遠化學專業開設化學實驗課的認識與實踐

饒震紅, 杜鳳沛

(中國農業大學 理學院, 北京 100083)

1 遠化學專業開設化學實驗的必要性

什么是遠化學專業？簡單的理解“遠”和“近”就是指所學專業與化學學科相關的密切程度。諸如地球物理、土木工程、機械制造、農業工程、交通運輸、海洋工程、大氣與地質,能源與水利等專業,從主干課教學目的及未來從事行業的技術需求等表象看,與化學學科關系略有疏遠,屬于遠化學專業[1]。

“中國制造2025”“一帶一路”等國家重大戰略的提出與實施,推動了產業經濟的發展,迫切需要多元化、交叉復合型人才；世界經濟全球化的進程為遠化學專業的發展帶來了機遇[2],化學學科研究的對象決定了化學作為基礎知識滲透于各學科的方方面面。 因為,化學研究的是物質世界,它告訴人們世界是物質的(原子分子論)、物質是可認知的(可以觀察、測量和描述)、物質是運動的(物理/化學變化)、運動是有規律的(熱力學、動力學、結構化學)[3]。人類從事的各項活動都是改造客觀世界的物質活動,是對自然界的認知、開發和利用,無論研究的方向是機械制造、巖石與土壤、甚至是農產品市場與貿易,在制定進取策略時,都需要面對社會復雜的變化,需要與自然資源形成系統的融合,離不開化學所蘊含的世界觀的指導,化學改變著人的思維方式與創新意識。

化學與其他學科相比不同的特征是化學是實驗科學,化學實驗是我們認知物質世界的工具,是獲取感性認識,并由感性認識上升為理性認識的過程,化學的理論和規律總結都是從實驗中來,而且借助于化學的方法論和應用化學理論完成對物質世界的探索。因而化學課程教學如果缺少實驗過程,意味著切斷了在認識過程中對信息選擇、分析、重構的訓練。在當下面對世界經濟全球化的發展,面對未來對交叉復合型人才的需求,面對化學學科本質對學生形成正確意識形態的影響,遠化學專業開設化學實驗課程是不可或缺的。

2 國內外遠化學專業開設化學實驗課比較

2.1 美國兩所大學遠化學專業開設實驗課情況

(1) 教學理念方面。選取美國2018年US NEWS大學工科專業排名第8位的普度大學和排名第14位的德州農工大學與我國的綜合性大學進行比較。從兩所國外院校的教學大綱上可知,遠化學專業開設的化學課程不同于普通的通識化學教育,課程名稱定為General Chemistry(普通化學),旨在為學生提供重要化學概念、化學原理和背景知識，重點在相關領域技術方面的實際應用。因此化學實驗課程展示了理論課中教授的基本化學原理,并向學生介紹化學中的現代主題,通過開展實驗教學旨在強調觀察數據與理論模型之間的數據分析和比較[4-5]。

(2) 課程安排方面。表1是美國兩所大學遠化學專業開設化學實驗課的情況對比[6-7]。美國普度大學和美國德州農工大學在遠化學專業均開設了化學課程的學習,定位于基礎必修課,不同的是普度大學在第一學年中的3個學期循環開課,尤其是土木工程專業在必須學習化學CHM11500(General ChemistryⅠ)課程之后,還可以根據自己的意愿繼續選修CHM11600(General ChemistryⅡ),實驗課程作為理論課的一部分,未單獨設置,開設的周次與理論課周次相匹配,一學期12次課,要求至少完成其中的9個實驗。德州農工大學在本科生一年級的第一學期為遠化學專業單獨設置了1學分化學實驗課CHEM 117, 要求學生正在或已經學過化學理論課程CHEM107,一學期上10次實驗課,其中有2次實驗課是在線學習課程。

