大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)

宰建陶， 陳虹錦

(上海交通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

化學(xué)是實(shí)踐型的學(xué)科?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和積累對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科學(xué)的研究方法、科學(xué)的研究態(tài)度有很好的匯聚、鋪墊作用[1-3]。一旦養(yǎng)成的良好的實(shí)驗(yàn)技能、科研態(tài)度、方法和思維模式，學(xué)生在今后的進(jìn)一步深造學(xué)習(xí)、科學(xué)研究中會(huì)形成一種厚積薄發(fā)的態(tài)勢(shì)[4-6]。整個(gè)學(xué)習(xí)過程是一種科學(xué)方法論的體驗(yàn)，有時(shí)，它有著比理論教學(xué)更好的人才培養(yǎng)效果[7-10]。

2013～2016年，對(duì)致遠(yuǎn)學(xué)院化學(xué)班基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的第一門課程“無機(jī)與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)”[11]的教學(xué)方法、模式進(jìn)行了改革。針對(duì)他們較為扎實(shí)的化學(xué)基礎(chǔ)和良好學(xué)風(fēng)，進(jìn)行了高起點(diǎn)、高要求、高投入的改革，取得了一定的效果。

本次改革的重點(diǎn)放在改變過去基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一般思路及做法[12-13]，重點(diǎn)在以下幾方面作了改革。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)以學(xué)生為主體進(jìn)行

教學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用主要是驗(yàn)證理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的探究、思索能力。但以往的教學(xué)過程中往往學(xué)生的主動(dòng)性發(fā)揮不夠，學(xué)生照著實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，驗(yàn)證理論知識(shí)。但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及方法的原理缺乏認(rèn)識(shí)，對(duì)能力的培養(yǎng)和整體的思路的建立不夠，比較被動(dòng)。為改變這種被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)俗，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，旨在提高學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中的主動(dòng)性。

1.1 由學(xué)生分組準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)原理和方法的討論及操作、注意事項(xiàng)的講解

充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神，調(diào)動(dòng)每一個(gè)同學(xué)的積極性和關(guān)注力。同學(xué)在自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，經(jīng)過全班同學(xué)的討論和修改，拋棄實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。有的元素性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，就在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后討論，對(duì)討論中存在的疑惑，再去做實(shí)驗(yàn)嘗試或驗(yàn)證。

每一次的討論都很認(rèn)真、熱烈。同學(xué)的收獲頗多，即加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，又對(duì)實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)的方法原理有所掌握，重要的是，在過程中還加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)的協(xié)作精神。如鄰二氮菲測(cè)鐵實(shí)驗(yàn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的但又較完整的包括實(shí)驗(yàn)條件的確定和標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制以及實(shí)際樣品的含量測(cè)定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完整、思維容量大，對(duì)學(xué)生的能力要求高。為此，在2016級(jí)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了有效的教學(xué)效果并盡可能的資源共享，將學(xué)生分成幾個(gè)小組，增加用正交實(shí)驗(yàn)方法選擇實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)定實(shí)際樣品——自制草酸亞鐵含量的測(cè)定環(huán)節(jié)。學(xué)生們?cè)诮M長(zhǎng)的帶領(lǐng)下，根據(jù)要求，多次討論，設(shè)計(jì)方案(見圖1)，經(jīng)過老師的指導(dǎo)后再討論修正。在實(shí)驗(yàn)的過程中，遇到了預(yù)想不到的問題再集體討論，另外設(shè)計(jì)修正方案進(jìn)行，大家忙得不亦樂乎，加班加點(diǎn)也興致不減。

1.2 循序漸進(jìn)地引入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和方案設(shè)計(jì)

表1所示是無機(jī)與分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)在總學(xué)時(shí)中所占比例的對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可見，在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中始終貫穿學(xué)生自己的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的覆蓋和要求循序漸進(jìn)地提高。這一措施的實(shí)施，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性很有幫助，同時(shí)也提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，分析問題、提出問題、解決問題的能力。

圖1 學(xué)生們討論實(shí)驗(yàn)方法分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

學(xué)時(shí)

設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的實(shí)施有3種情況。①先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的某些環(huán)節(jié)，如合成實(shí)驗(yàn)樣品的含量測(cè)定和組分分析；②整個(gè)實(shí)驗(yàn)命題設(shè)計(jì)，如混酸(強(qiáng)酸+弱酸)的各組分含量測(cè)定；③學(xué)生自己命題，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

