綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的思考和實(shí)踐

牛國(guó)興 高翔 徐華龍

(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系 上海 200433)

我系本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系猶如金字塔結(jié)構(gòu)(圖1)。在大三前，進(jìn)行各種基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這些課容納量大，課時(shí)數(shù)多，是我系本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的堅(jiān)實(shí)基底。處在“塔尖”的科學(xué)研究訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課是由我系多位教授從科研中提煉的一些內(nèi)容構(gòu)成，面向大三(下)～大四(上)本科生開(kāi)設(shè)，旨在培養(yǎng)學(xué)生從事化學(xué)研究的基本思路和方法。

處在“金字塔”中間的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)所起的作用是承前啟后,為我系本科生能力階梯培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建堅(jiān)實(shí)的橋梁。

圖1 復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系示意圖

1 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)理念

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，幫助學(xué)生形成良好操作習(xí)慣并理解基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn),這猶如讓學(xué)生掌握每個(gè)零部件的工作原理和制造方法?？茖W(xué)研究訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)旨在訓(xùn)練學(xué)生如何運(yùn)用正確的科研思路，合理選用各種手段和方法，猶如訓(xùn)練學(xué)生從繁雜工具箱中選擇最有效最便捷的工具來(lái)解決一個(gè)具體問(wèn)題。

至于工具箱中的工具(方法)從何而來(lái)？如何對(duì)各零部件進(jìn)行合理組裝，形成多種合適的工具？這就是綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)需承載的主要教學(xué)任務(wù)，即培養(yǎng)學(xué)生在面臨具體問(wèn)題時(shí)，能夠?qū)A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)及各種實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行串聯(lián)和組裝，形成可有效解決問(wèn)題的一種能力。依據(jù)這種教學(xué)理念[1-2]，我們認(rèn)為綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)在鞏固學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作技能的基礎(chǔ)上，在引入新實(shí)驗(yàn)方法和新知識(shí)點(diǎn)、增加學(xué)生知識(shí)面、做好承前啟后工作的前提下，特別需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生分析和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)[3-4]。因此，需要在原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加一些生動(dòng)的例子，告訴學(xué)生應(yīng)該怎樣思考，如何在多種方法、手段及應(yīng)用中進(jìn)行合理選擇，引導(dǎo)學(xué)生挖掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)中隱含的深層次信息，并嘗試進(jìn)行歸納和總結(jié)。

2 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容編排

根據(jù)上述理念，我們利用“211項(xiàng)目”、世界銀行貸款，特別是2003年我校教務(wù)處專(zhuān)項(xiàng)課程建設(shè)費(fèi)用的資助，著重對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、各實(shí)驗(yàn)間聯(lián)系及講義編排等進(jìn)行了調(diào)整，增加了多個(gè)新實(shí)驗(yàn)。這些新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)間聯(lián)系，確保實(shí)驗(yàn)貫穿合成、表征和應(yīng)用整個(gè)過(guò)程的指導(dǎo)思想下完成的，目的是在增加實(shí)驗(yàn)趣味性的同時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖的理解，了解知識(shí)點(diǎn)串連和方法選擇上的一些基本要點(diǎn)。

我們根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，分別將它們納入到8個(gè)不同專(zhuān)題中(表1)。這種編排雖然只是形式上的變化，但卻可以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)間的聯(lián)系，讓學(xué)生從中體會(huì)到化學(xué)二級(jí)學(xué)科間的交叉，使學(xué)生能從更寬角度理解當(dāng)今化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

