普通化學實驗新技術和新思路

范麗巖，劉亞菲，吳梅芬，許新華

同濟大學化學科學與工程學院，上海 200092

普通化學實驗也可叫做大學化學實驗，是一門本科大類公共基礎課，與普通化學(或大學化學)理論課程配套開設，授課對象一般是非化學類專業的一年級新生，授課面廣，學生專業背景各異。鑒于該實驗課程內容是現代大學生應該掌握的自然科學基礎知識的重要組成部分，而當前各地高考體系多樣且變化不斷，寬廣的授課面和眾多的專業背景又導致選課學生的化學實驗水平參差不齊，因此國內高校對普通化學實驗課程的改革工作一直持續進行，如增加結合專業特點的實用性實驗內容[1]、“三因一自”模式增強學生主觀能動性[2]、基于學科交叉融合的新實驗教學體系[3]，以及學生主體-教師輔助的大學化學實驗教學內容與教學模式雙改革[4]等。這些實驗教學改革工作，有效提升了普通化學實驗的教學效果，對學生的創造性思維和創新實踐能力的培養有很大促進作用。

國際化學教育領域在普通化學實驗上的改革力度更加巨大。近年來，在美國化學會Journal ofChemicalEducation期刊上發表了大量實驗教學論文，相當一部分涉及到現代數碼設備和技術在傳統化學實驗中的應用，令人產生耳目一新之感。與之相比，國內普通化學實驗教學的內容設計和實驗技術仍然存在比較明顯的差距，主要有以下幾個問題：

(1) 過于強調實驗課程的“普通”特色，忽視了現代科技發展對學生的影響和對實驗教學方式的沖擊。

與其他的化學專業實驗課程相比，普通化學實驗無論從教學內容和實驗技術看，都屬于入門級別。長期以來，普通化學實驗給人的印象一直是“瓶瓶罐罐，湯湯水水”，以同濟大學普通化學實驗室為例，實驗員一年為學生準備試劑滴瓶超過2萬份次，更換滴管膠頭過萬只，各種顏色的試劑瓶在實驗室堆積如山。這種狀況，一方面反映出普通化學實驗課程教學的巨大工作量，但是從學生的角度看，無疑會留下這門課程嚴重落后于時代的印象，須知現在的95后、00后學生已經是伴著數碼產品長大的一代，現代科技在他們身上已經留下了深深的烙印，即使是像物理化學實驗這樣技術含量較高的實驗課程，很多實驗已經可以數字化操作和測量，這些學生仍然覺得不滿意，經常自覺或不自覺地拿出自己的數碼產品拍攝實驗過程和記錄實驗數據。可以想象，當這些學生走進普通化學實驗室，面對更加初級“普通”的實驗條件，肯定有恍如隔世之感。

(2) 過于強調實驗課程的“化學”特色，忽視學生來源的多樣性和對課程訴求的靈活性。

普通化學實驗是附屬于普通化學課程的，國內各高校對該門實驗課程的定位一直是通過實驗加深對普通化學理論課知識的理解和掌握，這就導致在實驗內容的安排上必須比較嚴格地與理論課內容同步，無論各高校如何進行普通化學實驗課程的改革，都沒有突破這個“緊箍咒”，這就導致普通化學實驗課程非常的“化學化”，即以培養化學專業人才的思維和方式來進行實驗的設計和教學。但是，對于普通化學實驗這種大學起步階段實驗課程，在課時有限的狀況下，缺乏基礎訓練的學生往往無法理解教師的實驗教學設計思想，這個問題不是中國特有的，在國際化學教育界也普遍存在，英國格拉斯哥大學科學教育中心的研究表明[5]，學生往往無法清晰了解所學課程各部分的重要性及相互關聯，造成這一現象的原因是教師及專家在實驗課程設計時過度考慮專業內容，忽視學生感受。同時，時代的變化導致全世界的高等教育都面臨純理科學生日益減少的局面[6]，中國也概莫能外，絕大多數學生來做化學實驗，不是要成為化學家，用培養化學專業人才的要求對學生進行實驗教學，除了讓學生望而生畏、心生厭惡之外，恐怕不會有什么好的教學效果。