通過這些設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)并實(shí)踐，學(xué)生收獲頗豐：

(1) 體驗(yàn)了化學(xué)學(xué)科理論與實(shí)踐的關(guān)系。他們從中體會(huì)到，化學(xué)理論課程的原理，并不是那么容易驗(yàn)證的，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)很重要(如三氯化六氨合鈷中氯含量的測(cè)定，在所有可查的實(shí)驗(yàn)書籍中都是用摩爾法沉淀滴定來測(cè)定Cl-的含量。但是在實(shí)際操作中，一個(gè)是溶液的pH的控制，另一個(gè)是終點(diǎn)的判斷根本無法進(jìn)行。為此，就讓同學(xué)自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來解決這個(gè)問題，在老師的指導(dǎo)下他們都順利完成了該環(huán)節(jié)的內(nèi)容。通過這一次的實(shí)踐，同學(xué)的感悟是要完成理論上可行的，貌似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)過程有時(shí)是行不通的，就像要重復(fù)前人的科研成果也并非易事一樣。這樣的訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中會(huì)注重方法的原理和自己提出問題。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出于理論原理又高于理論。在此設(shè)計(jì)乃至實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，感悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。如在理論課程分析化學(xué)[14]的學(xué)習(xí)中有配位滴定方案的設(shè)計(jì)：①Ca2+、EDTA混合溶液中，二者含量的分別測(cè)定和②含F(xiàn)e3+溶液中Bi3+含量的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)后學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅僅含Bi3+溶液的配制就遠(yuǎn)沒有想象的容易，反反復(fù)復(fù)數(shù)次才在實(shí)驗(yàn)室老師的指導(dǎo)下完成。如此，既體驗(yàn)到理論與實(shí)際的關(guān)系，又獲得了元素性質(zhì)的感性認(rèn)識(shí)。

(3) 體驗(yàn)了科學(xué)研究的全過程。以往的教學(xué)實(shí)驗(yàn)都是課本上的實(shí)驗(yàn)，只要認(rèn)真預(yù)習(xí)即可完成。而自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從設(shè)計(jì)到準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的試劑，到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)都自己完成。往往是在此過程遇到的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)稿完成時(shí)的預(yù)見。經(jīng)常會(huì)做到一半再去查資料再研究再回實(shí)驗(yàn)室做，花費(fèi)了很多時(shí)間和精力，但也比一般的按照課本做實(shí)驗(yàn)收獲多得多，對(duì)他們的科研素養(yǎng)的培養(yǎng)和分析、解決問題的能力有很好的提升。也增加了對(duì)科研的興趣。

2 注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)課程是一種特殊的區(qū)別于理論課程的教學(xué)實(shí)踐。過去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往只注重結(jié)果、不太注意過程，不注意過程中的方法論[15-16]。而本教學(xué)改革針對(duì)此問題在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了嘗試。

(1) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做到心中有數(shù)。讓學(xué)生有目的的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，可以有把握地檢驗(yàn)和分析自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，做到胸有成竹。這對(duì)于學(xué)生的要求高于普通班學(xué)生。不僅是在基礎(chǔ)理論、自學(xué)能力方面，還要求對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的方法了解和理解。經(jīng)過這種訓(xùn)練對(duì)提高學(xué)生的科研能力很有幫助。

(2) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確評(píng)價(jià)。分析、評(píng)價(jià)的目的不在于結(jié)果的正負(fù)和產(chǎn)率的高低，而是科學(xué)地評(píng)價(jià)及分析原因。為此，讓學(xué)生多方采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，全班甚至全年級(jí)同學(xué)的數(shù)據(jù)共享，讓學(xué)生就實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析討論并撰寫小論文。同時(shí)，還鼓勵(lì)同學(xué)用科學(xué)的觀點(diǎn)分析、看待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如正交法引進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如何合理的舍棄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

如錢天悅同學(xué)在混酸設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告中針對(duì)指示劑的影響部分寫到：

本實(shí)驗(yàn)中滴定鹽酸一步采用了不同的指示劑，而測(cè)定氯化銨和NaOH時(shí)都采用了酚酞，因而只討論指示劑對(duì)鹽酸測(cè)定的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出，兩種指示劑所測(cè)結(jié)果基本相同，故可認(rèn)為甲基紅和溴甲酚綠都可作為指示劑，且對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有明顯的影響。但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的觀察，溴甲酚綠的變色點(diǎn)比甲基紅更敏銳，更易于觀察，故推薦使用溴甲酚綠。

表2 不同指示劑對(duì)鹽酸濃度測(cè)定的比較

經(jīng)過如此分析比較，得到了來自于實(shí)踐的感悟和體驗(yàn)。

再如，謝哲遠(yuǎn)同學(xué)將收集的139組數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析(見圖2)，指出溴甲酚綠作為指示劑時(shí)，得到的偏差要小于甲基紅，也證實(shí)了上述結(jié)論。

圖2 139組混合酸測(cè)定數(shù)據(jù)偏差值制成散點(diǎn)圖

(3) 善于邊研究邊類比學(xué)習(xí)。如2013級(jí)的錢憶雯同學(xué)，自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是食品(面條和餅干)中鋁含量的測(cè)定。在做試驗(yàn)前老師就給了她兩篇文獻(xiàn)作參考，她通過查閱和參考文獻(xiàn)完成了設(shè)計(jì)，可是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，發(fā)現(xiàn)沒有分光光度法測(cè)鋁試樣量的問題。為此，她再查閱文獻(xiàn)，重新修改方案，經(jīng)過多次實(shí)踐，很好地完成了實(shí)驗(yàn)，自己也得到了很好的鍛煉和提高。

