基于科研素質(zhì)培養(yǎng)的綜合實驗課程建設(shè)
——大學(xué)綜合化學(xué)實驗課程教學(xué)實踐*

范慧俐 劉旭東 王明文 弓愛君 劉杰民 葉亞平 李旭琴

（北京科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100083）

實驗教學(xué)是理工科高等學(xué)校本科教學(xué)工作的重要組成部分，是培養(yǎng)能力的重要環(huán)節(jié)。特別是為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對高校畢業(yè)生的實踐能力、動手能力、創(chuàng)新能力及問題解決能力等提出更高要求。近年來各高校紛紛對提高學(xué)生能力的專業(yè)實驗課程進(jìn)行了有意義的建設(shè)和改革實踐［1-8］。本文從提高學(xué)生科研素養(yǎng)角度出發(fā)對大學(xué)綜合化學(xué)實驗課程進(jìn)行了建設(shè)實踐。

大學(xué)綜合化學(xué)實驗是化學(xué)或應(yīng)用化學(xué)專業(yè)在學(xué)生完成各門基礎(chǔ)課及基礎(chǔ)實驗課之后，本科畢業(yè)論文工作之前開設(shè)的一門專業(yè)實驗課。目的是在鞏固學(xué)生基本理論知識和基本實驗操作技能的基礎(chǔ)上，在引入新實驗方法和新知識點、增加學(xué)生知識面，做好承前啟后工作的前提下，進(jìn)一步提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識和實驗操作技能，分析問題和解決問題的能力，特別是與化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，全面培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識［9-12］。在大學(xué)綜合化學(xué)實驗教學(xué)過程中，作者結(jié)合專業(yè)科研生產(chǎn)實際，將科學(xué)研究過程引入實驗課堂，以培養(yǎng)學(xué)生與學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力。同時讓學(xué)生盡早接觸實際問題、學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，為學(xué)生更好地進(jìn)入畢業(yè)論文環(huán)節(jié)和從事科研工作奠定基礎(chǔ)。

本文從培養(yǎng)學(xué)生科研能力角度出發(fā)，采用研究型教學(xué)方法，在實驗內(nèi)容選擇、指導(dǎo)教師聘用、教學(xué)組織和實驗成績考核方面進(jìn)行了研究。

一、根據(jù)科學(xué)研究的具體課題設(shè)計實驗內(nèi)容

實驗課程內(nèi)容不僅是知識、技術(shù)的介紹和實施，還應(yīng)有對學(xué)生進(jìn)行觀察、思考和解決問題能力的訓(xùn)練。由于大學(xué)綜合化學(xué)實驗開設(shè)于基礎(chǔ)化學(xué)和基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程之后，學(xué)生已掌握基本化學(xué)原理和化學(xué)實驗技術(shù)，因此在《大學(xué)綜合化學(xué)實驗》講義編寫過程中，除精選少數(shù)經(jīng)典實驗外，更多地強(qiáng)調(diào)問題導(dǎo)向，注重吸納教師科研課題內(nèi)容，選用新的實驗技術(shù)。根據(jù)學(xué)校學(xué)科特點及教師科研方向，教學(xué)內(nèi)容側(cè)重化學(xué)在環(huán)境、材料、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。旨在通過大學(xué)綜合化學(xué)實驗課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生初步了解專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，提高分析問題和解決問題的能力，進(jìn)而提高職業(yè)適應(yīng)能力和社會競爭能力。

