高校化學實驗課程的作用及改革方向探索

尚成新 郝俊生

(1. 山西大學 化學化工學院，山西 太原 030006;2. 山西大學 國家級實驗教學示范中心，山西 太原 030006)

化學是一門實踐性很強的基礎學科，依靠化學實驗課程可以將理論知識應用于實踐，也是高校化學化工類專業必要的教學環節。化學實驗是化學學科教學的重要方式之一，在訓練學生實驗技能、培養科研習慣、提高創新思維等方面的重要性不言而喻。實驗教學是高校教學體系的組成部分，在實驗人才建設方面具有不可替代的作用，也是培養學生科研創新能力和實踐能力的關鍵環節[1-3]。所以，實驗課程在化學教學體系中具有極其重要的地位。

1 化學實驗課程的重要作用

1.1 實驗人才隊伍的建設

化學實驗教學離不開一支高水平的教學隊伍，其中包括授課教師、實驗技術人員、管理人員等。授課教師多為具有實踐經驗的理論課教師，或為實驗中心的專職教師，他們自身的教學水平決定了實驗課的效果。實驗技術人員負責實驗課的準備、實驗材料的采購、實驗中心的日常管理等，是實驗教學的保障，每個環節都離不開他們的日常工作。因此，教學隊伍的水平，決定了實驗教學效果的好壞。高校應認識到實驗隊伍建設的重要性，在人才引進、職稱評審、項目立項等方面，應具有完善的政策制度[4,5]。

在實驗隊伍建設過程中，應注意以下問題。第一，人才隊伍的結構要合理，人員數量、年齡學歷、專職教師與兼職教師比例等，要形成良好的人才梯隊。第二，實驗員崗位的穩定性。化學實驗技術人員負責實驗儀器的準備和實驗室的日常管理，工作內容繁雜、細致、耗時多，是化學實驗能否順利開展的重要環節。第三，專職實驗教師的進修制度。由于專職實驗教師課程較多，知識體系更新較慢。化學實驗教學中心應完善其進修制度，建議每年都要有一次進修機會，可以是在崗培訓也可脫產進修。只有教師的知識內容不斷更新，才能提升實驗教學水平。第四，為實驗技術人員科研創造條件。隨著高學歷人才加入實驗教學隊伍，實驗技術人員的水平越來越高，不再僅僅滿足于實驗教學，將有更多精力投入到科研中。實驗教學中心應為有科研能力的人員提供條件，促進教學與科研協同發展。

1.2 學生科研能力的培養

化學實驗是建立在理論課基礎上的實踐性內容，是高校本科生提高實驗水平的主要途徑。部分學生在進入化學實驗室前，沒有接觸過化學實驗，甚至不認識常見的玻璃儀器。對于本科生而言，實驗的過程就是科學探索的過程，在實驗過程中，可能會遇到各種各樣的問題，需要自己去思考去解決。在預寫實驗報告時，各種試劑的性質、實驗操作規范、數據采集方法等，都需要自己提前熟悉。實驗條件的選擇，可能需要多次探索嘗試。實驗結束后，要及時處理數據，科學分析實驗結果，推導出正確的結論，并用理論知識加以解釋。

化學實驗課程對學生能力的培養，體現在三個方面：一是認識熟悉常見的儀器，學習使用方法，做到獨立操作。二是提高基本的實驗操作，提高動手、觀察、思考的能力。三是培養創新精神和科研習慣，遇到科研難題要學會發現問題、分析問題、解決問題。

為了培養本科生的科研能力，很多高校都開設了創新性實驗。這需要學生自己去查閱文獻，找到實驗方法，學會設計實驗方案，動手做實驗去驗證可行性，寫成實驗報告，對結果加以論證。整個過程，不僅鍛煉了學生的基本操作能力，還激發了學生的學習興趣，培養了創新精神和實踐能力[6]。

1.3 教與學的促進過程

實驗教學既是教師傳授實驗技能、學生學習知識的過程，又是教與學相互影響、相互促進的過程[7]。實驗教學中，第一是“教”，教師需要把知識、技能、習慣傳授給學生。這個過程與理論教學不同，需要面對面地指導，更要注重言傳身教，是教師自身能力和素質的集中體現。實驗課上每個學生的能力和水平都有差別，因材施教顯得尤為重要，針對不同的學生，方法各異，不能一概而論。化學實驗教學中不僅要教會學生掌握實驗的基本原理，提高操作技能，更要傳授實驗的設計思想，培養勇于實驗探索的習慣。實驗教學的第二方面是“學”。首先是觀念的轉變，傳統的“傳道受業解惑”已經不能滿足現代教育的需要，只有不斷提高自身能力，不斷更新知識水平，才能跟上教育改革的步伐。教師在傳授知識時，還要重新審視自己的教學過程，根據學生的反饋，進一步總結經驗，豐富自己的教學內容，提高教學水平。學生思維活躍，實驗過程中常常會給教師提出一些新問題，啟發教師去思考，思想的一個“閃光點”往往可以成為一個新的研究課題。在化學實驗的教學實踐中，教師需要不斷研究教學規律和學生特點，提高教學的針對性，同時利用教學中的學生反饋，不斷提高自己，促使“教”與“學”和諧發展。

