楊先鳴
(滁州學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)系,安徽 滁州239012)
分析化學(xué)實驗教學(xué)改革及發(fā)展趨勢
楊先鳴
(滁州學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)系,安徽 滁州239012)
對近年來我國分析化學(xué)實驗教學(xué)改革進(jìn)行回顧。從分析化學(xué)實驗課程內(nèi)容改革、教學(xué)模式改革、有效利用實驗室資源建立開放實驗系統(tǒng)、實驗教學(xué)中的環(huán)保教育、課程評價改革等幾個方面進(jìn)行了綜述,并提出分析化學(xué)實驗教學(xué)改革的趨勢。
教學(xué)改革;分析化學(xué);實驗教學(xué)
2010年7月,中共中央、國務(wù)院頒布實施的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》指出,“高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)高級專門人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù)。提高質(zhì)量是高等教育發(fā)展的核心任務(wù),是建設(shè)高等教育強國的基本要求?!币爸С謱W(xué)生參與科學(xué)研究,強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)?!狈治龌瘜W(xué)是化學(xué)學(xué)科的重要分支之一,是化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課。而分析化學(xué)學(xué)科的特點決定了其實驗課程比例占總課時一半以上。實驗課的教學(xué)對于鞏固學(xué)生的分析化學(xué)基礎(chǔ)理論知識,訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和良好的實驗習(xí)慣,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力,為學(xué)生今后在涉及化學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)從事理論研究和實際工作打下基礎(chǔ)起著非常重要的作用。因此,探討分析化學(xué)實驗教學(xué)改革,加強學(xué)生能力培養(yǎng)意義重大。故對近年來高校分析化學(xué)實驗教學(xué)改革進(jìn)行綜述,展望分析化學(xué)實驗教學(xué)改革趨勢,把握實驗教學(xué)改革方向,以進(jìn)一步深化教學(xué)改革,提高分析化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量。
Kowalski在一篇題為“分析化學(xué)作為信息科學(xué)”的論文中指出分析化學(xué)發(fā)展史正經(jīng)歷極為重要的時期[1]。這個時期分析化學(xué)學(xué)科的重要性,是與現(xiàn)代科學(xué)與社會發(fā)生的一系列重大變化相關(guān)聯(lián)的。作為高校的化學(xué)基礎(chǔ)課程的分析化學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)適應(yīng)歷史的發(fā)展,體現(xiàn)分析化學(xué)學(xué)科的基本思想,不斷更新教學(xué)內(nèi)容,改革教學(xué)方法,以適應(yīng)時代的發(fā)展,實現(xiàn)國家對高校人才的培養(yǎng)目標(biāo)。多年來,高校分析化學(xué)課程的教學(xué)工作者,在分析化學(xué)實驗教學(xué)的實踐中進(jìn)行了大量卓有成效的探索[2]?,F(xiàn)對分析化學(xué)實驗課程的教學(xué)改革綜述如下。
分析化學(xué)方法就其原理分類,可分為化學(xué)分析和儀器分析兩大類。就其分析任務(wù)分為定性分析和定量分析,就其教學(xué)的作用有驗證性實驗,設(shè)計性實驗,綜合性實驗。因此,要精選實驗教學(xué)內(nèi)容,合理安排實驗內(nèi)容,建構(gòu)有利于學(xué)生發(fā)展,有利于達(dá)到教學(xué)目標(biāo),培養(yǎng)合格人才的實驗內(nèi)容體系。
化學(xué)分析是分析化學(xué)的基礎(chǔ)。隨著儀器分析的發(fā)展和普及,化學(xué)分析和儀器分析構(gòu)成分析化學(xué)的兩大支柱?;瘜W(xué)分析仍應(yīng)是分析化學(xué)基礎(chǔ)課的兩大支柱之一[3]。從本學(xué)科的系統(tǒng)性、完整性出發(fā),適當(dāng)考慮化學(xué)分析和儀器分析實驗的比例,將定量分析和定性相結(jié)合,經(jīng)典分析和現(xiàn)代分析知識融匯貫通,有利于學(xué)生獲得分析化學(xué)全面的知識。經(jīng)典的化學(xué)分析實驗是使學(xué)生確立嚴(yán)格的“量”的概念,培養(yǎng)認(rèn)真、細(xì)致的工作作風(fēng)和實事求是的科學(xué)態(tài)度的一種好形式,在學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)上起著重要的作用。CharlesM等曾發(fā)表題為“經(jīng)典分析的過去、現(xiàn)在和未來”[4-5],特別強調(diào)了經(jīng)典分析的重要性:一些樣品的分析必須用化學(xué)分析法來完成,儀器分析方法不可能取而代之;儀器分析及其他領(lǐng)域所用的標(biāo)樣必須用化學(xué)分析法來鑒定。因此,將兩部分內(nèi)容互相配合,不僅是學(xué)習(xí)分析化學(xué)的目的,也是進(jìn)行其他方面科學(xué)工作的需要[6]。