(4) 正確看待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中自己的收獲和素養(yǎng)的培養(yǎng)，而不過分注重結(jié)果。在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)命題是黃銅(合金)中銅含量測(cè)定。這是一個(gè)非常復(fù)雜且操作困難的課題，2013級(jí)的黃般若和陸鐵騎同學(xué)花了很長(zhǎng)的時(shí)間也沒有做出準(zhǔn)確結(jié)果。但是，因?yàn)樗麄兘?jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，周密分析找到了原因，所以該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成績(jī)?nèi)匀皇莾?yōu)等。這樣的做法，可以鼓勵(lì)學(xué)生知難迎難而上，攻克難關(guān)。在學(xué)長(zhǎng)的推薦下，2014級(jí)的余坷、王焱同學(xué)仍然選擇了這個(gè)課題，從另外的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

3 充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)及啟迪作用

教學(xué)改革，教師的投入是關(guān)鍵。在這個(gè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過程中，教師起著循循善誘的作用：是放手而不是脫手，指導(dǎo)而不是教導(dǎo)。具體的做法是：

(1) 每個(gè)實(shí)驗(yàn)都堅(jiān)持帶領(lǐng)助教提前做預(yù)備實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過預(yù)備實(shí)驗(yàn)，給出多個(gè)實(shí)驗(yàn)前的思考題和實(shí)驗(yàn)預(yù)案，便于學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、討論和在過程中給予指導(dǎo)。

(2) 對(duì)學(xué)生遞交的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)點(diǎn)評(píng)、修改和指導(dǎo)，有時(shí)是針對(duì)性的逐個(gè)個(gè)別指導(dǎo)。

(3) 實(shí)驗(yàn)前個(gè)別指導(dǎo)領(lǐng)銜小組的總結(jié)討論、拓展方案(每一個(gè)實(shí)驗(yàn)由一個(gè)小組領(lǐng)銜討論)。

(4) 注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神和求實(shí)創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。有目的地挑選幾個(gè)復(fù)雜、繁復(fù)的實(shí)驗(yàn)有指導(dǎo)性地讓學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)，審查團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)方案，注重和考核每一個(gè)隊(duì)員在方案中的擔(dān)當(dāng)。

(5) 做學(xué)生實(shí)驗(yàn)的“后勤保障”。及時(shí)與實(shí)驗(yàn)室人員溝通、協(xié)調(diào)，做好學(xué)生需要提供的實(shí)驗(yàn)器材和試劑的供給保證；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分享，為學(xué)生分析、總結(jié)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告或論文提供素材。

經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)課程的各種訓(xùn)練，同學(xué)們得到了比較好的鍛煉，也收獲了一定的課外科研成績(jī)(見表3)。

表3 致遠(yuǎn)化學(xué)班同學(xué)科研情況

總體來說，致遠(yuǎn)班的學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣較濃，進(jìn)入課題組以后以較好的實(shí)驗(yàn)技能和素養(yǎng)得到了教師的好評(píng)。如陳鵬宇在實(shí)驗(yàn)課程感想中寫道：“第2學(xué)期的實(shí)驗(yàn)相比起第1學(xué)期，雖然實(shí)驗(yàn)的次數(shù)少了，但明顯地感覺到難度增大了，自主思考與設(shè)計(jì)的空間也更大了。這是個(gè)不小的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也讓實(shí)驗(yàn)變得有趣一些，有了更多的發(fā)揮空間與鍛煉機(jī)會(huì)，而不再是照著書本機(jī)械地復(fù)制”“……奇怪現(xiàn)象的出現(xiàn)，或者奇怪化合物的生成，都激發(fā)了大家的好奇心與探索欲，讓大家主動(dòng)通過學(xué)習(xí)與討論尋求答案……要將學(xué)習(xí)與研究當(dāng)作是探索與發(fā)現(xiàn)，激起自己的好奇心與探索欲，主動(dòng)的投入精力去尋求答案?！?閆昶宇同學(xué)寫到“……更像真兵實(shí)練，更有利于培養(yǎng)和鍛煉我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮魇址?，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候我們需要的不僅僅是在網(wǎng)上、書上查找資料，更要學(xué)會(huì)篩選有效和無效的資料，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)和理論差距是很大的，很多網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)都來自于理論計(jì)算，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不一定有效果”。

4 結(jié) 語

教學(xué)改革，教學(xué)方法的改革，能力的培養(yǎng)是教學(xué)的主題，關(guān)鍵是教師如何面向自己的教學(xué)對(duì)象，根據(jù)他們的基礎(chǔ)、興趣，因材施教地組織教學(xué)，并盡可能達(dá)到較好的教學(xué)效果。以上只是近幾年在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的做法和得到的初步效果。