中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無機化學(xué)實驗課程建設(shè)的探索與實踐*

黃微 李婉 劉衛(wèi) 劉濟紅 田紅軍

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心 安徽合肥230026)

無機化學(xué)實驗是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡稱中科大)面向化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、少年班學(xué)院、地空學(xué)院的一年級本科生所開設(shè)的實驗課程，年授課學(xué)時為200，年授課人數(shù)約300。作為新生進入高校后的第一門實驗課，無機化學(xué)實驗在整個化學(xué)教學(xué)中占有舉足輕重的地位。因此，如何通過該課程的教學(xué)，在傳授知識的同時，逐步提高低年級本科生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力與分析觀察能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，是該課程建設(shè)過程中亟需解決的問題［1-2］。近年來，筆者所在的無機化學(xué)實驗課程組密切配合安徽省精品課程“無機化學(xué)”的課堂教學(xué)，在建設(shè)實驗教學(xué)體系、更新課程內(nèi)容、提升學(xué)生興趣、強化過程管理、加強師資建設(shè)等方面采取了多項舉措，獲得了一定成效。現(xiàn)就我們在課程建設(shè)過程中的探索和實踐與各位同仁探討，以期作為參考。

1 合理建設(shè)課程體系

無機化學(xué)實驗的授課對象為剛跨入大學(xué)校門的新生，他們在學(xué)習(xí)方法和思維習(xí)慣上還處于由中學(xué)生到大學(xué)生的角色轉(zhuǎn)變階段，因此，在課程設(shè)置方面，我們依照學(xué)生在不同階段所具備的知識水平與認知情況，對無機化學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容進行了合理設(shè)計與編排，根據(jù)循序漸進的原則，分3層次開展實驗教學(xué)。

針對大部分新生實驗基礎(chǔ)薄弱，實驗知識缺乏的情況，在一年級的第一學(xué)期(即秋季學(xué)期)，課程組開設(shè)了無機化學(xué)實驗(上)(必修課，80學(xué)時)。內(nèi)容設(shè)計以傳授學(xué)生基本實驗知識、訓(xùn)練學(xué)生基本操作為目標。因此，該階段的教學(xué)內(nèi)容以基礎(chǔ)型和驗證型實驗為主，如“硝酸鉀的制備及提純”，“容量分析操作”，“由廢鐵屑制備莫爾鹽”。實驗內(nèi)容包括稱量、溶解、加熱、過濾、結(jié)晶、移液和滴定操作等。實驗時，教師對每個基本操作進行演示，講解操作要點，并認真觀察學(xué)生操作情況，及時糾正錯誤操作。通過該階段的實驗訓(xùn)練，學(xué)生的實驗技能有了逐步提高，實驗操作開始較為自如，數(shù)據(jù)的精密度和準確度均有所提高［3］。

在學(xué)生掌握了基本實驗知識，進行了較為充分的基本實驗技能訓(xùn)練之后，實驗教學(xué)的重心應(yīng)轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力上。因此，在一年級第二學(xué)期(即春季學(xué)期)的無機化學(xué)實驗(下)(必修課，80學(xué)時)中，我們逐步增加了綜合型實驗的比例。實驗項目既有經(jīng)典的綜合型實驗，如“三草酸合鐵酸鉀的制備及配陰離子電荷數(shù)的測定”、“順式二甘氨酸合銅的制備及銅含量測定”、“葡萄糖酸鋅的制備及成分分析”;又有由科研成果轉(zhuǎn)化而來的綜合型實驗，如“銀納米片的合成及光譜分析”、“納米氧化型石墨烯的制備及表征”，“酞菁酮大環(huán)配合物的制備及表征”。通過上述綜合實驗的學(xué)習(xí)，一方面可以進一步強化學(xué)生對化學(xué)基本理論的理解和對化學(xué)基本定律的靈活應(yīng)用;另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的分析觀察能力，以及對實驗中出現(xiàn)問題的思考和解決能力。

此外，考慮到我校有部分化學(xué)競賽保送生，以及化學(xué)科技英才班學(xué)生，面對上述統(tǒng)一的實驗內(nèi)容，他們常常感覺“吃不飽”。因此，針對這部分學(xué)有余力、對科研有濃厚興趣的低年級本科生，我們在一年級的第三學(xué)期(即夏季學(xué)期)適時開設(shè)了化學(xué)科研基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗選修課程(40學(xué)時)。授課教師基于學(xué)科最新進展和社會熱點問題，為學(xué)生精心設(shè)置了多個研究設(shè)計型實驗項目，如“殼聚糖納米藥物載體的制備及體外緩釋性能研究”［4］，“納米氧化鋅的制備及光催化性能研究”［5］，“食用碘鹽中碘含量的測定”，“無機熒光材料的制備”［6］。課程形式為完整地模擬一次科研過程。即在教師指導(dǎo)下，學(xué)生自主選擇研究課題，完成從文獻檢索、方案設(shè)計、實驗實施、問題解決到論文撰寫、結(jié)題匯報這一完整的科研實踐過程。該階段的實驗教學(xué)，既從實驗內(nèi)容上加強了各學(xué)科間的交叉融合，又從教學(xué)方式上強化了學(xué)生的中心主導(dǎo)地位，是對學(xué)生所學(xué)知識的綜合應(yīng)用以及掌握情況的實戰(zhàn)訓(xùn)練，給學(xué)生提供了更多自我選擇、自主學(xué)習(xí)的空間［7］。