在組織實驗教學(xué)內(nèi)容時,將定量分析化學(xué)實驗的基本知識、基本操作和基本實驗作為一個很重要基礎(chǔ)部分來抓。包括向?qū)W生介紹分析化學(xué)實驗室中實驗室用水的規(guī)格、制備與檢驗,玻璃器皿的洗滌,化學(xué)試劑的規(guī)格,標(biāo)準(zhǔn)溶液及其配制方法,實驗室安全知識,實驗記錄和數(shù)據(jù)處理;基本操作實驗力求訓(xùn)練學(xué)生定量化學(xué)分析各項基本操作,精心安排的常規(guī)定量實驗方法;基本實驗是在進(jìn)一步強化基本實驗技能訓(xùn)練的同時,通過完成實際樣品的分析,加深學(xué)生對分析化學(xué)基本理論的理解,加強學(xué)生對“量”的概念的認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)作風(fēng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與良好的實驗習(xí)慣。
精選和壓縮定性分析實驗內(nèi)容,保證學(xué)生有更多的時間進(jìn)行定量實驗訓(xùn)練。有人認(rèn)為定性分析實驗選擇一至二組陽離子分析即可,而把重點放在未知物分析和混合物分離;也有人提出把定性分析內(nèi)容壓縮成“混合陽離子分析”一個實驗;工科類學(xué)校則砍掉了定性分析實驗;多數(shù)師范院校則主張保留定性分析實驗以突出師范性,還有人認(rèn)為采用酸堿系統(tǒng)定性分析法更有利于學(xué)生今后從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)工作[2]。
隨著化學(xué)學(xué)科在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的不斷提高,化學(xué)各學(xué)科間的融合與滲透不斷增強。20世紀(jì)90年代后期,許多綜合性大學(xué)將四大基礎(chǔ)化學(xué)實驗課進(jìn)行了整合,打破了四大化學(xué)界限,將實驗內(nèi)容分為基本操作技術(shù)訓(xùn)練、基本實驗方法、方案設(shè)計實驗和綜合實驗四個部分[7]。改變了傳統(tǒng)實驗內(nèi)容安排,將基本操作實驗部分放在大一第一學(xué)期的通識實驗中開設(shè)。使學(xué)生剛進(jìn)校就接受規(guī)范的實驗技能訓(xùn)練,重點加強學(xué)生定量意識的培養(yǎng)。避免了在開設(shè)無機實驗后才接觸到分析化學(xué)實驗,往往造成學(xué)生先入為主,難以建立 “量”的概念的弊端,為后續(xù)學(xué)科基礎(chǔ)實驗的教學(xué)打好基礎(chǔ)?;瘜W(xué)分析的基本實驗方法、方案設(shè)計實驗和綜合實驗內(nèi)容放在大二上學(xué)期開設(shè)。此時可在分析化學(xué)理論的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)相關(guān)的實驗方法。在基本實驗方法中適時安排設(shè)計性實驗。最后,安排綜合實驗,使學(xué)生在掌握常用分析方法的基礎(chǔ)上,解決實際問題。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會查閱文獻(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識,獨立解決實際問題的能力。也有人[8]將有關(guān)的定性分析列入無機化學(xué)相應(yīng)的實驗中,這樣既避免了實驗內(nèi)容的重復(fù),又加強了元素化合物知識學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性,為分析化學(xué)實驗的改革提供了課時保證。無機化學(xué)實驗中的分析天平使用及滴定操作轉(zhuǎn)移至分析化學(xué)實驗,這樣可以避免課程的重復(fù)性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性。定量分析實驗相對增加了課時,使得強化操作技能、加強實驗環(huán)節(jié)、引入儀器分析實驗內(nèi)容等諸項改革成為可能。還有人提出整合分析化學(xué)實驗和物理化學(xué)實驗,以提高儀器設(shè)備的利用率,促進(jìn)學(xué)科間滲透,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力[2]。
