的較大差異。

2.4 成績(jī)?cè)u(píng)定

國(guó)內(nèi)大學(xué)學(xué)生的化工實(shí)驗(yàn)成績(jī)目前多采用綜合評(píng)定體系［7］，其中少不了筆試成績(jī)，當(dāng)然這種差異也是學(xué)生人數(shù)多的國(guó)情所致。

3 國(guó)內(nèi)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)建議

相對(duì)于美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；?shí)驗(yàn)課程的教學(xué)而言，國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)課有各自的實(shí)際情況，其中較突出的就是學(xué)生人數(shù)眾多且受經(jīng)濟(jì)條件制約，故無(wú)法像威斯康星大學(xué)麥迪遜分校那樣，讓每個(gè)學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、建構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，但其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念還是值得借鑒的。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該能夠使得學(xué)生有更多的可操控面，或應(yīng)兼顧手動(dòng)和自動(dòng)的，高校工科實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該有別于高度自動(dòng)化的工業(yè)設(shè)備。

（2）改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，堅(jiān)持學(xué)生的主體地位［8］。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生足夠的時(shí)間和空間，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師提出指導(dǎo)性的意見(jiàn)，回答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，而不是細(xì)致地講解實(shí)驗(yàn)的原理及操作過(guò)程。

（3）注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告。把實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)過(guò)程的重要組成部分［9］，提出具體的實(shí)質(zhì)性的要求，強(qiáng)調(diào)注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)系統(tǒng)地納入學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程最終的成績(jī)?cè)u(píng)定。

國(guó)內(nèi)大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)也有其優(yōu)點(diǎn)，可以堅(jiān)持和發(fā)揚(yáng)，如各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置基本上與理論課程相對(duì)應(yīng)，分類(lèi)清晰、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)性強(qiáng)［10-11］，可以與理論課程在時(shí)間與內(nèi)容上都有較好的銜接，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更深的理解，在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)、全面地學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)等。

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