非化學專業大學化學實驗課程教學實踐

牛麗紅， 崔愛莉， 尉京志， 楊 錦， 張四純

(清華大學 化學系， 北京 100084)

實驗課程改革

非化學專業大學化學實驗課程教學實踐

牛麗紅， 崔愛莉， 尉京志， 楊 錦， 張四純

(清華大學 化學系， 北京 100084)

大學化學實驗是清華大學非化學專業院系大一本科生的公共基礎課。清華大學的大學化學實驗單獨設課，學時短、選課人數多、學生實驗水平差別大。實驗室從實際出發，開設基礎知識與工科專業相結合的實驗內容，采用多種教學形式提高教學效果，貫徹培養學生創新思維的教學理念，探索適合大學化學實驗教學的有效模式，經過幾年實踐，起到了較好的效果。

非化學專業； 大學化學實驗； 公共基礎課

化學實驗教學在本科化學教育和化學人才培養中起著基礎性的關鍵作用，實驗教學過程對學生的創新思想、創新意識的形成至關重要[1]。大學化學實驗是大學階段的第一門基礎化學實驗課程,開設對象為工程物理、電機工程與應用電子技術、建筑技術科學、物理等非化學類院系一年級學生。通過該課程的學習，學生可以全面了解化學實驗的一般知識和技能，樹立安全、規范、環保意識，培養研究能力和創新能力[2-3]。我校大學化學實驗單獨設課，16學時， 1學分；選修這門實驗的學生每年350～400人；由于高中硬件條件不同以及近幾年各地高中新課標化學教育體系的變化，選課學生化學實驗水平差別非常大。面對上述情況，實驗室從實際出發，不斷改革實驗內容，采用多種教學形式，貫徹培養學生創新思維的教學理念，探索適合大學化學實驗教學的模式，起到了較好的效果。

1 結合專業特點的實用性實驗內容

在教材選擇上，為配合實驗改革進行，出版了北京市高等教育精品教材“現代化學實驗基礎”，該教材重視現代前沿內容和經典內容的連接和結合，實驗內容上引入化學在環境科學、生命科學、材料科學等方面的應用實例，基本涵蓋了無機化學、有機化學、分析化學、物理化學的一些基本實驗原理和操作，不僅可以使學生對化學實驗有初步全面的了解，而且，還可以了解化學在各個領域中的應用[4]。由于課時的限制，教師無法在課上詳細演示實驗操作，教研室拍攝了與教材配套的實驗演示光盤，學生可以隨時登錄網絡學堂，下載觀看演示操作。

在實驗內容的選擇上，根據工科學生的專業特點，增加一些貼近生產、生活的應用性實驗，如“水的硬度測定”，要求學生自己采取水樣，有的學生測定宿舍樓中的水，有的學生測定不同品牌礦泉水、純凈水，根據測量結果對水質硬度做出評價。又如“鋼中錳含量測定”，該實驗取材自工業生產實踐，所用原料45號鋼取自我校機械廠車床加工的下腳料，實驗中學生不僅學到了稱量、溶解、定容等實驗手段，掌握標準曲線作圖的方法，而且還親自體驗了工業生產中鋼中錳含量測定的方法(分光光度法)，另外還有“摩爾鹽的制備與純度檢驗”等，這類與生活緊密相關的實驗，不僅使學生掌握了一些實驗操作，而且對生活中的一些化學現象有了本質的認識。

大學化學實驗課程重在化學規律性和研究方法的把握，拓寬課程視野，體現化學與能源、環境、材料和生命健康的息息相關，反映多學科的相互滲透與融合，樹立正確的能源觀念、環境意識以及人與大自然和諧共處的生態科學理念。教學中結合專業特點，引導學生將化學與其專業背景加以聯系，比如對于機械系的學生，要求他們對新能源部分了解更多一些，對于生命科學院的學生，有關元素的知識，特別是元素的生物功能要多介紹一些，對于材料系學生，要引入各種先進材料的介紹。在開展“專業與化學”課題調研活動中，將學生根據專業分成小組，要求他們通過查閱文獻，寫出與專業結合的化學實驗報告，雖然大部分學生是借鑒了一些教科書上的實驗，但在查文獻、寫報告的過程中加深了化學與其自身專業聯系的了解，大大提高了學生做化學實驗的主動性。

