新高考與大類招生背景下的基礎化學實驗教學改革思考與實踐

劉永紅，李慧慧，段麗君，文利柏，胡先文，陸冬蓮，王運，成協設

華中農業大學理學院，武漢 430070

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學環節作為培養具有創新意識、創新能力人才的重要環節，在整個課程教育、教學過程中占有特殊的地位。高等院校化學實驗教學的基本任務是[1]:傳授基本化學實驗知識，訓練基本化學實驗技能，培養學生分析、歸納、總結和探索規律的能力；通過化學實驗，提高學生在實踐中學會發現問題、分析問題和解決問題的綜合素質，培養學生的適用能力、創新能力和嚴謹的科學精神。化學實驗課程建設是農林類高校人才培養中不可或缺的重要基石。

在我國農林類高校，基礎化學實驗是生命科學、食品科學、資源與環境等理、工、農科專業的必修基礎科目。我校自2001年開始開設基礎化學實驗，該課程在多次人才培養方案修訂過程中得到不斷強化，教學學時不減反增。20年的基礎化學教學實踐表明，基礎化學實驗教學為我校創新型人才的培養和“雙一流”學科專業建設提供了堅實的保障。自2014年《國務院關于深化考試招生制度改革的實施意見》印發以來，國家大力推進高考綜合改革，在高等學校推廣大類招生改革，這些改革措施為教育改革帶來了活力[2–4]。但是，由于高考選考化學科目的變化，很多專業的學生高考未選化學科目。2020年我們隨機統計了開設化學課程的學生，結果顯示有6.02%的人未選考化學(部分統計結果)，而2021年我校統計的結果則高達19.25%，這就給大學階段的化學教學帶來了新的挑戰，使得高校化學實驗課的教學改革必須與之相適應。

1 大學新生現狀及其教學中存在的問題

1.1 大學新生現狀調查

2020年秋季，我們對2020級新生進行了網上問卷調查，參與調查的學生249人，其中15人高考沒有選考化學，占總人數的6.02%；有88人指出，高中階段沒有開設化學實驗，約占35.34%。從2021年開始，參加新高考的省份大幅度增加，隨著新高考改革的推進，未選考化學和未做過化學實驗的人還可能會增加。我們進一步對學生在高中階段開展化學實驗課的次數以及化學實驗的方式進行了調查，結果見圖1和圖2。其中有61人(包括未選考化學的人數)未做實驗，100人做過1–3次，有88人做過4次及以上，占比分別為24.50%、40.16%和35.34%。對于實驗課的開設方式，有44%的人指出，中學階段的化學實驗是老師演示、學生觀看，著重于記憶實驗過程和實驗現象，約18%的人指出，高中階段自己獨立做過實驗，26%的學生表示高中實驗是多人合作(分組)完成的，12%的人表示實驗還有其他方式完成。

圖1 高中實驗頻次

圖2 高中實驗方式

參與調查的學生中有188人(占66%)認為化學實驗很重要，75人認為重要(占30%)，只有10人(約占4%)認為化學實驗可有可無(圖3)。由于高中階段接觸化學實驗較少，有188人(占75%)表示很喜歡化學實驗，且愿意動手做實驗；34人(占14%)很喜歡化學實驗，但是有點害怕做實驗(圖4)，這可能源于社會上報道的一些有關化學負面新聞的影響。對此，有55%的學生(136人)希望能在大學里自己獨立完成化學實驗，43%的學生(108人)愿意與別人合作完成實驗，有2%的人不愿意做實驗或無所謂。由此可見，學生們還是希望能有機會做實驗，且很喜歡化學實驗課。

圖3 學生對化學實驗的評價

圖4 學生對化學實驗的態度

1.2 當前新生化學實驗教學中的問題

高考招生制度的改革從某種程度上來講確實減輕了高中生學習的壓力，但是卻給高等學校的教學帶來了不小的影響。具體表現在：

(1) 學生化學實驗基礎知識缺乏，需要教師在教學中加強基礎知識的介紹。由于高中階段未開設化學和化學實驗，導致很多學生基本的化學常識嚴重缺乏。比如，不了解基本化學儀器名稱，不能區分容器(燒杯)和量器(量筒)的差別，不知道常規儀器使用方法和注意事項。為了實驗能夠順利進行，教師需要在教學中額外加強基礎知識的介紹。

