大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)

宰建陶， 陳虹錦

(上海交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

化學(xué)是實踐型的學(xué)科。基礎(chǔ)化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)、實踐和積累對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、科學(xué)的研究方法、科學(xué)的研究態(tài)度有很好的匯聚、鋪墊作用[1-3]。一旦養(yǎng)成的良好的實驗技能、科研態(tài)度、方法和思維模式，學(xué)生在今后的進一步深造學(xué)習(xí)、科學(xué)研究中會形成一種厚積薄發(fā)的態(tài)勢[4-6]。整個學(xué)習(xí)過程是一種科學(xué)方法論的體驗，有時，它有著比理論教學(xué)更好的人才培養(yǎng)效果[7-10]。

2013～2016年，對致遠學(xué)院化學(xué)班基礎(chǔ)化學(xué)實驗的第一門課程“無機與分析化學(xué)實驗”[11]的教學(xué)方法、模式進行了改革。針對他們較為扎實的化學(xué)基礎(chǔ)和良好學(xué)風(fēng)，進行了高起點、高要求、高投入的改革，取得了一定的效果。

本次改革的重點放在改變過去基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)的一般思路及做法[12-13]，重點在以下幾方面作了改革。

1 實驗教學(xué)以學(xué)生為主體進行

教學(xué)實驗的作用主要是驗證理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的探究、思索能力。但以往的教學(xué)過程中往往學(xué)生的主動性發(fā)揮不夠，學(xué)生照著實驗方案進行操作，驗證理論知識。但是整個實驗的設(shè)計以及方法的原理缺乏認識，對能力的培養(yǎng)和整體的思路的建立不夠，比較被動。為改變這種被動學(xué)習(xí)的習(xí)俗，設(shè)計了以下幾個環(huán)節(jié)，旨在提高學(xué)生在整個教學(xué)過程中的主動性。

1.1 由學(xué)生分組準(zhǔn)備實驗原理和方法的討論及操作、注意事項的講解

充分發(fā)揮團隊精神，調(diào)動每一個同學(xué)的積極性和關(guān)注力。同學(xué)在自己設(shè)計的實驗方案基礎(chǔ)上，經(jīng)過全班同學(xué)的討論和修改，拋棄實驗教材進行實驗。有的元素性質(zhì)實驗，就在實驗結(jié)束后討論，對討論中存在的疑惑，再去做實驗嘗試或驗證。

每一次的討論都很認真、熱烈。同學(xué)的收獲頗多，即加深了對實驗原理的理解，又對實驗過程設(shè)計的方法原理有所掌握，重要的是，在過程中還加強了團隊的協(xié)作精神。如鄰二氮菲測鐵實驗是一個簡單的但又較完整的包括實驗條件的確定和標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制以及實際樣品的含量測定的教學(xué)實驗。該實驗系統(tǒng)完整、思維容量大，對學(xué)生的能力要求高。為此，在2016級同學(xué)的實驗教學(xué)中，為了有效的教學(xué)效果并盡可能的資源共享，將學(xué)生分成幾個小組，增加用正交實驗方法選擇實驗條件和測定實際樣品——自制草酸亞鐵含量的測定環(huán)節(jié)。學(xué)生們在組長的帶領(lǐng)下，根據(jù)要求，多次討論，設(shè)計方案(見圖1)，經(jīng)過老師的指導(dǎo)后再討論修正。在實驗的過程中，遇到了預(yù)想不到的問題再集體討論，另外設(shè)計修正方案進行，大家忙得不亦樂乎，加班加點也興致不減。

1.2 循序漸進地引入實驗環(huán)節(jié)和方案設(shè)計

表1所示是無機與分析化學(xué)實驗中設(shè)計性環(huán)節(jié)在總學(xué)時中所占比例的對比。從表中數(shù)據(jù)可見，在該實驗教學(xué)中始終貫穿學(xué)生自己的設(shè)計環(huán)節(jié)；設(shè)計性環(huán)節(jié)的覆蓋和要求循序漸進地提高。這一措施的實施，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性很有幫助，同時也提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，分析問題、提出問題、解決問題的能力。

圖1 學(xué)生們討論實驗方法分析實驗現(xiàn)象

學(xué)時

設(shè)計性環(huán)節(jié)的實施有3種情況。①先設(shè)計實驗的某些環(huán)節(jié)，如合成實驗樣品的含量測定和組分分析；②整個實驗命題設(shè)計，如混酸(強酸+弱酸)的各組分含量測定；③學(xué)生自己命題，自主設(shè)計實驗。

