分析化學(xué)設(shè)計實驗教學(xué)的實踐與探討

馬志剛，李 菲，凌 劍，朱秀芳， 謝琦瑩，殷志禹

(云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院 化學(xué)化工實驗教學(xué)中心，昆明 650091)

分析化學(xué)設(shè)計實驗教學(xué)的實踐與探討

馬志剛，李 菲，凌 劍，朱秀芳， 謝琦瑩，殷志禹

(云南大學(xué) 化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院 化學(xué)化工實驗教學(xué)中心，昆明 650091)

闡述了設(shè)計實驗在分析化學(xué)實驗教學(xué)中的重要性。結(jié)合云南大學(xué)開設(shè)分析化學(xué)設(shè)計實驗的實踐及在設(shè)計實驗的選題、教學(xué)方法、教學(xué)組織、成績評定和教學(xué)效果方面的探索，就如何更好地提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力進(jìn)行了探討。

分析化學(xué)；設(shè)計實驗；實踐；探討

1 設(shè)計實驗的重要性

分析化學(xué)實驗是化學(xué)、化工、生物、地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)、土木工程、醫(yī)學(xué)和農(nóng)學(xué)等專業(yè)的基礎(chǔ)實驗課程之一，它與分析化學(xué)理論課教學(xué)緊密結(jié)合，但又是一門獨立的課程。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以加深對分析化學(xué)基礎(chǔ)理論的理解，正確和較熟練地掌握分析化學(xué)實驗基本操作，學(xué)習(xí)分析化學(xué)實驗的基本知識，提高觀察、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度和認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)，為后續(xù)課程和將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)、參加工作打下良好的基礎(chǔ)[1]。

設(shè)計性實驗的開設(shè)是當(dāng)前實驗教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一，也是切實提高學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的客觀要求，也符合國家對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。在分析化學(xué)實驗的教學(xué)中，我們既深刻認(rèn)識到驗證性實驗對培養(yǎng)學(xué)生熟練地掌握基礎(chǔ)知識、基本實驗技能和加深對基本理論理解的重要性。同時也意識到，在現(xiàn)有的實驗教學(xué)過程中，對于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決實際問題能力的訓(xùn)練是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以在開設(shè)驗證性實驗的基礎(chǔ)上，逐步開設(shè)了部分設(shè)計性實驗。實驗的著重點在于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和獨立解決實際問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，增強學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

本文結(jié)合云南大學(xué)開設(shè)分析化學(xué)設(shè)計實驗的實踐，及在設(shè)計實驗的選題、教學(xué)方法、教學(xué)組織、成績評定和教學(xué)效果方面的探索，并結(jié)合相關(guān)高校在此方面的實踐[2-8]，就如何更好地完善設(shè)計性實驗以達(dá)到提高實驗教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了探討。

2 設(shè)計實驗的選題

設(shè)計性實驗的選題是完成設(shè)計實驗的關(guān)鍵，也是讓學(xué)生能否得到提高鍛煉的關(guān)鍵。選題太難，會讓學(xué)生課外花費大量時間也弄不出個所以然來，無從下手，容易挫敗學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，打擊他們的熱情；選題過于簡單，輕輕松松就可完成，失去了挑戰(zhàn)性，也就沒有了學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。

我們根據(jù)實驗室條件和學(xué)生已掌握的理論知識和基本操作技能，本著不超出學(xué)生的基本操作能力和知識水平，又不照搬已做過的實驗，選擇新穎、實用性的項目，給予學(xué)生充分的思考空間。設(shè)計實驗由學(xué)生自由組合成實驗小組(一般2～3名一組)，按組抽簽選定實驗選題后，針對選題，通過課外查詢相關(guān)書籍、手冊、國標(biāo)和文獻(xiàn)資料，自行設(shè)計制定實驗方案，寫出實驗原理、所需儀器、試劑量的計算及其配制、實驗步驟、計算公式和參考文獻(xiàn)，經(jīng)課堂討論修正，得到指導(dǎo)教師的批準(zhǔn)后，到實驗室獨立完成實驗。

我們先期開設(shè)的設(shè)計選題分為三大類：

(1)酸堿滴定法，NaOH+Na3PO4、Na3PO4+Na2HPO4、NaH2PO4+H3PO4、硼砂共四個實驗。通過此類實驗讓學(xué)生加深對酸、堿概念及性質(zhì)的了解，對于酸堿滴定用主要指示劑的性質(zhì)、變色范圍、滴定原則有更深的認(rèn)識和靈活的應(yīng)用。