(2) 學生動手能力欠缺，沒有實踐經驗，事無巨細，都需要老師的指導。大部分學生在中學階段沒有動手做過實驗，因此，動手能力幾乎是零，導致很多學生不敢動手，害怕打壞了玻璃儀器。比如，有的學生不會擦火柴，有學生把酒精燈打翻了不知道如何處理，有的學生不會搭建常壓過濾裝置。

(3) 學生注重死記硬背，不重視實際操作。學生能夠熟練地背誦相關的操作要領和規范，但是實際操作漏洞百出。比如，學生都會熟練地說出常壓過濾操作的“一貼二低三靠”要點，但是在實際操作常壓過濾時卻完全不按要求操作，三層濾紙一邊隨便放、漏斗下端不是緊靠承接容器內壁而是懸空。很多學生在計算臺秤(精密度為0.01 g)稱量的物質的理論產量時，結果保留到小數點后第三位、第四位。

(4) 撰寫實驗報告就是抄書，不會用自己的語言來組織實驗報告。實驗報告的撰寫應該是基于對實驗的理解之后的再加工，可以用自己的語言來組織材料，使得提交的實驗報告既簡明扼要，又邏輯清晰。很多學生撰寫實驗報告要么全部抄書，沒有自己語言組織；要么只有只言片語，不知所云。

2 一流課程內容體系構建與實踐

在中學階段，雖然學生自己獨立完成一定量化學實驗的學生并不多，但是經過大學一年級的系統訓練，學生的動手能力和化學實驗技能得到了根本性的提高，為今后專業課的學習奠定了堅實的基礎。回顧過去20年的發展歷程，在本科生人數大幅度增加的情況下，基礎化學實驗仍然保持了良好的教學質量和教學效果，所有這一切，均得益于基礎化學實驗在課程體系、實驗內容、教學方法、課程考核等各環節，以及教材建設和課程思政建設的改革和創新。

2.1 構建“基礎訓練–綜合提升–創新設計”三層次實驗內容體系

面對高考改革的全面推進和大類招生的改革，我們通過對基礎化學實驗教學內容的整合，將其分為基礎技能訓練的基礎性實驗、綜合素養提升的綜合性實驗、研究設計能力培養的設計性實驗等不同內容，分別對應“基礎訓練”“綜合提升”和“創新設計”3個不同層次。

2.1.1 夯實基礎——基礎實驗著力于學生基本能力的訓練

基礎化學實驗面向全校理、工、農等各專業開設，沒有專業差異，旨在全面培養學生的基本實驗操作技能、科學素養和化學知識技能綜合運用能力。其側重點是培養學生實驗動手能力和基本操作的規范性，使學生掌握基本的化學實驗知識、基本操作技能，養成良好的實驗習慣和嚴謹的科學態度。在基本規范方面，我們開辟專題講座，圍繞實驗室安全與規范，特別制作了約2學時的教學內容，包括實驗室安全教育、實驗室基本規范和常規儀器的辨識與簡介，這些內容起到了承上啟下的作用，補齊了高中階段化學實驗的基本規范知識。基礎實驗包括物質的制備與分析、物質的性質、物理量的測定與分析、物質的分離與提純、常見的化學分析法、光度分析法等內容，旨在通過物質的制備、測量、分析等訓練學生的基本化學技能、培養學生的動手能力、激發學生的學習興趣。部分基礎實驗內容見表1中實驗項目。

表1 基礎實驗部分[5]

以“硫酸銅晶體的制備與提純”為例，該實驗涉及物質制備、產物重結晶提純、稱量、(硫酸)溶液的配制、常壓過濾、減壓抽濾、加熱濃縮等基本操作，是無機化學實驗基本操作技能訓練最為集中的基礎實驗項目。而且該實驗具有可觀賞性，很多學生將硫酸銅的結晶過程拍攝成小視頻與同學、朋友分享，實驗成功的自豪感溢于言表，這個實驗極大地激發了學生學習化學實驗的興趣。再如“蛋殼中鈣鎂含量的測定”實驗，該實驗包含材料前處理、樣品稱量、容量瓶的使用、移液定容、滴定管的使用、滴定終點的判斷、結果分析等內容，是分析化學實驗基本操作技能較集中的一個實驗訓練項目。該實驗選取身邊的原材料——蛋殼，學生可以通過實驗結果比較不同類型蛋殼(土雞蛋、洋雞蛋、鴨蛋，還有綠殼蛋、白殼蛋等)中鈣鎂含量的差異，進一步體會到實驗成功的樂趣。大部分基礎化學實驗項目涉及生命科學、能源環境、植物營養、食品等，與學校特色專業密切相關，更加凸顯化學的應用性，也更能提高學生參與實驗的興趣。

