高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的作用及改革方向探索

尚成新 郝俊生

(1. 山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006;2. 山西大學(xué) 國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030006)

化學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，依靠化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程可以將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，也是高?；瘜W(xué)化工類專業(yè)必要的教學(xué)環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科教學(xué)的重要方式之一，在訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)科研習(xí)慣、提高創(chuàng)新思維等方面的重要性不言而喻。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)體系的組成部分，在實(shí)驗(yàn)人才建設(shè)方面具有不可替代的作用，也是培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。所以，實(shí)驗(yàn)課程在化學(xué)教學(xué)體系中具有極其重要的地位。

1 化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的重要作用

1.1 實(shí)驗(yàn)人才隊(duì)伍的建設(shè)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開一支高水平的教學(xué)隊(duì)伍，其中包括授課教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、管理人員等。授課教師多為具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的理論課教師，或?yàn)閷?shí)驗(yàn)中心的專職教師，他們自身的教學(xué)水平?jīng)Q定了實(shí)驗(yàn)課的效果。實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)材料的采購、實(shí)驗(yàn)中心的日常管理等，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的保障，每個(gè)環(huán)節(jié)都離不開他們的日常工作。因此，教學(xué)隊(duì)伍的水平，決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞。高校應(yīng)認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍建設(shè)的重要性，在人才引進(jìn)、職稱評審、項(xiàng)目立項(xiàng)等方面，應(yīng)具有完善的政策制度[4,5]。

在實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍建設(shè)過程中，應(yīng)注意以下問題。第一，人才隊(duì)伍的結(jié)構(gòu)要合理，人員數(shù)量、年齡學(xué)歷、專職教師與兼職教師比例等，要形成良好的人才梯隊(duì)。第二，實(shí)驗(yàn)員崗位的穩(wěn)定性?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)室的日常管理，工作內(nèi)容繁雜、細(xì)致、耗時(shí)多，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌_展的重要環(huán)節(jié)。第三，專職實(shí)驗(yàn)教師的進(jìn)修制度。由于專職實(shí)驗(yàn)教師課程較多，知識體系更新較慢?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)完善其進(jìn)修制度，建議每年都要有一次進(jìn)修機(jī)會，可以是在崗培訓(xùn)也可脫產(chǎn)進(jìn)修。只有教師的知識內(nèi)容不斷更新，才能提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。第四，為實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員科研創(chuàng)造條件。隨著高學(xué)歷人才加入實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的水平越來越高，不再僅僅滿足于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將有更多精力投入到科研中。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)為有科研能力的人員提供條件，促進(jìn)教學(xué)與科研協(xié)同發(fā)展。

1.2 學(xué)生科研能力的培養(yǎng)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是建立在理論課基礎(chǔ)上的實(shí)踐性內(nèi)容，是高校本科生提高實(shí)驗(yàn)水平的主要途徑。部分學(xué)生在進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室前，沒有接觸過化學(xué)實(shí)驗(yàn)，甚至不認(rèn)識常見的玻璃儀器。對于本科生而言，實(shí)驗(yàn)的過程就是科學(xué)探索的過程，在實(shí)驗(yàn)過程中，可能會遇到各種各樣的問題，需要自己去思考去解決。在預(yù)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，各種試劑的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范、數(shù)據(jù)采集方法等，都需要自己提前熟悉。實(shí)驗(yàn)條件的選擇，可能需要多次探索嘗試。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要及時(shí)處理數(shù)據(jù)，科學(xué)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出正確的結(jié)論，并用理論知識加以解釋。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程對學(xué)生能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是認(rèn)識熟悉常見的儀器，學(xué)習(xí)使用方法，做到獨(dú)立操作。二是提高基本的實(shí)驗(yàn)操作，提高動(dòng)手、觀察、思考的能力。三是培養(yǎng)創(chuàng)新精神和科研習(xí)慣，遇到科研難題要學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。