2 豐富多彩的教學形式

2.1重視化學史的啟蒙作用，提高學生的人文素質

我國著名化學家傅鷹說過“化學可以給人以知識，化學史可以給人以智慧”。一切化學思想、化學概念及化學手段都有其背景和發展演變過程，凝聚著一代又一代化學家的心血和智慧，反映了他們的探索熱情和奮斗歷程。透過化學史的教學，能夠啟迪學生探索化學實驗背后所進行的思維活動。比如本生燈是德國化學家R.W.本生為裝備海德堡大學化學實驗室而發明的用煤氣為燃料的加熱器具。在本生燈發明前，所用煤氣燈的火焰很明亮，但溫度不高，是因煤氣燃燒不完全造成的。本生將其改進為先讓煤氣和空氣在燈內充分混合，從而使煤氣燃燒完全，得到無光低亮度的高溫火焰。本生作為化學家，對科學具有廣泛的興趣，他早期研究有機化學，后來又涉獵無機化學、地質學，并發明了很多鑒定、分離無機物質的分析方法，將畢生的精力都用在培養學生和科學研究上。又如，現代儀器分析手段，目前還不能完全代替經典分析方法，比如滴定分析、重量分析的準確度，大大優于現代儀器分析，所以在學習的過程中，必須重視精典內容和現代前沿內容的連接和結合，掌握較全面的知識，以適應未來專業和學習的需要。另一方面，很多科學發明是沒有現成的儀器所用的，使用簡單儀器也可以發明創造。點滴分析法的創始人費格爾(維也納化學家)，他研究出一整套硫化銨和硫化氫的點滴分析法，所用的儀器相當簡單，主要是磁質點滴板、磁棒和濾紙等，而其靈敏度達10-8～10-5克，正是由于費格爾的貢獻，分析化學才出現了“超微量分析”這一分支。

對于剛接觸大學化學實驗的新生來講，在實驗課堂上穿插一些化學史的介紹和化學家奮斗故事的講述，對于實驗教學效果的提高大有裨益。首先，活躍了課堂氣氛，使學生對實驗充滿興趣；其次，通過了解知識背景，學生可更好地掌握該知識點，有利于提高科學素養,同時，堅定學生刻苦學習的信心和勇于鉆研的精神，為進行科研打下良好的情感基礎。

2.2 因材施教，開設開放實驗

大學化學實驗是培養大學生創新能力的重要途徑之一[5-7]，而現有化學實驗能力評價標準過于簡單，遠遠不能滿足現代社會對學生化學實驗能力培養的要求，因此有必要對大學化學實驗能力評價標準進行研究、完善和體系化。由于大學化學實驗學時比較短，僅2學時，而選修大學化學實驗的學生，高中化學水平(尤其是實驗水平)不一、動手能力參差不齊，這種情況下，開放實驗室非常有必要。在問卷調查中，90%的學生對開放實驗非常感興趣，10%的學生認為無所謂。

對于高中沒有做過實驗的學生要強調基本能力的訓練,并逐步加以引導,增強學生做好實驗的信心，允許重復上實驗課，并要求學生寫出實驗心得，從失敗中學到經驗教訓。經過幾年的實踐，學生反響很好。高中化學基礎較好的學生(例如參加奧林匹克化學競賽獲獎的學生)，對于大學化學實驗內容，他們往往多了一分優越感,少了一分新鮮感。在教學過程中,對于這些學生注重引導他們對實驗內容設計的思考，為其開設提高性的實驗，并以小論文的形式總結實驗過程。特別是利用清華大學優秀的學生自主創新平臺——SRT(student research training)項目,學生每學期可多次申請自主研究項目，學校都會給予一定的經費資助。例如，本學期大一工程物理系學生朱發強等3名學生選擇探索性實驗“銅氨配合物熱致變色現象討論”，他們合成了一系列熱致變色化合物，探討了相轉變溫度與配體的關系，獲得我校實驗室建設貢獻獎二等獎。物理系大一學生鮑亦澄將計算機知識應用于化學實驗，設計的教學軟件“鋼中錳含量計算軟件”，可以當堂給出學生實驗結果、成績及成績分布度，使得師生能夠在課堂上及時對實驗加以總結，目前該生即將赴哈佛大學物理系深造，他認為“化學實驗為我在大學化學起步階段打下良好的運用知識、創造知識的平臺”。材料系大一學生張晨慧申請的“離子色譜儀在分離混合離子中的應用”，利用離子色譜儀分離混合離子，作為非化學專業的大一學生，熟練掌握了儀器操作方法，并提出了計算法和實測法的區別討論。這些都說明，學生有較強的求知欲望、自學能力和運用知識能力，只要給他們一片合適的沃土，在教師的指導下，他們就能做出更大成績。