為進一步規范化學實驗的基本操作，我們將所有的基本操作項目拍攝成時長5–8 min的小視頻，主要包括：常壓過濾、減壓抽濾、離心分離、傾析法、蒸發濃縮結晶操作、酸堿溶液的配制、酸堿滴定管的使用、移液管的使用、定容操作、分析天平的使用、紫外可見分光光度計的使用、熒光分光光度計的使用、pH計的使用等，短視頻的制作為學生自主學習、掌握規范的化學基本操作奠定了基礎，為課堂教學提供了豐富的素材。

2.1.2 提升能力——綜合實驗重在培養學生的綜合實踐能力

綜合實驗是對基礎實驗的深化、對化學基本操作的綜合運用、對解決實際問題的能力的檢驗，其目的是進一步培養學生實際動手能力和創新思維，理論聯系實際、學以致用。綜合實驗以知識、技能、操作的綜合運用為主要教學內容，能夠幫助學生鞏固已經掌握的化學實驗基本知識與技能，更重要的是可以培養學生綜合運用知識的能力、分析和解決問題的能力，培養科學探究興趣[6,7]。

為進一步檢驗學生化學實驗的基本功，我們在學期末開設綜合實驗，如“硫酸亞鐵銨的制備及其純度分析”是基礎化學實驗課程開始建設就開設的一個綜合性實驗項目，該實驗內容既包含物質的制備，又含有物質的純度分析，是包含無機化學實驗和分析化學實驗的一個綜合性較強的實驗項目，其基本操作包括稱量、加熱、常壓過濾、減壓抽濾、加熱濃縮、結晶、定容移液、滴定分析和比色分析等，幾乎囊括了所有的基礎化學實驗基本操作項目。在產物硫酸亞鐵銨純度分析方法上，有基于氧化還原反應的高錳酸鉀滴定法，也有基于光度分析的鄰菲羅啉分光光度法，各有特點。高錳酸鉀滴定法用于常量分析，具有快速準確的特點；分光光度法既可以分析樣品純度，還可以分析樣品中三價鐵和二價鐵的含量，信息更全面。為了更加凸顯綜合實驗的目的，我們將學生兩兩分組，分別采用高錳酸鉀滴定法和鄰菲羅啉分光光度法分析所得產物的純度，表2是部分實驗結果。

表2 硫酸亞鐵銨兩種純度分析結果對比

隨著人們對綠色、環保、安全的重視，部分存在安全隱患、腐蝕有毒，以及與微觀反應體系、特種儀器設備等有關的實驗不再在實驗室開設，而以虛擬仿真實驗的形式用于教學[8,9]。基于此，我們將醬油中氨基酸的測定開發成虛擬仿真實驗項目，該實驗需要使用高濃度的甲醛(18%)，甲醛易揮發，會導致環境污染，長時間接觸還有致癌的作用，我們將實驗內容分割為樣品前處理、定容和移液操作、滴定操作等模塊，將實驗操作的規范性貫穿其中，使學生在沉浸式實驗過程中模擬實際操作環節。虛擬仿真實驗項目的引入，極大地豐富和拓展了化學實驗，提供了更為多樣化的實驗體驗。

除了基礎性實驗、綜合性實驗，我們還設計了研究設計性實驗項目，該項目是基于教師研究成果的整理，需要通過一系列研究和探索才能完成，其內容更有探究性和挑戰性，主要用于后期學生創新性實驗項目的實施。設計性試驗旨在培養學生綜合運用化學知識、解決實際問題的能力，促進學生以實踐創新為核心的綜合素質的提高。