2 化學實驗課程的改革方向

為了具體分析目前國內高校的化學實驗課程，調研了19所院校，這些院校中有15所是2017年9月教育部、財政部、國家發展改革委聯合發布的《關于公布世界一流大學和一流學科建設高校及建設學科名單的通知》中的世界一流大學建設高校，還有4所是世界一流學科建設高校，且具有教育部在2005—2015年遴選出的化學類國家級實驗教學示范中心。結果見表1。這19所院校，無論是一流大學建設高校，還是一流學科建設高校，在化學化工學科，整體實力比較突出，排在全國高校的前列。通過對其調研發現，化學實驗課程呈現出新的發展方向。

表1 部分高校的化學實驗課程

2.1 課程設置日趨完善，突出教學特色

目前多數高校的基礎化學實驗課，都延續了傳統的課程設置方法，分為無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、儀器分析、綜合化學、化工實驗……。其中無機化學、分析化學、有機化學和物理化學，被稱為四大化學，在這19所高校中，都開設了這四門實驗課，占到100%。在此基礎上，開設儀器分析、綜合化學實驗、化工實驗課程的分別有15所、6所、9所，占到的比例是78.9%、31.6%、47.4%。可以說，高校基礎化學實驗主要由以上七門實驗課組成，共同構成了實驗教學體系。

除此之外，各個高校更加突出了自己的教學特色。比如，清華大學基礎化學實驗教學中心近年來新開設了《化學生物學實驗》、《現代高分子化學實驗》、《計算化學實驗》課程。北京理工大學開設了與納米材料、功能材料、銀納米粒子相關的材料化學實驗。中國農業大學開設了《膠體化學實驗》，包括電滲法測定膠體溶液的電動勢、硫懸浮劑的制備及表征、固體顆粒的沉降分析、電泳、離子液體的表面活性及膠束化性質等實驗項目。各個院校開設的實驗課程多數都會與理論課程相關，院校的課程體系決定了實驗教學內容的差別。

2.2 由簡到繁，構建多層次教學體系

大學化學實驗課程的設置，各高校間略有差距，但基本上都遵循了由易到難由簡到繁的規律，如大一開設無機化學、分析化學，大二開設有機化學、物理化學，大三開設儀器分析、綜合化學實驗、化工實驗、高分子化學、材料化學等。從教學內容上，可以細分為基礎性實驗、綜合性實驗、專業性實驗。基礎性實驗的目的是讓學生熟悉實驗儀器，掌握基本操作技術，無機化學、分析化學、有機化學、物理化學都屬于基礎性實驗。綜合性實驗，主要是將無機物或有機物的合成，與儀器分析課程結合起來。專業性實驗，是針對各個專業或不同研究方向而開設的特定實驗，具有專業選擇性，化工實驗、高分子化學實驗、材料化學實驗基本都屬于這一范疇[8,9]。

從實驗的性質上，歸結為驗證性實驗、綜合性實驗、研究型實驗。目前各高校開設的化學實驗中，驗證性實驗比例較大，只需按講義把實驗結果重復出來即可，是對本科生的最低要求。綜合性實驗是將多個知識點結合起來，包含化合物的制備、物理化學性質測定、含量或結構測定等內容，是對學生更高層次的要求。研究型實驗，主要來源于科研項目，需要學生自己查閱文獻，設計方案，解決科研中的實際問題。

對學生能力的培養，由低到高分為三個層次，基本操作能力、科研思維能力、創新能力。通過基本操作訓練，學生學習各種儀器的使用，可以獨立進行實驗操作，學會觀測實驗現象和數據處理。化學實驗不僅教授技術知識，還要訓練學生運用化學知識和實驗方法，解決實驗中的各種問題，初步培養科研思維。最高層次的要求是，在追蹤學科前沿時，能及時發現新問題，提出有創造性的思路，這是對學生培養過程中創新能力的體現[10,11]。