(2)絡(luò)合滴定法，硫酸鋁鉀、Ca2++EDTA混合液、五水硫酸銅共三個實驗，讓學(xué)生在實驗過程中，充分了解各種離子性質(zhì)(絡(luò)合)、酸效應(yīng)曲線的應(yīng)用以及各種金屬離子指示劑的變色、適用酸度范圍及其正確應(yīng)用。

(3)氧化還原滴定法，硫酸鉻鉀(亞鐵鹽法)、鉻酸鉀(碘量法)共兩個實驗。通過此類實驗讓學(xué)生加深對氧化還原反應(yīng)及其指示劑特性的了解，加深對氧化還原電位的認(rèn)識。

學(xué)生在做過設(shè)計性實驗之后，對分析化學(xué)實驗產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，自行提出一些日常生活中實用性很強的實驗課題。例如，果汁中的酸度測定、維生素含片中維生素C的含量測定、酸奶的酸度及鈣含量的分析檢測、自來水和湖水中鈣鎂含量的測定等，甚至自帶樣品要求獨立完成測試。這樣，不僅豐富了設(shè)計性實驗的選題，而且針對同一選題提出了更多合理的實驗方案，發(fā)散思維得到鍛煉，同時對于實際樣品的前處理方法及測定方法的多樣化有了切身的體會和應(yīng)用。

3 設(shè)計實驗的教學(xué)方法

傳統(tǒng)分析化學(xué)實驗的教學(xué)方法一般是：由學(xué)生根據(jù)實驗教學(xué)計劃開設(shè)的實驗項目，對實驗教材進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、實驗前教師講解、實驗時規(guī)范操作和課后認(rèn)真寫好實驗報告幾個過程。學(xué)生是一種被動學(xué)習(xí)的過程，按部就班，不明所以，對教材上的取樣量是如何計算的也不清楚，實驗的教學(xué)效果不明顯，學(xué)生容易遺忘基礎(chǔ)的操作技能。而設(shè)計實驗完全不一樣，僅僅給出實驗選題、測定要求及必要的提示等內(nèi)容，要求學(xué)生經(jīng)過充分查閱圖書、文獻(xiàn)資料后，獨立制定實驗方案，寫出實驗原理、所需儀器、試劑量的計算及其配制、實驗步驟、計算公式和參考文獻(xiàn)等內(nèi)容，在課堂上學(xué)生之間自己進(jìn)行講解、討論，在教師指導(dǎo)下修正完善實驗方案，得到指導(dǎo)教師批準(zhǔn)后，到實驗室進(jìn)行實驗操作，完成實驗內(nèi)容，最后根據(jù)實驗結(jié)果對原設(shè)計方案進(jìn)行評價。在此過程中，學(xué)生是主角，教師只起到引導(dǎo)和啟發(fā)的作用，學(xué)生基本上是自主的學(xué)習(xí)。這樣可使學(xué)生在實驗過程中變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，提高實驗課的學(xué)習(xí)興趣。在查閱文獻(xiàn)、設(shè)計方案、溶液配制、實驗現(xiàn)象觀察、分析問題和解決問題的能力諸方面得到全面訓(xùn)練，實驗技能得到更大的提高，加強了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

實踐證明，分析化學(xué)設(shè)計實驗?zāi)軌蜻_(dá)到一般分析化學(xué)實驗(包括一般綜合性實驗)難以達(dá)到的教學(xué)效果，是培養(yǎng)學(xué)生分析化學(xué)綜合能力的很好的途徑。學(xué)生普遍反映通過設(shè)計實驗，極大地培養(yǎng)了他們學(xué)習(xí)的自主性和積極性，同時也啟發(fā)了他們?nèi)シe極思考，尋求解決問題的方法和能力。

4 設(shè)計實驗的教學(xué)組織

設(shè)計性實驗要求實驗課指導(dǎo)教師既要有扎實的理論知識和豐富的實驗技能，又需要掌握一定的教學(xué)方法和技巧去幫助、引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。因此，在設(shè)計實驗的教學(xué)組織中，高水平、負(fù)責(zé)任的教師是設(shè)計性實驗教學(xué)開展的前提。實驗課的教學(xué)改革不光是實驗項目的增減， 深層次的改革還包括實驗教學(xué)體系的全面變革和提升。設(shè)計性實驗的開設(shè)只有依托于高水平的實驗教師隊伍，才能夠保證對學(xué)生知識的認(rèn)真?zhèn)魇?、正確地指導(dǎo)和耐心細(xì)致的培養(yǎng)。高水平的教學(xué)包括教師的愛崗敬業(yè)精神、高度的責(zé)任感、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、持久的創(chuàng)新意識和融會貫通的學(xué)科知識等。而大學(xué)生思路活躍，沒有束縛，時常會提出一些意想不到的思路，這時老師對學(xué)生應(yīng)該做到共同探討、鼓勵創(chuàng)新，真正做到教學(xué)相長。