2.2 大力開展課程思政

本課程具有其他課程不可替代的優勢，基礎化學實驗共60學時，授課對象包括全校理、工、農等學科9個學院、20多個專業，80多個班級的新生2200余人，有助于發揮課堂主渠道功能和廣泛影響力。另外，本課程包含有大量的思政元素和素材[10,11]，在加強大學生思想政治教育過程中，具有強大的說服力和感染力，其思政教育的重點在于開展自然辯證法、方法論、職業素養和科學精神等教育，對于學生樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀具有重要的作用。

比如，“硫酸銅晶體的制備與提純”這個實驗中，可以在前言部分穿插介紹中國銅的冶煉、湖北大冶的銅綠山銅礦開采歷史，通過這部分歷史知識的介紹增強學生的文化自信和民族自豪感。同時通過本實驗介紹硫酸銅的制備原料時強調不能使用銅單質，否則會產生污染性氣體二氧化硫導致周圍環境的污染，增強學生的環保意識。另外在介紹硫酸銅的應用時，著重介紹殺菌劑波爾多液在防治葡萄炭疽病、白腐病、黑痘病、霜霉病等方面的應用，同時強調其作用機制在于Cu2+對病菌細胞中蛋白質凝固作用和對某種酶的破壞作用。通過這些知識的介紹拓展學生的視野。再如，在“鹽酸濃度標定”這個實驗中，可以介紹基準物質碳酸鈉(Na2CO3)的一些史料——侯德榜與純堿。在20世紀初，我國的純堿都是從國外進口，而且進口量還受到外國公司控制，使得純堿價格格外的高。我國化學家侯德榜在美國留學回國后，致力于純堿的生產，20世紀20年代，他突破西方氨堿法制堿技術的奧秘，主持建成亞洲第一座純堿工廠；30–40年代，又發明了連續生產純堿與氯化銨的聯合制堿新工藝——侯氏制堿法。1926年，中國“紅三角”牌純堿入萬國博覽會，獲得金質獎章。在總結實踐的基礎上，侯德榜用英文撰寫了《純堿制造》(Manufacture of Soda)一書，并于1933年在紐約出版，向全球公布了侯氏制堿法的工藝。這些化學史料一方面可以提振學生的民族自豪感，另一方面用科學家的科學精神和愛國主義精神去引導學生投身科學研究、報效祖國，進一步引導學生樹立正確的“三觀”，內化在踐行社會主義核心價值觀的行動中。

基礎化學實驗與思想政治教育從來都不是割裂的，它在傳授給學生獲得專業知識的同時，更要促進學生成為有德之才、有思想的人。

3 建設一流實驗課堂和一流的實驗教材

3.1 轉變教學觀念，不斷改進教學方法

化學實驗是一門實踐性極強的課程，注重訓練學生實踐動手能力，旨在培養學生基本操作的規范性和實際應用的靈活性。傳統的“以教師為中心”教學模式無法讓學生真正掌握化學實驗的要領。鑒于此，本課程變“教師主導”為“以學生為中心”和“教師引導”。這種教學觀念的轉變給予學生更多的自主權，教師通過問題式、啟發式、探究式教學方法來引導學生掌握每一個實驗項目的實驗目的和要求、基本原理、實驗內容、數據處理和結果分析等。學生不再是“照方抓藥”，而是在教師的引導下創造性地完成實驗項目和實驗報告。

以“粗食鹽的提純”為例，在傳統的實驗教學過程中，授課教師從實驗目的、原理、儀器和試劑、實驗內容、數據處理和注意事項等各方面講一遍本實驗，學生即可開始實驗。當我們將“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”后，我們首先從食鹽與健康入手，介紹食用鹽的來源和制備方法，引出“如何純化礦井鹽和海鹽”這一問題。然后結合前面已經完成的實驗“硫酸銅晶體的制備與提純”，引導學生思考“粗食鹽能否采用重結晶法進行提純？為什么？”通過硫酸銅和氯化鈉溶解度的對比引出本實驗的基本原理。在講解“化學除雜”的方法時，如何判斷沉淀劑是否處理得當的時候，引導學生思考固液分離的基本方法(過濾、傾析法和離心分離)，讓學生嘗試這些方法，然后在實驗結束后讓學生提出自己認為合理、有效的方法。在最后蒸發濃縮結晶的時候如何控制母液的量？冷卻到室溫時固液分離采用常壓過濾還是減壓抽濾？這些問題可以讓學生通過實驗來獲得合理的結果，這個過程注重“教師的引導”作用，給學生留有思考的余地。在產品純度對比檢驗的時候，讓學生將試管里實驗結果拿過來對照說明，并進行解釋，讓他們自己對實驗結果進行評價，教師著重傾聽結果，這就使得學生能夠理論聯系實際地運用所學知識解決實際問題、分析問題。