這種方式不同于經典的驗證實驗，實驗中增加了很多需要獨立探索的實驗條件，通過實驗過程的深入學習不僅提高了學生的實驗操作能力,鞏固了基礎知識,而且使學生對于現代化學理論及其應用有了深刻的認識，從學生反應來看，這種方式很受歡迎，“摒棄了照方抓藥式的實驗內容的限制”“發揮余地比較大，培養獨立思考和解決問題的能力。”“自主學習能力得到很大鍛煉，同時培養了團隊合作精神。”

葉圣陶先生講：“教是為了不教。”這首先是突出教師的教，即教師的主導作用。為提高學生的學習興趣優化實驗教學內容、建設實驗平臺、積極進行開放實驗等，均需要教師的主導和引導，這對師資隊伍提出了很高的要求。適應研究型和開放型的實驗內容，要求教師必須有科學研究的經歷和熟練的實驗技能；適應綜合性的實驗內容，要求教師具有廣博的專業基礎知識；實驗內容的多樣化，要求教師必須有很強的應變能力；實驗室開放的運行模式，要求教師必須有奉獻精神和很高的職業道德[8]。

2.3 網絡資源，課堂的延伸

我國著名教育技術專家南國農先生的基本觀點是 “把傳統學習方式的優勢和數字化學習的優勢結合起來，使兩者優勢互補，才能取得最佳的學習效果”。

網絡學堂為師生互動提供了很好的交流平臺，為充分利用僅2學時的課堂時間，教師將一些演示操作提前放在網上“教學資源”板塊中，學生實驗課前自行選擇時間通過網絡預習，掌握相關操作方法，教師課上就可以針對性的講解，省去一些不必要的重復演示。每次實驗結束后，在“課程答疑”“課程討論”等板塊中學生就實驗現象展開討論，最后由課代表將典型性問題整理歸納后，在下次課上和任課教師共同討論。

發揮微信在課堂中交流平臺的作用，例如制備實驗中，學生紛紛將合成產品的圖片上傳到群中，第一時間獲取其他學生的實驗結果，在與其他學生比較的過程中，了解不同實驗條件下得到的產品形貌的不同，開展討論，教師加入討論并給予引導，大大增加了學生學習的積極性和主動性。

與本課程相應的理論課程“大學化學” 作為我校首批上線的先修課課程，在“學堂在線”上受到廣泛的關注和好評，其中別出心裁的實驗演示部分，受到業界廣泛關注[9]，課堂上適時的播放相關內容，學生從更微觀的角度了解實驗過程，課前提示—引發興趣—實驗探索—討論反饋，形成一個良性的學習過程。

3 基礎實驗中培養學生創新思維

高等教育的首要任務就是培養具有創新能力的學生。在實驗教學中更要開發學生的創新思維。學生活躍的思維在化學實驗中體現為獨特的創造能力[9]。

在大學化學實驗教學中, 元素及其化合物的性質實驗占有十分重要的地位。這類實驗幫助學生從感性上直接認識元素及其化合物, 并要求學生較為系統地掌握元素及無機化合物的重要性質。元素及其化合物的性質實驗基本上是在試管中進行反應, 內容多且雜, 容易使學生感到實驗內容過于枯燥；另外，大一學生思維方式往往停留在中學教學模式中，不善于對教科書上的說法提出質疑，而作元素性質實驗過程中，往往得到與書中不盡相同的結論。在教學過程中，結合學生得到的異常實驗結果，引導他們查閱文獻，使他們意識到知識是發展的，即使是歷史上非常經典的實驗，也蘊含著許多值得繼續研究的新課題。這種探究式的學習方法受到學生的普遍歡迎，大大提高了他們做元素性質實驗的興趣。同時，注重培養學生的問題意識，簡單的無機化學反應背后蘊藏著豐富的物理、化學、材料研究內容, 任何一個新的現象都有可能成為新的科學發現的起點。從紛繁復雜的表象背后看到問題的實質, 從簡單的化學反應背后看到豐富的物理化學研究內容 ,可以逐漸幫助學生樹立起正確的科學研究觀念[10]。