表1 2所美國大學遠化學專業開設化學實驗課對比

(3) 教學內容。普度大學和德州農工大學有詳盡的實驗手冊,手冊包含實驗報告。兩所學校在實驗手冊中列出了本學期課程所有實驗指導教師和實驗助教的地址與聯系方式,尤其普度大學在實驗指導中特別注釋了實驗教師的職責與具體負責的管理工作,鼓勵學生實驗前多提問題。學生要定期查看郵箱,及時接受有關實驗課程的信息。無機和物化內容是兩所學校都選擇的,美國普度大學實驗中有分析化學的內容,實驗內容設置顯示出清晰的模塊化,分為實驗技能類、原理模型類、分析測定類和興趣探索類(見表2)。

表2 普度大學2011年秋學期實驗內容

表2(續)

(4) 教學管理與成績評價。普度大學實驗課有嚴格的登記制度,不允許缺課,缺少的實驗課不補。如果缺課2次以上成績自動記為“F”。遲到10 min以上的、沒有按規定正確地進行個人防護的、預習實驗不充分的、在小組實驗沒有建設性貢獻的、沒有按規定提交實驗報告的,本次實驗均為零分。實驗成績占課程總成績的25%,沒有單獨的實驗考試,但不定期會有實驗測驗。美國德州農工大學則禁止學生在實驗室使用手機、傳呼機和其他個人電子設備,在實驗課開始之前，請假獲得批準可以補實驗,實驗課是單獨設課,成績的評定分為預習測驗、實驗表現、安全、數據獲取分析和報告,期末90 min的實驗考試共6部分,強調實驗前必須完成20 min的在線實驗預習測驗。

2.2 國內大學遠化學專業實驗課情況

表3是國內不同大學遠化學專業化學實驗對比。由于培養目標和教學理念的差異,國內遠化學專業化學實驗課開設的參差不齊,表現為同一所學校并不是所有的遠化學專業都有化學課,有的只有理論課,無實驗課；開設了化學實驗課的,后續課程中幾乎不再涉及化學的學習。上海交大和清華大學對不同的遠化學專業有顯著的層次化教學。國內學校多數實驗課單獨設置,但實驗次數與理論課次數不匹配,實驗教學學時普遍偏少,一般為16學時,同一專業不同學校學時相差一倍,導致實驗教學內容覆蓋面寬窄不一,有的實驗教學內容與理論課脫節,盡管開設了實驗課,效果并不令人滿意。實驗考核一般將實驗預習、實驗操作和實驗報告按比例分配,計算出總成績,沒有考試和測驗環節[8-11]。因此在少學時的情況下,采取何種措施,怎樣高效進行遠化學專業的實驗教學,達到預期教學目標、實現最佳效果,是值得商討的。

表3 國內遠化學專業開設化學實驗課對比

3 遠化學實驗課程存在問題的成因分析

3.1 教學計劃學時限制化學實驗課開展

在學分制下制定專業培養計劃,限定了基礎課的教學學時[12]。在“強調基礎、重視實踐、拓寬口徑、提高素質”為指導思想的新培養計劃的制定過程中,各高校普遍壓縮了課內總學時,以便為學生留出更多的時間參與創新實踐。在保證核心課程和專業課程課時少縮減的前提下,遠化學專業的化學理論課也只有32學時,課程中如果再包含實驗課,其學時必然很少。

3.2 實驗教學內容深淺度不易掌握阻礙了實驗課的開展

化學學科研究的是物質世界,物質的豐富多彩也使得化學理論涉及的知識面廣、概念多。但是由于學時的限制,為了在有限的學時內盡可能多地介紹各部分內容,知識的深度講解必然達不到,傳遞利用理科工具和思維方式處理問題的方法受到阻滯。在實驗教學時,若教學難度低了,知識的學習沒有系統性,達不到大學課程教學要求；若教學難度高了,挫傷了學生學習的積極性,達不到教學效果。因而實驗難度不易把握,也阻礙了遠化學專業化學實驗課的開展。