大多數非化學類專業的學生并不會修習除普通化學實驗之外的其他專業化學實驗課程，因此該課程應該向學生全面展現化學的魅力和作用，給學生留下正面的、積極的印象，在非化學類專業學生心中植入一點化學思維的種子，為培養新時代高素質人才提供有益的營養。在此，我們根據多年的教學實踐及對歷屆學生性格稟賦心態的了解，結合國際國內化學教育領域的新成果，對如何創設符合當代大學生心理的普通化學實驗課程內容和方法進行了討論，希冀能夠拋磚引玉，與國內同行一起努力做好實驗教學工作。

1 普通化學實驗課程改革的新技術和新思路

從微觀上說，化學研究分子、原子間的結合和分離；從宏觀上說，化學過程決定人類社會能量的轉化輸運，以及新材料的開發利用等。對于非化學類專業的學生而言，如何讓他們在普通化學實驗中身臨其境地體會到化學科學的作用，從而對化學產生正面積極的評價，需要從改革傳統化學實驗教學的內容、方式和技術入手，形成全新的普通化學實驗教學思路，并研發出一批創新型的實驗教學項目。

1.1 化學反應的微觀可視化

傳統化學實驗，尤其是普通化學實驗，注重化學反應過程現象的觀察和描述，比如反應過程中生成氣體、沉淀，產生顏色變化等。這些宏觀化學反應速度較快，反應的過程和細節不容易觀察，現有的實驗手段無法對其做出時間和空間上的細致展現。

現代電子技術和數碼技術的發展，使得原來昂貴的儀器設備變得廉價易用，電腦、數碼顯微鏡等設備已經可以成為通用儀器，其價格并不比一臺常規實驗儀器更高，現在學生幾乎人手一臺的智能平板設備也基本具有放大攝錄功能。利用這些裝備，我們完全可以用一種全新的視角來向學生展現化學反應的詳細過程和現象，就像電影慢鏡頭一樣。我們將這一實驗設計理念稱為“微觀可視化”，即通過巧妙的實驗設計，使得原本在溶液中進行的快速化學反應變得緩慢，能夠在數碼顯微鏡下充分展現出反應過程的動態細節，使學生對化學反應的微觀本質有更深刻的印象。雖然這種實驗技術不可能表現出單個分子、原子的運動和反應狀態，但是與傳統實驗相比，該技術通過電腦屏幕將反應系統放大了50-200倍，能夠非常有效地觀察反應物之間相互擴散、反應、生成晶體、釋放氣體，以及顏色變化等過程，形象生動、過程飄逸，學生形容觀察到的反應體系如同宇宙星云般美麗。以該項技術為基礎，將合適的傳統化學反應實驗改造成為“微觀可視化”實驗，把傳統的在試管燒瓶中進行的化學實驗搬到數碼設備和電腦屏幕上去，可能使化學實驗室的經典形象徹底改觀。

1.2 實驗成果產品化

95后、00后學生的生活學習須臾離不開智能設備，這反而造成了他們對實物制作的濃厚興趣和愛好，并有通過手機、網絡進行媒體擴散和炫耀的特殊心理。普通化學傳統的教學模式是：教師講解-學生進行實驗-觀察記錄實驗現象-回去寫實驗報告。這種模式，對于化學類相關專業的學生而言，沒有任何問題，因為他們的后續理論課程以及專業實驗足以使其充分了解化學科學的魅力和社會作用。但是，對于非化學相關類專業的學生，這種實驗教學方法和內容就存在明顯的缺陷，因為以化學反應和性質測量為主要關注點的教學內容設計，使學生無法切身感受到化學對社會產生的作用。對于不打算從事化學相關專業工作的學生而言，讓他們通過實驗學習掌握各種各樣的化學方程式、學習規范的化學專業操作技能，并沒有很大的意義；相反的，如果讓他們在實驗中得到一些有用的、實物化的產品，則學生們對于化學的認識反而更加直觀、深刻，對化學科學的理解也就更加正面、積極。比如，與其讓學生測定原電池的電動勢，不如安排他們制作各種類型的電池，甚至可以做成商品化的紐扣電池，用到他們自己的物品上(比如計算器、電子表、機械模型等)；再比如，與其讓他們學習如何合成乙酸乙酯，不如讓他們提煉一些真正的生物燃料，并用到他們的航模、空模和車模上。通過這種創造實物型的實驗教學活動，可以更加有效地培養學生對于化學的認識和科學素養，并有可能在他們將來的工作中進一步利用和發展。

