雙一流背景下培養(yǎng)拔尖人才的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)

劉紅瑜，金谷，姚奇志，李嬌，李玲玲

1化學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

“雙一流”建設(shè)背景下的一項重要任務(wù)就是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。就化學(xué)專業(yè)而言，如何在基礎(chǔ)教學(xué)中做到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一大批化學(xué)教育工作者致力于研究的方向[1-17]。創(chuàng)造力的培養(yǎng)是教學(xué)改革的方向。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)面向全?；瘜W(xué)、材料、高分子、化學(xué)物理等專業(yè)的學(xué)生，教學(xué)覆蓋面較廣。分為I、II兩種類型，I型實(shí)驗(yàn)以定量分析為主，重在鍛煉學(xué)生的基本操作、培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣、教學(xué)生學(xué)會處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、使學(xué)生能針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析其誤差的主要來源。II型實(shí)驗(yàn)主要以綜合探究及設(shè)計實(shí)驗(yàn)為主，重在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識指導(dǎo)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的科研意識，使學(xué)生初步具有科研能力。

隨著科研的發(fā)展，儀器分析的地位不斷提升，定量分析實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教學(xué)中的地位受到很大的沖擊。

1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革一直在不斷探索中，縱觀以往的成效，可以看出，還是存在一些不足。存在的主要問題有以下三個方面：

(1) 分析化學(xué)理論課和實(shí)驗(yàn)課進(jìn)度嚴(yán)重不同步。

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計上，過分強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)作用，學(xué)生的參與度較低。往往實(shí)驗(yàn)課結(jié)束了，理論課才進(jìn)行到一半，講解實(shí)驗(yàn)課時學(xué)生不能完全理解所講授的知識，盡管一再強(qiáng)調(diào)課前預(yù)習(xí)，但是由于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的不重視，預(yù)習(xí)往往流于形式，學(xué)生基本上處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，無法達(dá)到有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本目的。

(2) 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科前沿接軌不夠充分。

分析化學(xué)(上)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上是以經(jīng)典驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主，操作主要以滴定操作為主，這對于初次接觸分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來說，內(nèi)容太過枯燥，目前的教學(xué)內(nèi)容雖然已經(jīng)優(yōu)化了很多，但是由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時及實(shí)驗(yàn)條件所限，仍然沒能從根本上提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。不能充分調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其創(chuàng)新能力。

(3) 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生太注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由于每次實(shí)驗(yàn)時間較長，從下午兩點(diǎn)一直到晚上八九點(diǎn)，學(xué)生一味追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果而忽略對實(shí)驗(yàn)過程的思考以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論。傳統(tǒng)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)看似非常嚴(yán)謹(jǐn)，但是太過刻板，造成學(xué)生對于分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的印象就是要有很小的實(shí)驗(yàn)誤差，好像這就是學(xué)習(xí)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的宗旨。非常不利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。就創(chuàng)新人才而言，應(yīng)該更加注重其透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)、認(rèn)清本質(zhì)后找到解決問題的方法、達(dá)到舉一反三能力的培養(yǎng)。針對不同類型的實(shí)驗(yàn)我們對學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)也是很有層次性的。如圖1所示。

圖1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)不同類型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

2 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

我們在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中主要從以下三方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

2.1 建立分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)信息化教學(xué)資源庫

我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)在信息化時代的引領(lǐng)下，也逐步將信息化手段應(yīng)用到課堂教學(xué)實(shí)踐中。比如我們制作了大量的課程展板(圖2)和PPT (圖3)，同時也拍攝了多個微視頻，特別是將一些耗時比較長、過程比較復(fù)雜的綜合實(shí)驗(yàn)通過視頻剪輯，讓學(xué)生更加直觀地理解實(shí)驗(yàn)過程。如圖4、圖5所示。

圖2 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程展板

圖3 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)項目PPT

圖4 海藻酸鹽微膠囊的控制制備及緩釋研究實(shí)驗(yàn)的視頻截圖

圖5 Al2O3吸附銅離子和聚乙二醇雙水相分離體系兩個實(shí)驗(yàn)的視頻截圖

這些信息資源的建設(shè)對于學(xué)生掌握一些關(guān)鍵的操作非常有指導(dǎo)意義。極大地提高了學(xué)生的預(yù)習(xí)質(zhì)量。

2.2 增加了大量的設(shè)計實(shí)驗(yàn)

結(jié)合本校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，分析實(shí)驗(yàn)I增加了大量的設(shè)計實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)分4個階段進(jìn)行。(1) 前期準(zhǔn)備：項目調(diào)研。(2) 開展自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)：2-3位同學(xué)自行組隊，通過初步探究確定最初實(shí)驗(yàn)方案。(3) 設(shè)計實(shí)驗(yàn)開題答辯：設(shè)計方案經(jīng)教師審閱、課堂答辯后，由學(xué)生按要求自主設(shè)計。(4) 完成實(shí)驗(yàn)：按照設(shè)計方案完成設(shè)計實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)報告的撰寫。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)具體的開設(shè)流程是第一次分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)時將設(shè)計實(shí)驗(yàn)的形式告知學(xué)生，樣品由學(xué)生(2人一組或者是3人一組)自主選擇。2周以后學(xué)生將選擇的樣品類型、測定方法告訴教師。4周后學(xué)生將設(shè)計實(shí)驗(yàn)的初步方案提交教師，教師來初步判斷實(shí)驗(yàn)的可行性(包括理論計算和實(shí)驗(yàn)條件選擇)。5周后如果學(xué)生的方案可行，學(xué)生可以初步進(jìn)行樣品制備及分析，如果發(fā)現(xiàn)問題及時和教師溝通并找到解決方法。6周后通過進(jìn)一步探究確定實(shí)驗(yàn)方案。7周后將實(shí)驗(yàn)方案以正式的設(shè)計論文提交。第9周全班進(jìn)行課題開題答辯。第10周完成整個設(shè)計實(shí)驗(yàn)。部分設(shè)計開題答辯照片如圖6所示。

