中國科學技術(shù)大學無機化學實驗課程建設的探索與實踐*

黃微 李婉 劉衛(wèi) 劉濟紅 田紅軍

(中國科學技術(shù)大學化學實驗教學中心 安徽合肥230026)

無機化學實驗是中國科學技術(shù)大學(以下簡稱中科大)面向化學與材料科學學院、少年班學院、地空學院的一年級本科生所開設的實驗課程，年授課學時為200，年授課人數(shù)約300。作為新生進入高校后的第一門實驗課，無機化學實驗在整個化學教學中占有舉足輕重的地位。因此，如何通過該課程的教學，在傳授知識的同時，逐步提高低年級本科生學習化學的興趣，培養(yǎng)學生的實驗操作能力與分析觀察能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，是該課程建設過程中亟需解決的問題［1-2］。近年來，筆者所在的無機化學實驗課程組密切配合安徽省精品課程“無機化學”的課堂教學，在建設實驗教學體系、更新課程內(nèi)容、提升學生興趣、強化過程管理、加強師資建設等方面采取了多項舉措，獲得了一定成效。現(xiàn)就我們在課程建設過程中的探索和實踐與各位同仁探討，以期作為參考。

1 合理建設課程體系

無機化學實驗的授課對象為剛跨入大學校門的新生，他們在學習方法和思維習慣上還處于由中學生到大學生的角色轉(zhuǎn)變階段，因此，在課程設置方面，我們依照學生在不同階段所具備的知識水平與認知情況，對無機化學實驗的教學內(nèi)容進行了合理設計與編排，根據(jù)循序漸進的原則，分3層次開展實驗教學。

針對大部分新生實驗基礎薄弱，實驗知識缺乏的情況，在一年級的第一學期(即秋季學期)，課程組開設了無機化學實驗(上)(必修課，80學時)。內(nèi)容設計以傳授學生基本實驗知識、訓練學生基本操作為目標。因此，該階段的教學內(nèi)容以基礎型和驗證型實驗為主，如“硝酸鉀的制備及提純”，“容量分析操作”，“由廢鐵屑制備莫爾鹽”。實驗內(nèi)容包括稱量、溶解、加熱、過濾、結(jié)晶、移液和滴定操作等。實驗時，教師對每個基本操作進行演示，講解操作要點，并認真觀察學生操作情況，及時糾正錯誤操作。通過該階段的實驗訓練，學生的實驗技能有了逐步提高，實驗操作開始較為自如，數(shù)據(jù)的精密度和準確度均有所提高［3］。

在學生掌握了基本實驗知識，進行了較為充分的基本實驗技能訓練之后，實驗教學的重心應轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力上。因此，在一年級第二學期(即春季學期)的無機化學實驗(下)(必修課，80學時)中，我們逐步增加了綜合型實驗的比例。實驗項目既有經(jīng)典的綜合型實驗，如“三草酸合鐵酸鉀的制備及配陰離子電荷數(shù)的測定”、“順式二甘氨酸合銅的制備及銅含量測定”、“葡萄糖酸鋅的制備及成分分析”;又有由科研成果轉(zhuǎn)化而來的綜合型實驗，如“銀納米片的合成及光譜分析”、“納米氧化型石墨烯的制備及表征”，“酞菁酮大環(huán)配合物的制備及表征”。通過上述綜合實驗的學習，一方面可以進一步強化學生對化學基本理論的理解和對化學基本定律的靈活應用;另一方面也可以培養(yǎng)學生對實驗現(xiàn)象的分析觀察能力，以及對實驗中出現(xiàn)問題的思考和解決能力。

此外，考慮到我校有部分化學競賽保送生，以及化學科技英才班學生，面對上述統(tǒng)一的實驗內(nèi)容，他們常常感覺“吃不飽”。因此，針對這部分學有余力、對科研有濃厚興趣的低年級本科生，我們在一年級的第三學期(即夏季學期)適時開設了化學科研基礎訓練實驗選修課程(40學時)。授課教師基于學科最新進展和社會熱點問題，為學生精心設置了多個研究設計型實驗項目，如“殼聚糖納米藥物載體的制備及體外緩釋性能研究”［4］，“納米氧化鋅的制備及光催化性能研究”［5］，“食用碘鹽中碘含量的測定”，“無機熒光材料的制備”［6］。課程形式為完整地模擬一次科研過程。即在教師指導下，學生自主選擇研究課題，完成從文獻檢索、方案設計、實驗實施、問題解決到論文撰寫、結(jié)題匯報這一完整的科研實踐過程。該階段的實驗教學，既從實驗內(nèi)容上加強了各學科間的交叉融合，又從教學方式上強化了學生的中心主導地位，是對學生所學知識的綜合應用以及掌握情況的實戰(zhàn)訓練，給學生提供了更多自我選擇、自主學習的空間［7］。

上述的3層次實驗教學體系，涵蓋了基礎型、綜合型、設計型實驗，依據(jù)先簡單后復雜的教學模式，層層遞進，不斷深化，有利于不同階段、不同認知水平學生的能力培養(yǎng)與發(fā)展。

