加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間聯(lián)系的嘗試

雷杰 高翔 馬林 張晉芬 莊繼華

(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海 200433)

大學(xué)化學(xué)實驗可以簡單分為低年級開設(shè)的基礎(chǔ)化學(xué)實驗和高年級開設(shè)的綜合化學(xué)實驗兩個層次[1-3]。近年來，國內(nèi)對綜合化學(xué)實驗的認識日趨深刻和完善[2-3]，促使學(xué)生綜合運用之前所學(xué)知識是綜合化學(xué)實驗的教學(xué)目的之一。如果學(xué)生在進入綜合化學(xué)實驗學(xué)習(xí)之前，已能將大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗內(nèi)容融會貫通、綜合運用，則在進行綜合化學(xué)實驗時將會事半功倍?！盎瘜W(xué)是一個整體，各二級學(xué)科應(yīng)當(dāng)互相聯(lián)系、彼此促進”的思想，已經(jīng)成為我國化學(xué)界的共識[1]。但是，目前對低年級的基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程之間相互聯(lián)系和促進的討論較少，還沒有引起足夠的重視。由于學(xué)習(xí)層面的局限，學(xué)生的視野不夠開闊，這就需要教師在實驗指導(dǎo)過程中不斷引導(dǎo)學(xué)生。下面以儀器分析實驗為例，介紹我們在這方面所作的一些嘗試。

1 在儀器分析實驗教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題

任何課程都有其自身特點和在課程體系中的定位[4]，只有認真總結(jié)和把握，才能更好地建設(shè)課程，并實現(xiàn)該課程與整個課程體系的融合。

在大學(xué)化學(xué)實驗課程體系中，儀器分析實驗起著承上啟下的作用，學(xué)生修完儀器分析實驗課程后緊接著開始綜合化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)。因此，在儀器分析實驗課上對學(xué)生之前所做的基礎(chǔ)化學(xué)實驗進行一次梳理，引導(dǎo)他們將之前分類學(xué)習(xí)的基本知識和基本技能加以融合是很有必要的?？梢詫崿F(xiàn)學(xué)生在更高層次上對知識的總體把握和靈活應(yīng)用，為后續(xù)實驗課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊。此外，儀器分析實驗面向?qū)λ拇蠡A(chǔ)化學(xué)理論課已有較好掌握(已修讀完成，或者正在修讀)的高年級學(xué)生以大循環(huán)方式(師生比高)開設(shè)，是檢驗學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果的良機。

我們在儀器分析實驗教學(xué)中針對一些知識點設(shè)計了一些思考題，在實驗前進行書面小測驗或者口頭交流，期望能檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)效果及對基礎(chǔ)化學(xué)知識的掌握情況，同時引導(dǎo)學(xué)生注意增強實驗課程之間的聯(lián)系。在此過程中，發(fā)現(xiàn)了一些亟待解決的問題。比如，對于電化學(xué)中的三電極系統(tǒng)，我們設(shè)置的問題之一為：對于一個電化學(xué)體系，只需通過正極和負極兩個電極即可測定電壓、電流等電化學(xué)參數(shù)，為何還要引入第3個電極？很多學(xué)生的回答經(jīng)常是似懂非懂。對于這個問題，學(xué)生在分析化學(xué)和物理化學(xué)的理論課上都已學(xué)過，同時在儀器分析和物理化學(xué)實驗中也會不止一次碰到，但是學(xué)生很少能主動將這么多次的認知過程聯(lián)系起來，這就需要教師的適時點撥。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的類似問題還有很多。這些問題反映出：在目前的教學(xué)過程中，大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系有待進一步加強。

2 加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗間聯(lián)系的措施2.1 通過課程體系設(shè)置加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系

關(guān)于大學(xué)化學(xué)實驗課程體系的設(shè)置，各個學(xué)校的做法有所不同，但是均考慮到了課程之間的聯(lián)系和學(xué)生的認知過程。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系提出了“以實驗技術(shù)要素為主線”的改革方案，對原有的按無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)劃分的基礎(chǔ)實驗進行了組合調(diào)整[5-7]。

普通化學(xué)實驗課程整合了我校原在大一開設(shè)的無機化學(xué)實驗、分析化學(xué)實驗等課程內(nèi)容，保留了一些基本技術(shù)單元以及無機制備、性質(zhì)實驗、物理化學(xué)參數(shù)測定、pH計使用等最基本的實驗內(nèi)容，同時還增加了一些簡單的有機合成實驗以及分光光度法、氣相色譜法等儀器分析實驗，力求做到反映化學(xué)學(xué)科最基本的特征[8]。

