雙一流背景下培養拔尖人才的分析化學實驗課程的建設

劉紅瑜，金谷，姚奇志，李嬌，李玲玲

1化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

2中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥 230026

“雙一流”建設背景下的一項重要任務就是培養拔尖創新人才。就化學專業而言，如何在基礎教學中做到創新能力的培養是一大批化學教育工作者致力于研究的方向[1-17]。創造力的培養是教學改革的方向。

中國科學技術大學化學實驗教學中心分析化學實驗面向全校化學、材料、高分子、化學物理等專業的學生，教學覆蓋面較廣。分為I、II兩種類型，I型實驗以定量分析為主，重在鍛煉學生的基本操作、培養學生良好的實驗習慣、教學生學會處理實驗數據、使學生能針對實驗結果分析其誤差的主要來源。II型實驗主要以綜合探究及設計實驗為主，重在培養學生運用理論知識指導具體實驗設計，培養學生的科研意識，使學生初步具有科研能力。

隨著科研的發展，儀器分析的地位不斷提升，定量分析實驗在基礎教學中的地位受到很大的沖擊。

1 分析化學實驗教學現狀

分析化學實驗的教學改革一直在不斷探索中，縱觀以往的成效，可以看出，還是存在一些不足。存在的主要問題有以下三個方面：

(1) 分析化學理論課和實驗課進度嚴重不同步。

分析化學實驗教學設計上，過分強調教師的主導作用，學生的參與度較低。往往實驗課結束了，理論課才進行到一半，講解實驗課時學生不能完全理解所講授的知識，盡管一再強調課前預習，但是由于學生對實驗的不重視，預習往往流于形式，學生基本上處于被動學習狀態，無法達到有效的實驗教學的根本目的。

(2) 教學內容與學科前沿接軌不夠充分。

分析化學(上)的實驗內容基本上是以經典驗證實驗為主，操作主要以滴定操作為主，這對于初次接觸分析化學實驗的學生來說，內容太過枯燥，目前的教學內容雖然已經優化了很多，但是由于實驗學時及實驗條件所限，仍然沒能從根本上提升學生的學習興趣。不能充分調動學生的積極性與主動性，不利于培養學生的創新思維，提高其創新能力。

(3) 分析化學實驗教學中學生太注重實驗結果。

由于每次實驗時間較長，從下午兩點一直到晚上八九點，學生一味追求實驗結果而忽略對實驗過程的思考以及對實驗結果的分析討論。傳統的分析化學實驗教學看似非常嚴謹，但是太過刻板，造成學生對于分析化學實驗的印象就是要有很小的實驗誤差，好像這就是學習分析化學實驗的宗旨。非常不利于培養學生分析問題和解決問題的能力。就創新人才而言，應該更加注重其透過現象發現本質、認清本質后找到解決問題的方法、達到舉一反三能力的培養。針對不同類型的實驗我們對學生的教學目標也是很有層次性的。如圖1所示。

圖1 分析化學實驗不同類型實驗的教學目標

2 分析化學實驗教學改革

我們在分析化學實驗課程建設中主要從以下三方面進行了探索和實踐。

2.1 建立分析化學實驗信息化教學資源庫

我校分析化學實驗在信息化時代的引領下，也逐步將信息化手段應用到課堂教學實踐中。比如我們制作了大量的課程展板(圖2)和PPT (圖3)，同時也拍攝了多個微視頻，特別是將一些耗時比較長、過程比較復雜的綜合實驗通過視頻剪輯，讓學生更加直觀地理解實驗過程。如圖4、圖5所示。

圖2 分析化學實驗課程展板

圖3 分析化學實驗部分實驗項目PPT

圖4 海藻酸鹽微膠囊的控制制備及緩釋研究實驗的視頻截圖

圖5 Al2O3吸附銅離子和聚乙二醇雙水相分離體系兩個實驗的視頻截圖

這些信息資源的建設對于學生掌握一些關鍵的操作非常有指導意義。極大地提高了學生的預習質量。

2.2 增加了大量的設計實驗

結合本校學生的培養目標，在實驗內容上，分析實驗I增加了大量的設計實驗。

設計實驗分4個階段進行。(1) 前期準備：項目調研。(2) 開展自主設計實驗：2-3位同學自行組隊，通過初步探究確定最初實驗方案。(3) 設計實驗開題答辯：設計方案經教師審閱、課堂答辯后，由學生按要求自主設計。(4) 完成實驗：按照設計方案完成設計實驗并完成實驗報告的撰寫。