1.3 化學理論的虛擬現實表現

普通化學課程中涉及的很多理論問題，比如熱力學過程、分子原子結構、電子軌道、反應過渡態等，都是很難用宏觀實驗方法進行直接觀察的，而微觀實驗技術和設備過于昂貴，也不能大規模應用于普通化學實驗教學。因此，利用適當的計算機軟件，對這些過程進行虛擬現實表現，是當代化學教育的一個重要內容。在這里，我們要特別指出這項工作不是目前流行的“虛擬實驗”，不是將現實的動手實驗虛擬化，而是將理論圖形化，可以將其歸屬于“微觀可視化”的一種類型，只是現在可視化的對象不是一個具體的化學反應過程，而是一個化學理論。與“虛擬實驗不同”，該方法不是由教師或者編程人員預先編制好計算機程序，然后讓學生據此進行虛擬實驗操作，而是用商品化的科學軟件，由學生自主地進行模型設計、參數擬定和圖形表現，這本身就是一種運用化學思維進行創造性思考的實驗過程。

上述實驗技術或設計思路所要達到的目標，簡而言之，就是要讓學生在這個全新的實驗室中，“看得見，摸得著”化學。所謂看得見，就是通過微觀可視化和虛擬現實表現，讓學生以一種全新的視角來觀察化學；所謂摸得著，就是通過實驗成果實物化，讓學生切實感受到化學創造出來的、可以應用于他們的生活工作中的產品，了解化學的社會作用。

2 普通化學實驗課程改革的實踐與創新

2.1 使用智能設備或數碼攝錄設備的化學反應可視化

將化學反應用圖像、視頻方式進行呈現的方法已經有不少優秀案例，如中國科技大學的“美麗化學”項目[7]、清華大學化學實驗MOOC[8]等。但是這些工作主要是制作化學反應過程的視頻作品，供學生和公眾觀看學習，以了解化學的美麗奇妙之處，其使用的高速延遲攝影設備及實驗器皿非常昂貴，不適合大規模的學生實驗。

現在學生中智能手機已經完全普及，智能平板設備也有較高的擁有率，同時簡單的數碼體視顯微鏡的價格也在幾百元左右，均可作為可視化實驗的主體設備[9-11]，甚至可以使用掃描儀進行光度法實驗[12]。普通化學實驗大多涉及溶液反應，反應速度快、溶液擾動大，反應過程的精細過程在時間和空間維度上均不容易準確觀察。為此，一般采取兩種策略來達到較為滿意的可視化效果：在反應體系中添加特定指示劑，以及采用凝膠技術部分降低反應速率、減少反應體系擾動，比如在溶液中添加NH3指示劑，能夠清晰顯示銅電解過程中銅離子從陽極向陰極遷移的路徑和反應區域[13]；將銅鋁置換反應轉移到瓊脂凝膠中進行，能夠形成結構完整的銅晶體枝條，并對該反應涉及的電子轉移、微電池效應等進行許多設計性實驗[14]；以及將兩種策略結合，在凝膠中添加雙指示劑酚酞和鐵氰化鉀，以觀察氧化、還原區域分離及金屬活動性順序等[15]。許多肉眼難以分辨的化學反應現象都能夠在數碼鏡頭下被呈現和記錄下來，例如將化學能直接轉化成機械運動能量的振蕩反應波[16]和微液滴驅動、展現滲透壓現象的“溶液中的法老之蛇”(亞鐵氰化鉀顆粒在硫酸銅溶液中反應)，以及繽紛精彩的晶體生長模式[17]等，圖1為部分實驗圖像。

圖1 數碼顯微鏡中的化學反應

智能平板設備的另外一個優勢功能就是可以搭載紅外成像配件，從而將學生觀察化學反應的視野拓展到肉眼不可見的紅外波長范圍，可對化學反應涉及的熱運動和熱現象進行原位實時觀察、攝錄和分析。這些紅外成像配件價格低廉，使得原先成本昂貴的紅外成像技術能夠比較容易地進入普通化學實驗教學之中，比如液體的蒸發、對流過程，晶體結晶過程，溶液蒸發的拉烏爾效應，理想溶液和非理想溶液混合過程的熱效應，濃硫酸水合過程涉及的表面效應，超細金屬顆粒的空氣自燃等，都可以在紅外成像技術之下形成極有價值的探究型教學實驗項目[18,19]，圖2是部分實驗的紅外成像圖片。

