綜合性大學公共基礎化學實驗教學模式探討

張霞 徐燁 孫挺 王林山

(東北大學理學院化學系 遼寧沈陽110817)

實驗教學是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新精神的重要手段，是本科教學體系的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著我國高等教育的發(fā)展，國內各高等學校對實驗教學投入了很多資金用于購置先進的儀器設備，并對教學體系、教學內容和教學方法進行改革，取得了顯著的教學成果，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研思維起到了重要作用［1-4］。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，學科之間的交叉滲透越來越深入?；瘜W科學與材料科學、環(huán)境科學和采礦以及礦物加工等學科專業(yè)之間的學科交叉，導致了新的科學研究增長點，引起了相關學科專家學者的高度重視，同時也對化學科學知識和實驗技術提出了更高的要求。

作為東北大學公共基礎課程之一，化學實驗系列課程面向16個專業(yè)的46個班級約1380名學生。具體實驗課程教學體系安排如表1所示。由于在教學實踐過程中，深感不同專業(yè)對化學實驗技術需求的差異，我們從2007年開始嘗試根據(jù)不同專業(yè)特色和需求設計實驗教學內容，對無機化學實驗和分析化學實驗的教學內容進行了改革。在完成基礎實驗技能訓練的基礎上，適當安排研究探索類實驗項目，以訓練學生的綜合實驗技能和創(chuàng)新思維。如開設了化學綜合實驗課程;采取自主開放的實驗教學模式，在儀器分析實驗課程中通過自由設計實驗培養(yǎng)學生的自主學習積極性。教學實踐結果表明，東北大學理工科學生的整體化學實驗綜合技能得到提高。

表1 東北大學基礎化學實驗課程體系

(1)從專業(yè)特色和需求出發(fā)設計實驗教學內容。

我們通過與專業(yè)教師進行交流，了解了不同專業(yè)的特色與專業(yè)需求;據(jù)此，在無機化學實驗和分析化學實驗課程中，按照學生的專業(yè)特色進行了分類，并在此基礎上，有計劃分步驟地設計了有特色的實驗教學內容。

工科分析化學實驗面向冶金工程、安全工程、環(huán)境工程和環(huán)境科學專業(yè)開設。在完成基本實驗技能訓練基礎上，按照專業(yè)特色，設計了不同實驗教學內容。冶金工程和安全工程專業(yè)的實驗項目側重分析化學實驗技術在金屬冶金分析中應用，因此設計了“鋁合金中的鋁及其他元素的綜合分析”實驗;內容包括:原子吸收法測定鋁合金中Cu和Mg，絡合滴定法測定鋁合金中Al含量，分光光度法測定鋁合金中的Fe，離子選擇性電極測定鋁合金中的F等。環(huán)境工程等專業(yè)側重分析化學實驗技術在環(huán)境分析中的應用，為此設計了“廢水中污染物質的綜合分析”;內容包括:絡合滴定法測定廢水樣中的金屬污染物Pb2+，原子吸收法測定廢水樣中的重金屬污染物Cu2+和Cd2+，分光光度法測定廢水中的Fe3+，離子選擇性電極測定廢水樣中的F-，氣相色譜法測定廢水中有機污染物。

無機化學實驗教學內容的設計也是本著“學以致用”的原則，針對學生的不同專業(yè)特色和需求，設計不同的教學內容。工科無機化學實驗課程的實驗項目設計如表2所示。針對材料冶金特色專業(yè)(冶金工程、采礦、礦物加工等專業(yè))開設的無機化學實驗項目注重與金屬冶金過程相關的化學實驗，包括鋁的陽極氧化、未知固體鑒定等;環(huán)境特色專業(yè)(環(huán)境工程、環(huán)境科學等專業(yè))注重與環(huán)境治理科學相關的化學過程，據(jù)此開設了食用碘鹽中離子濃度測定、廢水處理及化學需氧量測定等實驗。另外，在實驗教學管理上，我們采取開放式管理，學生可以從興趣出發(fā)，選做其他專業(yè)的實驗。