2 及時融入科研成果

在無機化學實驗教學中，課程組還參考學科發(fā)展的最新報道及科研實踐，有選擇地進行歸納、取舍，將部分學術(shù)前沿內(nèi)容滲透至實驗教學中，使學生能夠及時了解學科進展，接觸前沿知識，確保課程內(nèi)容的先進性和完整性，有效實現(xiàn)了中科大資源共享和教學科研雙贏的目的。例如，依據(jù)2010年諾貝爾物理獎的工作，并結(jié)合本?；瘜W系杰出青年基金獲得者俞書宏教授的工作［8］，無機化學實驗課程組于2011年為學生開設了“納米氧化型石墨烯的制備及表征”實驗，即利用氧化反應破壞石墨層的π-π作用，得到氧化型石墨烯(圖1)。學生感慨道“沒想到這么前沿的科學領(lǐng)域居然是基于最基本的理論知識，真是學以致用!”

圖1 制備氧化型石墨烯的反應式

又如:納米貴金屬(尤其是Ag和Au)因其在光、電、催化等方面具有不同于塊體材料的特性而成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點。無機化學實驗課程組適時為學生開設了“銀納米片的合成及光譜分析”實驗。該實驗采用液相還原法，以硝酸銀為前驅(qū)體，以聚乙烯吡咯烷酮和檸檬酸三鈉為表面活性劑和保護劑，通過加入不同劑量的硼氫化鈉還原硝酸銀，從而得到不同厚度的銀納米片。

將科研成果轉(zhuǎn)化為本科實驗教學，能使學生在實驗中了解科學研究的前沿進展，領(lǐng)悟科學探索和研究的方法，提高綜合實踐能力與創(chuàng)新能力，進一步提高教學質(zhì)量。但在二者的轉(zhuǎn)化過程中，往往要利用儀器對產(chǎn)品性能進行表征，而學生在一年級時卻尚未學習儀器分析課程。因此，如何使學生既能掌握前沿知識，又能深入了解實驗，做到教學與實驗緊密結(jié)合，是我們在開設該類型實驗時所面臨的最大問題。我們所采取的方式是對實驗內(nèi)容進行優(yōu)化，盡量采用一年級本科生所掌握的儀器測試方法進行產(chǎn)品表征。如:對于“納米氧化型石墨烯的制備及表征”實驗，我們采用歐姆表測定制備出的氧化型石墨烯薄膜的電阻，并與石墨烯薄膜的電阻進行對比，讓學生意識到不同材料的特性及應用。又如:對于“銀納米片的合成及光譜分析”實驗，針對“不同尺寸的銀納米片具有不同的表面等離子體共振吸收性質(zhì)，從而使其膠體溶液呈現(xiàn)出不同顏色”的特性，我們設計了采用分光光度法對銀納米片進行表征。這些優(yōu)化與變革，不僅加深了學生對實驗的認識，也復習了所學過的儀器表征方法，一舉兩得。此外，對于部分難以對實驗表征手段進行優(yōu)化變革的實驗，如“酞菁酮大環(huán)配合物的制備及表征”實驗，我們采取分組進行儀器測試的方法，即將學生分成若干大組，每組送一份樣品至儀器分析實驗室，教師簡單講解儀器工作原理，進行紅外、元素分析表征;在下次實驗課時，教師公布各組實驗結(jié)果，并進行分析比對。這樣就能在不大量增加教師工作量的前提下，讓學生意識到制備過程對實驗結(jié)果的影響，從而提高學生的實驗嚴謹度和對科學探索的興趣。

3 提升學生實驗興趣

很多學生對基礎無機化學實驗重視程度不夠，課前未能充分預習，面對實驗原理和繁瑣的實驗步驟，有時興趣不高，實驗操作也多是照葫蘆畫瓢。針對這一情況，無機化學實驗課程組采用了多元化的教學方式，將多媒體、板書以及實驗演示有機結(jié)合，全方位、多角度、立體化展示化學實驗，從而激發(fā)學生實驗興趣，提高教學效率。例如:在講解“莫爾滴定”這一經(jīng)典實驗時，會涉及到體系顏色的多次變化，傳統(tǒng)的教學是大篇幅文字和單一的板書，學生往往感覺比較抽象，理解起來較為困難。我們所采取的方式是在課堂上展示自制的多媒體動畫課件，將各種顏色的變化直觀地進行反映，使學生形成初步印象，再輔以現(xiàn)場的實驗演示，進一步加深學生理解。又如:在講解“燃料電池粉體制備”實驗時，我們向?qū)W生現(xiàn)場展示了鋅錳電池、燃料電池、鉛蓄電池、鎳氫電池，并對電池的正負極材料、電池反應以及優(yōu)缺點等進行了簡單介紹，使學生在學習知識的同時，對新興的綠色能源也獲得了初步的了解。通過這種方式的教學，能夠有效改進學生實驗課預習不充分的現(xiàn)狀，使枯燥的教學過程變得生動，整個課堂教學更富藝術(shù)性，從而提升學生自主學習的主動性，逐步完成從“要我學”到“我要學”的轉(zhuǎn)變［11-12］。