如“綠色化學(xué)”專(zhuān)題中的實(shí)驗(yàn)原本彼此關(guān)聯(lián)度較低，學(xué)生很難進(jìn)行比較、分析。現(xiàn)在通過(guò)“綠色、環(huán)境友好”主線，增強(qiáng)了彼此間聯(lián)系，告訴學(xué)生這些實(shí)驗(yàn)的共同目的就是使化學(xué)與環(huán)境和諧統(tǒng)一，既可從處理化學(xué)污染物角度著手，也可通過(guò)“原子經(jīng)濟(jì)性”減少?gòu)U物排放來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓學(xué)生明白一個(gè)問(wèn)題可從不同角度，采用不同手段來(lái)解決。在“手性技術(shù)”專(zhuān)題中，原有的“二茂鐵合成”和“二茂鐵衍生物合成”實(shí)驗(yàn)由于沒(méi)有應(yīng)用例子做支撐，除了訓(xùn)練無(wú)水無(wú)氧操作外，實(shí)驗(yàn)意義略顯單薄，很難讓學(xué)生感興趣?，F(xiàn)在通過(guò)增加“手性含膦二茂鐵的合成和應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生明白前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是后者的重要基礎(chǔ)，這樣不僅很自然地將這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，而且還向?qū)W生提供了從簡(jiǎn)單工作入手，逐步深入到研究核心的科研思路。

3 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方式的更新

我們對(duì)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式也做了適當(dāng)調(diào)整，主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 重視學(xué)生的參與性，培養(yǎng)學(xué)生挖掘、提煉深層次信息的能力。

為培養(yǎng)學(xué)生能力，很多高校均開(kāi)設(shè)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生通過(guò)查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程[5-6]。但我們發(fā)現(xiàn)這種方式實(shí)施時(shí)有一些困難：一是學(xué)生的設(shè)計(jì)方案很難掌控，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室也很難滿足學(xué)生設(shè)計(jì)方案所需的試劑和儀器。二是教學(xué)安排有困難。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的連貫性往往較差，從文獻(xiàn)查閱、設(shè)計(jì)審核到最后實(shí)施等環(huán)節(jié)存在大量時(shí)間斷檔；而且受課時(shí)、場(chǎng)地限制，實(shí)驗(yàn)中心很難大規(guī)模開(kāi)設(shè)這些實(shí)驗(yàn)。因此，有些學(xué)校將這類(lèi)實(shí)驗(yàn)安排在課題組中進(jìn)行，或只安排一部分學(xué)生進(jìn)行這種模式的實(shí)驗(yàn)，受益面較小。

為了克服這些困難，讓所有學(xué)生都能接受這種能力培養(yǎng)，我們調(diào)整了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。由教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先做前期文獻(xiàn)收集，以小型文獻(xiàn)綜述的方式總結(jié)出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有關(guān)的影響因素，然后給出一個(gè)無(wú)具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)的操作步驟。學(xué)生通過(guò)閱讀這部分內(nèi)容，再根據(jù)自己的理解設(shè)定目標(biāo)，選出認(rèn)為合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和操作方案，完成自己的實(shí)驗(yàn)。

比如，“納米氧化鈦合成及其在光催化降解中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)，講義給出了一些合成條件，如pH、溫度、投料比等對(duì)納米TiO2粒子尺寸和催化能力的影響規(guī)律。在“絲光沸石合成及其甲苯歧化活性測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中，給出了一些制備條件對(duì)絲光沸石結(jié)晶度、離子交換容量和催化性能的影響規(guī)律。要求學(xué)生閱讀這些輔助材料后，完成具體的設(shè)計(jì)方案。由于每個(gè)學(xué)生只能做一個(gè)條件實(shí)驗(yàn)，獲得的信息比較少，很難分析其中的規(guī)律，也不便于進(jìn)行討論。因此，我們要求一組學(xué)生(4～8名學(xué)生)共同商定1～2個(gè)因素，每個(gè)學(xué)生完成其中的一個(gè)條件實(shí)驗(yàn)，結(jié)果大家共享。最后，每個(gè)學(xué)生根據(jù)自己對(duì)數(shù)據(jù)的理解，以小論文形式獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

表1 綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容

這種調(diào)整既有利于培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)文獻(xiàn)、分析數(shù)據(jù)、解讀規(guī)律、提煉結(jié)論的能力，而且也使教學(xué)過(guò)程容易控制，讓所有學(xué)生都能從中受益。

