基础化学综合实验的实践与思考

2023-03-01

随着国家教育部《高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划》和《新世纪高等教育教学改革工程》项目的实施, 高等学校的化学教学进入了全面的革新时代。对高校化学实验教学的目标有了基本一致的认识, 即化学实验不应是原来四门化学课程的附属物, 而是实施培养学生创新精神、实践能力和综合素质的重要场所。对工科院校而言, 化学作为一门面向全校化学工程、生物工程、食品工程和纺织工程等专业开设的基础课程, 对学生化学基础知识的积累和后继课程的引导具有重要的支撑作用。化学实验教学中如何重新组织内容, 提高教学效果, 如何引导和激发学生对化学实验的兴趣, 培养学生分析问题和解决问题的能力促进学生创新能力和综合素质的全面提高, 是新时期教学第一线教师必须思考的重要问题。

为实现这一新的目标, 我校针对工科院校的教学特点, 对实验课程体系进行了大胆地改革, 于1999年开始在化学工程、生物工程、食品工程等专业大三年级的部分班级开设基础化学综合实验, 八年来取得了显著的效果, 教师认为教学效果良好, 学生反映收获很大。作者全程参与了此项教学改革, 现拟从三个方面讨论基础化学综合实验的创新点及体会。

1 实验内容的创新

基础化学综合实验内容的设定不再局限于某单一学科的知识点, 而是在大一、大二单科实验的基础上打破了四大化学的界限, 以物质制备—分离提纯—定性定量分析—结构表征—初步应用为主线, 力求融无机、有机、分析、仪分等为一体, 构筑一个较高层次的实验平台, 努力形成具有鲜明工科特色的综合化学实验课程。

实验内容的设计具有以下特点:

1.1 实验内容的综合性

实验内容的综合性是进行实验内容设计时首先要考虑的。实验过程中应尽可能运用到学生前面所学习过的相关学科 (如无机化学、分析化学、有机化学、仪器分析等) 的知识点, 尽可能贯穿物质制备—分离提纯—定性定量分析—结构表征—初步应用这一主线。实验手段上既应使学生能用到所学过的实验方法 (如无机物、有机物的制备;定性、定量方法等) 和实验仪器 (如分析天平、常用的玻璃仪器、熔点测定仪等) , 还应使学生了解近代仪器分析方法 (如红外光谱法、荧光光谱法、差热分析法、气相色谱法和电化学分析法等) 。知识点的相互融合, 实验手段的多样性, 可以激发学生对实验的浓厚兴趣。

1.2 实验内容的创新性

基础化学综合实验内容不应是课本上原有的几个实验的简单加合, 而应引进新的合成路线、提出新的指标、增添新的物质表征和分析测试方法。特别是鼓励老师结合所从事的科研工作开发出一些内容新、能体现学科前沿的实验, 如S-3-羟基丁酸乙酯的生物合成;杂多酸催化合成富马酸二甲酯;纳米TiO2的制备、表征和光催化性能的研究;安息香的辅酶合成及转化等。

以纳米TiO2的制备、表征和光催化性能的研究为例, 在该实验中要求学生通过查阅相关资料, 了解纳米材料的制备方法, 制备出纳米TiO2;借助红外光谱、激光散射粒径仪对所制备的产品进行表征;在光催化反应器中用纳米TiO2降解有机污染物亚甲基蓝, 考察不同的因素 (酸度、浓度、时间、催化剂用量等) 对亚甲基蓝降解率、COD去除率的影响。通过实验不仅能使学生巩固已学过和知识和实验技能, 还能了解一些新的实验方法和实验手段, 更重要的是使他们了解某学科的最新发展动态, 扩大了学生的知识面。

1.3 实验内容的专业性

工科院校的基础化学综合实验不仅应做到化学各学科之间的融合, 更应将实验内容尽可能置于学生所学专业的大背景中。因此强调专业性或应用性应成为工科专业基础化学综合实验的一大特色。如, 对食品专业学生, 有新型食品防腐剂富马酸二甲酯的合成, 从番茄中提取番茄红素等;对生物工程专业学生, 有植物叶绿素色素的提取、分离、表征及含量测定, S-3-羟基丁酸乙酯的生物合成等;对化学工程专业的学生, 有稀土掺杂的碱土铝酸盐蓄能发光材料的研制, 新血钙试剂的合成及应用研究等。这些专业性鲜明的实验既是学生进一步了解专业、热爱专业的窗口, 更是基础化学教学与专业教学的一个良好接口。