為了培養(yǎng)本科生的科研能力，很多高校都開設(shè)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。這需要學(xué)生自己去查閱文獻(xiàn)，找到實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)會設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證可行性，寫成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對結(jié)果加以論證。整個(gè)過程，不僅鍛煉了學(xué)生的基本操作能力，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[6]。

1.3 教與學(xué)的促進(jìn)過程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是教師傳授實(shí)驗(yàn)技能、學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程，又是教與學(xué)相互影響、相互促進(jìn)的過程[7]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，第一是“教”，教師需要把知識、技能、習(xí)慣傳授給學(xué)生。這個(gè)過程與理論教學(xué)不同，需要面對面地指導(dǎo)，更要注重言傳身教，是教師自身能力和素質(zhì)的集中體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)課上每個(gè)學(xué)生的能力和水平都有差別，因材施教顯得尤為重要，針對不同的學(xué)生，方法各異，不能一概而論?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅要教會學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本原理，提高操作技能，更要傳授實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)勇于實(shí)驗(yàn)探索的習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第二方面是“學(xué)”。首先是觀念的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的“傳道受業(yè)解惑”已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教育的需要，只有不斷提高自身能力，不斷更新知識水平，才能跟上教育改革的步伐。教師在傳授知識時(shí)，還要重新審視自己的教學(xué)過程，根據(jù)學(xué)生的反饋，進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，豐富自己的教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平。學(xué)生思維活躍，實(shí)驗(yàn)過程中常常會給教師提出一些新問題，啟發(fā)教師去思考，思想的一個(gè)“閃光點(diǎn)”往往可以成為一個(gè)新的研究課題。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中，教師需要不斷研究教學(xué)規(guī)律和學(xué)生特點(diǎn)，提高教學(xué)的針對性，同時(shí)利用教學(xué)中的學(xué)生反饋，不斷提高自己，促使“教”與“學(xué)”和諧發(fā)展。

2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的改革方向

為了具體分析目前國內(nèi)高校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，調(diào)研了19所院校，這些院校中有15所是2017年9月教育部、財(cái)政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》中的世界一流大學(xué)建設(shè)高校，還有4所是世界一流學(xué)科建設(shè)高校，且具有教育部在2005—2015年遴選出的化學(xué)類國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。結(jié)果見表1。這19所院校，無論是一流大學(xué)建設(shè)高校，還是一流學(xué)科建設(shè)高校，在化學(xué)化工學(xué)科，整體實(shí)力比較突出，排在全國高校的前列。通過對其調(diào)研發(fā)現(xiàn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程呈現(xiàn)出新的發(fā)展方向。

表1 部分高校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程

2.1 課程設(shè)置日趨完善，突出教學(xué)特色

目前多數(shù)高校的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，都延續(xù)了傳統(tǒng)的課程設(shè)置方法，分為無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、儀器分析、綜合化學(xué)、化工實(shí)驗(yàn)……。其中無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)，被稱為四大化學(xué)，在這19所高校中，都開設(shè)了這四門實(shí)驗(yàn)課，占到100%。在此基礎(chǔ)上，開設(shè)儀器分析、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工實(shí)驗(yàn)課程的分別有15所、6所、9所，占到的比例是78.9%、31.6%、47.4%?？梢哉f，高?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要由以上七門實(shí)驗(yàn)課組成，共同構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

除此之外，各個(gè)高校更加突出了自己的教學(xué)特色。比如，清華大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心近年來新開設(shè)了《化學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《現(xiàn)代高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)》、《計(jì)算化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程。北京理工大學(xué)開設(shè)了與納米材料、功能材料、銀納米粒子相關(guān)的材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開設(shè)了《膠體化學(xué)實(shí)驗(yàn)》，包括電滲法測定膠體溶液的電動(dòng)勢、硫懸浮劑的制備及表征、固體顆粒的沉降分析、電泳、離子液體的表面活性及膠束化性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。各個(gè)院校開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程多數(shù)都會與理論課程相關(guān)，院校的課程體系決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的差別。