2.3 教學內容不斷更新，與科研有機結合

教學內容是實驗教學的核心要素，教學內容的不斷更新也是教學改革的基礎。然而在“重科研輕教學”“重理論輕實驗”傳統思想的影響下，實驗教學往往不受重視，導致實驗課程體系不完善、教學內容陳舊，實驗教學與科技成果脫節嚴重。近幾年來，隨著對教學的重視程度有所提升，這些情況有所改善，各高校都在尋找解決辦法[12,13]。

及時更新實驗教學內容，是高等教育中教學改革的一項重要內容，最直接有效的一種辦法就是與科研相結合，加強科研成果向實驗教學轉化，把科研項目中的研究內容轉化成實驗項目，作為基礎化學實驗的項目來源。福州大學的措施是，把本科生的開放性創新實驗與導師的科研項目結合，鼓勵教師將自己的科研成果融入到實驗教學中。通過把科研項目轉化為教學內容，實驗課程的內容能夠及時更新，與學科前沿相結合，同時任課老師的積極性提高，實現實驗教學與科研的協同發展。

教學與科研的協同作用，主要在兩個方面：科研工作可以提高教師的知識積累水平，提升對本領域的熟悉程度，為教學打好基礎，同時科研成果能夠豐富教學內容。教學對于科研也具有推動作用，高水平的教學要求教師對自身的研究領域有著全面精深的理解，迫使教師的科研工作必須更加專業化，促進了科研工作的提升。

2.4 倡導綠色化學

化學實驗不可避免地會使用各種化學原料，甚至有些是毒性大、易燃易爆、易揮發、有腐蝕性的材料，處理不當勢必會污染環境。化學實驗過程中，部分學生沒有按規定處理廢棄物，甚至隨意丟棄化學品，都會帶來安全隱患，綠色化學意識淡薄。隨著整個社會環保意識的增強，綠色化學的呼聲越來越高，因此，高校化學實驗課中，必須及時將綠色化學的內容融入到實驗教學中[14]。

在高校的化學實驗中實現綠色化，需要從幾個方面入手：第一，引導學生樹立綠色化學的觀念，化學實驗方法得當可以做到低毒、無污染的水平。第二，調整實驗內容，選擇低毒性的實驗材料，從根本上降低環境污染和實驗人員的身體危害。第三，改變實驗反應的條件，在原料固定的情況下，提高轉化率，減少污染物的產生。第四，對于實驗產生的廢液和廢氣，盡可能回收再利用，妥善處理。第五，實驗過程中規范操作，培養學生良好的實驗習慣，盡量少用化學藥品，杜絕浪費。第六，實驗規模上，由常量操作向“微型化”轉變，減少試劑用量，提高安全性，降低污染。

2.5 開放式實驗教學

傳統的實驗教學模式中，實驗作為理論課的輔助課程，學生只能在規定好的上課時間來實驗室，完成既定實驗項目。實驗時，只需按照實驗教材中的步驟完成操作即可，主要練習實驗操作技能，對科研思維、創新意識的培養沒有要求，不利于大學生綜合能力的提高。

因此，近年來有多所學校設置了開放式實驗，由學校實驗中心提供實驗條件，給學生提供科研訓練的機會，學生可以自主選擇實驗項目，進行實驗訓練和學術研究。這個過程中，學生成為實驗教學的主體，可以根據興趣自擬實驗項目，主動去查閱文獻，找思路、找方法，完成課題。而實驗教師作為輔助角色，起到理論指導、保障安全的作用。開放式實驗是實驗模式與教學方式的新形式，有可能成為培養綜合性創新人才的有效途徑[15,16]。

開放式教學與傳統實驗教學相比，優勢體現在很多方面。第一，時間上更自由。學生可以利用課余時間，自行安排實驗進度，既充分利用了在校時間，又調動了實驗積極性。第二，提高了實驗項目的興趣性。學生可以根據自己的興趣，選取實驗的材料和方法，在教師輔導下，按實驗方案自主開展實驗活動。第三，對學生科研能力的提高。這個過程中，幾乎各個環節都有學生自主完成，在查詢資料、研究思路、方案設計、數據分析等方面，對學生能力的培養效果顯著。開放式實驗課程類似于科研活動，促使學生的思維不拘泥于傳統實驗的特定程序，需要主動提出自己的觀點，激發探索精神，去鉆研問題，培養了創新意識。

3 結語

化學實驗教學處在實踐教學的前沿，在整個化學學科的教學體系中占有重要作用，既是高校實驗教學隊伍建設的陣地，又是培養學生科研能力的平臺。隨著教學改革的發展和對實驗教學的重視，近年來呈現出新的發展趨勢，由簡到繁構建起多層次的教學體系，教學內容不斷更新，教學與科研有機結合，綠色化學觀念深入人心，開放式實驗教學逐步得到認可，這些都給實驗教學的改進指明了方向。