設計實驗具體的開設流程是第一次分析化學實驗時將設計實驗的形式告知學生，樣品由學生(2人一組或者是3人一組)自主選擇。2周以后學生將選擇的樣品類型、測定方法告訴教師。4周后學生將設計實驗的初步方案提交教師，教師來初步判斷實驗的可行性(包括理論計算和實驗條件選擇)。5周后如果學生的方案可行，學生可以初步進行樣品制備及分析，如果發現問題及時和教師溝通并找到解決方法。6周后通過進一步探究確定實驗方案。7周后將實驗方案以正式的設計論文提交。第9周全班進行課題開題答辯。第10周完成整個設計實驗。部分設計開題答辯照片如圖6所示。

圖6 部分設計實驗課堂討論照片

選題達20多個，部分設計實驗如下：

① 測定膨松劑中的鋁含量

② 脈動中還原糖及溶解氧含量的測定

③ 中科大也西湖水質分析

④ 采用不同方法測定抗壞血酸的含量

⑤ 蛋白粉中蛋白質含量的測定

⑥ 和州組灰巖中銅含量的測定及白云質含量測定

⑦ 中華牌牙膏中的二氧化硅含量測定

⑧ 碘量法測定紅茶中的糖

⑨ 催化劑含量分析

⑩ 白酒中甲醛含量測定

分析化學實驗(下)增加了一些探究性的實驗。完善并改進的實驗項目主要包括：

① 含鉻廢液的鉻價態分析及廢液處理

② 微晶酚酞固相分離富集-分光光度法測定痕量Zn(II)

③ 海藻酸鈣微膠囊的制備及緩釋研究

④ 碘與多羥基聚合物顯色反應研究及分析應用

鉻廢液的回收及價態分析，要求學生自行設計實驗方案，在設計實驗方案的同時，將鉻廢液處理為無污染的形式便于排放，不僅鍛煉了學生分析問題、解決問題的能力，也培養了學生綠色化的理念。微晶酚酞固相分離富集-分光光度法測定痕量Zn(II)是為綜合型分析化學實驗奠定基礎，讓學生初步了解分光光度法；鈣鋇混合液中各組分含量的測定是能夠提升學生綜合實驗能力的一個典型實驗；其他幾個實驗都是結合前沿熱點，讓學生初步了解科研動態以及開展科研的基本思路和基本方法。通過設計實驗及暑期科研基礎訓練的開展，學生初步學會了書寫科技小論文。部分設計報告如圖部分設計實驗結果如圖7所示。暑期科研基礎訓練部分照片如圖8所示。

圖7 部分設計報告

圖8 暑期科研基礎訓練

2.3 建立合作學習模式

分析化學實驗I主要是訓練基本的實驗操作技能和深化學生對化學分析方法的理解。這些實驗中涉及最多的是滴定操作。每個實驗平均至少要做6次滴定實驗。每個學生一個學期大概要做60次左右的滴定操作。如此大量的重復操作極大地影響了學生對課程的積極性。長此以往，學生將逐漸喪失對分析化學實驗的興趣，這嚴重影響了分析化學實驗課程的教學質量。因此必須要對課堂教學的基本策略進行相應的調整，以激發學生學習的積極性。合作學習模式側重培養學生分析解決問題的能力，弱化過分關注實驗結果的現象。好的學習活動和學習任務應當首先使學生感興趣、愿意做。興趣一旦形成，學生對分析化學實驗的投入就會更加專注。因此分析化學實驗課堂教學的設計要使做實驗的過程成為一個滿足好奇心和學習需要的主動過程。合作學習模式下部分實驗過程的照片如圖9所示。課堂中讓學生之間采用合作的方式，減少了重復操作，同時也節約了大量的試劑。讓學生在課堂上既有鍛煉基本操作的機會，同時還能有充足的時間進行相互討論。有關這方面的教學研究心得已在第十二屆全國大學化學教學研討會(2013年)作了分會場報告，報告如圖10所示。

圖9 優化學習模式的流程(a)；合作學習模式下部分實驗過程的照片(b)

圖10 十二屆全國大學化學教學研討會分會場報告

3 結語

分析化學實驗課作為大學化學的一門基礎實驗課，在“雙一流背景”下的化學專業教育中發揮了關鍵的作用。本文針對本校分析化學實驗教學中存在的一些問題展開了研究，通過建立信息化的教學資源庫(包括大量形式多樣的課程展板、課程PPT、實驗微視頻)、增加大量的設計實驗、建立合作學習模式，有效地改善了課堂教學質量、提升了學生的學習興趣、豐富了學生的課堂體驗、保障了分析化學實驗的高質量完成。希望能為其他高校提供借鑒。