“精品實驗項目”建設(shè)重在詮釋經(jīng)典和方法創(chuàng)新

徐 寧， 王 玫， 吳 倩

（同濟大學化學系，上海 200092）

0 引言

“精品實驗項目”建設(shè)是針對某一實驗項目的精品化建設(shè)，起到了對整個實驗教學的引領(lǐng)和示范作用［1-9］。在化工專業(yè)實驗教學中，“精品實驗項目”既要在實驗項目上體現(xiàn)經(jīng)典性，又要在實驗教學方法上對傳統(tǒng)的模式有所突破和創(chuàng)新，以適應(yīng)新時期下的實驗教學需求。要實現(xiàn)這一既定目標，在傳承經(jīng)典實驗項目的基礎(chǔ)上，于實驗教學方法層面，對經(jīng)典實驗項目進行新的詮釋便成為要探索的內(nèi)容。本文就以“精品實驗項目”建設(shè)中的實驗項目“連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定”為例進行闡述。

1 改進實驗教學方法更新實驗手段

在“精品實驗項目”建設(shè)過程中，正確把握實驗手段與實驗教學方法之間的關(guān)系至關(guān)重要。若純粹地以更新實驗手段為主，則從“精品實驗項目”的內(nèi)涵角度觀察，不能很有效地對學生能力進行訓練和培養(yǎng)。而以實驗教學方法指導下的實驗手段更新，則更能體現(xiàn)“精品實驗項目”建設(shè)的初衷，從建設(shè)效率考察，能達到事半功倍的效果。

對一個經(jīng)典的實驗項目——“連續(xù)流動反應(yīng)器中的返混測定”，首先是確定實驗教學方法改進的突破點，即結(jié)合自主學習的多方法處理實驗數(shù)據(jù)。然后，應(yīng)此實驗方法之需，對實驗裝置進行改進，將實驗手段更新為具有多系統(tǒng)、數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和輸出的裝置。有了硬件的支持，實驗方法所需的大工作量的運算才成為可能。同時運用網(wǎng)絡(luò)平臺，學生網(wǎng)上討論、教師網(wǎng)上答疑，將實驗教學從課堂延伸到了課外，使實驗教學多了一種互動形式。

此例說明，在實驗教學中對實驗手段的更新，是以實驗過程中是否對學生的自主思考過程和解決問題的能力有幫助為條件的。應(yīng)實驗方法改進之需，實驗手段得到了更新，反過來又能進一步使實驗方法得到更加完善，兩者能起到相輔相成的作用。

2 自主學習模式下的實驗教學設(shè)計

“連續(xù)流動反應(yīng)器返混的測定”實驗，其原理是用概率論這一數(shù)學工具建立數(shù)學模型，來描述返混這一普遍的自然規(guī)律。不僅適用于化工領(lǐng)域，對非本專業(yè)的學生也有方法和思維方面的借鑒作用。對化工專業(yè)和不具備相應(yīng)知識的非化工專業(yè)學生，在實驗中一般都習慣于引用相關(guān)的知識和按公式處理實驗數(shù)據(jù)。但是，對不具備背景知識的學生來說，就很難體會知識的運用過程和運用知識的能力。為此，將實驗教學設(shè)計成學生自主學習的模式，將相關(guān)知識和建立數(shù)學模型的思維方法較完整地掌握，作為實驗教學的目的之一。為了有效地培養(yǎng)包括操作設(shè)計能力和數(shù)據(jù)處理能力等實驗的技能，采取對問題進行多方法、不同思維方式探索的實驗教學設(shè)計，實驗數(shù)據(jù)處理過程的多方法，給予學生以較大的思維空間。

這種模式的設(shè)計，使得單純地測定驗證型實驗，改變?yōu)樽灾鲗W習型的探索性實驗。在驗證中求探索，是對經(jīng)典實驗項目進行的一種新的詮釋和探索。

3 在實驗研究方法論指導下的實驗過程

本著強調(diào)知識學習和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，實驗教學指導書除了介紹相關(guān)的概率論知識外，還著重敘述了數(shù)學模型建立的方法。將冷模、歸一化法、無因次化等體現(xiàn)化學工程的研究方法論，貫穿于整個實驗教學過程。為了使學生有效掌握數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計了以分布密度為抓手的數(shù)據(jù)處理過程。學生可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)嘗試不同的方法獲取分布密度，再用分布密度求取數(shù)學期望和方差，最后獲得模型參數(shù)。過程體現(xiàn)了以實驗研究方法論指導下的多方法思維進程。

在此實驗中，以分布密度為抓手，起到了背景知識與數(shù)學模型相聯(lián)系的橋梁作用，而數(shù)學模型的建立過程則體現(xiàn)了實驗研究方法論的運用。