3.3 學生學習興趣不高影響實驗課的深度進行

對于非主干課程,學生的重視程度不夠。遠化學專業的學生對學習化學課不理解,認識不到其對形成正確世界觀、價值觀和人生觀的意義,認為與本專業學習差距大,而且課時少,提不起學習興趣,雖然是必修課,但與其他課程相比不會花費很大精力,對于實驗課程更是甚少關心。

針對上述情況,中國農業大學學習國外的教學經驗,為工學院、水利學院及農業經濟管理專業(國際合作辦學)的學生開設少學時的化學實驗課,探索在有限的學時內,怎樣調動學生學習積極性,怎樣通過有限的實驗次數,溶入廣泛的化學知識,怎樣通過科學實驗過程，培養學生創新創造能力和科學思維能力。

4 遠化學專業化學實驗課程的開設實踐

我校為水利和土木工程、機械設計制造、機械電子工程、車輛工程、農業工程、工業設計專業以及農業經濟管理專業(國際合作)分別開設32學時和27學時的“基礎化學實驗”和“普通化學實驗”,除農業經濟管理專業外,其余均為單獨設課,1學分,每年大約有600學生必修該課程。運用多種教學手段培養在多領域能夠獨立解決問題的人始終是我們的教學理念。

4.1 設計實驗教學內容做到貫通與融合

實驗教學是學生素養教育與文化教育和誠信教育的結合,是培養學生思維和創造能力的教育過程,教學內容始終是教育模式變革的基石。我們的教學內容設計原則以需求為先,既不是化學專業普通化學實驗的縮編本,也不是純概念化的興趣教學,做到基礎與前沿結合、趣味與學術結合、深度與廣度結合、經典與創新結合,力圖將化學為各個學科以不同的實驗內容和方式展示出來。

實驗是做出來的,做好實驗的能力是在教育的點滴中進行培養的。對于大一的學生,無論文科生還是理科生都有適應度的問題。考慮到學生背景知識參差不齊,實驗難度上從最簡單的實驗開始,既大眾化、普及化,又介紹化學學科的基本概念,力圖通過簡單的儀器操作,調動學生學習熱情,能夠從簡單中獲取感受,掌握相應的化學知識,更主要的是讓學生了解科學研究的過程,做到簡單中的不簡單。第一次課,開設“鹽水溶液密度的測定”,這個實驗很簡單,我們將實驗過程做了調整,加入了分析化學中常用的萬分之一天平及移液管的使用,融入了精密度、準確度和有效數字的概念,對最終的實驗結論不是簡單地由公式計算直接得出,而是要對數據進行處理,分析誤差來源,使學生進一步認識了化學實驗,掌握了實驗室常用儀器的使用,對“量”“誤差”和“有效數字”等基本概念有了感性的理解。

實驗教學是對學生信息加工能力的培養,在實驗過程中實驗材料多元化,可以成為抽象理論學習的助手。在現行的大學化學實驗中沒有探究離子鍵和共價鍵類型的實驗,講述元素間的原子通過什么作用形成豐富多彩的物質的時候,抽象的化學鍵令人難以理解。描述化合物原子間化學鍵的類型除了用模型外,還可以通過熔點、電導率的測定進行預測。因此,我們測定生活中常見物品在水和乙醇溶液中的電導率,通過溶液的導電性分析溶液中離子移動,預測化學鍵類型,并研究改變離子濃度對電導率的影響,研究溶液pH變化的影響,使得抽象的概念形象化,難于理解的知識生活化。

深度學習、獨立思索是高水平主動認知的表現,是學生掌握核心知識,運用批判性思維解決復雜問題的能力,實驗教學可以實現科學思維能力的培養。用分光光度法測定補血藥片中鐵的含量,可以潛移默化地引導學生深度學習。因為由于學時限制,理論課上沒有講授這部分知識,實驗講義則寫的非常細致,從電磁波的定義到光譜分析原理,從比爾定律到分光光度計的使用,設計先用色素進行實驗,了解吸光度和吸收曲線,然后再用吸光光度法測定鐵含量,通過實驗課程深度學習,不僅鍛煉思維能力,學到新知識,而且這種方式可以補充理論教學學時的不足。