物理化學實驗也結合學生的專業(yè)特色，開設了系列特色實驗項目。由于高溫熱力學過程在冶金、材料等研究體系中普遍存在，在物理化學實驗課程中開設了12學時的高溫熱力學實驗，包括:碳的氣化反應，Bi-Sn二元相圖，KNO3的差熱曲線測定與分析;并根據(jù)需要自行研制了實驗裝置。例如，我們自行設計的Bi-Sn二元相圖繪制實驗裝置與商品化的二元相圖繪制實驗裝置(所有部件都裝在一個盒子內，外部只顯示溫度變化)相比的一個主要特點是:學生能夠直觀地觀察到二元相圖的生成過程。

表2 工科無機化學實驗項目

通過不斷完善專業(yè)特色實驗項目的設計，將化學實驗與學生的專業(yè)實驗緊密結合，能使學生將所學到的化學實驗知識用于后續(xù)的專業(yè)學習，真正做到學以致用。

(2)開設探索性、綜合性實驗項目，培養(yǎng)學生的綜合實驗能力和創(chuàng)新思維。

我們把科學研究成果和一些化學前沿性的內容引入到本科生的實驗教學中，設計了一些研究性、綜合性實驗項目，拓寬了學生的知識面，擴大了他們的視野，使學生對研究型實驗過程有了較深入的了解，培養(yǎng)了其科學研究意識。

對于應用化學專業(yè)的學生，我們在其完成無機化學、有機化學、分析化學、物理化學和儀器分析實驗課程之后，又開設了化學綜合實驗課程(48學時)。我們依據(jù)教師的科研課題設計了3個24學時的綜合實驗，這3個大實驗的教學內容分別來自于國家自然科學基金和遼寧省自然科學基金項目的研究成果(表3)。

表3 化學綜合實驗課程中3個實驗項目的來源

每個大實驗由4～6個小實驗組成，從物質的化學合成出發(fā)，通過結構檢測以及性能測定，探索目標物質的結構與性能之間的關系。其中每個小實驗的結果都很重要，關系到下一個實驗的成功與否。例如，實驗I(金屬氧化物無機材料的合成、表征和性能研究)由6個4學時小實驗構成，實驗名稱分別如下:①納米TiO2材料的合成;②納米TiO2材料熱化學性質研究及合成TiO2晶體;③ 納米TiO2對水中Cu2+的吸附活性研究;④ TiO2納米晶體對甲基橙的吸附活性;⑤ TiO2納米晶體對甲基橙的光催化活性;⑥自主設計實驗。整個實驗過程是:用實驗①合成的TiO2納米粉，進行實驗②的熱分析曲線測定，根據(jù)熱分析曲線分析結果確定其晶相轉變溫度后，分別在不同溫度下燒結，得到銳鈦礦、金紅石和混晶結構TiO2納米晶，分別用于實驗③的Cu2+吸附、實驗④的甲基橙吸附及實驗⑤的光催化降解;最后要求學生在前5個實驗的基礎上，通過查閱文獻，自主設計相關實驗內容并完成實驗。

在每個大綜合實驗課前，教師給出實驗內容提綱，要求學生上網(wǎng)查閱具體實驗方法。在實驗過程中，學生自由組合，2人組成1個小組，2～4個小組組成1個大組。大組內的各小組可以設計不同實驗方案。在實驗結束后，小組間交換結果，共同討論，以大組為單位總結實驗內容，寫出科技論文。

化學綜合實驗課程采取開放式網(wǎng)絡教學管理。課程的全部信息(包括講義、通知、教學安排等)都放在網(wǎng)絡上，學生在網(wǎng)上預約實驗。實驗過程有配套的教學軟件，用于幫助學生自主完成實驗過程。同時，在實驗課程中還安排了一定的自由探索實驗學時，以培養(yǎng)學生的自主學習興趣和科研創(chuàng)新能力。

