基礎化學實驗培養創新型人才教學模式的構建

王小燕， 解從霞， 羅世忠， 王書文， 劉紅天， 齊 燕

(青島科技大學化學與分子工程學院，山東 青島 266042)

0 引言

對化學等實驗性較強的學科而言，實驗教學是人才培養的重要一環[1]。基礎化學實驗是融知識、能力、素質教育于一體，培養學生創新意識、創新能力最生動活潑、最有效的手段之一[2]。

傳統的基礎化學實驗教學模式存在著驗證性實驗較多，而綜合性、設計性實驗較少等方面的問題，學生缺乏獨立思考問題、獨立解決問題及發揮其創造性的空間，不利于學生創新精神和創新能力的培養。而實驗綜合化是基礎實驗教學改革的方向，綜合性實驗技能訓練縮短了學生大學學習的適應期，符合培養“知識、能力、素質”綜合發展的創新型人才的方向[3]。我校基礎化學實驗中心非常重視在基礎化學實驗教學中培養學生的基本實驗技能及創新能力，多年來一直致力于基礎化學實驗教學改革[4-15]，并依托“山東省省級實驗教學示范中心”的建設，不斷開發與學生認知規律及創新能力相匹配的綜合設計性實驗，并在實踐過程中不斷更新與完善，逐漸構建了一個多層次的“基礎性實驗—串聯實驗—準設計性實驗—準研究性實驗”教學模式，提高了實驗教學質量。

1 基礎化學實驗教學模式的構建

在教學實踐過程中，我們發現對大學低年級學生來說，從基礎性實驗直接向設計性實驗和研究性實驗過渡難度較大，無論是查閱文獻資料，還是自行設計方案，學生首次接觸，往往感到無從下手，即使勉強完成實驗，也容易產生畏難情緒，降低了對實驗的興趣，難以收到預期的教學效果。為此，我們構建了基礎化學實驗培養創新型人才的教學新模式，研發了一系列串聯實驗、準設計性實驗、準研究性實驗，作為基礎性實驗與學生高年級的綜合性、設計性實驗之間的橋梁。教學實踐表明，該教學模式能激發學生的求知欲望和創造精神，培養學生學習的主動性和創造性。該教學模式如圖1所示。

在教學初期安排基礎性實驗，訓練學生的基本實驗操作技術;然后安排綜合性實驗(以串聯實驗的形式開設)，訓練學生的綜合應用能力;最后安排準設計性實驗和準研究性實驗，提高學生分析問題和解決問題的能力，并培養學生的創新意識和創新能力。

圖1 基礎化學實驗教學模式示意圖

2 基礎化學實驗教學模式的實踐

2.1 基礎性實驗注重基本技能的訓練

2.1.1 重點加強基礎訓練

學生創新能力的培養，必須建立在扎實的基礎知識、熟練的操作技能之上。因此，應突出基本實驗操作技能在基礎化學實驗教學中的地位和作用。經典實驗和驗證性實驗仍然是本科基礎化學實驗教學的重點，約占整個實驗課程的70%左右，這是培養學生基本實驗能力的保證。同時基礎性實驗課題簡單，往往一個實驗解決一個問題，使初學者易于接受，符合學生的認知規律。通過強化基本操作，使學生掌握了如玻璃儀器的洗滌、減量法稱量、溶液的配制、滴定操作、物質的制備、分離與提純等基本操作，并學會了酸度計、電導率儀、分光光度計、熔點測定儀、阿貝折光儀等基礎儀器的使用，為后續的綜合性、設計性實驗奠定了良好的實驗基礎。在教學過程中須始終嚴格強調這些基本操作和基本技能的規范性，使學生初步掌握化學實驗方法和技術，并建立“量”的概念。

2.1.2 基礎性實驗教學方法改革

(1)重視、強化預習環節[9]。實踐證明，學生只有掌握了正確的預習方法，才能順利地完成實驗，才可能對實驗出現的問題進行正確處理。因此我們要求學生在預習時重點理解實驗原理和實驗步驟，引導學生根據對實驗各部分的理解，寫出該實驗的注意事項，指出每個實驗成功的關鍵。同時要求學生根據實驗內容統計需要記錄的原始數據。學生學會了正確的預習方法，不僅可提高預習效果，確保實驗有效進行，同時還培養了學生的綜合素質。

另外，改進預習成績的評價方法促使學生積極預習。對實驗預習報告的批改嚴格按照以上要求對每一細項進行量化打分。對于某些實驗我們設計了預習效果檢查問卷，根據學生答題的結果客觀公正地給出預習成績。檢查問卷的選題側重于實驗原理、實驗操作關鍵步驟以及實驗中易出錯之處。正因如此，學生的答卷成績真正反映了其預習效果的好壞。學生對本實驗內容掌握到了何種程度，教師可做到一目了然。