通過這些設(shè)計性環(huán)節(jié)的設(shè)計并實踐，學(xué)生收獲頗豐：

(1) 體驗了化學(xué)學(xué)科理論與實踐的關(guān)系。他們從中體會到，化學(xué)理論課程的原理，并不是那么容易驗證的，實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計很重要(如三氯化六氨合鈷中氯含量的測定，在所有可查的實驗書籍中都是用摩爾法沉淀滴定來測定Cl-的含量。但是在實際操作中，一個是溶液的pH的控制，另一個是終點的判斷根本無法進行。為此，就讓同學(xué)自己設(shè)計實驗環(huán)節(jié)來解決這個問題，在老師的指導(dǎo)下他們都順利完成了該環(huán)節(jié)的內(nèi)容。通過這一次的實踐，同學(xué)的感悟是要完成理論上可行的，貌似簡單的實驗過程有時是行不通的，就像要重復(fù)前人的科研成果也并非易事一樣。這樣的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生在實驗預(yù)習(xí)中會注重方法的原理和自己提出問題。

(2) 實驗設(shè)計出于理論原理又高于理論。在此設(shè)計乃至實驗進行的過程中，感悟?qū)嶒炘O(shè)計方案的科學(xué)性。如在理論課程分析化學(xué)[14]的學(xué)習(xí)中有配位滴定方案的設(shè)計：①Ca2+、EDTA混合溶液中，二者含量的分別測定和②含F(xiàn)e3+溶液中Bi3+含量的測定。實驗方案設(shè)計后學(xué)生到實驗室準(zhǔn)備，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅僅含Bi3+溶液的配制就遠沒有想象的容易，反反復(fù)復(fù)數(shù)次才在實驗室老師的指導(dǎo)下完成。如此，既體驗到理論與實際的關(guān)系，又獲得了元素性質(zhì)的感性認識。

(3) 體驗了科學(xué)研究的全過程。以往的教學(xué)實驗都是課本上的實驗，只要認真預(yù)習(xí)即可完成。而自主設(shè)計實驗要求學(xué)生從設(shè)計到準(zhǔn)備實驗所需的試劑，到進行實驗都自己完成。往往是在此過程遇到的問題遠遠超出設(shè)計稿完成時的預(yù)見。經(jīng)常會做到一半再去查資料再研究再回實驗室做，花費了很多時間和精力，但也比一般的按照課本做實驗收獲多得多，對他們的科研素養(yǎng)的培養(yǎng)和分析、解決問題的能力有很好的提升。也增加了對科研的興趣。

2 注重實驗教學(xué)過程

實驗課程是一種特殊的區(qū)別于理論課程的教學(xué)實踐。過去的實驗教學(xué)往往只注重結(jié)果、不太注意過程，不注意過程中的方法論[15-16]。而本教學(xué)改革針對此問題在以下幾個方面進行了嘗試。

(1) 對實驗結(jié)果做到心中有數(shù)。讓學(xué)生有目的的學(xué)習(xí)與實踐，可以有把握地檢驗和分析自己的實驗結(jié)果，做到胸有成竹。這對于學(xué)生的要求高于普通班學(xué)生。不僅是在基礎(chǔ)理論、自學(xué)能力方面，還要求對實驗設(shè)計中蘊含的方法了解和理解。經(jīng)過這種訓(xùn)練對提高學(xué)生的科研能力很有幫助。

(2) 對實驗結(jié)果正確評價。分析、評價的目的不在于結(jié)果的正負和產(chǎn)率的高低，而是科學(xué)地評價及分析原因。為此，讓學(xué)生多方采集實驗數(shù)據(jù)，全班甚至全年級同學(xué)的數(shù)據(jù)共享，讓學(xué)生就實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理和分析討論并撰寫小論文。同時，還鼓勵同學(xué)用科學(xué)的觀點分析、看待實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，如正交法引進實驗設(shè)計，如何合理的舍棄實驗數(shù)據(jù)等。

如錢天悅同學(xué)在混酸設(shè)計性實驗報告中針對指示劑的影響部分寫到：

本實驗中滴定鹽酸一步采用了不同的指示劑，而測定氯化銨和NaOH時都采用了酚酞，因而只討論指示劑對鹽酸測定的影響，實驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，兩種指示劑所測結(jié)果基本相同，故可認為甲基紅和溴甲酚綠都可作為指示劑，且對測試結(jié)果沒有明顯的影響。但是根據(jù)實驗中的觀察，溴甲酚綠的變色點比甲基紅更敏銳，更易于觀察，故推薦使用溴甲酚綠。

表2 不同指示劑對鹽酸濃度測定的比較

經(jīng)過如此分析比較，得到了來自于實踐的感悟和體驗。

再如，謝哲遠同學(xué)將收集的139組數(shù)據(jù)進行了詳細的誤差分析(見圖2)，指出溴甲酚綠作為指示劑時，得到的偏差要小于甲基紅，也證實了上述結(jié)論。