在所編《大學(xué)綜合化學(xué)實驗》講義中有意識地聯(lián)系科研和生產(chǎn)實際。具體實驗內(nèi)容與教師的科研課題或?qū)嶋H生產(chǎn)中的化學(xué)化工問題密切結(jié)合。如“室內(nèi)環(huán)境或食品中異味化合物鑒別及異味強(qiáng)度測定”和“旋轉(zhuǎn)圓盤電極測定K4Fe（CN）6／K3Fe（CN）6體系動力學(xué)參數(shù)”實驗來源于指導(dǎo)教師的國家自然科學(xué)基金項目；“氣升式內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器氧傳質(zhì)系數(shù)測定”基于指導(dǎo)教師的一項發(fā)明專利；“中空聚合物微球的制備和表征”來源于與中科院某研究所合作研究項目；“聚醋酸乙烯膠粘劑的制備與表征”來自于一個為企業(yè)解決生產(chǎn)過程遇到的實際問題的課題。這些實驗從知識和方法上都反映了學(xué)科研究的前沿。例如“室內(nèi)環(huán)境或食品中異味化合物鑒別及異味強(qiáng)度測定”實驗采用三點比較式臭袋法測定常見異味化合物閾值，采用氣相色譜—嗅覺檢測—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測定異味混合物的性質(zhì)和強(qiáng)度。通過計算、嗅辨和檢索獲得異味物質(zhì)的閾值濃度、異味強(qiáng)度與濃度的關(guān)系、異味混合物的成分及強(qiáng)度信息。在這個實驗中學(xué)生不僅了解到異味污染的危害，還學(xué)會異味物質(zhì)的定性和定量分析，以及認(rèn)識到針對室內(nèi)環(huán)境下異味物質(zhì)種類多和濃度低的特點，界定異味特征和測定異味強(qiáng)度，對實現(xiàn)異味污染物控制和提高人們生活質(zhì)量的必要性。又如“高效液相色譜法測定Bt生物農(nóng)藥中酪氨酸的含量”實驗，針對廣泛采用的Bt生物農(nóng)藥毒力效價生物檢測法的缺點，如操作程序復(fù)雜、費(fèi)時費(fèi)力、準(zhǔn)確性受限因素多（蟲齡、環(huán)境條件等）開展研究。根據(jù)Bt生物農(nóng)藥的主要?dú)⑾x成分是伴孢晶體——一種蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)由氨基酸組成，伴孢晶體中含有的每一種氨基酸量是固定的。如果將伴孢晶體徹底水解，用高效液相色譜檢測其中一種氨基酸的含量，其含量的多少即代表了伴孢晶體的多少，進(jìn)而反映出Bt生物農(nóng)藥毒力能力。通過這個實驗學(xué)生深深體會到樣品前處理在儀器分析用途擴(kuò)展方面的重要性，了解分析對象性質(zhì)對儀器分析的重要性。緊密聯(lián)系實際科研和生產(chǎn)的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在提高自身實驗?zāi)芰Φ耐瑫r，切身感受到應(yīng)用化學(xué)在生產(chǎn)、生活和科學(xué)發(fā)展中的作用，并且直接感受到學(xué)以致用的樂趣。

