普通化學(xué)實驗新技術(shù)和新思路

范麗巖，劉亞菲，吳梅芬，許新華

同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092

普通化學(xué)實驗也可叫做大學(xué)化學(xué)實驗，是一門本科大類公共基礎(chǔ)課，與普通化學(xué)(或大學(xué)化學(xué))理論課程配套開設(shè)，授課對象一般是非化學(xué)類專業(yè)的一年級新生，授課面廣，學(xué)生專業(yè)背景各異。鑒于該實驗課程內(nèi)容是現(xiàn)代大學(xué)生應(yīng)該掌握的自然科學(xué)基礎(chǔ)知識的重要組成部分，而當(dāng)前各地高考體系多樣且變化不斷，寬廣的授課面和眾多的專業(yè)背景又導(dǎo)致選課學(xué)生的化學(xué)實驗水平參差不齊，因此國內(nèi)高校對普通化學(xué)實驗課程的改革工作一直持續(xù)進(jìn)行，如增加結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)的實用性實驗內(nèi)容[1]、“三因一自”模式增強(qiáng)學(xué)生主觀能動性[2]、基于學(xué)科交叉融合的新實驗教學(xué)體系[3]，以及學(xué)生主體-教師輔助的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式雙改革[4]等。這些實驗教學(xué)改革工作，有效提升了普通化學(xué)實驗的教學(xué)效果，對學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)有很大促進(jìn)作用。

國際化學(xué)教育領(lǐng)域在普通化學(xué)實驗上的改革力度更加巨大。近年來，在美國化學(xué)會Journal ofChemicalEducation期刊上發(fā)表了大量實驗教學(xué)論文，相當(dāng)一部分涉及到現(xiàn)代數(shù)碼設(shè)備和技術(shù)在傳統(tǒng)化學(xué)實驗中的應(yīng)用，令人產(chǎn)生耳目一新之感。與之相比，國內(nèi)普通化學(xué)實驗教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計和實驗技術(shù)仍然存在比較明顯的差距，主要有以下幾個問題：

(1) 過于強(qiáng)調(diào)實驗課程的“普通”特色，忽視了現(xiàn)代科技發(fā)展對學(xué)生的影響和對實驗教學(xué)方式的沖擊。

與其他的化學(xué)專業(yè)實驗課程相比，普通化學(xué)實驗無論從教學(xué)內(nèi)容和實驗技術(shù)看，都屬于入門級別。長期以來，普通化學(xué)實驗給人的印象一直是“瓶瓶罐罐，湯湯水水”，以同濟(jì)大學(xué)普通化學(xué)實驗室為例，實驗員一年為學(xué)生準(zhǔn)備試劑滴瓶超過2萬份次，更換滴管膠頭過萬只，各種顏色的試劑瓶在實驗室堆積如山。這種狀況，一方面反映出普通化學(xué)實驗課程教學(xué)的巨大工作量，但是從學(xué)生的角度看，無疑會留下這門課程嚴(yán)重落后于時代的印象，須知現(xiàn)在的95后、00后學(xué)生已經(jīng)是伴著數(shù)碼產(chǎn)品長大的一代，現(xiàn)代科技在他們身上已經(jīng)留下了深深的烙印，即使是像物理化學(xué)實驗這樣技術(shù)含量較高的實驗課程，很多實驗已經(jīng)可以數(shù)字化操作和測量，這些學(xué)生仍然覺得不滿意，經(jīng)常自覺或不自覺地拿出自己的數(shù)碼產(chǎn)品拍攝實驗過程和記錄實驗數(shù)據(jù)?？梢韵胂?，當(dāng)這些學(xué)生走進(jìn)普通化學(xué)實驗室，面對更加初級“普通”的實驗條件，肯定有恍如隔世之感。

