化學新創實驗的現狀與發展對策

李厚金，陳六平，張樹永

1中山大學化學學院，廣州 510006

2山東大學化學與化工學院，濟南 250100

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗能力是化學專業人才的核心競爭力。學生通過化學實驗不僅可以理解化學的原理和本質，而且還能夠牢固掌握規范、安全的實驗操作技能，提高科學分析問題、解決問題的能力，培養學生實事求是和嚴謹的科學態度，在科學研究方法、創新能力上得到系統的訓練和提高，同時激發和培養學生對化學的興趣和熱愛。

近年來，各高校在化學實驗基礎條件建設方面取得了重要成就。實驗室設計規范標準，通風櫥、實驗服、護目鏡、手套、“三廢”(廢液、廢氣、固體廢棄物)的回收處理，提高了實驗的安全性，培養了學生的安全環保及社會責任意識。眾多的現代科學儀器已經應用于教學實驗。小班化教學、精細化指導提高了教學效果。當然，目前我國高校化學實驗教學依然存在不少問題：教學體系、教學理念、教學內容、教學方法、教學考核等仍未達到與硬件建設協調發展的應有水準[1-3]；出版的實驗教材很多，但內容大同小異；實驗教學主要關注“三基”(基礎知識、基本理論、基本技能)，實驗內容陳舊單一、缺乏綜合性和設計性，教學要求不高，挑戰性差，“照方抓藥”式的教學難以培養學生的探究能力和創新能力，教學效果不理想。隨著化學學科的飛速發展，實驗教學內容落后于時代已成為一個突出的問題[4,5]。

本文擬對當前國內化學新創實驗設計的現狀進行分析，探討新創實驗的選題方向、創制途徑、教學實施和評價方法，為同行提供參考。

1 化學新創實驗設計的現狀

新創實驗是指將反映新知識、新理論、新技術、新方法等的最新成果設計為適合本科生的教學實驗。我們以2017年1月-2021年3月間在《大學化學》上發表的代表性新創實驗(表1)以及2019年第一屆全國大學生化學實驗創新設計競賽獲獎作品代表(表2)為例，分析我國高校化學新創實驗設計的現狀。

表1 2017年1月-2021年3月間在《大學化學》期刊發表的新創實驗的主要選題方向

(續表1)

表2 2019年第一屆全國大學生化學實驗創新設計競賽獲獎的新創實驗作品的主要選題方向

(續表2)

2017年1月-2021年3月，《大學化學》共發表新創實驗63個(不包括全國大學生化學實驗創新設計競賽特刊的20篇)，其中綜合實驗52個，占比82.5%。2019年第一屆全國大學生化學實驗創新設計競賽獲獎作品共65項，其中新創實驗46項，改進實驗13項，科普實驗6項[6]。新創實驗以綜合實驗為主，內容有一定難度，實驗過程具有探究性，有利于培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

科教融合是當前教育改革的熱點。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》明確指出：“支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節”“促進科研與教學互動、與創新人才培養相結合”。《教育部關于加快建設高水平本科教育 全面提高人才培養能力的意見》也強調“將最新科研成果及時轉化為教育教學內容，以高水平科學研究支撐高質量本科人才培養”。表1和表2顯示，新創實驗的選題熱點有納米材料、功能高分子材料、金屬有機框架材料、聚集誘導發光、新型電池、熒光探針、催化劑的制備和應用、人名反應、一鍋法反應、綠色化學、天然產物化學等，有部分新創實驗同時涵蓋多個方向。新創實驗的選題方向與中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安聯合發布的《研究前沿》和《研究前沿熱度指數》年度報告(http://www.casisd.cn/zkcg/zxcg/)高度吻合，說明大部分指導教師能夠指導學生將最新科研項目改編成教學實驗，使新創實驗能夠緊跟學科發展前沿，實現科研成果向教學實驗的轉化。

2 化學新創實驗的發展與對策

目前，化學新創實驗設計取得一定成就，但已編入了實驗教材或實際應用于教學的項目占比仍然比較低。新創實驗的未來發展，仍需要重點解決以下幾個方面：

(1) 開發貼近實際、“接地氣”的實驗教學內容。新創實驗內容要在體現新穎性，將化學新方法、新原理、新物質、新功能引入實驗教學的同時，增加應用型實驗，解決實驗內容“頂天”多，“立地”少的問題。特別是對于農、林、醫、工、師范類以及一些地方性高校，不要盲目在國際頂尖科技成果或者熱點領域中去尋找開發新實驗項目，而是應該根據各自學校的學科特點、地方資源和行業特色、學生未來就業與發展的需要，開發系列貼近實際、“接地氣”的實驗教學內容，在提高實驗新穎性的同時注重實用性和趣味性，這對提高實驗教學效果大有裨益。