上述的3層次實驗教學(xué)體系，涵蓋了基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型實驗，依據(jù)先簡單后復(fù)雜的教學(xué)模式，層層遞進，不斷深化，有利于不同階段、不同認知水平學(xué)生的能力培養(yǎng)與發(fā)展。

2 及時融入科研成果

在無機化學(xué)實驗教學(xué)中，課程組還參考學(xué)科發(fā)展的最新報道及科研實踐，有選擇地進行歸納、取舍，將部分學(xué)術(shù)前沿內(nèi)容滲透至實驗教學(xué)中，使學(xué)生能夠及時了解學(xué)科進展，接觸前沿知識，確保課程內(nèi)容的先進性和完整性，有效實現(xiàn)了中科大資源共享和教學(xué)科研雙贏的目的。例如，依據(jù)2010年諾貝爾物理獎的工作，并結(jié)合本校化學(xué)系杰出青年基金獲得者俞書宏教授的工作［8］，無機化學(xué)實驗課程組于2011年為學(xué)生開設(shè)了“納米氧化型石墨烯的制備及表征”實驗，即利用氧化反應(yīng)破壞石墨層的π-π作用，得到氧化型石墨烯(圖1)。學(xué)生感慨道“沒想到這么前沿的科學(xué)領(lǐng)域居然是基于最基本的理論知識，真是學(xué)以致用!”

圖1 制備氧化型石墨烯的反應(yīng)式

又如:納米貴金屬(尤其是Ag和Au)因其在光、電、催化等方面具有不同于塊體材料的特性而成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。無機化學(xué)實驗課程組適時為學(xué)生開設(shè)了“銀納米片的合成及光譜分析”實驗。該實驗采用液相還原法，以硝酸銀為前驅(qū)體，以聚乙烯吡咯烷酮和檸檬酸三鈉為表面活性劑和保護劑，通過加入不同劑量的硼氫化鈉還原硝酸銀，從而得到不同厚度的銀納米片。

將科研成果轉(zhuǎn)化為本科實驗教學(xué)，能使學(xué)生在實驗中了解科學(xué)研究的前沿進展，領(lǐng)悟科學(xué)探索和研究的方法，提高綜合實踐能力與創(chuàng)新能力，進一步提高教學(xué)質(zhì)量。但在二者的轉(zhuǎn)化過程中，往往要利用儀器對產(chǎn)品性能進行表征，而學(xué)生在一年級時卻尚未學(xué)習(xí)儀器分析課程。因此，如何使學(xué)生既能掌握前沿知識，又能深入了解實驗，做到教學(xué)與實驗緊密結(jié)合，是我們在開設(shè)該類型實驗時所面臨的最大問題。我們所采取的方式是對實驗內(nèi)容進行優(yōu)化，盡量采用一年級本科生所掌握的儀器測試方法進行產(chǎn)品表征。如:對于“納米氧化型石墨烯的制備及表征”實驗，我們采用歐姆表測定制備出的氧化型石墨烯薄膜的電阻，并與石墨烯薄膜的電阻進行對比，讓學(xué)生意識到不同材料的特性及應(yīng)用。又如:對于“銀納米片的合成及光譜分析”實驗，針對“不同尺寸的銀納米片具有不同的表面等離子體共振吸收性質(zhì)，從而使其膠體溶液呈現(xiàn)出不同顏色”的特性，我們設(shè)計了采用分光光度法對銀納米片進行表征。這些優(yōu)化與變革，不僅加深了學(xué)生對實驗的認識，也復(fù)習(xí)了所學(xué)過的儀器表征方法，一舉兩得。此外，對于部分難以對實驗表征手段進行優(yōu)化變革的實驗，如“酞菁酮大環(huán)配合物的制備及表征”實驗，我們采取分組進行儀器測試的方法，即將學(xué)生分成若干大組，每組送一份樣品至儀器分析實驗室，教師簡單講解儀器工作原理，進行紅外、元素分析表征;在下次實驗課時，教師公布各組實驗結(jié)果，并進行分析比對。這樣就能在不大量增加教師工作量的前提下，讓學(xué)生意識到制備過程對實驗結(jié)果的影響，從而提高學(xué)生的實驗嚴謹度和對科學(xué)探索的興趣。