無機與分析化學(xué)實驗課程的整合更為多見。分析化學(xué)中往往要綜合運用無機化學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域的知識。因此,許多學(xué)校將無機化學(xué)與分析化學(xué)理論和實驗課程進(jìn)行整合,單獨設(shè)無機及分析化學(xué)實驗課程[9-11],整合現(xiàn)有無機和分析實驗內(nèi)容,加以歸納總結(jié),形成既有經(jīng)典驗證性無機實驗和經(jīng)典分析實驗操作,也有經(jīng)過優(yōu)化的綜合性實驗和設(shè)計型實驗。在進(jìn)行必要的無機和分析化學(xué)經(jīng)典實驗訓(xùn)練和強化的基礎(chǔ)上,減少過多的基本元素的性質(zhì)驗證性實驗和滴定實驗的基本操作訓(xùn)練。做到無機驗證性實驗中包含分析化學(xué)的基本知識和操作,分析操作型實驗中有無機化學(xué)的理論和運用。既可以鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)知識和強化訓(xùn)練其基本操作,又可以使學(xué)生建立知識網(wǎng)絡(luò),提高學(xué)生參與實驗的興趣,加強其實踐能力,開拓其創(chuàng)新性思維。形成無機化合物制備實驗、原料組分分析實驗、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗實驗等綜合型實驗。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合地方實際,進(jìn)行實際樣品的采集,定性定量檢測,使學(xué)生學(xué)習(xí)綜合運用所學(xué)知識解決實際問題,不斷提高學(xué)生的分析問題解決問題的綜合能力。分析化學(xué)改革教學(xué)方法,建立適應(yīng)學(xué)生發(fā)展的教學(xué)模式。
在重視實驗教學(xué)內(nèi)容更新與改變的同時,應(yīng)重視實驗教學(xué)法研究。把分析化學(xué)方面的教學(xué)由數(shù)據(jù)與信息的獲取,上升到注重實際問題的解決這一新高度。在“知識爆炸”的挑戰(zhàn)下,處理好“博”與“約”的關(guān)系、授之以魚與授之以漁的關(guān)系[12]。
許多高校發(fā)揮自己的特色,經(jīng)過多年實踐和不斷總結(jié)經(jīng)驗,努力找到適合本校的實驗教學(xué)模式和教學(xué)方法。
從分析化學(xué)教學(xué)的實際出發(fā),結(jié)合課程自身特點和生源現(xiàn)狀,本著創(chuàng)造條件,為學(xué)生提供更多的實踐機會的思想,,研究與設(shè)計了基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗、自主實驗、達(dá)標(biāo)實驗的三階段實驗教學(xué)模式[13],包括:按教學(xué)計劃進(jìn)行的基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗階段,在開放實驗室期間進(jìn)行的自主實驗階段,實施分析化學(xué)實驗競賽的達(dá)標(biāo)實驗階段。三個階段之間在內(nèi)容上相輔相成,程度上循序漸進(jìn),組成了分析化學(xué)實驗教學(xué)的完整過程。
在分析化學(xué)實驗教學(xué)中,學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體。要充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,提高學(xué)生積極參與的興趣。有人提出“全程實驗”[14]教學(xué)模式:即學(xué)生自己準(zhǔn)備儀器、試劑、試樣,自己獨立完成分析實驗的全過程,使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。這種方式本身具有一定的探索性,實驗中遇到的問題都必須學(xué)生自己解決。“全程實驗”教學(xué)可以檢驗學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識、基本的化學(xué)計算、基本的實驗操作技能掌握的程度及靈活運用知識的能力,更有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,發(fā)現(xiàn)并解決在理論學(xué)習(xí)和一般實驗中不容易察覺的問題,提出解決問題的辦法,不斷積累經(jīng)驗,達(dá)到舉一反三、觸類旁通的效果,起到了培養(yǎng)學(xué)生科研能力和創(chuàng)新精神的作用。