(2) 淡化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鼓勵(lì)學(xué)生分析討論。

以組為單位、分工合作完成實(shí)驗(yàn)有可能會(huì)出現(xiàn)某些條件易獲得較好結(jié)果，而某些條件所得結(jié)果則較差的問(wèn)題。學(xué)生容易產(chǎn)生顧慮，擔(dān)心選到不夠好的實(shí)驗(yàn)條件。對(duì)于這種情況，我們會(huì)告訴學(xué)生，在科研(實(shí)驗(yàn))中只有錯(cuò)誤、失敗的操作，沒(méi)有“失敗”的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)并不存在“好”、“壞”之分，只要嚴(yán)格認(rèn)真操作，每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是證據(jù)鏈上的重要一環(huán)。例如在極大值曲線中，若沒(méi)有其他數(shù)據(jù)陪襯，也就沒(méi)有了“極大”的概念和結(jié)論。

有時(shí)學(xué)生即使認(rèn)真操作也不能獲得理想結(jié)果，會(huì)很沮喪。碰到這種情況，我們會(huì)告訴學(xué)生這個(gè)事實(shí)一定包含某種信息，解讀其中隱含的信息對(duì)以后工作改進(jìn)會(huì)有很好的啟發(fā)作用。我們會(huì)鼓勵(lì)他在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中對(duì)此進(jìn)行深刻分析，并解釋原因所在。

對(duì)于以上兩種情況，我們認(rèn)為必須而且應(yīng)該淡化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更加注重對(duì)過(guò)程的控制和對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。只有這樣，學(xué)生才會(huì)更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并樂(lè)于參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

此外，我們還要求學(xué)生挖掘?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)思路，多思考為什么，體會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性和嚴(yán)肅性，領(lǐng)悟嚴(yán)格、嚴(yán)密的設(shè)計(jì)是獲得可信解決方案的重要保障。比如，“水泥全組分分析”實(shí)驗(yàn)采用了化學(xué)滴定、紫外光譜、原子吸收光譜和等離子光譜4種方法測(cè)定一些元素的含量，我們要求學(xué)生思考這4種方法的各自特點(diǎn)和使用范圍，如何根據(jù)客觀條件和樣品特性選擇合適的分析方法和排除測(cè)量干擾。通過(guò)思考這些問(wèn)題，學(xué)生不僅能鞏固分析化學(xué)知識(shí)，而且能理解不同方法的使用是有條件的，只有了解它們的特點(diǎn)，合理選用，才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

(3) 加強(qiáng)教師講解，重點(diǎn)補(bǔ)充外延知識(shí)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的很多內(nèi)容與當(dāng)前研究熱點(diǎn)相關(guān)。因此，我們要求教師加大講解力度，除注意事項(xiàng)外，重點(diǎn)介紹相關(guān)背景和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并適當(dāng)介紹相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向和熱點(diǎn)，以開(kāi)闊學(xué)生眼界，增加實(shí)驗(yàn)趣味性。比如，在“手性不對(duì)稱(chēng)環(huán)反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，教師在手性化合物應(yīng)用、獲得方法、手性催化的意義及進(jìn)展等方面重點(diǎn)進(jìn)行拓展講解，利用綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生對(duì)手性化合物或材料有較全面認(rèn)識(shí)。通常一個(gè)1天的實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)用約2小時(shí)進(jìn)行講解。此外，我們還要求教師多與學(xué)生交流，鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題。

(4) 公開(kāi)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生自覺(jué)遵守教學(xué)規(guī)范。

應(yīng)試教育培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生，往往對(duì)分?jǐn)?shù)很敏感。很多學(xué)生對(duì)成績(jī)的關(guān)注超過(guò)了對(duì)課程本身，要想在短時(shí)間內(nèi)解決這一問(wèn)題并不現(xiàn)實(shí)，但若能將實(shí)驗(yàn)要求轉(zhuǎn)化為可量化的分?jǐn)?shù)，學(xué)生就有可能在“分?jǐn)?shù)”指揮棒的引導(dǎo)下，自覺(jué)地遵循我們的教學(xué)理念。我們將每個(gè)實(shí)驗(yàn)的總分設(shè)定為10分，其中預(yù)習(xí)1分，課堂與教師互動(dòng)1分，安全衛(wèi)生1分，實(shí)驗(yàn)操作2分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果2分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告3分，每遲到或早退10分鐘扣1分。為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)能力和思維培養(yǎng)，特意增添了學(xué)生與教師課堂互動(dòng)的分?jǐn)?shù)，并提高了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的分值，為學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)行問(wèn)題分析和討論預(yù)留了分?jǐn)?shù)差異空間；同時(shí)，在總分之外另辟了“獨(dú)創(chuàng)性”分項(xiàng)，以鼓勵(lì)學(xué)生積極思考。