4 明確強化過程管理

化學是一門以實驗為基礎的學科，良好的實驗習慣是每位化學工作者所必備的基本素質(zhì)。因此，在一年級的實驗教學中，無機化學實驗課程組在總結(jié)多年化學實驗課考核方法的基礎上，進一步明確和強化過程管理，從細節(jié)著手，逐步建立了一套較為科學公正的實驗考核制度(見表1)，使整個實驗教學過程更加規(guī)范化［13］。例如:“煤氣燈使用”是期中考試的項目之一，我們對于每一操作細節(jié)均有考核，如在打開煤氣總閥、關(guān)閉空氣入口、開煤氣分閥、打開煤氣螺旋鈕、點燃煤氣燈、調(diào)節(jié)煤氣和空氣進量比例至正?；鹧娴拳h(huán)節(jié)上進行逐項監(jiān)督和評分。又如:“粗食鹽的提純及成分分析”是無機化學實驗(上)的期末考試項目之一，除了對實驗原理、實驗思考題等進行筆試考核外，我們還綜合考察了學生對該實驗所涉及基本操作的掌握情況(如固體試劑取用、液體試劑量取、煤氣燈使用、pH試紙使用、減壓抽濾、普通過濾、蒸發(fā)濃縮等)，并通過考察學生對實驗結(jié)果的分析以及對實驗中出現(xiàn)問題的處理情況，對學生的學習能力進行綜合評判。通過在無機化學實驗教學中明確和強化過程管理，推行課程考核制度，達到了檢驗教學效果、完善教學內(nèi)容、改進教學方法的目的，也可促使一年級本科生受到規(guī)范嚴格的實驗訓練，為他們養(yǎng)成良好的實驗習慣打下扎實的基礎。

表1 無機化學實驗課程成績評定標準

5 加強教師隊伍建設

在建設課程體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的過程中，教師隊伍的建設是基礎和關(guān)鍵。目前，無機化學實驗課程組共有10位教師，其中5人具有博士學歷，2人具有研究生學歷，形成了一支敬業(yè)精神強、學歷層次較高、年齡結(jié)構(gòu)合理的實驗教學隊伍。這對于實驗教學的順利開展以及新實驗的開發(fā)起到了良好的推動和促進作用。此外，課程組長期以來堅持實行集體預備實驗制度，即不論實驗項目新舊，不論實驗所需時間長短，所有任課教師必須在課前預做下一個實驗項目。通過集體預實驗，可以檢查實驗藥品或儀器是否齊全，溫習實驗的各個注意事項，清楚實驗教學過程中可能出現(xiàn)的現(xiàn)象和細節(jié)，尤其是能給新教師提供良好的學習和交流機會，保證了實驗課教師隊伍的后續(xù)培養(yǎng)［14］。

6 總結(jié)

自開設無機化學實驗以來，課程組圍繞教學體系和教學內(nèi)容，制定了一系列適合不同層次的實驗教學大綱，在教學方法和教學手段方面均作出了大量嘗試和努力，并取得了一定成效。今后，我們還將繼續(xù)從如下幾方面加強對該課程的教學研究與探索:(1)深化教學改革，不斷探索符合教學規(guī)律的新方法、新思想;(2)更新課程內(nèi)容，及時將最新的科研成果引入至本科實驗教學，進一步確保課程內(nèi)容的先進性和完整性;(3)加強實驗室軟硬件建設，多渠道、多方面爭取實驗室建設經(jīng)費，改善實驗條件，提高管理效率;(4)進一步加強教師隊伍的建設，不斷吸引更多高學歷、高水平的教師加入到課程教學隊伍中來。

［1］李巧云.實驗室研究與探索，2002，21(2):33

［2］黎紅梅，劉靜，王險峰.大學化學，2011，26(5):39

［3］李秀玲，蔡吉清，曾秀瓊，等.大學化學，2011，26(2):32

［4］Tian Q，Zhang C N，Wang X H，et al.Biomaterials，2010，31(17):4748

［5］Park SK，Park JH，Ko K Y，et al.Cryst Growth Des，2009，9(8):3615

［6］Armelao L，Heigl F，Jürgensen A，et al.J Phys Chem C，2007，111(28):10194

［7］黃微，陳鍇，李維維，等.實驗技術(shù)與管理，2012，29(1):14

［8］Yao H B，Wu L，Cui C H，et al.J Mater Chem，2010，20(25):5190

［9］Matthew R，Cobley C M，Zeng J，et al.Chem Rev，2011，111(6):3667

［10］Zeng SW，Yong K T，Roy I，et al.Plasmonics，2011，6(3):491

［11］江玉萍.實驗室科學，2009(6):135

［12］周小力.大學化學，2009，24(2):37

［13］戴蔚荃，周長江，林錦明，等.實驗室研究與探索，2012，31(5):125

［14］王小逸，陳永寶.實驗技術(shù)與管理，2010，27(10):19