(3)以開放的實驗教學方式培養(yǎng)學生的自主學習能力，激發(fā)學生自主學習的樂趣。

在化學實驗教學中實現(xiàn)了實驗內容和實驗教學方式的開放。例如儀器分析化學實驗，在掌握經(jīng)典化學儀器分析方法基礎上，開設了8學時的自由設計實驗。自由設計實驗有別于一般的設計性實驗，這里的自由設計實驗是指自帶樣品、自查文獻、自擬題目、自設實驗方案的實驗。很多學生從生活實際樣品出發(fā)，結合儀器分析原理，設計了合理的實驗內容。學生設計的一些實驗題目如下:牙膏中微量氟的測定;流動注射-氫化物-原子熒光法測定南湖水中鉛的含量;原子吸收法測定蔬菜中銅的含量及評價其污染狀況;火焰原子吸收法測定不同品牌綠茶飲料中的鈣含量;火焰原子吸收法對蘋果中元素鈣、鎂的測定;火焰原子吸收光譜法測定易拉罐中鎂的含量;原子發(fā)射光譜分析人類指甲中的金屬元素;對比桑樹新生葉子與成熟葉子中鎂含量的差異;火焰原子吸收法測定豆油中銅的含量;用原子吸收分光光度法測定牛奶中鈣的含量;土壤中微量鉛和鎘的測定;石墨爐原子吸收法測定化妝品中的砷和鉛;火焰原子吸收法測定礦泉水中鎂的含量;石墨爐原子吸收法測定衛(wèi)生紙中鉛的含量等。

在教學實踐過程中，為了保證學生設計的實驗具有可行性，指導教師要與每個學生進行具體的討論，提出一些合理化建議。此外，教師也為學生設計了很多實驗題目，供感興趣的學生參考。這種自由設計實驗倡導主動探究的學習方式，鼓勵學生為解決實際問題去搜集、分析、處理信息。實踐證明:自由設計實驗能有效地提高學生學習興趣和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

在化學實驗教學管理信息平臺支持下，我們的實驗課程實現(xiàn)了實驗教學方式的開放。同時，結合現(xiàn)代教育技術，使用多媒體課件講授和演示實驗原理和實驗方法，在提高教師實驗課講授效率的同時，加強學生對實驗知識的掌握?，F(xiàn)已開發(fā)了工科分析化學實驗多媒體課件，化學綜合實驗教學軟件和無機化學課堂演示實驗課件。

(4)實施效果。

無機化學實驗、分析化學實驗、物理化學實驗以及化學綜合實驗課程的改革與建設已經(jīng)應用到應用化學、冶金工程、環(huán)境科學等16個專業(yè)學生的實驗教學中。經(jīng)過近年來的教學實踐，從事各科化學理論和實驗教學的教師一致認為:與改革前相比，學生對理論的理解和應用的了解，對現(xiàn)代實驗技術的掌握，以及動手能力和解決實際問題的能力均有較大的提高。同時，在教學實踐過程中，學生表現(xiàn)出較高的學習熱情。以化學綜合實驗課程為例，化學綜合實驗課程的課時要求是選做其中2個大實驗(每個大實驗24學時)。但據(jù)統(tǒng)計，2007～2011級學生在課業(yè)繁重的情況下，每年有67% ～80%的學生主動選擇超額完成3個大實驗，表現(xiàn)出很高的學習積極性。

為了解學生對改革后化學實驗的意見，也為了檢驗改革后的教學效果，我們進行了問卷調查。結果表明，學生對目前開設的各實驗課內容表現(xiàn)了較大的興趣，普遍認為通過以上實驗教學，自己的各方面能力得到了很大的提高，對化學實驗教學評價較高;這些在學生實驗報告的“感想與建議”一欄中也充分地表現(xiàn)出來。

通過實驗課程訓練，應用化學專業(yè)的本科生大都掌握了較為系統(tǒng)、全面的化學專業(yè)知識，基本功較扎實，具有較強的動手能力和創(chuàng)新能力，實踐能力和科研能力都得到了提高，同時具有嚴謹認真的科學態(tài)度和團隊合作精神，綜合素質高，受到實習單位和用人單位的歡迎。

［1］杜志強，李寧，封子先，等.大學化學，2006，21(4):15

［2］張霞，劉曉霞，于永麗，等.實驗室研究與探索，2008，27(5):117

［3］強根榮，盛衛(wèi)堅，劉秋平，等.實驗室研究與探索，2010，29(11):131

［4］王靖菲，高秀紅.科技創(chuàng)新導報，2010(15):170

［5］張霞，李偉，王育紅.實驗技術與管理，2007，24(2):123