無機化學(xué)與化學(xué)分析實驗課程整合了原有的普通化學(xué)實驗、無機化學(xué)實驗和定量分析實驗等課程的主要內(nèi)容，包含了無機制備實驗、定量化學(xué)分析實驗、化學(xué)基本原理的驗證以及某些物理量的測定實驗、元素及化合物的性質(zhì)實驗、常見離子分離與鑒定實驗以及與此相關(guān)的綜合性和設(shè)計性實驗等，特別充實了一些產(chǎn)品制備與測定的系列實驗，將無機制備與定量分析、定性鑒定有機結(jié)合起來[9]。

合成化學(xué)實驗以原來的有機化學(xué)實驗為主體，并加入了部分無機合成實驗和少量結(jié)構(gòu)表征實驗[10]。

儀器分析與物理化學(xué)實驗是由原來的儀器分析實驗和物理化學(xué)實驗組合而成[11-12]。

經(jīng)過以上調(diào)整，大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系得到增強。以上思想已經(jīng)體現(xiàn)在相關(guān)教材和教學(xué)論文中，在此不再贅述。對于一門課程或者某個實驗的教學(xué)工作者而言，所需做的事情就是在具體實驗教學(xué)實踐中，進一步加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系。

2.2 通過教學(xué)實踐加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系

任何教學(xué)改革，最終都要通過教學(xué)實踐環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。在儀器分析實驗教學(xué)中，我們采取了課程內(nèi)縱向聯(lián)系和課程間橫向聯(lián)系相結(jié)合的實踐模式，來加強大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗之間的聯(lián)系，使學(xué)生不僅得到實驗技術(shù)方面的訓(xùn)練，同時進一步培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計思想等，最終提高學(xué)生的綜合能力。

對于課程內(nèi)縱向聯(lián)系，我們已經(jīng)探討了增強儀器分析實驗課程中各個實驗項目之間聯(lián)系的一種方式[13]。具體做法是，通過引導(dǎo)學(xué)生對同一分析對象選擇不同的分析方法和儀器進行測量，以比較不同儀器分析方法的優(yōu)缺點，同時培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力。

另外，我們在實驗講解中盡量結(jié)合學(xué)生的已有知識過渡到本次實驗，比如在指導(dǎo)原子發(fā)射實驗時，有學(xué)生上周剛做過原子吸收的實驗，此時我們就可以通過知識遷移將之前學(xué)過的原子吸收的知識過渡到原子發(fā)射，并通過類比，讓學(xué)生思考：同樣是原子化器，是否可以將原子吸收實驗中的火焰原子化器應(yīng)用到原子發(fā)射實驗中，從而取代交流(或者直流)電弧？如果可以，是否需要改變實驗條件？這些知識雖然在理論課教材上出現(xiàn)過，但在實驗指導(dǎo)過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在回答該問題時，大多是自由發(fā)揮，說明學(xué)生對教材上的這個知識點印象不深刻。為此，我們要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，通過實驗討論，理解并回答這個問題。這樣一來，學(xué)生對這個知識點的掌握將非常深刻，因為他們在這個知識點上已經(jīng)融入了自己的想法。

對于課程間的橫向聯(lián)系，我們已介紹過加強儀器分析實驗與有機化學(xué)實驗之間聯(lián)系的方式[14]，提出了將有機化學(xué)實驗中的原料或者產(chǎn)物作為儀器分析實驗教學(xué)中的實際樣品進行教學(xué)的方式。在不增加課時、不開設(shè)新課程的情況下，可操作性較強，并且可以靈活運用。這一嘗試將有助于充分利用教學(xué)資源，提高辦學(xué)效益；同時有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生構(gòu)筑全面知識、提高應(yīng)用能力、增強科研意識等。

與有機化學(xué)實驗的聯(lián)系還有很多，比如有機化學(xué)實驗中常用的“過柱子”，即現(xiàn)代高效液相色譜的雛形，但是學(xué)生在做有機化學(xué)實驗時很少提到正相色譜、反相色譜的概念。目前儀器分析實驗教學(xué)中的液相色譜幾乎全部是反相色譜，學(xué)生很少用到正相色譜，這時候結(jié)合有機化學(xué)實驗講解，不僅可以使學(xué)生將已有知識納入新知識體系，而且是對儀器分析實驗學(xué)習(xí)的一個拓展，使學(xué)生對正相色譜有更好的認識。學(xué)生在有機化學(xué)實驗中很少能認識到固定相顆粒大小、形狀對分離的影響，在儀器分析實驗教學(xué)中，我們通過聯(lián)系有機實驗所用固定相(100～150目為宜)、填充柱氣相色譜常用固定相(60～80目)和高效液相色譜常用固定相(5μm)的顆粒大小和形狀，結(jié)合范氏(Van Deemter)方程，講解固定相顆粒大小和形狀對分離的影響，以及色譜是如何從有機化學(xué)實驗中所用的一根玻璃管演變到儀器分析實驗中所用商品化的高效液相色譜儀。