2 指导模式的创新

指导教师在综合实验教学中的作用是组织、启发和引导。为培养学生分析问题、解决问题的能力和创新能力, 充分发挥他们的主观能动性和团结协作精神, 化学综合实验的讲义仅提纲性地列出了实验原理、实验目的、实验主要内容、实验的时间安排和注意事项等, 一个实验一般安排4~5组, 每组2~3名同学。指导方法上改变了传统的实验前老师详细讲解, 实验中手把手教的模式, 变“授之以鱼”为“授之以渔”。指导模式的创新具体体现在四个阶段:

2.1 实验预备阶段

要求每组同学针对将要做的实验查阅有关资料及参考书, 鼓励他们设计不同的实验方案, 并写出实验预习报告 (包括实验方案设计或实验操作步骤、表征或检测的指标及方法、所需试剂及其配制和标定、所需使用的仪器等) 。此阶段既可使学生对实验原理和实验内容有较清晰的了解, 又能在准备实验预习报告过程中学习如何获取相关知识、如何分析问题和如何分工协作。

2.2 实验方案确定阶段

首先由每组一名同学根据所准备的实验预习报告讲解实验方案, 然后指导教师与同学们共同讨论, 对该实验方案的原理、实验手段和可行性进行分析, 最后通过比较每组实验方案的优劣, 选择一种或几种实验方案由几组同学分别实施, 以便对照。此阶段可充分发挥学生的主观能动性, 通过讨论使同学们对实验过程有更加清晰的了解, 并学习如何选择较佳的实验方案。

2.3 实验进行阶段

化学综合实验与以前所做单科实验的不同处之一是实验中所需的试剂均要自己配制, 这既是对以前所学基础知识和实验技能的检验, 也是对对学生动脑和动手能力的挑战。一开始许多同学不适应, 如不知如何配制1:1的盐酸等。指导教师在实验巡查过程中发现诸如此类的问题或困难的时候, 一般并不直接告诉他们如何做, 而是让他们去查有关参考书、手册等资料, 帮助引导学生冷静分析原因, 启发学生自己思考, 同时鼓励小组内及小组间开展相互讨论, 去分析问题, 从而找出解决问题的方法。这样既可使学生由被动学习变为主动学习, 培养他们发现问题、分析问题和解决问题的能力, 又能促进大家相互取长补短, 启发思维, 培养他们的团队精神, 使学生的独立工作能力和创新思维能力得到培养和提高。

2.4 分析与讨论阶段

与传统的化学实验不同的是化学综合实验结束后, 不仅要求学生根据实验的实际进程及实验数据写出正式的实验报告或小论文, 还要求他们与指导教师共同分析和讨论实验过程中出现的问题, 找出产生问题的原因及所采取的措施, 共同分析和讨论影响实验结果的因素。这样可以帮助同学们总结实验成功的经验和实验失败的教训, 使他们“做有所思”“学有所获”。

3 考核模式的创新

以前单科实验成绩的评定往往偏重最后的结果, 而化学综合实验成绩的评定则更注重实验过程。由于对学生来说, 综合化学实验的内容和形式都与以前的不同。因此在实验过程中充许他们出现错误, 甚至失败。最终的成绩是根据学生对实验基本操作技能的掌握和熟练程度、分析问题和解决问题的能力、创新意识和团队协作等方面综合评定。

4 基础化学综合实验进一步发展的设想

近十年来的实践证明, 基础化学综合实验课程的开设, 巩固和深化了学生已学的理论知识;培养和提高了学生的动手能力和综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力和实事就是的科学精神;锻炼和提高了学生的实验技能、工程意识、创新意识和团队精神;有效的拓宽了学生的知识面和视野;极大地增强了学生对化学及专业课程学习的兴趣。使基础和兴趣不同的学生都不同程度地得到了锻炼并收获了成功, 得到了所有参与实验师生们的一致好评。但在时间安排、实验条件等方面仍存在一定的不足。为使基础化学综合实验在培养和提高大学生的综合能力和创新能力方面发挥更大的作用, 还应继续做好以下工作: (1) 除应对现有实验项目进一步完善提高外, 还要按照综合性、创新性和专业性的原则, 鼓励教师开发新的实验项目。 (2) 探索将化学综合实验课程建设成为开放性的实验课程。鼓励优秀学生自拟课题, 并与大学生课外实践活动相结合。同时吸收优秀学生直接参与教师的科研工作。 (3) 进一步加强综合实验指导教师的队伍建设。

摘要：本文从三个方面讨论了基础化学综合实验的创新点:实验内容的创新、指导模式的创新和考核模式的创新。认为基础化学综合实验的开设培养了学生分析问题和解决问题的能力、创新能力, 促进了学生素质的全面提高。同时提高了学生学习化学及专业课程的兴趣, 对后继课程的学习及参与科研工作具有积极的意义。并提出了基础化学综合实验进一步发展的设想。

关键词：基础化学,综合实验,创新能力