實驗課程知識的貫通除實驗技術的學習外,還在于對科技前沿知識的認知。科技前沿通常指科技研究中最新或領先的領域,將這些領域中的新內容、新方法、新思想納入實驗教學中,擴大學生的知識視野,不僅是社會進步的要求,也是學生自身發展的需求。鐵磁流體是一種新型的功能材料,美國宇航局首先將它應用于宇航服的密封,我們開設了鐵磁流體制備的實驗,用化學共沉淀法制備細小的Fe3O4磁性納米粒子,再加入活性劑,獲得了高磁化強度、高顆粒濃度的超穩定系統。當磁流體溶液中的懸浮顆粒在外加磁場的作用下,展現各種形態時,留給學生的恐怕不僅僅是對實驗現象的驚呼吧。

4.2 采用多種途徑,提高實驗教學的工作效率

利用網絡教學和視頻課程講授實驗知識可以有效地緩解遠化學專業實驗課課時偏少的困境。MOOC課程“大學化學實驗先修課程”的開設,將中學教育與大學教育進行了很好的銜接[13]。而提高實驗教學實效、注重實驗教學過程,更離不開面對面互動的教學模式。

抓好第一堂課的學習效率是學生能否取得實驗好成績的基礎。農林經濟管理專業化學實驗課的第一次課是在教室內完成的。在這次課上,教師講述實驗室安全和規則,并與學生簽署安全協議。用多媒體介紹化學實驗室常見的儀器,并且向大家介紹取得高分實驗成績的方法,指出要給自己留出足夠的時間閱讀實驗相關內容,不要等到實驗課前1 h再預習,要完成實驗預習題目才能開始實驗,而且特別重申學術不誠實是一種嚴重的犯罪。

在實驗教學過程中,采取合作互動教學法能夠促使少學時的實驗課高效完成,培養了學生協作精神和社會擔當能力。以農林經管專業的化學課為例,每次實驗兩位學生一組共同完成,并沒有減弱每位學生的操作機會。我們的實驗課堂鼓勵學生在實驗過程中進行討論,思疑、質疑和解疑在生生之間、師生之間對實驗的探討中完成,而且生生之間的互動延續到課后對實驗數據的分析。招錄本專業二年級的學生(每次實驗大約5人左右)作為“小師傅 ”重回實驗室,也是實驗課的一個特點。“小師傅”協助實驗工作,又不同于教師,學生與“小師傅”有自然的親切感,對在實驗過程中出現的問題,能夠及時地與“小師傅”交流,快速地找到答案。

問題導向法也是增強實驗效果常用的方法。該方法能夠提升學生的學習興趣,提高實驗學習的參與度,誘導學生發揮主觀能動性,避免應付差事現象。在我們的實驗中,開設了紅酒中乙醇濃度測定實驗, 綜合了有機化學和分析化學知識。首先將樣品蒸餾,然后氧化餾出液,再利用氧化還原法滴定。因為進行蒸餾操作費時繁瑣,可不可以直接將紅酒氧化滴定呢,氧化溫度是如何確定的呢？帶著這樣的問題分組、分項進行對比實驗,討論影響反應進行的因素及控制方法。引導學生體會科學的局限性,化學反應在一定條件下進行,進而完成思維的轉變和獨立思想的確立。