以學(xué)生為主體,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。要將照方抓藥式的被動實驗改為主動實驗,鼓勵學(xué)生相互討論。在實驗課程中組織學(xué)生對各種實驗方法的特點及應(yīng)用范圍進(jìn)行討論,可采用學(xué)生討論教師總結(jié),教師提問學(xué)生答辯及學(xué)生提問教師答辯等多種形式進(jìn)行實驗教學(xué)[15]。宋崇富[16]等以“KMnO4法測定水樣中化學(xué)耗氧量”為例,探索了參與式教學(xué)法在分析化學(xué)實驗的實驗準(zhǔn)備、實驗原理、實驗過程、實驗結(jié)果及討論中的應(yīng)用。讓學(xué)生參與現(xiàn)場采樣并討論有關(guān)采樣問題、經(jīng)歷實驗操作和重點、難點問題,結(jié)果討論等,激發(fā)學(xué)生的探究與創(chuàng)新的意識,加深學(xué)生對該實驗的理論知識和實驗條件的認(rèn)識,同時掌握在實際學(xué)習(xí)中思考問題和解決問題的方法。
在實驗教學(xué)中運用現(xiàn)代信息技術(shù)開展計算機輔助教學(xué)(CAI,ComputerAssistedInstruction)是分析化學(xué)實驗教學(xué)的重大改革。充分利用現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù),利用幻燈片、VCD、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)等,積極推進(jìn)實驗教學(xué)中CAI課件的應(yīng)用,讓學(xué)生得到更多的現(xiàn)代信息。一是通過網(wǎng)上交流可以彌補課時的不足。二是將教學(xué)內(nèi)容通過聲音、圖像、文本或動畫的形式呈現(xiàn)出來,使教學(xué)內(nèi)容更加直觀、生動,變抽象為具體,變靜態(tài)為動態(tài),有助于加深學(xué)生對知識點的認(rèn)識和理解。三是利用計算機創(chuàng)建一個可視化的實驗操作環(huán)境,通過提供簡單通用的交互界面,準(zhǔn)確地計算并模擬實際實驗狀態(tài)和儀器操作狀態(tài),能正確地分析判斷用戶的操作流程,具有仿真性、交互性和實效性[17]。
計算機輔助教學(xué)還可用于演示一些大型的、貴重的或是實驗室暫時無法提供儀器設(shè)備的實驗,這樣可以在一定程度上彌補化學(xué)實驗教學(xué)中因設(shè)備不到位所帶來的缺憾[17]。
為了解決實驗教學(xué)中存在的時間、場地、人員等各因素之間的矛盾,充分利用實驗室資源,建立分析化學(xué)實驗教學(xué)開放系統(tǒng)是實驗教學(xué)改革的一大熱點。各高校[18-19]根據(jù)自身的特點和發(fā)展需要,探索了多種適合客觀實際的開放實驗教學(xué)的改革途徑。實驗室開放主要有從時間上開放,內(nèi)容上開放,實驗類型開放等模式。通過開放實驗室促進(jìn)實驗教學(xué),使學(xué)生盡快系統(tǒng)地掌握科學(xué)的實驗方法。讓學(xué)生自己設(shè)計實驗方案,準(zhǔn)備儀器、藥品,并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié),培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新工作的能力,使學(xué)生由被動實驗轉(zhuǎn)為主動實驗。積極創(chuàng)造條件開放實驗室和實驗內(nèi)容,鼓勵學(xué)生提前進(jìn)入研究小組進(jìn)行科研訓(xùn)練,給有興趣的學(xué)生提供必要條件,鼓勵學(xué)生針對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活實際問題,設(shè)計實驗課題進(jìn)入實驗室,為學(xué)生創(chuàng)造自主探索的環(huán)境。最大限度地利用和挖掘?qū)嶒炇屹Y源條件,提升實驗室的教學(xué)功能,使實驗室真正成為真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)、研究、社會實踐的重要基地。
隨著環(huán)保意識的日益提高,從源頭上減少或消除污染顯得越來越重要,在實驗教學(xué)中提倡綠色化是化學(xué)實驗課程改革的發(fā)展趨勢。因此人們在實驗教學(xué)中開展綠色教育,寓環(huán)保教育于實驗教學(xué)中進(jìn)行了多方面的改革。
微型化學(xué)實驗是由美國的Mayo博士及其同事自1982年開始研究試用的一種新型實驗方法,它符合綠色化學(xué)原則。微型化學(xué)實驗是以微小量的試劑,在微量化的儀器裝置中進(jìn)行實驗,其試劑用量是常規(guī)實驗的1%~10%。分析化學(xué)微型實驗主要用于常量分析方法的滴定分析法的微型化。通過設(shè)計微型滴定裝置并符合下列條件①不改變實驗方法,保持原來的實驗儀器,對實驗儀器進(jìn)行微型化改裝;②對試劑用量進(jìn)行探索,力求在符合常量分析滴定的準(zhǔn)確度和精密度的前提下,減少試劑用量,降低廢液排放[20]。研究表明[21-24],一般微型滴定所使用的試劑的用量是常規(guī)法的1/4-1/10,用較少的時間,較少的試劑可以達(dá)到在定量化學(xué)分析實驗教學(xué)的目的。既有利于學(xué)生的操作技能的訓(xùn)練又培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的實驗習(xí)慣,既節(jié)約了教學(xué)資源又減少了廢液排放,大大降低了環(huán)境污染。