(2) 兼顧實驗教學的可行性。不少新創實驗在設計時重點考慮了創新性和前沿性，但對是否適合本科教學考慮不多；很多新創實驗盲目追求使用現代分析表征手段，看似高大上，實際上導致實驗的可操作性變差。新創實驗項目的核心價值在于其推廣應用和教學效果，是否適合作為本科實驗是創制實驗項目必須優先考慮的因素。例如，有機化學實驗選題范圍可以很廣，如不對稱合成、催化反應、微量反應、綠色合成、無水無氧反應、人名反應、諾貝爾化學獎反應、藥物合成、天然產物化學實驗等，但是否適合作為教學實驗則需要考慮：① 實驗時長。實驗以4-6 h完成為宜。對于長時間實驗，最好能夠合理劃分為2-4個時段，每個時段不要超過6 h；② 實驗儀器設備。實驗儀器不能太貴重，避免大量和非必要使用大型儀器設備，否則難以推廣；③ 實驗試劑的價格和安全性。試劑最好價廉易得，宜安全綠色，不宜有毒有害；④ 實驗操作安全性好。不宜選用易燃、易爆的危險性實驗；實驗最好采用常規條件，避免超低溫、高溫、高壓、嚴格無水無氧等操作；⑤ 實驗現象明顯。實驗步驟不宜太多，產率不宜太低，實驗穩定，結果重現性好。要努力踐行綠色、環保、安全的實驗教育理念，樹立新時代化學實驗的新形象。

(3) 突出科研育人。新創實驗是落實科教融合的重要途徑。通過巧妙的實驗設計，把最新的前沿科學研究成果編入教材、引入實驗課堂，通過拓展實驗的背景知識，通過綜合多學科、多種實驗技術設置真實的問題情境，激發學生探索未知世界的好奇心，并通過參與科研過程將所學知識與能力培養融會貫通，全面提升素質和能力，使學生的創新意識不斷加強，科研方法逐漸規范，自主學習能力、研究能力、溝通協作能力不斷增強，是將科研成果引入本科實驗的初衷。另外，改變“照方抓藥”的傳統實驗教學模式，在新創實驗中采取團隊合作的實驗方式，通過多參數設置，引導學生積極探究，增強分析和綜合能力，采用研究型教學模式，才能真正發揮新創實驗的作用，提升實驗教學創新性、高階性和挑戰度。目前，很多新創實驗在引入新原理、新方法、新體系的同時，卻采用了傳統型實驗教學模式，其效果無疑會大打折扣，無法實現新創實驗的初衷。

(4) 深入挖掘課程思政內涵。實驗教學的宗旨是落實立德樹人根本任務，要以學生為中心，促進學生的全面健康成長。依托科研最新成果開設的新創實驗，能更多地體現科研思維方式、社會責任、擔當精神、創新意識和綠色發展意識等，具有較傳統實驗更加豐富的課程思政內涵。因此，新創實驗要更加自覺地推進“思政育人”，引導學生樹立遠大的理想和正確的價值觀，堅持科學精神，嚴守學術規范，遵循科學倫理，擔當社會責任。

(5) 合理調控新創實驗方向。實驗教學體系是一個以人才培養目標為導向的科學體系，每個實驗都擔負著培養學生獨特的知識、能力和素質的使命。只有合理融入實驗教學體系，新創實驗才能發揮其應有的效能。目前，絕大多數新創實驗僅僅是單個的、獨立的實驗，并未被納入實驗教學體系進行整體設計。表1和表2顯示，在TiO2的光催化[7-10]、金屬有機框架材料[11-14]、熒光探針[15,16]、聚集誘導發光[17-19]等新興的熱點科研方向上開發的實驗項目數量比較多，這雖然是當前科研熱點和人才培養需求的合理反映，但一味地追逐熱點，開發過多的類似實驗項目，最終很難得到應用推廣，這也會成為一種資源浪費。

(6) 完善效果評價。新創實驗大多是綜合性、設計型實驗，是化學實驗教學的較高層次，對學生綜合素質和創新能力有著更高的要求。學生為了完成實驗，可能需要閱讀大量文獻，拓展相關研究的背景知識；在實驗過程中往往需要教師更多的指導和同學間的相互協作；實驗完成后可能需要小組討論，一起分享實驗的經驗、體會和感想，即具有更顯著的過程性特征。因此，傳統的實驗考核評價體系對這些新創實驗并不適合。建立綜合過程性、終結性考核的實驗教學效果評價機制，對學生在文獻研讀、實驗設計、實驗操作、問題分析、總結提升、過程反思等方面進行全過程評測，建立全面、客觀、準確、嚴謹的考核體系，以目標為導向，通過考核充分調動學生學習的能動性，提升學生的參與度，也是新創實驗需要重點考慮的問題。

3 結語

近年來，符合化學學科發展潮流，融入了新知識、新理論、新技術、新方法的新創實驗項目大量涌現，為化學實驗教學帶來了勃勃生機。與此同時，新創實驗在選題方向上一味追逐熱點科研領域，不注重開發貼近實際、“接地氣”的實驗教學內容，提高實驗實用性和趣味性的問題普遍存在。在新創實驗創制時，應根據實驗教學的特點，綜合考慮多方因素，兼顧實驗的安全性、可操作性和可推廣性。要精心設計教學過程，拓展實驗的背景知識，融入課程思政，創新教學方法，提升實驗的趣味性，使學生在實驗方法、理論思考、實驗過程體驗、實驗結果的綜合分析等方面獲得更全面、更系統、更深入的訓練，促進綜合能力提升。效果考核要更加關注學生創新思維和創新能力的培養，引導他們由過去的“學習、考試”型向“學習、思考、研究、創新”型轉變。