還有很多其他的實驗都可以通過問題式、啟發式、探究式教學方法來引導學生掌握每個實驗項目的核心內容，通過教學設計，強化師生、生生互動，提高學生思考問題的“含金量”。這些教學方法的應用拓展了實驗教學的空間，提高了學生的自主學習能力和教學效果。

3.2 不斷完善實驗考核體系

基礎化學實驗是一門實踐性的課程，與理論課不同，每個實驗項目考查的要點存在差異，如何體現實踐課的考核標準，使考核更加科學合理，是實踐課程改革的重要內容之一。在課程建立之初，本課程的考核以每一次成績為準，而每一個實驗項目的成績則由考勤、實驗操作、課堂互動以及實驗報告等組成，在此基礎之上平均核算總體成績。經過幾年的教學實踐，我們在本課程考核中引入考試環節，著重在期末考試中考查學生的基本操作能力，主要涉及化學基本操作的熟練程度以及細節的規范性，分數所占比例為總分的30%。通過引入基本操作考試，強化了學生掌握化學基本操作的熟練性和規范性。在此基礎上，本課程考核進一步強化了平時的實踐過程考核和實驗動手能力評價，綜合評價學生的實驗成績。考核內容主要包括：第一，線上線下預習過程考核，即實驗預習及測試、線下完成預習報告，約占平時成績的30%。第二，實驗過程考核，即課堂互動、實驗操作、考勤等環節，約占平時成績的40%。第三，實驗報告，主要包括實驗報告的撰寫、數據分析和實驗總結與反思等環節，約占平時成績的30%。這三項占總成績的60%。第四，實驗基本操作考核，也就是期末考試，主要考查學生的實際動手能力、基本操作的規范性以及化學實驗的基本規則和原理，約占總成績的40%。新的考核方式進一步細化和規范了過程考核評價，使得每一個教學環節都得到了量化和重視，從根本上提高學生的實踐動手能力和化學素養。

3.3 建設一流的實驗教材

一流的課程需要配套一流的教材。我們結合化學實驗的課程教學目標和學校的學科專業特色，并根據課程的教學要求，精選了包括分無機化學實驗、分析化學實驗以及綜合了無機化學實驗和分析化學實驗的項目，補充完善了與農科相關的化學實驗項目。同時，教師們將科研項目經過改造，增設為研究設計性實驗，按照基礎性實驗、綜合性實驗和研究設計性實驗三個不同的層次編寫無機及分析化學實驗。本教材打破了原來的按學科分類的原則，將實驗項目分成由簡單到復雜的不同層次。

隨著移動互聯網技術的發展，特別是新高考改革的全面推進和學科大類招生改革的變化，我們結合學校學科專業特色，對原有實驗項目進行整合，開發和引進了一些新的實驗項目。在實驗項目數以及實驗內容的深度和廣度上進行了拓展；為加強實驗課線上和線下教學模式的結合，我們建設了無機及分析化學實驗新形態教材。該教材在保留了原來體系框架的基礎上新增了系列數字化資源，主要包括實驗項目ppt、實驗預習習題、化學實驗室安全規范、基本操作訓練，以及單元測驗等內容，學生通過增強現實的教材(Augmented Reality，AR)掃碼可以在手機端使用，為今后利用移動互聯工具開展自主學習提供支撐。

4 展望

2019年教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》指出[12]，經過三年左右時間，建成萬門左右國家級和萬門左右省級一流本科課程(簡稱一流本科課程“雙萬計劃”)。在新高考改革大力推進和高校大類招生的環境下，在互聯網、信息技術飛速發展的新時代，傳統的教學方式由于其物理空間的限制，當前我們必須直面一些新的問題：如何利用互聯網等新媒體為載體，建設移動的“云端實驗室”；開發數字課程和虛擬教室，引導學生自主學習，個性化學習，實現無障礙選課、學習。這些問題對基礎化學實驗在新形勢下的課程建設提出了新的挑戰，也迎來了新的機遇。