3 提升學(xué)生實驗興趣

很多學(xué)生對基礎(chǔ)無機化學(xué)實驗重視程度不夠，課前未能充分預(yù)習(xí)，面對實驗原理和繁瑣的實驗步驟，有時興趣不高，實驗操作也多是照葫蘆畫瓢。針對這一情況，無機化學(xué)實驗課程組采用了多元化的教學(xué)方式，將多媒體、板書以及實驗演示有機結(jié)合，全方位、多角度、立體化展示化學(xué)實驗，從而激發(fā)學(xué)生實驗興趣，提高教學(xué)效率。例如:在講解“莫爾滴定”這一經(jīng)典實驗時，會涉及到體系顏色的多次變化，傳統(tǒng)的教學(xué)是大篇幅文字和單一的板書，學(xué)生往往感覺比較抽象，理解起來較為困難。我們所采取的方式是在課堂上展示自制的多媒體動畫課件，將各種顏色的變化直觀地進行反映，使學(xué)生形成初步印象，再輔以現(xiàn)場的實驗演示，進一步加深學(xué)生理解。又如:在講解“燃料電池粉體制備”實驗時，我們向?qū)W生現(xiàn)場展示了鋅錳電池、燃料電池、鉛蓄電池、鎳氫電池，并對電池的正負極材料、電池反應(yīng)以及優(yōu)缺點等進行了簡單介紹，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，對新興的綠色能源也獲得了初步的了解。通過這種方式的教學(xué)，能夠有效改進學(xué)生實驗課預(yù)習(xí)不充分的現(xiàn)狀，使枯燥的教學(xué)過程變得生動，整個課堂教學(xué)更富藝術(shù)性，從而提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，逐步完成從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變［11-12］。

4 明確強化過程管理

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，良好的實驗習(xí)慣是每位化學(xué)工作者所必備的基本素質(zhì)。因此，在一年級的實驗教學(xué)中，無機化學(xué)實驗課程組在總結(jié)多年化學(xué)實驗課考核方法的基礎(chǔ)上，進一步明確和強化過程管理，從細節(jié)著手，逐步建立了一套較為科學(xué)公正的實驗考核制度(見表1)，使整個實驗教學(xué)過程更加規(guī)范化［13］。例如:“煤氣燈使用”是期中考試的項目之一，我們對于每一操作細節(jié)均有考核，如在打開煤氣總閥、關(guān)閉空氣入口、開煤氣分閥、打開煤氣螺旋鈕、點燃煤氣燈、調(diào)節(jié)煤氣和空氣進量比例至正常火焰等環(huán)節(jié)上進行逐項監(jiān)督和評分。又如:“粗食鹽的提純及成分分析”是無機化學(xué)實驗(上)的期末考試項目之一，除了對實驗原理、實驗思考題等進行筆試考核外，我們還綜合考察了學(xué)生對該實驗所涉及基本操作的掌握情況(如固體試劑取用、液體試劑量取、煤氣燈使用、pH試紙使用、減壓抽濾、普通過濾、蒸發(fā)濃縮等)，并通過考察學(xué)生對實驗結(jié)果的分析以及對實驗中出現(xiàn)問題的處理情況，對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進行綜合評判。通過在無機化學(xué)實驗教學(xué)中明確和強化過程管理，推行課程考核制度，達到了檢驗教學(xué)效果、完善教學(xué)內(nèi)容、改進教學(xué)方法的目的，也可促使一年級本科生受到規(guī)范嚴格的實驗訓(xùn)練，為他們養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣打下扎實的基礎(chǔ)。

表1 無機化學(xué)實驗課程成績評定標準

5 加強教師隊伍建設(shè)

在建設(shè)課程體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的過程中，教師隊伍的建設(shè)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。目前，無機化學(xué)實驗課程組共有10位教師，其中5人具有博士學(xué)歷，2人具有研究生學(xué)歷，形成了一支敬業(yè)精神強、學(xué)歷層次較高、年齡結(jié)構(gòu)合理的實驗教學(xué)隊伍。這對于實驗教學(xué)的順利開展以及新實驗的開發(fā)起到了良好的推動和促進作用。此外，課程組長期以來堅持實行集體預(yù)備實驗制度，即不論實驗項目新舊，不論實驗所需時間長短，所有任課教師必須在課前預(yù)做下一個實驗項目。通過集體預(yù)實驗，可以檢查實驗藥品或儀器是否齊全，溫習(xí)實驗的各個注意事項，清楚實驗教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象和細節(jié)，尤其是能給新教師提供良好的學(xué)習(xí)和交流機會，保證了實驗課教師隊伍的后續(xù)培養(yǎng)［14］。

6 總結(jié)

自開設(shè)無機化學(xué)實驗以來，課程組圍繞教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，制定了一系列適合不同層次的實驗教學(xué)大綱，在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面均作出了大量嘗試和努力，并取得了一定成效。今后，我們還將繼續(xù)從如下幾方面加強對該課程的教學(xué)研究與探索:(1)深化教學(xué)改革，不斷探索符合教學(xué)規(guī)律的新方法、新思想;(2)更新課程內(nèi)容，及時將最新的科研成果引入至本科實驗教學(xué)，進一步確保課程內(nèi)容的先進性和完整性;(3)加強實驗室軟硬件建設(shè)，多渠道、多方面爭取實驗室建設(shè)經(jīng)費，改善實驗條件，提高管理效率;(4)進一步加強教師隊伍的建設(shè)，不斷吸引更多高學(xué)歷、高水平的教師加入到課程教學(xué)隊伍中來。

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