圖2 139組混合酸測定數(shù)據(jù)偏差值制成散點圖

(3) 善于邊研究邊類比學(xué)習(xí)。如2013級的錢憶雯同學(xué)，自己設(shè)計的實驗是食品(面條和餅干)中鋁含量的測定。在做試驗前老師就給了她兩篇文獻作參考，她通過查閱和參考文獻完成了設(shè)計，可是進入實驗環(huán)節(jié)后，發(fā)現(xiàn)沒有分光光度法測鋁試樣量的問題。為此，她再查閱文獻，重新修改方案，經(jīng)過多次實踐，很好地完成了實驗，自己也得到了很好的鍛煉和提高。

(4) 正確看待實驗結(jié)果。強調(diào)實驗過程中自己的收獲和素養(yǎng)的培養(yǎng)，而不過分注重結(jié)果。在自主設(shè)計實驗中有一個命題是黃銅(合金)中銅含量測定。這是一個非常復(fù)雜且操作困難的課題，2013級的黃般若和陸鐵騎同學(xué)花了很長的時間也沒有做出準(zhǔn)確結(jié)果。但是，因為他們經(jīng)過反復(fù)實驗，周密分析找到了原因，所以該項實驗的成績?nèi)匀皇莾?yōu)等。這樣的做法，可以鼓勵學(xué)生知難迎難而上，攻克難關(guān)。在學(xué)長的推薦下，2014級的余坷、王焱同學(xué)仍然選擇了這個課題，從另外的角度進行設(shè)計實驗。

3 充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)及啟迪作用

教學(xué)改革，教師的投入是關(guān)鍵。在這個基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)改革的過程中，教師起著循循善誘的作用：是放手而不是脫手，指導(dǎo)而不是教導(dǎo)。具體的做法是：

(1) 每個實驗都堅持帶領(lǐng)助教提前做預(yù)備實驗，經(jīng)過預(yù)備實驗，給出多個實驗前的思考題和實驗預(yù)案，便于學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、討論和在過程中給予指導(dǎo)。

(2) 對學(xué)生遞交的設(shè)計方案進行反復(fù)點評、修改和指導(dǎo)，有時是針對性的逐個個別指導(dǎo)。

(3) 實驗前個別指導(dǎo)領(lǐng)銜小組的總結(jié)討論、拓展方案(每一個實驗由一個小組領(lǐng)銜討論)。

(4) 注重學(xué)生團隊精神和求實創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。有目的地挑選幾個復(fù)雜、繁復(fù)的實驗有指導(dǎo)性地讓學(xué)生組建團隊，審查團隊設(shè)計方案，注重和考核每一個隊員在方案中的擔(dān)當(dāng)。

(5) 做學(xué)生實驗的“后勤保障”。及時與實驗室人員溝通、協(xié)調(diào)，做好學(xué)生需要提供的實驗器材和試劑的供給保證；實驗數(shù)據(jù)的采集、分享，為學(xué)生分析、總結(jié)，撰寫實驗報告或論文提供素材。

經(jīng)過本實驗課程的各種訓(xùn)練，同學(xué)們得到了比較好的鍛煉，也收獲了一定的課外科研成績(見表3)。

表3 致遠化學(xué)班同學(xué)科研情況

總體來說，致遠班的學(xué)生對科學(xué)研究的興趣較濃，進入課題組以后以較好的實驗技能和素養(yǎng)得到了教師的好評。如陳鵬宇在實驗課程感想中寫道：“第2學(xué)期的實驗相比起第1學(xué)期，雖然實驗的次數(shù)少了，但明顯地感覺到難度增大了，自主思考與設(shè)計的空間也更大了。這是個不小的挑戰(zhàn)，但同時也讓實驗變得有趣一些，有了更多的發(fā)揮空間與鍛煉機會，而不再是照著書本機械地復(fù)制”“……奇怪現(xiàn)象的出現(xiàn)，或者奇怪化合物的生成，都激發(fā)了大家的好奇心與探索欲，讓大家主動通過學(xué)習(xí)與討論尋求答案……要將學(xué)習(xí)與研究當(dāng)作是探索與發(fā)現(xiàn)，激起自己的好奇心與探索欲，主動的投入精力去尋求答案。” 閆昶宇同學(xué)寫到“……更像真兵實練，更有利于培養(yǎng)和鍛煉我們的實驗?zāi)芰筒僮魇址ǎ谠O(shè)計實驗的時候我們需要的不僅僅是在網(wǎng)上、書上查找資料，更要學(xué)會篩選有效和無效的資料，因為實驗和理論差距是很大的，很多網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)都來自于理論計算，真實實驗中不一定有效果”。

4 結(jié) 語

教學(xué)改革，教學(xué)方法的改革，能力的培養(yǎng)是教學(xué)的主題，關(guān)鍵是教師如何面向自己的教學(xué)對象，根據(jù)他們的基礎(chǔ)、興趣，因材施教地組織教學(xué)，并盡可能達到較好的教學(xué)效果。以上只是近幾年在基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)過程中的做法和得到的初步效果。