二、根據(jù)實驗內(nèi)容選聘指導(dǎo)教師

由于實驗內(nèi)容來源于教師科研項目，且大學(xué)綜合化學(xué)實驗不僅僅是要驗證某一個反應(yīng)或?qū)W會一個具體操作，而是要學(xué)生學(xué)會如何運(yùn)用已學(xué)知識和已經(jīng)掌握的實驗手段解決一個具體問題。因此指導(dǎo)實驗過程中，要求教師對實驗項目有充分的理解和思考，對實驗過程設(shè)計有充分的了解和實踐。如在“氣升式內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器氧傳質(zhì)系數(shù)測定”實驗過程中，教師不僅指導(dǎo)學(xué)生如何使用循環(huán)膜生物反應(yīng)器測定氧傳質(zhì)系數(shù)，而且根據(jù)自己的研究過程，闡述氣升式內(nèi)循環(huán)膜生物反應(yīng)器的工作原理設(shè)計及其創(chuàng)新之處，進(jìn)而調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新思維。所以在選聘實驗指導(dǎo)教師時，為了讓學(xué)生對實驗項目有更深入細(xì)致的了解，對實驗項目的提出、解決具體問題的思路及研究過程有更清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識，每個具體實驗均選聘相關(guān)項目負(fù)責(zé)人或課題組教師承擔(dān)指導(dǎo)工作。隨著實驗內(nèi)容的不斷更新，指導(dǎo)教師也不斷調(diào)整。為了保證實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，課前教師們統(tǒng)一指導(dǎo)要求，明確培養(yǎng)目標(biāo)。對于事務(wù)性工作繁重的教師，要求其指定一名從事具體課題研究工作的研究生協(xié)助指導(dǎo)。在實驗指導(dǎo)過程中，指導(dǎo)教師不僅告訴學(xué)生應(yīng)該怎么做，還要通過對項目要求、問題的分析，讓學(xué)生知道為什么要這樣做，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。此外，在實驗過程中，通過與指導(dǎo)教師或研究生進(jìn)行相關(guān)實驗交流，學(xué)生可以間接感受到化學(xué)家或化學(xué)工作者從事化學(xué)研究工作的氛圍，體驗到科學(xué)研究的艱苦性及長期性，體會獲得研究成果后的幸福感和快樂感。這些交流對大學(xué)生充分認(rèn)識所學(xué)專業(yè)的實際意義發(fā)揮了重要作用。有的學(xué)生在交流過程中逐漸明確了自己的專業(yè)興趣取向，從而對就業(yè)、深造方向選擇具有指導(dǎo)意義。

三、教學(xué)組織中引入研究性思維

由于具體實驗內(nèi)容結(jié)合了實驗指導(dǎo)教師的科研項目或解決生產(chǎn)中實際問題的過程，在具體教學(xué)中，指導(dǎo)教師不僅僅是簡單講授實驗過程和原理，而是從實驗項目出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生分析實驗項目的實際要求，進(jìn)一步分析項目要求的本質(zhì)，進(jìn)而確定完成這個項目應(yīng)該選用的方法。再進(jìn)一步思考研究過程中可能會遇到哪些問題，應(yīng)該如何解決等等。循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生直至得到具體實驗方案。在具體實驗過程中，不是大家共同按照實驗講義重復(fù)完成實驗項目，而是合作完成一個實驗條件研究，即不是所有學(xué)生都在同一個條件下完成實驗，而是共同完成一次研究過程。例如，在“中空聚合物微球的制備和表征”實驗教學(xué)過程中，指導(dǎo)教師不是一開始就介紹實驗原理、操作步驟及注意事項，而是從課題由來、用戶需求開始。這一實驗是根據(jù)用戶提出需要一種“能夠在空氣中飄浮時間盡可能長的各向同性材料支撐體。后期要在這一材料支撐體表面修飾盡可能多的無機(jī)材料”的要求演變而來。具體實驗過程中，指導(dǎo)教師首先提出用戶的要求，然后針對用戶要求，帶領(lǐng)學(xué)生分析這一課題要解決的問題及解決問題的思路。

首先指導(dǎo)教師根據(jù)課題要求提出問題一，要求能在空氣中飄浮的材料：引導(dǎo)學(xué)生分析什么特點的材料可能滿足要求？直至學(xué)生得到需要制得質(zhì)量輕、密度小的材料，進(jìn)而選擇有機(jī)材料（有機(jī)材料比無機(jī)材料輕）的答案；然后考慮原料來源、成本、工藝和實現(xiàn)的難易程度選擇制備聚苯乙烯材料；最后與學(xué)生討論如何進(jìn)一步滿足在空氣中飄浮要求，直至得到需制備中空結(jié)構(gòu)的材料（進(jìn)一步降低材料質(zhì)量）的結(jié)論。

問題二，要求各向同性材料：形狀為球形→懸浮聚合方法（懸浮聚合產(chǎn)物為球形）→引入交聯(lián)劑和致孔劑（實現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)）。