(2) 過于強(qiáng)調(diào)實驗課程的“化學(xué)”特色，忽視學(xué)生來源的多樣性和對課程訴求的靈活性。

普通化學(xué)實驗是附屬于普通化學(xué)課程的，國內(nèi)各高校對該門實驗課程的定位一直是通過實驗加深對普通化學(xué)理論課知識的理解和掌握，這就導(dǎo)致在實驗內(nèi)容的安排上必須比較嚴(yán)格地與理論課內(nèi)容同步，無論各高校如何進(jìn)行普通化學(xué)實驗課程的改革，都沒有突破這個“緊箍咒”，這就導(dǎo)致普通化學(xué)實驗課程非常的“化學(xué)化”，即以培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)人才的思維和方式來進(jìn)行實驗的設(shè)計和教學(xué)。但是，對于普通化學(xué)實驗這種大學(xué)起步階段實驗課程，在課時有限的狀況下，缺乏基礎(chǔ)訓(xùn)練的學(xué)生往往無法理解教師的實驗教學(xué)設(shè)計思想，這個問題不是中國特有的，在國際化學(xué)教育界也普遍存在，英國格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的研究表明[5]，學(xué)生往往無法清晰了解所學(xué)課程各部分的重要性及相互關(guān)聯(lián)，造成這一現(xiàn)象的原因是教師及專家在實驗課程設(shè)計時過度考慮專業(yè)內(nèi)容，忽視學(xué)生感受。同時，時代的變化導(dǎo)致全世界的高等教育都面臨純理科學(xué)生日益減少的局面[6]，中國也概莫能外，絕大多數(shù)學(xué)生來做化學(xué)實驗，不是要成為化學(xué)家，用培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)人才的要求對學(xué)生進(jìn)行實驗教學(xué)，除了讓學(xué)生望而生畏、心生厭惡之外，恐怕不會有什么好的教學(xué)效果。

大多數(shù)非化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生并不會修習(xí)除普通化學(xué)實驗之外的其他專業(yè)化學(xué)實驗課程，因此該課程應(yīng)該向?qū)W生全面展現(xiàn)化學(xué)的魅力和作用，給學(xué)生留下正面的、積極的印象，在非化學(xué)類專業(yè)學(xué)生心中植入一點(diǎn)化學(xué)思維的種子，為培養(yǎng)新時代高素質(zhì)人才提供有益的營養(yǎng)。在此，我們根據(jù)多年的教學(xué)實踐及對歷屆學(xué)生性格稟賦心態(tài)的了解，結(jié)合國際國內(nèi)化學(xué)教育領(lǐng)域的新成果，對如何創(chuàng)設(shè)符合當(dāng)代大學(xué)生心理的普通化學(xué)實驗課程內(nèi)容和方法進(jìn)行了討論，希冀能夠拋磚引玉，與國內(nèi)同行一起努力做好實驗教學(xué)工作。

1 普通化學(xué)實驗課程改革的新技術(shù)和新思路

從微觀上說，化學(xué)研究分子、原子間的結(jié)合和分離；從宏觀上說，化學(xué)過程決定人類社會能量的轉(zhuǎn)化輸運(yùn)，以及新材料的開發(fā)利用等。對于非化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生而言，如何讓他們在普通化學(xué)實驗中身臨其境地體會到化學(xué)科學(xué)的作用，從而對化學(xué)產(chǎn)生正面積極的評價，需要從改革傳統(tǒng)化學(xué)實驗教學(xué)的內(nèi)容、方式和技術(shù)入手，形成全新的普通化學(xué)實驗教學(xué)思路，并研發(fā)出一批創(chuàng)新型的實驗教學(xué)項目。

1.1 化學(xué)反應(yīng)的微觀可視化

傳統(tǒng)化學(xué)實驗，尤其是普通化學(xué)實驗，注重化學(xué)反應(yīng)過程現(xiàn)象的觀察和描述，比如反應(yīng)過程中生成氣體、沉淀，產(chǎn)生顏色變化等。這些宏觀化學(xué)反應(yīng)速度較快，反應(yīng)的過程和細(xì)節(jié)不容易觀察，現(xiàn)有的實驗手段無法對其做出時間和空間上的細(xì)致展現(xiàn)。

現(xiàn)代電子技術(shù)和數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，使得原來昂貴的儀器設(shè)備變得廉價易用，電腦、數(shù)碼顯微鏡等設(shè)備已經(jīng)可以成為通用儀器，其價格并不比一臺常規(guī)實驗儀器更高，現(xiàn)在學(xué)生幾乎人手一臺的智能平板設(shè)備也基本具有放大攝錄功能。利用這些裝備，我們完全可以用一種全新的視角來向?qū)W生展現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程和現(xiàn)象，就像電影慢鏡頭一樣。我們將這一實驗設(shè)計理念稱為“微觀可視化”，即通過巧妙的實驗設(shè)計，使得原本在溶液中進(jìn)行的快速化學(xué)反應(yīng)變得緩慢，能夠在數(shù)碼顯微鏡下充分展現(xiàn)出反應(yīng)過程的動態(tài)細(xì)節(jié)，使學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)有更深刻的印象。雖然這種實驗技術(shù)不可能表現(xiàn)出單個分子、原子的運(yùn)動和反應(yīng)狀態(tài)，但是與傳統(tǒng)實驗相比，該技術(shù)通過電腦屏幕將反應(yīng)系統(tǒng)放大了50-200倍，能夠非常有效地觀察反應(yīng)物之間相互擴(kuò)散、反應(yīng)、生成晶體、釋放氣體，以及顏色變化等過程，形象生動、過程飄逸，學(xué)生形容觀察到的反應(yīng)體系如同宇宙星云般美麗。以該項技術(shù)為基礎(chǔ)，將合適的傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)實驗改造成為“微觀可視化”實驗，把傳統(tǒng)的在試管燒瓶中進(jìn)行的化學(xué)實驗搬到數(shù)碼設(shè)備和電腦屏幕上去，可能使化學(xué)實驗室的經(jīng)典形象徹底改觀。