同時，通過設(shè)計性實驗的開設(shè)，可以讓年青教師和教學(xué)經(jīng)驗豐富、科研能力強的老教師一起經(jīng)常備課、討論，引導(dǎo)和幫助青年教師盡快提高教學(xué)水平。在這種積極向上的教學(xué)氛圍中，青年教師時刻感覺到自身知識和教學(xué)水平的欠缺而不斷學(xué)習(xí)、不斷進(jìn)步，這種“傳、幫、帶”的優(yōu)良作風(fēng)的形成，可以保證一門實驗課長期教學(xué)水平的穩(wěn)定和提升，營造一種團結(jié)互助、和諧向上的教學(xué)環(huán)境。

5 設(shè)計實驗的成績評定

化學(xué)實驗成績的考核及評定辦法是學(xué)生實驗課成績的基準(zhǔn)，全面、合理、易操作的實驗考核方法能夠有效引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、養(yǎng)成良好的實驗作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。設(shè)計性實驗的教學(xué)目的是為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生靈活運用理論知識和基本操作技術(shù)獨立解決實際問題的能力。因此，不同于傳統(tǒng)的驗證性實驗，設(shè)計性實驗的考核應(yīng)綜合方案的設(shè)計、課堂討論、實驗操作、分析結(jié)果、方案的評價等方面進(jìn)行，特別對有新意的和創(chuàng)新性的設(shè)計方案適當(dāng)加分，以鼓勵學(xué)生多開動腦筋、獨立思考，大膽創(chuàng)新。

6 設(shè)計實驗的教學(xué)效果

在學(xué)生掌握了基本理論和基本操作技能的基礎(chǔ)上開設(shè)的設(shè)計性實驗，給予學(xué)生各方面的綜合鍛煉，取得了很好的教學(xué)效果。

6.1 學(xué)習(xí)了圖書、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料的查閱

設(shè)計實驗只有選題，其余的信息都需要學(xué)生自己去查閱，最終制定出實驗的設(shè)計方案。在這過程中，學(xué)生需要查閱大量的文獻(xiàn)資料，掌握豐富的信息，學(xué)習(xí)各種文獻(xiàn)的查閱方法和工具。通過文獻(xiàn)的查閱，學(xué)生不止對實驗有了更深入的了解，也在不知不覺中掌握了很多的知識，更難能可貴的是學(xué)生有了自主學(xué)習(xí)的理念。設(shè)計實驗中出現(xiàn)的許多問題，需要他們不斷地去思考、去解決，一旦問題得到解決，成功的喜悅和成就感又能夠激發(fā)學(xué)生更強的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。

6.2 鍛煉了學(xué)生的語言表達(dá)能力

設(shè)計實驗的設(shè)計方案需要學(xué)生用化學(xué)的專業(yè)術(shù)語有條理的寫出來，就需要他們從查閱的大量素材、資料中進(jìn)行選擇、識別，整理成自己的設(shè)計方案，設(shè)計實驗鍛煉了學(xué)生的語言表達(dá)能力。

6.3 有了初步的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

化學(xué)實驗需要學(xué)生在整個實驗過程中認(rèn)真、細(xì)心，并嚴(yán)格遵守操作規(guī)范。通過設(shè)計實驗，讓學(xué)生知道了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度對于一個實驗成功的重要性。

6.4 懂得了團結(jié)協(xié)作的精神

設(shè)計實驗一般是以小組的形式來進(jìn)行，資料的搜集、整理過程并不是一帆風(fēng)順的，在此過程中，學(xué)生學(xué)會了堅持、協(xié)作、討論與分工，深刻體會到一個人的力量是有限的，但團隊的協(xié)作的力量是巨大的。小組成員一起解決問題，集思廣益，收獲的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止設(shè)計實驗所帶給他們的。