這種參與不僅使學生親歷了一次科研活動,了解了科研工作的一般規律,增強了學生做實驗的興趣,同時也提高了學生的科研能力,使學生的思維不拘于實驗中早已定好的過程。特別是通過在教師指導下追蹤最新文獻、翻譯資料,在這個過程中學生必然會認真思考,主動尋找怎樣才能提出自己的見解和觀點,從而提高了學生的創新意識，激發了學生探索、鉆研問題的興趣，解決了理論知識和科學研究相脫節問題。這樣的教學過程，培養了學生發現問題、解決問題的能力，培養了學生的創新意識。

4 結語

大學化學實驗作為一門校級基礎課，是對大學新生進行素質教育的重要途徑，授課教師要根據新生的心理特點開展針對性教學，在教學過程中努力讓學生感受到學習成功的歡樂, 使學習變得更有趣味,使得學生認識到化學作為基礎學科的重要性。在提高實驗教學質量的改革中，一手抓“基礎”，突出化學基本素養的訓練，一手抓“提高”，突出學生個性化及綜合能力培養，為合格化學人才的培養進行有益的探索與實踐。通過近年來的摸索,初步取得了一些成績,學生非常喜歡這門基礎實驗課，這也給了從事基礎課實驗教學的教師更大的信心搞好教學工作。

感謝清華大學化學系李強教授(北京市教學名師，大學化學先修課主講教師)、崔愛莉研究員(大學化學實驗負責人)、基礎化學實驗教學中心主任張四純教授對本課程的支持，感謝博士生助教劉俊利、張思敏、劉東琳對本課程建設的貢獻，感謝SRT本科生鮑亦澄、朱發強、李昕珂、巫騰飛、張晨慧的積極參與。

References)

[1] 任艷平.“化學學科拔尖學生培養試驗計劃”課程平臺[J].大學化學，2017,32 (1)：15-20.

[2] 強根榮,盛衛堅,劉秋平,等.化學實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2010,29(11):107-112.

[3] 馬世紅,趙在忠,王煜,等.開設實驗選修課培養學生創新能[J].物理實驗，2002,22(3):27-29.

[4] 袁書玉.現代化學實驗基礎[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5] 衛星星，李銀濤，賈瑞虹．大學生創新實驗項目在應用型人才培養中的探索與實驗[J]．化學教育，2016, 37(20):38-40.

[6] 王偉祖，鄭旭明.構建實驗教學新體系，培養學生創新能力[J]．實驗室研究與探索，2007,26(2):70-75.

[7] 趙云岺，歐陽津，孫豪嶺，等.基礎化學實驗課程中學生能力和創新意識的培養[J]．化學教育，2015(6):42-45.

[8] 龔淑玲,黃馳,侯安新,等.以學生為中心，激發學習興趣，提高化學實驗教學效果[J]．實驗技術與管理, 2012, 29(8):1-8.

[9] 莊京.談基礎化學實驗教學改革觀念[J].大學化學，2010, 25(1):13-16.

[10] 張洪奎,朱亞先,夏海平.構建實驗課程體系，培養合格化學人才[J].實驗技術與管理,2012,29(1):7-10.

Teaching practice of university chemical experiment course for non-chemistry majors

Niu Lihong， Cui Aili, Wei Jingzhi， Yang Jin, Zhang Sichun

(Department of Chemistry, Tsinghua University, 100084 Beijing， China)

The university chemical experiment is a public fundamental course for the first year students of non-chemistry majors in Tsinghua University. The university chemical experiment course is set up independently in Tsinghua University, the teaching hours are short, the number of the students choosing this course is large, and their experimental levels are quite different. From the actual situation, the experimental contents with the combination of basic knowledge and engineering specialty are determined, the various teaching forms are adopted to improve the teaching effect, the teaching idea of training students’ innovative thinking is implemented, and an effective mode for the university chemical experimental teaching is explored. After several years of practice, better results have been achieved.

non-chemistry majors; university chemical experiment; public fundamental course

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.052

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0210-04

2017-05-23

清華大學本科教育教學改革項目(53410100537)

牛麗紅(1977—)，女，河北秦皇島，碩士，工程師，從事大學化學實驗教學工作，研究方向為超分子化合物的合成、性質研究以及大學化學實驗教學、管理工作.

E-mailniulh @tsinghua.edu.cn