對于吸光光度-化學(xué)計量學(xué)分析方法測定飲料中混合色素的實驗[15]，我們首先要求學(xué)生回憶一年級做過的普通化學(xué)實驗吸光光度法測定鐵的實驗步驟，并對兩個實驗進行比較，使學(xué)生切身體會到化學(xué)計量學(xué)的重要性，領(lǐng)會本實驗的設(shè)計思想。另外我們還要求學(xué)生通過查閱資料并結(jié)合自己的使用體驗，比較之前所用的S22PC型和現(xiàn)在所用的TU-1901型分光光度計的區(qū)別(光源、光路系統(tǒng)等)，使學(xué)生進一步加深對儀器的了解。

在原子吸收分光光度法測定奶粉中的鈣實驗中，我們將其與高錳酸鉀法測定鈣鹽中的鈣含量實驗聯(lián)系起來，要求學(xué)生找出以前的實驗報告，并通過文獻查閱，從準(zhǔn)確度和使用范圍等角度比較兩種方法的優(yōu)缺點，以加強儀器分析實驗和無機化學(xué)與化學(xué)分析實驗的聯(lián)系。通過類似的對比，可以使學(xué)生對容量分析和儀器分析各自的長處與局限性有進一步的感性認識，深化對于分析誤差理論的認識，改變現(xiàn)在科研中對儀器的盲目信賴和對容量分析的誤解。

儀器分析實驗中的氣相色譜的保留值法定性及歸一化法定量和物理化學(xué)實驗中的氣液色譜法測定無限稀溶液的熱力學(xué)函數(shù)兩個實驗所用均為填充柱氣相色譜儀，但是實驗側(cè)重點不同，一個是用來定性和定量，一個是通過測定活度系數(shù)來求偏摩爾混合焓和偏摩爾溶解焓。此外，在兩類實驗中均用到電化學(xué)工作站和分光光度計。通過這一系列實驗的聯(lián)系和對比，可讓學(xué)生認識到：儀器先進與否固然重要，但更重要的是需要有自己的思想；通過不同角度思考問題，可以不斷獲得新的知識、涌現(xiàn)鮮活的想法。

3 結(jié)束語

以上介紹的課程體系設(shè)置改革，以及教學(xué)實踐中的類比與聯(lián)系(無論是課程間的，還是課程內(nèi)的)，最終目的都是讓學(xué)生將所學(xué)知識融會貫通，達到舉一反三、觸類旁通，最終將大學(xué)化學(xué)的實驗課程學(xué)習(xí)編織成一個網(wǎng)絡(luò)，一個個實驗就是這個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點，互相之間有著交叉聯(lián)系。通過以上教學(xué)實踐，有助于培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系和類比的思維習(xí)慣，鍛煉其歸納總結(jié)能力，最終使得學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，終生受益。

本舉措自2007年實施以來，得到學(xué)生好評。在學(xué)校教務(wù)處的網(wǎng)上教學(xué)評估系統(tǒng)中，學(xué)生對相關(guān)課程的評分逐年提升。同時，儀器分析實驗課程的教學(xué)實踐有力地支持了化學(xué)系課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革。以上措施已經(jīng)在其他基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程中開始推廣，但是普及之路任重道遠，因為要達到較好的教學(xué)效果，對教師有較高的要求，需要實驗指導(dǎo)教師對所有大學(xué)化學(xué)實驗課程有全面的了解。

參 考 文 獻

[1] 金若水,吳性良,謝高陽.大學(xué)化學(xué),1998,13(6):12

[2] 吳性良,陸靖.實驗技術(shù)與管理,2001,18(2):108

[3] 張逢星,李珺,郭慧林.大學(xué)化學(xué),2009,24(3):18

[4] 雷杰,張晉芬,吳性良,等.寧夏大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,28:158

[5] 陸靖,吳性良,姚子鵬,等.高等理科教育,2000,34(6):55

[6] 徐息良,吳性良,姚子鵬,等.大學(xué)化學(xué),2001,16(6):21

[7] 姚子鵬,陸靖,莊繼華.實驗室研究與探索,2002,21(4):39

[8] 沈建中,馬林,趙濱,等.普通化學(xué)實驗.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006

[9] 趙濱,馬林,沈建中,等.無機化學(xué)與化學(xué)分析實驗.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2008

[10] 李妙葵,賈瑜,高翔,等.大學(xué)有機化學(xué)實驗.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2006

[11] 吳性良,朱萬森.儀器分析實驗.第2版.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2008

[12] 復(fù)旦大學(xué).物理化學(xué)實驗.第3版.北京:高等教育出版社，2004

[13] 雷杰,張晉芬,吳性良.全國化學(xué)實驗教學(xué)與實驗室建設(shè)研討會論文集.武漢,2010:58

[14] 雷杰,張晉芬,馬林,等.第10屆全國大學(xué)化學(xué)教學(xué)研討會論文集.北京,2009:426

[15] 雷杰,張晉芬,朱萬森,等.大學(xué)化學(xué),2008,23(5):36