在實驗教學(xué)中,大量學(xué)生實驗會產(chǎn)生許多的廢液,其中有很多是有毒有害的物質(zhì),應(yīng)回收并合理處置。一是收集再使用,如個人試劑瓶中的酸堿標(biāo)準(zhǔn)溶液可集中后重新經(jīng)標(biāo)定后使用;二根據(jù)廢液性質(zhì)采用相應(yīng)的方法處理[25]。三是改進(jìn)實驗方法,避免使用有害物質(zhì)。寓綠色化學(xué)教育于實驗教學(xué)中。
考試是檢驗教學(xué)效果的重要手段,科學(xué)的考核方法不僅能檢驗學(xué)生對知識的掌握程度和實際操作能力,更是促進(jìn)學(xué)生認(rèn)真做好實驗、提高分析和解決問題的能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效手段。
注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn),關(guān)注學(xué)生的進(jìn)步和發(fā)展是實驗教學(xué)評價改革的方向。評價項目包括每個實驗的預(yù)習(xí)報告、實驗準(zhǔn)備工作、儀器操作、實驗設(shè)計方案、交流討論、實驗結(jié)果和實驗報告等多個方面。強調(diào)質(zhì)性評價方法的運用,在制定評價指標(biāo)體系時提倡考核、評價學(xué)生參與整個教學(xué)活動的積極性和主動性、參與程度的強弱和學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力高低的現(xiàn)實表現(xiàn),特別關(guān)注學(xué)生在原有基礎(chǔ)上的進(jìn)步程度。既考核學(xué)生掌握知識、技能的程度又評價學(xué)生的探究能力和實踐能力。根據(jù)實驗課程課程特點,擴展了評價的發(fā)展功能。把評價看作課程教學(xué)的一個有機構(gòu)成環(huán)節(jié),使評價成為促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的有效措施[26]。
現(xiàn)代分析化學(xué)已經(jīng)突破了純化學(xué)領(lǐng)域,它將化學(xué)與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機學(xué)及生物學(xué)緊密地結(jié)合起來,發(fā)展成為一門多學(xué)科性的綜合科學(xué)。正如著名分析化學(xué)家Kowalski[1]所言:“分析化學(xué)已由單純提供數(shù)據(jù),上升到從分析數(shù)據(jù)中獲取有用的信息和知識,成為生產(chǎn)和科研中實際問題的解決者”。
由于生產(chǎn)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對分析化學(xué)的要求不再限于一般的“有什么”(定性分析)和“有多少”(定量分析)的范圍,而是要求能提供物質(zhì)更多的、更全面的信息:從常量到微量及微粒分析;從組成到形態(tài)分析;從總體到微區(qū)分析;從宏觀組分到微觀結(jié)構(gòu)分析;從整體到表面及逐層分析;從靜態(tài)到快速反應(yīng)追蹤分析;從破壞試樣到無損分析;從離線到在線分析等等.總之,分析化學(xué)吸收了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最新成就,利用物質(zhì)一切可以利用的性質(zhì),建立分析化學(xué)的新方法與新技術(shù)[27-28]。
分析化學(xué)發(fā)展極為迅速,分析化學(xué)實驗教學(xué)的重要性更是不言而喻。面對21世紀(jì)教育教學(xué)改革的總體要求,分析化學(xué)實驗課程教學(xué)應(yīng)將學(xué)生從過去單純的專業(yè)知識學(xué)習(xí)和簡單技能訓(xùn)練的培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)向理論與實際的結(jié)合;從單純的知識傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng),特別是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)的主要目的仍是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,從而提高學(xué)生在實驗中的主動性,培養(yǎng)有科學(xué)思維方法和創(chuàng)新能力的人才。因此,分析化學(xué)實驗教學(xué)的改革是一項長期的任務(wù),需要我們從事分析化學(xué)教學(xué)的工作者努力探索、不斷實踐,才能推進(jìn)分析化學(xué)實驗教學(xué)改革走向深入。
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G642
:A
:1673-1794(2010)05-0122-04
楊先鳴(1957-),男,實驗師,研究興趣:分析化學(xué)實驗教學(xué)和實驗室管理。
安徽省應(yīng)用化學(xué)省級重點學(xué)科建設(shè)項目(200802187C)
2010-07-11