6.5 進(jìn)一步加深對于專業(yè)的興趣和熱愛

設(shè)計實驗的開設(shè)，把學(xué)生平時學(xué)習(xí)的零星、散碎的知識點連成線，基本的操作技能融會貫通，在實驗技能方面有了很大的促進(jìn)和提高。同時，自行設(shè)計、自己親自動手操作測定得出結(jié)果，讓學(xué)生對實驗的興趣大增，對專業(yè)的熱愛加深。這些，恰恰是以前的驗證性實驗所不能達(dá)到的教學(xué)效果。

7 設(shè)計實驗進(jìn)一步改革的思路

設(shè)計實驗教學(xué)改革是一項長期的系統(tǒng)工程，需要在實驗選題、教學(xué)方法、實驗室及儀器管理、學(xué)生成績的考核評定等諸多方面進(jìn)行不斷地探索和總結(jié)，逐步形成一種科學(xué)、合理、有效的實驗教學(xué)新模式，以促進(jìn)我國高等學(xué)校實驗教學(xué)水平的提高，適應(yīng)時代的要求。根據(jù)設(shè)計實驗開設(shè)的實踐及效果，今后在以下幾個方面還可進(jìn)行進(jìn)一步的探索和總結(jié)。

7.1 適當(dāng)增加設(shè)計實驗的比例

設(shè)計實驗很受學(xué)生的歡迎，都有要求增加設(shè)計實驗的愿望。但開設(shè)設(shè)計實驗，需要的儀器設(shè)備、藥品試劑多且量大，且實驗時間一般較長，與現(xiàn)有的實驗室管理模式有不協(xié)調(diào)的地方。今后可按實驗教學(xué)體系的基礎(chǔ)、專業(yè)、綜合設(shè)計實驗三個層次逐漸加大設(shè)計性實驗在整個實驗課中的比例，滿足學(xué)生迫切的學(xué)習(xí)愿望，切實提高實驗課的教學(xué)水平和質(zhì)量。

7.2 設(shè)計實驗選題的多樣化

現(xiàn)有的設(shè)計實驗一般是教師命題，學(xué)生選題的方式，實驗項目的專業(yè)性強，實用性和新穎性不足。在今后的選題方面，可以保留一部分專業(yè)性強的項目，其余的應(yīng)逐步增加實用性、現(xiàn)實性的項目，甚至鼓勵學(xué)生自主提出實驗課題的方式。這樣能使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚， 主動性更強，教學(xué)效果更明顯。

7.3 教學(xué)方法多樣化的探索

在現(xiàn)有的教學(xué)方法基礎(chǔ)上，在設(shè)備及條件允許的情況下，設(shè)計實驗教學(xué)的過程中要放手讓學(xué)生大膽設(shè)計、細(xì)心實驗，就同一個選題設(shè)計不同的設(shè)計方案，比較其優(yōu)缺點，并通過實驗檢驗和確證。這樣，一方面可以切實加強對學(xué)生創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高；另一方面可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，活躍思維，發(fā)展智能，加強理論與實際的聯(lián)系，達(dá)到舉一反三的目的，使分析化學(xué)實驗教學(xué)提高到一個新的高度和水平。

8 結(jié)束語

學(xué)生通過設(shè)計性實驗進(jìn)行文獻(xiàn)查閱，應(yīng)用所學(xué)知識解決實驗問題，得到了各方面的綜合訓(xùn)練，能切實有效地提高學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?。實踐證明，只要我們不斷探索與總結(jié)，切實抓好設(shè)計性實驗的各個環(huán)節(jié)，就能使學(xué)生在復(fù)習(xí)鞏固已掌握的分析化學(xué)實驗知識的基礎(chǔ)上，在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上取得更大的成績。

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Practice and Discussion of Analytical Chemistry Design Experiment Teaching

MA Zhigang, LI Fei, LIN Jian, ZHU Xiufang, XIE Qiying, YIN Zhiyu

(School of Chemical Science and Technology, Experiment Centre of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan University, Kunming 650091, China)

We explain the importance of design experiments in analytical chemistry experiment teaching. Combined with the creation of analytical chemistry design experiment in the topics, teaching methods, teaching organization, performance assessment and teaching effectiveness, we discuss how to better improve student’s innovation sense and innovation capacity.

analytical chemistry; design experiment; practice; discussion

2014-05-14

云南省質(zhì)量工程教改基金資助項目(2013年)。

馬志剛(1978-)，男，碩士，實驗師。主要從事基礎(chǔ)化學(xué)實驗和儀器分析實驗的教學(xué)，工作。

G642.423；O6-33

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.026