問題三，要在材料表面修飾盡可能多的無機(jī)材料：希望粒徑?。ū缺砻娣e大）。

問題四，思考粒徑越小越好嗎？雖然粒徑小可滿足“后期要在這一材料表面修飾盡可能多的無機(jī)材料”要求，但是課題的最終目的是要實現(xiàn)材料“在空中飄浮時間盡可能長”，而修飾上的無機(jī)材料多將導(dǎo)致顆粒密度增加，不利于其在空中飄浮，所以材料粒徑要適當(dāng)。

至此課題最終問題轉(zhuǎn)化為采用懸浮聚合法制備粒徑合適的中空聚苯乙烯微球。具體研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化為研究影響中空聚苯乙烯微球粒徑的因素，確定最佳工藝條件。

在接下來的實驗過程中，學(xué)生不是簡單按照實驗講義完成實驗，制備出粒徑基本一致的聚苯乙烯顆粒，而是全班同學(xué)就一個影響聚合物粒徑的因素開始集體實驗研究。具體是每個實驗班研究一個因素對材料產(chǎn)品粒徑的影響。例如，某個實驗班研究攪拌速度對產(chǎn)品粒徑的影響，另一個實驗班研究穩(wěn)定劑用量對產(chǎn)品粒徑的影響，第三個實驗班研究單體用量對產(chǎn)品粒徑的影響，第四個實驗班研究攪拌槳位置對產(chǎn)品粒徑的影響等。在一個實驗班的實驗過程中，每兩組或三組同學(xué)使用同樣的條件，每個實驗班同學(xué)在3～4個不同的具體條件下開展實驗。實驗結(jié)束后，一個實驗班同學(xué)共享實驗數(shù)據(jù)，考察某一影響因素對產(chǎn)品粒徑的影響規(guī)律，并要求在實驗報告中對實驗結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析。

由于實驗內(nèi)容直接來自教師科研課題，在課題研究過程中特殊的條件對結(jié)果的影響往往理論課上并未涉及，但實驗課上可以體會到，從而使學(xué)生切實感受到理論和實踐的區(qū)別，認(rèn)識到實際實驗的重要性。如在研究懸浮聚合條件對聚合物粒徑的影響時，除懸浮劑用量、種類、單體用量和攪拌速度等因素外，指導(dǎo)教師帶領(lǐng)學(xué)生就攪拌槳在反應(yīng)瓶中的相對位置對產(chǎn)物粒徑的影響進(jìn)行實驗考察，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析討論。同時提出問題，攪拌槳形狀是否對懸浮聚合產(chǎn)物粒徑有影響？如果有，將怎樣影響？這樣的實驗教學(xué)組織，讓學(xué)生體會到科學(xué)研究與理論課程學(xué)習(xí)的關(guān)系，使學(xué)生初步了解面對問題如何分析問題，運(yùn)用理論知識提出解決問題思路，通過實驗研究最終解決問題，在解決問題過程中如何運(yùn)用理論知識理解實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象和得到的結(jié)論。進(jìn)一步在理論知識指導(dǎo)下提出新的實驗方案，提高學(xué)生的獨(dú)立分析問題、解決問題和創(chuàng)新的能力。

四、實驗考核方式注重對學(xué)生能力的評價

由于大學(xué)綜合化學(xué)實驗突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生對所學(xué)化學(xué)知識和化學(xué)實驗技能的綜合應(yīng)用以及對學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，所以在實驗考核時，不僅僅是看學(xué)生的操作能力及實驗結(jié)果的正確性，更注重對學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力的評價。在實驗過程和實驗報告的考查中，重點考查學(xué)生運(yùn)用實驗原理解釋實驗現(xiàn)象的能力，分析、解釋實驗結(jié)果的能力。例如，在研究攪拌速度對懸浮聚合產(chǎn)物粒徑的影響時，一個實驗班實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 攪拌速度對聚合物粒徑的影響

