美國威斯康星大學麥迪遜分校化工實驗課程教學

葉向群，陳豐秋

（浙江大學 化學與生物工程學系，浙江 杭州 310027）

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。實驗課程是工科類學生重要課程，化工實驗對于化學工程類學生的重要性是顯而易見的。實驗教學是理論教學的延續(xù)，是對學生進行基本技能訓練的主要環(huán)節(jié)，在實踐中培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際、獨立分析和解決問題的能力。世界各類著名高等學府對于實驗類的課程歷來都相當重視，國情的差異使得我國的實驗類教學與國外存在或多或少的多項差異［1-4］。

作為威斯康星大學系統(tǒng)的旗幟性學?！绹箍敌谴髮W麥迪遜分校，在實驗教學方面有其獨到且系統(tǒng)的教學模式。該校在美國擁有全國性的學術(shù)聲望，2014年美國大學綜合排名第41位，美國大學化學工程排名第6位，學校亦有公立長春藤之稱。該校還是美國中西部知名的十大聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一。該校的化工與生物工程學系（CBE）早在上個世紀30年代就因Bird等學者的Transport phenomena而享譽世界。

威斯康星大學麥迪遜分?；瘜W與生物工程學系為本科生開設(shè)多項實驗課程，筆者作為訪問學者，參與了該校夏季化工實驗課程（Summer Course CBE 424--Operations and Process Laboratory）的全過程教學，從而全面了解了其化工實驗教學模式及教學內(nèi)容。相對于國內(nèi)化工實驗教學而言，其教學方式和教學理念方面有諸多值得借鑒之處。

1 威斯康星大學麥迪遜分校化工實驗教學

1.1 實驗內(nèi)容

該課程由2名教授、1名回聘退休教師、1名實驗設(shè)備技師和1名助教組成指導教師小組，指導一個批次36名本科生。整個實驗課程是由formal和informal兩部分組成。

formal實驗項目有5項，這5項實驗屬于綜合性的大型或較大型化工實驗，包括離心泵的綜合特性實驗、換熱器的綜合性能實驗、反應(yīng)器的綜合特性實驗、精餾塔的綜合特性實驗以及干燥和增濕過程的綜合實驗，這類實驗由4名學生一組協(xié)同完成，這與國內(nèi)高校現(xiàn)行的化工實驗教學模式比較類似。

除了formal實驗，學生更多的時間是用于informal實驗，這類實驗項目是由指導教師列出多個課題，這些課題涵蓋了多門化工專業(yè)課程的內(nèi)容，包括化工熱力學、化工反應(yīng)工程、化工過程原理等，2名學生一組，一周完成一項選定的課題，一個月的課程每組學生就要完成4個課題。學生選定項目后，需查閱相關(guān)文獻資料，自主搭建實驗裝置，設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表，完成實驗過程。整個實驗過程均是各組的2名學生相互討論共同完成，之后學生再各自完成自己的實驗研究報告。整個過程中，教師只是解答學生提出的疑問。實驗室的倉庫可提供給學生實驗所需的各類物資和分析儀器，實驗室的加工車間有各類金工機械器具供學生使用。

1.2 實驗設(shè)備

Formal類實驗的設(shè)備與國內(nèi)高校的實驗裝置構(gòu)成也比較接近，一般屬于固定化設(shè)備，其規(guī)模較大且結(jié)構(gòu)比較復雜，同臺設(shè)備上可以進行多項相關(guān)實驗內(nèi)容的切換。令筆者感慨的是，雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，但其自動化程度卻并不高，甚至不及國內(nèi)大學，實驗裝置上除了溫度集中顯示，幾乎沒有流量控制以及溫度控制，且不使用電腦自動采集實驗數(shù)據(jù)。交流中得知，這并非經(jīng)濟條件限制所致，而是學校在刻意地使用這樣的少自控、多手動的實驗設(shè)備，促使學生在實驗過程中有更多的參與，而學生只有積極參與才能有更大的收獲。

1.3 教學方式

美國威斯康星大學麥迪遜分校的化工實驗教學安排在暑期完成，學生在該時段里只有這一門課程，

formal實驗由指導教師在實驗前大致講解實驗的內(nèi)容，之后完全就是這個小組的學生配合完成整個實驗。實驗過程中，學生分工協(xié)作，包括測量數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)，操作設(shè)備，組成分析，處理數(shù)據(jù)等。