圖6 部分設(shè)計實(shí)驗(yàn)課堂討論照片

選題達(dá)20多個，部分設(shè)計實(shí)驗(yàn)如下：

① 測定膨松劑中的鋁含量

② 脈動中還原糖及溶解氧含量的測定

③ 中科大也西湖水質(zhì)分析

④ 采用不同方法測定抗壞血酸的含量

⑤ 蛋白粉中蛋白質(zhì)含量的測定

⑥ 和州組灰?guī)r中銅含量的測定及白云質(zhì)含量測定

⑦ 中華牌牙膏中的二氧化硅含量測定

⑧ 碘量法測定紅茶中的糖

⑨ 催化劑含量分析

⑩ 白酒中甲醛含量測定

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)(下)增加了一些探究性的實(shí)驗(yàn)。完善并改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項目主要包括：

① 含鉻廢液的鉻價態(tài)分析及廢液處理

② 微晶酚酞固相分離富集-分光光度法測定痕量Zn(II)

③ 海藻酸鈣微膠囊的制備及緩釋研究

④ 碘與多羥基聚合物顯色反應(yīng)研究及分析應(yīng)用

鉻廢液的回收及價態(tài)分析，要求學(xué)生自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，在設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案的同時，將鉻廢液處理為無污染的形式便于排放，不僅鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生綠色化的理念。微晶酚酞固相分離富集-分光光度法測定痕量Zn(II)是為綜合型分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，讓學(xué)生初步了解分光光度法；鈣鋇混合液中各組分含量的測定是能夠提升學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€典型實(shí)驗(yàn)；其他幾個實(shí)驗(yàn)都是結(jié)合前沿?zé)狳c(diǎn)，讓學(xué)生初步了解科研動態(tài)以及開展科研的基本思路和基本方法。通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)及暑期科研基礎(chǔ)訓(xùn)練的開展，學(xué)生初步學(xué)會了書寫科技小論文。部分設(shè)計報告如圖部分設(shè)計實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。暑期科研基礎(chǔ)訓(xùn)練部分照片如圖8所示。

圖7 部分設(shè)計報告

圖8 暑期科研基礎(chǔ)訓(xùn)練

2.3 建立合作學(xué)習(xí)模式

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)I主要是訓(xùn)練基本的實(shí)驗(yàn)操作技能和深化學(xué)生對化學(xué)分析方法的理解。這些實(shí)驗(yàn)中涉及最多的是滴定操作。每個實(shí)驗(yàn)平均至少要做6次滴定實(shí)驗(yàn)。每個學(xué)生一個學(xué)期大概要做60次左右的滴定操作。如此大量的重復(fù)操作極大地影響了學(xué)生對課程的積極性。長此以往，學(xué)生將逐漸喪失對分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，這嚴(yán)重影響了分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。因此必須要對課堂教學(xué)的基本策略進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。合作學(xué)習(xí)模式側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，弱化過分關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象。好的學(xué)習(xí)活動和學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)當(dāng)首先使學(xué)生感興趣、愿意做。興趣一旦形成，學(xué)生對分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的投入就會更加專注。因此分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的設(shè)計要使做實(shí)驗(yàn)的過程成為一個滿足好奇心和學(xué)習(xí)需要的主動過程。合作學(xué)習(xí)模式下部分實(shí)驗(yàn)過程的照片如圖9所示。課堂中讓學(xué)生之間采用合作的方式，減少了重復(fù)操作，同時也節(jié)約了大量的試劑。讓學(xué)生在課堂上既有鍛煉基本操作的機(jī)會，同時還能有充足的時間進(jìn)行相互討論。有關(guān)這方面的教學(xué)研究心得已在第十二屆全國大學(xué)化學(xué)教學(xué)研討會(2013年)作了分會場報告，報告如圖10所示。

圖9 優(yōu)化學(xué)習(xí)模式的流程(a)；合作學(xué)習(xí)模式下部分實(shí)驗(yàn)過程的照片(b)

圖10 十二屆全國大學(xué)化學(xué)教學(xué)研討會分會場報告

3 結(jié)語

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課作為大學(xué)化學(xué)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，在“雙一流背景”下的化學(xué)專業(yè)教育中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。本文針對本校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題展開了研究，通過建立信息化的教學(xué)資源庫(包括大量形式多樣的課程展板、課程PPT、實(shí)驗(yàn)微視頻)、增加大量的設(shè)計實(shí)驗(yàn)、建立合作學(xué)習(xí)模式，有效地改善了課堂教學(xué)質(zhì)量、提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、豐富了學(xué)生的課堂體驗(yàn)、保障了分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的高質(zhì)量完成。希望能為其他高校提供借鑒。