由表1數(shù)據(jù)可見，在攪拌速度 400rpm～650rpm范圍內(nèi)，隨著攪拌速度增加聚合物粒徑有先減小后增加的規(guī)律。實驗報告考核中指導(dǎo)教師更關(guān)注學(xué)生對懸浮聚合過程及攪拌在懸浮聚合過程中作用的理解和認(rèn)識，進(jìn)一步擴(kuò)展到考查學(xué)生是否能夠分析出攪拌槳葉張開程度、攪拌槳位置、攪拌槳形狀等對懸浮聚合產(chǎn)物粒徑的影響，是否能就整個實驗過程提出合理化建議，從而考查學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。

五、課程的可持續(xù)發(fā)展

由于大學(xué)綜合化學(xué)實驗所選的實驗內(nèi)容，除少數(shù)經(jīng)典實驗外，大多數(shù)實驗都是依據(jù)指導(dǎo)教師的科研成果編寫，所選實驗內(nèi)容從知識和方法上都盡可能反映學(xué)科研究的前沿和生產(chǎn)實際問題，隨著學(xué)科的發(fā)展必須不斷更新實驗內(nèi)容。為了保證課程的可持續(xù)發(fā)展，學(xué)院每年從學(xué)校下?lián)艿摹疤厣砜平ㄔO(shè)項目”中拿出部分經(jīng)費(fèi)支持教師進(jìn)行科教結(jié)合研究，不斷地將教師的最新科研成果轉(zhuǎn)化成大學(xué)綜合化學(xué)實驗課程教學(xué)內(nèi)容。學(xué)科也拿出部分學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)進(jìn)行實驗條件建設(shè)，從而保證了這門課程的順利進(jìn)行和可持續(xù)發(fā)展。由于在實驗指導(dǎo)過程中增加了師生的互相了解，有利于留校讀研同學(xué)與導(dǎo)師的相互選擇，客觀上調(diào)動了指導(dǎo)教師的積極性。

六、課程存在的問題及解決思路

大學(xué)綜合化學(xué)實驗課程建設(shè)和實踐過程中取得了一些經(jīng)驗，但仍面臨以下問題：

第一，課程內(nèi)容無法直接推廣。由于實驗內(nèi)容大多依據(jù)各位指導(dǎo)教師近年的科研成果編寫而成，反映的是本校的學(xué)科特色和教師的科研方向，實驗過程需要具有實際工作經(jīng)歷的教師指導(dǎo)，因此實驗教學(xué)內(nèi)容和具體實施方式無法直接推廣。其他學(xué)科和學(xué)?？梢越梃b本文思路，根據(jù)本校學(xué)科特色組織專業(yè)綜合實驗課程。

第二，特殊實驗設(shè)備通用性不強(qiáng)，增加教學(xué)成本。由于教師科研過程中會涉及一些特殊設(shè)備，這些設(shè)備僅在大綜實驗課上使用，且需要單獨(dú)加工制作，增加了教學(xué)成本。針對這一問題可以與課題組合作，通過科研與教學(xué)儀器共享等方式解決。

第三，實驗指導(dǎo)教師工作量增加。由于實驗過程中每組同學(xué)的實驗條件不同，需要教師根據(jù)不同條件分別加以指導(dǎo)，有時需要在現(xiàn)場組織討論。因此增加了指導(dǎo)教師的工作量。這一問題需要在工作量認(rèn)定方面加以適當(dāng)考慮。

總之，聯(lián)系科研實際的實驗內(nèi)容，根據(jù)實驗內(nèi)容選聘指導(dǎo)教師，教學(xué)組織中引入研究性思維方式，實驗考核更注重對學(xué)生能力評價的教學(xué)方法使學(xué)生在大學(xué)綜合化學(xué)實驗課堂上，分析問題、解決問題能力得到更好訓(xùn)練，全面培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識。同時在教學(xué)過程中讓學(xué)生盡早接觸和學(xué)習(xí)了科學(xué)研究方法，學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)論文環(huán)節(jié)得以快速進(jìn)入研究狀態(tài)。這種基于科研素質(zhì)培養(yǎng)的課程建設(shè)和實踐模式可供其他專業(yè)綜合實踐課程借鑒。