(2)啟發式、問題式、討論式等教學法的綜合運用。教學方法的改革是教育改革的重點內容之一。我們通過多種形式、多個環節來改進教學方法，廢除單純傳授、灌輸知識的教學形式，嘗試開展啟發式、問題式以及討論式教學。在實驗前理論講解時，特別重視課堂提問，因為進行課堂提問是教師根據學生預習情況進行針對性和科學性教學的重要依據。在實驗過程中給學生答疑解惑時，重視啟發式教學，不讓學生吃“現成飯”，發揮學生的主觀能動性;通過反問法檢查學生對實驗理論的掌握情況。同時我們也注重因材施教，提倡多樣化的教學方式。對于某些實驗，我們采用讓學生上講臺的互動教學方式，使學生由被動接受轉為主動參與。學生在主講實驗時可以提問其他學生，其他學生如有疑問也可以隨時指出，最后由教師進行點評、補充。教學實踐表明，學生的學習潛力得到了充分的發揮，有的主講學生的表現甚至超出了任課教師的預期，這種教學方法不僅活躍了課堂氣氛，加強了師生以及學生之間的互動，更重要的是激發了學生對實驗的學習興趣，為培養學生的創新意識與創新能力提供了必要的前提條件。

(3)引入現代化的實驗教學手段。隨著學校教學手段改革的深入，中心積極開展基礎化學實驗多媒體課件的開發及基礎化學實驗中心網站的建設工作。多媒體實驗教學形象生動，通過精美的頁面、圖形、實物照片、視頻等手段有效、準確地表達實驗教學內容，能夠吸引學生的注意力，激發學生學習化學的興趣。網站功能包括實驗室簡介、實驗項目、儀器設備、網絡課件、教學錄像、下載資料、常見問題、在線交流、多媒體課件、電子教案、課程大綱等。該網站的開發，突破了傳統的實驗教學學時數、實驗室的限制，延伸了學生學習的時間和空間。此外，對某些實驗如鄰二氮菲分光光度法測定鐵、化學反應速度與活化能的測定等，引導學生利用 Excel、Origin等計算機軟件繪圖[10]，借助現代化手段，培養學生的綜合素質和創新精神。

2.2 開設基礎化學“串聯實驗”[11]

2.2.1 串聯實驗的設計理念

(1)注重培養學生的綜合實驗技能。串聯實驗是指打破學科間、實驗間的界限，開展串聯、組合實驗。它屬綜合實驗范疇。通過串聯實驗把同一門實驗甚至是不同門實驗聯系起來，實現學科交叉和高度的綜合，從而提高學生的綜合實驗能力，培養學生的綜合實驗素質。例如:一組串聯實驗力求無機合成(有機合成)、化學分析、儀器分析(波譜分析)于一體。

(2)注重環保意識的培養。以綠色化學思想為指導，推進實驗綠色化，化學實驗綠色化不僅關系到師生健康與環境，還關系到學生的科學素養與環保意識的培養。研發串聯實驗是實現實驗綠色化的重要有效手段之一。通過調整實驗教學計劃，將同一學科兩個或兩個以上不同的化學實驗組合在一起，使前面實驗的產物成為后面幾個實驗或下一輪實驗的原料，從而提高試劑的使用率，降低實驗成本，減少污染。

2.2.2 串聯實驗的研發及教學實踐

幾年來基礎化學實驗中心研發了8組串聯實驗:①Na2S2O3·5H2O的制備及質量分數的測定;②CuSO4·5H2O的制備及質量分數的測定;③5，5-二甲基-1，3-環己酮的制備;④ Biginelli反應—3，4-二氫嘧啶-2-酮的制備[12];⑤ 1-苯基-3-甲基-5-氯-4-吡唑醛的合成;⑥ 3-烷基/芳基-4-氨基-5-巰基-1，2，4-均三唑的制備;⑦哌嗪二酮類化合物的制備;⑧1-苯基-2-氰基-3-[N，N-雙(三甲基硅基)胺基]茚的制備。

研發的串聯實驗以綜合性實驗或準設計性實驗的形式在基礎化學實驗中開設。如“CuSO4·5H2O的制備及質量分數測定”在基礎化學實驗(Ⅰ)(無機及分析化學實驗)中開設;“Biginelli反應—3，4-二氫嘧啶-2-酮的制備”在基礎化學實驗(Ⅱ)(有機化學實驗)中開設。

2.3 增設基礎化學“準設計性實驗”[13]