4 學習興趣的培養(yǎng)與求知欲的喚醒

一個實驗項目能否吸引學生，學生對實驗項目的興趣起很重要的作用［10-13］。除了實驗裝置、實驗內(nèi)容外，運用相應(yīng)的知識背景探索實驗研究過程，也是增進和培養(yǎng)興趣的要素之一。

實驗項目“連續(xù)流動反應(yīng)器返混的測定”，集營造裝置數(shù)字化氛圍和引導、培養(yǎng)興趣相結(jié)合的方式，不斷增進學生的興趣和求知欲。由于該實驗裝置為數(shù)字化實驗裝置，能吸引本專業(yè)和一些外專業(yè)的學生。有近一半本系外專業(yè)學生報名參加，實驗并不難做。但到了面對一大堆數(shù)據(jù)要處理時，發(fā)覺建模所需知識背景之深，原理之復雜是先前很少遇到過的，先要學習概率論的相關(guān)知識，再了解建立數(shù)學模型的方法，最后再處理實驗數(shù)據(jù)。學生在“糾結(jié)”的情結(jié)下，硬著頭皮在實驗指導書的引導下，開始了自學過程……，在不知不覺間似乎找到了一絲久違的獵奇感，直到了解了原理和建模思想，一氣呵成地處理完實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)果時，才感到“有付出就有收獲”，于是一股“成就感”油然而生，似乎一下子喚醒了曾經(jīng)有過的求知欲。學生在完成實驗過程后，最后感到：“這樣的拓展實驗意義很不尋常，收獲很大”;“本次實驗不同于其他幾個實驗，它的裝置比較小，并借以通過電腦進行數(shù)據(jù)分析操作，是將現(xiàn)代化科技與傳統(tǒng)化工實驗的完美結(jié)合”;“這個實驗所涉及的理論范圍廣，并且通過計算機軟件輸出并處理數(shù)據(jù)，實驗的綜合性很強，較傳統(tǒng)實驗方式有很大的優(yōu)越性”;“不僅學習了關(guān)于釜式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器的一些基本知識，更重要的是學習一種數(shù)學上數(shù)據(jù)處理的方法”;“為以后的數(shù)學處理過程開辟了新的途徑和思路”;“本實驗耗時少，操作也簡單，但巧妙地利用概率統(tǒng)計理論來解釋流體流動現(xiàn)象，不僅展示了新的知識，更讓我們學習到一種研究的方法”，這是參加實驗學生的普遍感受。外專業(yè)學生通過實驗的整個過程不但可以增進興趣而且還可以培養(yǎng)求知欲。

興趣的“迎合”與培養(yǎng)相結(jié)合，而求知欲和獵奇感的喚醒才是此次實驗教學過程的最大收獲之一。

5 培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力

實驗過程中的思考題，對幫助學生進一步掌握實驗技能起到了重要的作用。然而，思考題在引導學生的同時，也束縛了學生的思維過程。學生習慣于答題，久而久之發(fā)現(xiàn)問題的能力得不到培養(yǎng)而趨弱化。針對這一狀況，適當減少實驗后命題式的思考題，而增加對實驗過程中自己遇到的問題的討論，在討論中不斷地發(fā)現(xiàn)新問題，不斷地解決問題，能充分解放學生的思維方式。于是，如何發(fā)現(xiàn)問題變成了關(guān)鍵。

為了培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力，首先，營造一個合適的氛圍是很有必要的。在硬件方面，實驗裝置采用多通道系統(tǒng)，包括三釜串聯(lián)通道、管式反應(yīng)器通道以及管式循環(huán)反應(yīng)器通道。學生可以根據(jù)不同形式反應(yīng)器的返混程度進行比較。另外，通過網(wǎng)絡(luò)平臺也能發(fā)揮學生的主體作用，給學生提供施展討論和分析問題才能的舞臺。其次，在實驗教學中如何引導學生發(fā)現(xiàn)問題方面，教師的主導作用是不可或缺的。在實驗教學中引導學生從實驗研究方法層面上把握進程，從而為學生提供發(fā)現(xiàn)問題的多種途徑。

這些構(gòu)成了實驗教學中有利于學生發(fā)現(xiàn)問題的環(huán)境，并能夠引發(fā)對所發(fā)現(xiàn)的問題進行討論。通過實驗教學的訓練，能有效培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

6 專業(yè)基礎(chǔ)實驗項目適應(yīng)通識實驗教學［14-16］

“連續(xù)流動反應(yīng)器返混的測定”是一個經(jīng)典的化工基礎(chǔ)實驗項目，受專業(yè)知識的限制，其實驗開放對象主要是化工專業(yè)和與化學相關(guān)專業(yè)（開設(shè)過化工基礎(chǔ)課的）的學生。但是，“返混”現(xiàn)象是自然界的普遍規(guī)律之一。除了化學反應(yīng)器，污水處理過程中的“泥齡”問題、醫(yī)學方面消化系統(tǒng)模型等都涉及“返混”的問題，測定物料的停留時間分布，用建立數(shù)學模型方法解決問題，在實驗方法層面上具有指導意義。因此，將此經(jīng)典實驗項目建成通識性的實驗項目，作為“精品實驗項目”建設(shè)的一環(huán)具有積極意義，將最大限度地拓展實驗項目的受眾性，能夠促使各學科間在實驗方法上進行交流和借鑒。