圖2 物理、化學過程的紅外熱成像

上述在可見光和紅外波長范圍的光學成像探頭可以整合在一個微觀可視化實驗平臺上(圖3)，同時搭載光纖光譜儀的光纖探頭，實現紅外-可見-紫外全域檢測。與常規光譜儀相比，光纖光譜儀探頭可自由移動轉向，并在吸收光譜、發射光譜和漫反射光譜模式間自由切換，且樣品池長度可大范圍調整，非常適合開展諸如原子線光譜測量、氣態分子吸收光譜測量等實驗，對普通化學教授原子分子結構理論有很好的促進作用。目前，我校已經研制并裝備了一個示范性教學實驗室，配備了搭載上述三類探頭的化學可視化微平臺，可開展實驗項目十余項。

圖3 微觀可視化實驗平臺

2.2 化學實驗結果的實物化

在化學實驗課上做出一些生活化的產品，尚不是國內高校普通化學實驗的主要內容。然而，很多國際著名高校卻都有此類通識性的化學實驗課程，比如美國麻省理工學院(MIT)化學系就開設有廚房化學實驗(Kitchen Chemistry)[20]和高級廚房化學實驗(Advanced Kitchen Chemistry)[21]兩門課程，專門教授各種食物制作過程中的化學原理和方法。以下用幾個公開發表的案例說明，在完全符合傳統意義上的普通化學實驗課程中，是可以制作出實物產品用于學生的日常活動中。

案例1美國匹茲堡大學化學系開發了一個制作高性能常規電池的化學實驗，使用日用化學品或食品(如漂白劑、清洗劑、實驗、醋等)配制電解液，用罐頭金屬片制作電極，通過組裝形成工作電池，并系統研究了電解質濃度、電極距離以及電極表面積對電池性能的影響。該實驗所制得的常規電池電動勢高于銅-鋅原電池，電流密度比典型空氣-鋁電池高75倍、比典型的水果電池(lemon batteries)高150倍，完全可以驅動各種機械模型[22]。該實驗全部完成僅需4課時，完全可以作為一個電化學實驗用于普通化學實驗課程中。

案例2北京大學化學與分子工程學院開發了一個簡易光伏電池制作的教學實驗，該實驗包括兩種光伏電池的制作：硫化銅/硅光伏電池和N719染料敏化的敏化光伏電池。實驗過程中學生會了解沉淀溶解平衡、元素性質等基本化學原理在制作光伏電池這類實際的功能器件上的具體應用，使學生體會普化實驗所涉及的內容與化學前沿間的相關性；通過親手組裝簡易光伏電池，使學生對半導體、能帶理論、光伏效應等抽象概念有一定的感性認識，并了解化學過程與光、電現象之間的本質聯系[23]。這個實驗適用于在大學一年級的普通化學實驗課程中開設。

案例3福建農林大學生命科學學院設計以自制淀粉酶為催化劑催化淀粉水解制備麥芽糖漿，實驗將淀粉在自制定向酶的作用下水解生產麥芽糖，且利用所學的分析化學相關知識來對酶催化的特性進行探究，也可以設計出酶活性的研究、酶催化的速度等其他方面的探索內容[24]，完全不同于同類傳統實驗只限于定性觀察，且在酸的作用下水解生成葡萄糖的實驗內容。

除此以外，利用材料的形變特性和表面特性制作相關用品也是實物化實驗設計的重要方面，比如中國科學技術大學化學國家級實驗教學示范中心利用熱縮材料的特性，設計并開發了可以“自己動手做”的熵致形變高分子材料掛件[25]；新疆大學化學化工學院以聚乙烯醇和單寧酸為原料制備出了形狀記憶水凝膠，以乙二胺四乙酸、二水合氯化銅、六水合氯化鎂、氧化鋁為原料制備出了無機熱致變色材料，以結晶紫內酯、硼酸、十六醇為原料制備出了有機熱致變色材料，并將形狀記憶材料與熱致變色材料結合，成功制備出了兩種既能記憶形狀又能變色的新型復合高分子材料[26]；紹興文理學院化學化工學院利用溶膠-凝膠法制備超疏水材料，并將基于靛藍胭脂紅變色的“紅綠燈”實驗在超疏水材料上進行繪畫展示，讓學生親身感受化學之美、化學之趣，激發其對化學的興趣，引發學生對材料科學的探索和思考[27]。