Informal實驗是由學生自由選題，首先查閱資料，再討論實驗設(shè)備方案。實驗裝置構(gòu)建的過程十分重要，學生初次搭建好的裝置大多不能達到預計的效果甚至無法運行，于是再討論如何改進，期間可請教師指導，經(jīng)過多次改建，最終實驗裝置建成，測出相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

“興趣是最好的老師”，建立以興趣為導向的化工實驗教學體系可提高學生學習的主動性［5］。搭建實驗裝置的過程可極大地激發(fā)學生的興趣，整個實驗課程期間，學生除了必需的生活時間，其余時間幾乎全部都是在實驗室里度過的，研究如何完成及完善實驗過程，這期間遇到問題無法解決才去詢問指導教師。整個過程學生都會十分投入。學生對自己親手搭建的實驗裝置和做出的實驗結(jié)果充滿成就感。

編寫實驗報告是實驗的最后環(huán)節(jié)，也是學生綜合訓練的重要環(huán)節(jié)［6］。威斯康星大學麥迪遜分校十分重視實驗報告部分的撰寫，要求學生將測得的數(shù)據(jù)、觀察到的現(xiàn)象、計算結(jié)果和分析結(jié)論等用科學和工程的語言表達出來，對實驗報告中存在的比較突出的問題會在每天早上集中講解，包括實驗報告的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，甚至是實驗報告中的用詞和語法錯誤等，他們把實驗報告撰寫作為學生開始進入研究階段的重要基本技能之一進行培養(yǎng)。對formal的實驗課程提出10多個與實驗結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析相關(guān)的問題，對于informal的實驗，要求學生提交完整的實驗報告，更確切地說是小型專題研究報告。實驗研究報告的優(yōu)劣是學生將來被應(yīng)聘單位確認的個人素質(zhì)里最重要的元素之一，學生獨立完成各自的實驗報告，并以此作為自己完成實驗課程學習的成果。

1.4 成績評定

該課程要求學生在實驗結(jié)束的2日內(nèi)提交初次報告，延期則按照天數(shù)降低實驗課程成績。教師在批完每份初級報告后立即返給學生，指出錯誤與不足，并給出初次的分數(shù)，要求學生拿到報告后及時修正，并在規(guī)定的時間內(nèi)再次提交。教師再次批改報告并給出分數(shù)，2次分數(shù)的加權(quán)和便有了學生的實驗成績。該成績占學生最終實驗成績的90%，另外10%的實驗成績是課程報告會上答辯的成績。學生選擇一個實驗過程做成PPT，在報告會上演講，接受教師和學生的提問，教師和其他組的學生根據(jù)其課題的完成情況、講解的情況和回答問題的準確率分別進行評分，最后再將教師和學生的評分匯總作為課程答辯的成績。

2 國內(nèi)高校與威斯康星大學麥迪遜分校化工實驗教學的相對差異

2.1 實驗教學內(nèi)容方面

威斯康星大學麥迪遜分?；嶒炚n程的學生人數(shù)少，且優(yōu)越的經(jīng)濟條件使得其實驗室可以提供給學生搭建實驗裝置和完成各項實驗所需的各類儀器、工具及材料，相對而言，國內(nèi)大學顯然很難做到這點。國內(nèi)大學的化工實驗大多為固定實驗（formal實驗），學生人數(shù)多且受經(jīng)濟條件的制約，無法實現(xiàn)實驗內(nèi)容完全由學生自由選擇（informal實驗）。這種差異是客觀存在，且短時間內(nèi)無法改變的現(xiàn)實。

2.2 設(shè)備方面

目前國內(nèi)高校的化工實驗裝置傾向于“高大全”，新建的實驗設(shè)備愈來愈龐大，愈來愈自動化，實驗中需要學生動手操作的部件愈來愈少，更有甚者，學生只要在電腦上通過點擊鼠標就能輕松完成整個實驗。這樣的實驗，即使全部完成，也有學生對實驗設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)組成、記錄的數(shù)據(jù)以及記錄這些數(shù)據(jù)的目的還是云里霧里，違背了實驗類課程設(shè)置的初衷。