基于通識性的需要，其實驗指導書中除了強調(diào)通識性和基礎(chǔ)性的知識外，還要深入淺出地介紹相關(guān)化學工程的研究方法和建立數(shù)學模型的思維方式，使之有盡量多的學生能適應(yīng)實驗內(nèi)容和過程。

通識性的另一功能是開放性，由于該實驗項目初步具備了集知識性、興趣性、手段先進性等要素，為成為課外開放性實驗奠定了基礎(chǔ)。通過開放，可進一步完善實驗的通識性，使實驗項目的通識性更名副其實。

7 實驗考核體系的探索

對實驗考核體系的探索是“精品實驗項目”建設(shè)的目標之一。其考核的內(nèi)容和原則經(jīng)多年的實踐作了一些探索，在保留了運行多年、行之有效的評分方法情況下，增加了對實驗結(jié)果討論內(nèi)容的評分，并增加了此項的權(quán)重。具體操作時，本著靈活的原則，在實驗結(jié)果討論中尋找閃光點，若有獨到見解，再給予具體評分。與以前區(qū)別是不以成敗論英雄，即使實驗失敗，只要找出了原因、發(fā)現(xiàn)了問題后能進行分析，應(yīng)給予肯定與鼓勵，不影響成績。若有獨到的見解，還可以適當?shù)募臃帧Ａ硗?，網(wǎng)上的互動討論也應(yīng)適當加分。

具體評分標準：實驗設(shè)計占20%;實驗操作占20%;數(shù)據(jù)處理占20%;實驗結(jié)果討論占30%;網(wǎng)上的互動討論占10%。

8 對經(jīng)典實驗項目實驗過程的再設(shè)計

為體現(xiàn)上述過程，對經(jīng)典實驗項目“連續(xù)流動反應(yīng)器返混的測定”的實驗過程進行了再設(shè)計，力求將實驗過程體現(xiàn)出：從掌握數(shù)學工具到運用工具建立數(shù)學模型，并用模型驗證實驗結(jié)果的完整過程。

（1）對實驗中涉及的基礎(chǔ)知識，如概率論中“隨機變量及其分布”和“隨機變量的數(shù)字特征”進行自主學習的設(shè)計。著重要求掌握建立數(shù)學模型的背景知識和建立數(shù)學模型的方法。

（2）將驗證型實驗設(shè)計成設(shè)計型實驗。根據(jù)數(shù)學模型，在實驗前預(yù)測實驗過程中的影響因素，并且對實驗操作變量進行設(shè)計，如流體流量、攪拌速率、循環(huán)量等。這樣，在實驗過程中能夠進行人機對話的應(yīng)答過程，始終主動把握實驗的進程，有的放矢地修正實驗過程中的操作參數(shù)，達到邊實驗邊探索的目的。

（3）實驗數(shù)據(jù)處理過程設(shè)計成多方法的數(shù)據(jù)處理過程。讓學生從實驗數(shù)據(jù)中以多方法求取分布密度，自行推導離散法公式來處理實驗數(shù)據(jù)，獲得檢驗實驗結(jié)果的模型參數(shù)，一方面使學生的思維方式得到鍛煉，另一方面也能鞏固和檢驗學習的成果。

（4）實驗結(jié)果討論過程要求學生歸納和分析實驗中規(guī)律性東西。學會對問題和現(xiàn)象的分析，特別是對反常的現(xiàn)象的分析和解釋則更能體現(xiàn)對知識靈活應(yīng)用的能力。

上述過程對本專業(yè)學生能起到知識的學習、運用和鞏固的作用。而對于外專業(yè)的學生主要以掌握實驗的研究方法，用以拓展思維方式以及思維借鑒為目的，則可以通過預(yù)習、實驗設(shè)計和操作、自主學習、數(shù)據(jù)處理和討論來達到實驗?zāi)康摹?/p>

9 結(jié)語

對一經(jīng)典的實驗項目，在實驗教學過程中，其積極的態(tài)度在于：在傳承的基礎(chǔ)上，不斷地進行新的詮釋和探索，使之更加適應(yīng)新的實驗教學發(fā)展趨勢，更加豐富其內(nèi)涵。從而，形成了在實驗教學方法層面上的突破與創(chuàng)新。由此可見，在某種程度上講，對經(jīng)典進行新的詮釋也是一種創(chuàng)新之舉，也是“精品實驗項目”建設(shè)的要義之一。

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