2.2 由簡到繁，構(gòu)建多層次教學(xué)體系

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置，各高校間略有差距，但基本上都遵循了由易到難由簡到繁的規(guī)律，如大一開設(shè)無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)，大二開設(shè)有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)，大三開設(shè)儀器分析、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工實(shí)驗(yàn)、高分子化學(xué)、材料化學(xué)等。從教學(xué)內(nèi)容上，可以細(xì)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、專業(yè)性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，掌握基本操作技術(shù)，無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)都屬于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)，主要是將無機(jī)物或有機(jī)物的合成，與儀器分析課程結(jié)合起來。專業(yè)性實(shí)驗(yàn)，是針對各個(gè)專業(yè)或不同研究方向而開設(shè)的特定實(shí)驗(yàn)，具有專業(yè)選擇性，化工實(shí)驗(yàn)、高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)、材料化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本都屬于這一范疇[8,9]。

從實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)上，歸結(jié)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)。目前各高校開設(shè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例較大，只需按講義把實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)出來即可，是對本科生的最低要求。綜合性實(shí)驗(yàn)是將多個(gè)知識點(diǎn)結(jié)合起來，包含化合物的制備、物理化學(xué)性質(zhì)測定、含量或結(jié)構(gòu)測定等內(nèi)容，是對學(xué)生更高層次的要求。研究型實(shí)驗(yàn)，主要來源于科研項(xiàng)目，需要學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)方案，解決科研中的實(shí)際問題。

對學(xué)生能力的培養(yǎng)，由低到高分為三個(gè)層次，基本操作能力、科研思維能力、創(chuàng)新能力。通過基本操作訓(xùn)練，學(xué)生學(xué)習(xí)各種儀器的使用，可以獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)會觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)不僅教授技術(shù)知識，還要訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)方法，解決實(shí)驗(yàn)中的各種問題，初步培養(yǎng)科研思維。最高層次的要求是，在追蹤學(xué)科前沿時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)新問題，提出有創(chuàng)造性的思路，這是對學(xué)生培養(yǎng)過程中創(chuàng)新能力的體現(xiàn)[10,11]。

2.3 教學(xué)內(nèi)容不斷更新，與科研有機(jī)結(jié)合

教學(xué)內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心要素，教學(xué)內(nèi)容的不斷更新也是教學(xué)改革的基礎(chǔ)。然而在“重科研輕教學(xué)”“重理論輕實(shí)驗(yàn)”傳統(tǒng)思想的影響下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往不受重視，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程體系不完善、教學(xué)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科技成果脫節(jié)嚴(yán)重。近幾年來，隨著對教學(xué)的重視程度有所提升，這些情況有所改善，各高校都在尋找解決辦法[12,13]。

及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是高等教育中教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容，最直接有效的一種辦法就是與科研相結(jié)合，加強(qiáng)科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)化，把科研項(xiàng)目中的研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，作為基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目來源。福州大學(xué)的措施是，把本科生的開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與導(dǎo)師的科研項(xiàng)目結(jié)合，鼓勵(lì)教師將自己的科研成果融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過把科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容能夠及時(shí)更新，與學(xué)科前沿相結(jié)合，同時(shí)任課老師的積極性提高，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研的協(xié)同發(fā)展。

教學(xué)與科研的協(xié)同作用，主要在兩個(gè)方面：科研工作可以提高教師的知識積累水平，提升對本領(lǐng)域的熟悉程度，為教學(xué)打好基礎(chǔ)，同時(shí)科研成果能夠豐富教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)對于科研也具有推動(dòng)作用，高水平的教學(xué)要求教師對自身的研究領(lǐng)域有著全面精深的理解，迫使教師的科研工作必須更加專業(yè)化，促進(jìn)了科研工作的提升。