這種公開(kāi)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的好處在于：① 學(xué)生能潛移默化地接受和實(shí)踐我們?cè)O(shè)定的能力培養(yǎng)方案。最明顯的是杜絕了遲到早退的現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中增加了針對(duì)結(jié)果和現(xiàn)象的討論，課堂氣氛也相對(duì)活躍了。② “有分可依”的方式避免了教師的個(gè)人喜好，基本杜絕了學(xué)生對(duì)成績(jī)的抱怨或投訴。

4 教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

我們?cè)诰C合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 教學(xué)宗旨與學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)?zāi)康拈g存在差異。

因?yàn)楦鞣N原因，有些學(xué)生對(duì)化學(xué)(包括綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn))不是很感興趣，參加實(shí)驗(yàn)僅僅是為了得到相應(yīng)學(xué)分，對(duì)實(shí)驗(yàn)缺乏熱情。對(duì)于這些學(xué)生，我們一方面在內(nèi)容設(shè)置和講解中，力求突出興趣點(diǎn)以吸引他們的關(guān)注；同時(shí)，在評(píng)分上，依據(jù)教學(xué)宗旨，嚴(yán)格把握評(píng)分尺度，加大能力培養(yǎng)方面的分值，從主動(dòng)、被動(dòng)兩方面引導(dǎo)學(xué)生按照我們的教學(xué)宗旨進(jìn)行。但在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)后者(被動(dòng)方式)更有效，這是我們的困惑。

(2) 教學(xué)要求與實(shí)施效果存在差距。

教學(xué)宗旨能否有效落實(shí)，取決于教師的實(shí)踐質(zhì)量。雖然每位教師都知道具體教學(xué)要求，但最終實(shí)踐效果很難有評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，只能依靠教師自身的能力和職業(yè)素養(yǎng)。盡管大多教師都很負(fù)責(zé)，但也有一些不認(rèn)真和不負(fù)責(zé)任的現(xiàn)象發(fā)生。一些教師可能只是出于職務(wù)晉升和年終考評(píng)的目的才加入實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，缺乏“教書(shū)育人”的責(zé)任心；也有一些教師可能對(duì)教學(xué)宗旨理解不深，以為只是一堂普通實(shí)驗(yàn)課。對(duì)于后一種情況，我們可以通過(guò)不斷強(qiáng)調(diào)、宣傳、交流加以修正；而對(duì)于前一種情況，實(shí)際上是很難進(jìn)行管理的。

(3) 教學(xué)效率不高。

造成這方面問(wèn)題的主要原因是實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、設(shè)備資源和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不足。特別是前二者，致使一些教師每次實(shí)驗(yàn)只能帶4名學(xué)生。這樣既浪費(fèi)教學(xué)資源，也影響實(shí)驗(yàn)周轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了學(xué)生的實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間。目前，每個(gè)學(xué)生每學(xué)年要做20天綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，雖然能滿足學(xué)時(shí)數(shù)要求，但實(shí)際上大三(下)～大四(上)的學(xué)生，有很多空閑時(shí)間，若上述問(wèn)題得以解決，則可以使教學(xué)資源得到更有效的利用，讓更多有興趣的學(xué)生接受拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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[2] 陸靖,吳性良,姚子鵬，等.高等理科教育,2000,34(6):55

[3] 杜志強(qiáng),李寧,封子先，等.大學(xué)化學(xué),2006,21(4):15

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

[5] 呂占霞,賀維軍,高珍，等.大學(xué)化學(xué),2011,26(1):14

[6] 王尊本.綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社,2003