1.2 實驗成果產(chǎn)品化

95后、00后學(xué)生的生活學(xué)習(xí)須臾離不開智能設(shè)備，這反而造成了他們對實物制作的濃厚興趣和愛好，并有通過手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行媒體擴(kuò)散和炫耀的特殊心理。普通化學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)模式是：教師講解-學(xué)生進(jìn)行實驗-觀察記錄實驗現(xiàn)象-回去寫實驗報告。這種模式，對于化學(xué)類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，沒有任何問題，因為他們的后續(xù)理論課程以及專業(yè)實驗足以使其充分了解化學(xué)科學(xué)的魅力和社會作用。但是，對于非化學(xué)相關(guān)類專業(yè)的學(xué)生，這種實驗教學(xué)方法和內(nèi)容就存在明顯的缺陷，因為以化學(xué)反應(yīng)和性質(zhì)測量為主要關(guān)注點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，使學(xué)生無法切身感受到化學(xué)對社會產(chǎn)生的作用。對于不打算從事化學(xué)相關(guān)專業(yè)工作的學(xué)生而言，讓他們通過實驗學(xué)習(xí)掌握各種各樣的化學(xué)方程式、學(xué)習(xí)規(guī)范的化學(xué)專業(yè)操作技能，并沒有很大的意義；相反的，如果讓他們在實驗中得到一些有用的、實物化的產(chǎn)品，則學(xué)生們對于化學(xué)的認(rèn)識反而更加直觀、深刻，對化學(xué)科學(xué)的理解也就更加正面、積極。比如，與其讓學(xué)生測定原電池的電動勢，不如安排他們制作各種類型的電池，甚至可以做成商品化的紐扣電池，用到他們自己的物品上(比如計算器、電子表、機(jī)械模型等)；再比如，與其讓他們學(xué)習(xí)如何合成乙酸乙酯，不如讓他們提煉一些真正的生物燃料，并用到他們的航模、空模和車模上。通過這種創(chuàng)造實物型的實驗教學(xué)活動，可以更加有效地培養(yǎng)學(xué)生對于化學(xué)的認(rèn)識和科學(xué)素養(yǎng)，并有可能在他們將來的工作中進(jìn)一步利用和發(fā)展。

1.3 化學(xué)理論的虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)

普通化學(xué)課程中涉及的很多理論問題，比如熱力學(xué)過程、分子原子結(jié)構(gòu)、電子軌道、反應(yīng)過渡態(tài)等，都是很難用宏觀實驗方法進(jìn)行直接觀察的，而微觀實驗技術(shù)和設(shè)備過于昂貴，也不能大規(guī)模應(yīng)用于普通化學(xué)實驗教學(xué)。因此，利用適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)軟件，對這些過程進(jìn)行虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)，是當(dāng)代化學(xué)教育的一個重要內(nèi)容。在這里，我們要特別指出這項工作不是目前流行的“虛擬實驗”，不是將現(xiàn)實的動手實驗虛擬化，而是將理論圖形化，可以將其歸屬于“微觀可視化”的一種類型，只是現(xiàn)在可視化的對象不是一個具體的化學(xué)反應(yīng)過程，而是一個化學(xué)理論。與“虛擬實驗不同”，該方法不是由教師或者編程人員預(yù)先編制好計算機(jī)程序，然后讓學(xué)生據(jù)此進(jìn)行虛擬實驗操作，而是用商品化的科學(xué)軟件，由學(xué)生自主地進(jìn)行模型設(shè)計、參數(shù)擬定和圖形表現(xiàn)，這本身就是一種運(yùn)用化學(xué)思維進(jìn)行創(chuàng)造性思考的實驗過程。