2.4 倡導(dǎo)綠色化學(xué)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)不可避免地會使用各種化學(xué)原料，甚至有些是毒性大、易燃易爆、易揮發(fā)、有腐蝕性的材料，處理不當(dāng)勢必會污染環(huán)境?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，部分學(xué)生沒有按規(guī)定處理廢棄物，甚至隨意丟棄化學(xué)品，都會帶來安全隱患，綠色化學(xué)意識淡薄。隨著整個(gè)社會環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色化學(xué)的呼聲越來越高，因此，高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課中，必須及時(shí)將綠色化學(xué)的內(nèi)容融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[14]。

在高校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)綠色化，需要從幾個(gè)方面入手：第一，引導(dǎo)學(xué)生樹立綠色化學(xué)的觀念，化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法得當(dāng)可以做到低毒、無污染的水平。第二，調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇低毒性的實(shí)驗(yàn)材料，從根本上降低環(huán)境污染和實(shí)驗(yàn)人員的身體危害。第三，改變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的條件，在原料固定的情況下，提高轉(zhuǎn)化率，減少污染物的產(chǎn)生。第四，對于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢液和廢氣，盡可能回收再利用，妥善處理。第五，實(shí)驗(yàn)過程中規(guī)范操作，培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，盡量少用化學(xué)藥品，杜絕浪費(fèi)。第六，實(shí)驗(yàn)規(guī)模上，由常量操作向“微型化”轉(zhuǎn)變，減少試劑用量，提高安全性，降低污染。

2.5 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)作為理論課的輔助課程，學(xué)生只能在規(guī)定好的上課時(shí)間來實(shí)驗(yàn)室，完成既定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需按照實(shí)驗(yàn)教材中的步驟完成操作即可，主要練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作技能，對科研思維、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)沒有要求，不利于大學(xué)生綜合能力的提高。

因此，近年來有多所學(xué)校設(shè)置了開放式實(shí)驗(yàn)，由學(xué)校實(shí)驗(yàn)中心提供實(shí)驗(yàn)條件，給學(xué)生提供科研訓(xùn)練的機(jī)會，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和學(xué)術(shù)研究。這個(gè)過程中，學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體，可以根據(jù)興趣自擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主動(dòng)去查閱文獻(xiàn)，找思路、找方法，完成課題。而實(shí)驗(yàn)教師作為輔助角色，起到理論指導(dǎo)、保障安全的作用。開放式實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c教學(xué)方式的新形式，有可能成為培養(yǎng)綜合性創(chuàng)新人才的有效途徑[15,16]。

開放式教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，優(yōu)勢體現(xiàn)在很多方面。第一，時(shí)間上更自由。學(xué)生可以利用課余時(shí)間，自行安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，既充分利用了在校時(shí)間，又調(diào)動(dòng)了實(shí)驗(yàn)積極性。第二，提高了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣性。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣，選取實(shí)驗(yàn)的材料和方法，在教師輔導(dǎo)下，按實(shí)驗(yàn)方案自主開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。第三，對學(xué)生科研能力的提高。這個(gè)過程中，幾乎各個(gè)環(huán)節(jié)都有學(xué)生自主完成，在查詢資料、研究思路、方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等方面，對學(xué)生能力的培養(yǎng)效果顯著。開放式實(shí)驗(yàn)課程類似于科研活動(dòng)，促使學(xué)生的思維不拘泥于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的特定程序，需要主動(dòng)提出自己的觀點(diǎn)，激發(fā)探索精神，去鉆研問題，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識。

3 結(jié)語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)處在實(shí)踐教學(xué)的前沿，在整個(gè)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)體系中占有重要作用，既是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)的陣地，又是培養(yǎng)學(xué)生科研能力的平臺。隨著教學(xué)改革的發(fā)展和對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視，近年來呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，由簡到繁構(gòu)建起多層次的教學(xué)體系，教學(xué)內(nèi)容不斷更新，教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合，綠色化學(xué)觀念深入人心，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步得到認(rèn)可，這些都給實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)指明了方向。