4.3 遠化學專業開設化學實驗課的效果

化學實驗教學對于遠化學專業學生的影響不是顯性的,在無形中潛移默化地發揮作用。機械專業的本科畢業生做畢業設計時想到用化學方法獲取氣體改進制造的小設備；土地資源專業的本科生在暑期大學生社會實踐中關注服務區域內水中磷的影響。自然科學客觀性、邏輯性和計量性的特點,影響著農林經濟管理專業學生的思維,從2017年該專業畢業生的去向可以分析出化學實驗教學對學生素質能力的潛在影響,有80%的學生去往世界名校繼續深造。

5 遠化學專業開設化學實驗課的思考

5.1 實驗室教學團隊的高效工作是少學時實驗順利進行的條件

在短時間內進行有效的化學實驗教學,離不開充分的實驗準備工作。細致、全面、正確的實驗準備不僅包括實驗室管理、實驗教師的預做、也包含實驗“小師傅”的培訓工作?！靶煾怠眮碜杂诖蠖膶W生,對于結束不久的化學實驗遺忘程度低,采取課前集中面授的方法,從實驗理論的理解,實驗操作細節的要求到實驗思考題的討論逐一指導,使“小師傅”對化學實驗的認知水平有顯著提高。由于“小師傅”自身學習時間的限制,并不要求“小師傅”輔導所有的實驗項目。

5.2 遠化學專業化學實驗課的內容需要有一定深度

化學實驗研究的是對物質的認識,告知人們物質間的作用規律及對社會的影響,更接近生活,易于人們接受。但泛泛而談流于表面則達不到大學教學目的,正如學者研究的：教育傳授的是科學方法,科學方法的傳授需要載體,不可能離開足夠深度的學科知識去泛談方法。 在學習過程中的探究、體驗與感悟,才能從學科表面窺測到學科精髓,形成合理的知識結構與獨到的見解[14]。所以遠化學專業開設具有適當深度的化學實驗是值得認真思考的,既不能簡單科普化,又不能專業化；而且在理論課時有限的情況下,借助于實驗教學還可以增加知識的容納量,進行知識更新不失為一種有效的途徑。

5.3 遠化學專業化學實驗教學要與多學科結合

教育成功與否的關鍵是尋找有效途徑教會學生知識、處理問題的態度和有效溝通的能力。有效溝通不僅表現為口頭形式,書面表達也是人與社會溝通的形式?；瘜W實驗教學需要與數學及計算機學科相結合撰寫體現科學方法的實驗報告,建立數學模型分析實驗結果,利用計算機模擬分子結構,探討物質間的作用機理,利用信息化手段獲取與實驗關聯的實質。

5.4 遠化學專業的化學實驗不一定需要復雜高端的儀器

借助于信息化的發展,融入新的教學手段,改進傳統教學模式,激發學生的學習興趣,提高參與度,學生的能力培養不一定需要復雜高端儀器引導,實驗內容的安排要有層次,雖然實驗課時相對少,但要有系統性,由簡單到復雜,從無機化學到有機化學,從容量分析到儀器分析,逐漸使學生適應,避免進行長時間重復無效的實驗訓練。

5.5 嚴格進行遠化學專業的化學實驗成績評價

不能因為實驗學時少就降低對課程的要求,使遠化學專業的實驗課成為“放水”課。嚴格的學習評價規則是監控學習進度的手段。課前測驗與課后測驗都可以增強學生的自我反思,課前不定期測驗是用于檢查實驗預習情況的常用方法,課后和當堂完成實驗練習的模式也應適當地采用；在理論課程的考試中包含實驗課的內容,是提高實驗關注度的有效方法；將實驗考核階段化,重點放在實驗過程的考核。

6 結語

當今，我們面對的未來是復雜多樣的,培養的人才要順應多變環境下社會的發展,要有終身學習和跨學科合作的能力。遠化學專業開設化學實驗課是學生素養、能力培養的需求,是開闊知識視野的基礎。在課程實施過程中,利用合作學習機會,把握好內容的“度”,認識到內容的層次,處理好實驗的系統性,以小博大,對其他專業課程的學習也有良好的借鑒作用。