2.3.1 “準設計性實驗”的內涵

“準設計性實驗”是介于綜合性實驗與設計性實驗之間、在教師指導下的設計性實驗，即學生根據給定的實驗題目，在教師指導下查閱文獻資料，自行設計實驗方案、準備實驗儀器和藥品、獨立進行實驗操作，最后在教師指導下寫出實驗報告，總結實驗結果。“準設計性實驗”為學生搭起了獨立分析問題、解決問題的平臺，為學生營造了獨立思考問題、獨立完成實驗的空間，大大調動了學生的學習積極性，變被動學習為主動學習，有利于創新型人才的培養。

2.3.2 “準設計性實驗”的研發及實踐

對已選定的擬開設的“準設計性實驗”，教師應掌握較全面的第一手資料。如合成實驗(或測定實驗)共有幾條路線、每條路線的優缺點、實驗成敗關鍵是什么?哪種方法較適合教學等。為此，我們對擬開設的“準設計性實驗”，先由大學三年級的學生，利用開放實驗進行預實驗，寫出開放實驗報告，該報告對指導“準設計性實驗”具有重要意義。另外，也有部分準設計性實驗是復雜、路線成熟的科研成果。幾年來，我們選擇并研發了如下13個“準設計性實驗”:①三草酸合鐵酸鉀(Ⅲ)的合成及組成測定”;②蛋殼中鈣、鎂總量的測定;③硫代硫酸鈉的合成及組成的測定;④醬油中氯化鈉含量的測定;⑤實驗室(碘量法)含鉻廢液的處理;⑥ 碘量法廢液中碘的回收;⑦西紅柿、番茄汁中Vc的測定;⑧從廢電池中回收鋅皮制備硫酸鋅;⑨聚合氯化鋁鈣的合成、性能參數的測定及應用;⑩ Biginelli反應—3，4-二氫嘧啶-2-酮的制備;瑏瑡 苯偶姻合成[14];瑏瑢 正負離子表面活性劑混合體系雙水相性質的測定;瑏瑣 表面活性劑溶液臨界膠束濃度的測定。

“準設計性實驗”在基礎化學實驗后期，面向化學與分子工程學院化學和應用化學專業進行教學實踐。

2.4 增設基礎化學“準研究性實驗”[15]

2.4.1 準研究性實驗的內涵

準研究性實驗是在教師指導下的研究性實驗。學生在教師的指導下，運用一定的實驗方法，創設不同的實驗情景，對一些化學反應從多方位、多層面進行分析，研究某一化學反應的實質和規律，從而有力地解釋客觀事實的實驗屬性。準研究性實驗其精髓是以學生為主體，激發學生的學習積極性，啟迪學生的智慧，培養學生的實驗能力、創新思維和良好的科學品質以及心理素質。

2.4.2 “準研究性實驗”的研發及教學實踐

幾年來，我們選擇并研發了如下3個“準研究性實驗”:①三草酸合鐵酸鉀(Ⅲ)合成及組成測定;②BaCl2·2H2O中鋇的質量分數及硫酸鋇溶度積常數的測定;③多組分反應—取代咪唑的制備。

2.4.3 “準研究性實驗”教學實踐的具體步驟

(1)提前3～4周向學生宣布實驗內容，要求學生查閱資料，寫出實驗預習報告，教師要求學生重點討論影響實驗結果的諸因素。例如在“BaCl2·2H2O中鋇的質量分數及硫酸鋇溶度積常數的測定”中，教師要求學生重點討論生成BaSO4沉淀的條件對BaSO4的狀態、Ba%和的影響。

(2)將全班分組，學生隨機按題簽(具體實驗方案)做實驗，同一方案每班3或4名同學。

(3)實驗結束，每組進行實驗匯總，討論，總結歸納實驗結果，每人寫出一份實驗報告。例如在“BaCl2·2H2O中鋇的質量分數及硫酸鋇溶度積常數的測定”中，重點討論沉淀溫度、沉淀的洗滌、沉淀的陳化及加入沉淀劑的速率等因素對Ba%及產物BaSO4的影響，并將分析純的試劑的理論值和實測值相比較，最后得出相應的結論。

3 結語

自2002年課程體系改革以來，我校基礎化學實驗中心在摸索中前進，通過十幾年來的不斷積累與完善，逐漸形成了“基礎性實驗—串聯實驗—準設計性實驗—準研究性實驗”的教學模式，歷經化學、材料化學、應用化學、海洋化學等專業學生的實踐。參與該教學模式的教師進行了研討，充分肯定了開設“準設計性實驗”及“準研究性實驗”的意義。教師們一致認為這兩類實驗為學生建立了從基礎性實驗向設計性、研究性實驗過渡的平臺，有利于激發學生的實驗興趣，培養學生的創新意識、創新潛力及創新能力，同時為后續課程的學習乃至畢業設計環節打下了良好的基礎。對學生的抽樣調查結果顯示，有90%以上的學生對此給予高度評價，并建議將此教學法加以推廣。

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