2.3 教學方面

國內(nèi)大學大多把實驗報告作為普通課程作業(yè)對待，并且學生大多套用固定的實驗報告模板完成實驗報告。撰寫實驗報告的過程實際上只是實驗數(shù)據(jù)的計算過程，于是眾多的實驗報告除了實驗數(shù)據(jù)之外其他都是千篇一律。這樣的過程無法達到讓學生以此作為今后科研論文寫作基礎(chǔ)訓練的目的，這也是我們與國外大學實驗教學過程存在的較大差異。

2.4 成績評定

國內(nèi)大學學生的化工實驗成績目前多采用綜合評定體系［7］，其中少不了筆試成績，當然這種差異也是學生人數(shù)多的國情所致。

3 國內(nèi)化工實驗教學的改進建議

相對于美國威斯康星大學麥迪遜分校化工實驗課程的教學而言，國內(nèi)高校的實驗課有各自的實際情況，其中較突出的就是學生人數(shù)眾多且受經(jīng)濟條件制約，故無法像威斯康星大學麥迪遜分校那樣，讓每個學生自由選擇實驗內(nèi)容、建構(gòu)實驗裝置，實現(xiàn)類似的實驗教學模式，但其實驗教學的理念還是值得借鑒的。

（1）實驗裝置構(gòu)成。實驗裝置應(yīng)該能夠使得學生有更多的可操控面，或應(yīng)兼顧手動和自動的，高校工科實驗裝置應(yīng)該有別于高度自動化的工業(yè)設(shè)備。

（2）改革實驗教學方法。轉(zhuǎn)變教學觀念，堅持學生的主體地位［8］。開放實驗室，給學生足夠的時間和空間，在實驗教學過程中，教師提出指導性的意見，回答學生在實驗過程中遇到的問題，而不是細致地講解實驗的原理及操作過程。

（3）注重學生實驗報告。把實驗報告作為實驗過程的重要組成部分［9］，提出具體的實質(zhì)性的要求，強調(diào)注重實驗過程分析和實驗結(jié)果的討論，將實驗報告的成績系統(tǒng)地納入學生實驗課程最終的成績評定。

國內(nèi)大學實驗課程教學也有其優(yōu)點，可以堅持和發(fā)揚，如各個實驗課程的設(shè)置基本上與理論課程相對應(yīng)，分類清晰、實驗內(nèi)容系統(tǒng)性強［10-11］，可以與理論課程在時間與內(nèi)容上都有較好的銜接，使學生對理論知識有更深的理解，在很大程度上提高了實驗設(shè)備的利用率，讓學生能夠系統(tǒng)、全面地學習相關(guān)專業(yè)知識等。

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［1］李祖樟，胡煒，徐弼軍.中德實驗教學比較和實驗教學改進措施［J］.科技成果管理與研究，2008（12）：30-32.

［2］石瑋.從中外實驗教學比較看實驗室評估的重要性［J］.實驗技術(shù)與管理，1998，15（3）：58-60.

［3］阮慧，項曉慧，李五一.美國高校實驗室安全管理給我們的啟示［J］.實驗技術(shù)與管理，2009，26（10）：4-7.

［4］張洋.借鑒國外經(jīng)驗改進實驗教學［J］.實驗室研究與探索，2002，21（6）：37-38.

［5］邱詩銘，王強，彭金云，等.以“科學興趣和實踐應(yīng)用”為導向化工實驗教學的探討［J］.廣州化工，2013，41（9）：245-247.

［6］李江濱，蔡夢珊，李育超，等.論文式實驗報告在醫(yī)學檢驗專業(yè)實驗教學中的實踐［J］.教育教學論壇 ，2013（46）：188-189.

［7］李紅，陸海勤，張思原，等.工科專業(yè)實驗成績評定方式的探索與實踐［J］.廣西輕工業(yè)，2009，25（9）：186，210.

［8］田紅.高校實驗教學存在的問題與對策［J］.實驗科學與技術(shù)，2014，12（1）：91-93.

［9］馬銘杰.確保實驗報告質(zhì)量是提高實驗教學效果的重要措施［J］.實驗室研究與探索，2004，23（11）：64-66.

［10］施開良，姚天揚，俞慶森.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)規(guī)律和模式的探討［J］.實驗室研究與探索，2004，23（3）：1-3.

［11］張仁俊，童葉翔，陳六平.構(gòu)建“一體化、多層次、開放式”創(chuàng)新化學實驗教學體系的探索［G］／／中山大學教務(wù)處.實驗教學改革與探索（三）.廣州：中山大學出版社，2002：26-30.