在日常的普通化學實驗教學中，一直有高校嘗試讓學生進行實物制作的教學內容，我校研發了一系列天然植物提取物用于制作化妝品的化學實驗項目，包括麥冬、柴胡、黃芪、紅花、薄荷等中草藥，并用于制作保濕美艷護膚品、唇膏以及透明手工皂等產品，實驗過程涉及到植物有效成分提取、旋轉蒸發、乳液調配等多個實驗操作技術，學生們形容這樣的實驗課程是“空手而來，滿載而歸”，非常受到學生的歡迎。這一類實物化制作實驗項目雖然內容已經不再新穎，但是如果能夠結合各高校的地域特色和生活習俗進行改造，仍然能夠做成實驗精品，比如云南民族大學化學與環境學院開發了一個制作鮮花香皂的教學實驗，乍一看這個實驗不就是一個手工制作(DIY)嘛，怎么能作為教學實驗呢？但是就是這樣一個手工皂制作的項目，被設計為包含豐產天然產物有效成分的提取、皂化反應、添加攪拌制備日化產品等過程，將大學化學的基礎知識、基本實驗技能與日常生活相結合，制備出鮮花香皂，具有趣味性、系統性和連貫性，大大激發了學生學習的興趣，培養和提高了學生的創新能力和綜合實踐能力[28]。

2.3 化學微觀結構的現實表現：軟件、手工與3D打印

可用于普通化學實驗教學的軟件有BioChemOffice、Gaussian等，前者的3D模式能夠比較方便地構建分子的立體構型，并用多種形式予以表現，不需要任何編程或量子力學知識，一年級新生比較容易上手使用，且軟件自帶的部分免費計算功能也能夠完成分子構型的優化，顯示分子結構的動態調整過程，對初次接觸大學化學內容的學生而言，有比較大的吸引力。結合前面可視化實驗平臺上進行的晶體生長實驗，也能夠比較容易地獲得某些無機物的單晶體，比如五水合硫酸銅或一水合乙酸銅等，這些單晶在單晶衍射儀上獲得衍射數據是比較快的，然后就能使用免費版的Mercury晶體分析軟件獲得這些晶體的三維原子分布(圖4)。

圖4 蒸發結晶形成的單晶體和Mercury軟件中的晶體結構

如果化學軟件的使用受到經費和版權的制約，也可以借助傳統手段進行分子結構的模擬，比如中國傳統折紙手藝，早在上個世紀九十年代就被成都科技大學應用于模擬復雜分子的構型，并且在美國化學會《JournalofChemicalEducation》期刊上發表過系列論文[29-31]；香港浸會大學的學者也發表過類似論文[32]。可見，折紙法構建分子模型是我們國家原創的教學方法，完全可以應用于普通化學實驗教學中，或單獨開設實驗，或作為合成實驗后期產物分析和研究的輔助教學手段。此外，除了常規的分子結構球棒模型教具外，北京大學化學實驗教學示范中心還提出用磁性球搭建密堆積晶體結構的方法[33]，同樣非常適合普通化學實驗的教學工作。

當前，3D打印技術蓬勃發展，并且已經應用于化學教學之中[34,35]。可以預見，當該技術的成本降低到一定程度后，必然會被引入普通化學實驗的教學中，其作為分子結構等物質微觀信息的現實模擬手段，會使學生學習化學的獲得感更加豐富。

3 結語

作為普通化學實驗課程內容改革的主要基礎，化學反應過程的可視化技術、微觀結構的虛擬現實技術及實驗結果實物化模式將會極大改進當前課程給學生的觀感。當然，這些技術和模式仍然要不斷尋求與傳統實驗教學項目之間的融合以及與理論課程之間的相互配套，將化學教育中比較分散的知識點通過實驗呈現出來，連接起來，使學生在更新、更高的觀察維度上認識化學、在更深更廣的情感維度上接受化學。唯有如此，我們培養的學生，無論他們是什么專業背景，才是擁有比較完整科學價值觀的人；也唯有如此，我們熱愛的化學學科也才會擁有更平坦寬廣的前途。