上述實驗技術(shù)或設(shè)計思路所要達(dá)到的目標(biāo)，簡而言之，就是要讓學(xué)生在這個全新的實驗室中，“看得見，摸得著”化學(xué)。所謂看得見，就是通過微觀可視化和虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)，讓學(xué)生以一種全新的視角來觀察化學(xué)；所謂摸得著，就是通過實驗成果實物化，讓學(xué)生切實感受到化學(xué)創(chuàng)造出來的、可以應(yīng)用于他們的生活工作中的產(chǎn)品，了解化學(xué)的社會作用。

2 普通化學(xué)實驗課程改革的實踐與創(chuàng)新

2.1 使用智能設(shè)備或數(shù)碼攝錄設(shè)備的化學(xué)反應(yīng)可視化

將化學(xué)反應(yīng)用圖像、視頻方式進(jìn)行呈現(xiàn)的方法已經(jīng)有不少優(yōu)秀案例，如中國科技大學(xué)的“美麗化學(xué)”項目[7]、清華大學(xué)化學(xué)實驗MOOC[8]等。但是這些工作主要是制作化學(xué)反應(yīng)過程的視頻作品，供學(xué)生和公眾觀看學(xué)習(xí)，以了解化學(xué)的美麗奇妙之處，其使用的高速延遲攝影設(shè)備及實驗器皿非常昂貴，不適合大規(guī)模的學(xué)生實驗。

現(xiàn)在學(xué)生中智能手機(jī)已經(jīng)完全普及，智能平板設(shè)備也有較高的擁有率，同時簡單的數(shù)碼體視顯微鏡的價格也在幾百元左右，均可作為可視化實驗的主體設(shè)備[9-11]，甚至可以使用掃描儀進(jìn)行光度法實驗[12]。普通化學(xué)實驗大多涉及溶液反應(yīng)，反應(yīng)速度快、溶液擾動大，反應(yīng)過程的精細(xì)過程在時間和空間維度上均不容易準(zhǔn)確觀察。為此，一般采取兩種策略來達(dá)到較為滿意的可視化效果：在反應(yīng)體系中添加特定指示劑，以及采用凝膠技術(shù)部分降低反應(yīng)速率、減少反應(yīng)體系擾動，比如在溶液中添加NH3指示劑，能夠清晰顯示銅電解過程中銅離子從陽極向陰極遷移的路徑和反應(yīng)區(qū)域[13]；將銅鋁置換反應(yīng)轉(zhuǎn)移到瓊脂凝膠中進(jìn)行，能夠形成結(jié)構(gòu)完整的銅晶體枝條，并對該反應(yīng)涉及的電子轉(zhuǎn)移、微電池效應(yīng)等進(jìn)行許多設(shè)計性實驗[14]；以及將兩種策略結(jié)合，在凝膠中添加雙指示劑酚酞和鐵氰化鉀，以觀察氧化、還原區(qū)域分離及金屬活動性順序等[15]。許多肉眼難以分辨的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象都能夠在數(shù)碼鏡頭下被呈現(xiàn)和記錄下來，例如將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動能量的振蕩反應(yīng)波[16]和微液滴驅(qū)動、展現(xiàn)滲透壓現(xiàn)象的“溶液中的法老之蛇”(亞鐵氰化鉀顆粒在硫酸銅溶液中反應(yīng))，以及繽紛精彩的晶體生長模式[17]等，圖1為部分實驗圖像。

圖1 數(shù)碼顯微鏡中的化學(xué)反應(yīng)

智能平板設(shè)備的另外一個優(yōu)勢功能就是可以搭載紅外成像配件，從而將學(xué)生觀察化學(xué)反應(yīng)的視野拓展到肉眼不可見的紅外波長范圍，可對化學(xué)反應(yīng)涉及的熱運(yùn)動和熱現(xiàn)象進(jìn)行原位實時觀察、攝錄和分析。這些紅外成像配件價格低廉，使得原先成本昂貴的紅外成像技術(shù)能夠比較容易地進(jìn)入普通化學(xué)實驗教學(xué)之中，比如液體的蒸發(fā)、對流過程，晶體結(jié)晶過程，溶液蒸發(fā)的拉烏爾效應(yīng)，理想溶液和非理想溶液混合過程的熱效應(yīng)，濃硫酸水合過程涉及的表面效應(yīng)，超細(xì)金屬顆粒的空氣自燃等，都可以在紅外成像技術(shù)之下形成極有價值的探究型教學(xué)實驗項目[18,19]，圖2是部分實驗的紅外成像圖片。

圖2 物理、化學(xué)過程的紅外熱成像

上述在可見光和紅外波長范圍的光學(xué)成像探頭可以整合在一個微觀可視化實驗平臺上(圖3)，同時搭載光纖光譜儀的光纖探頭，實現(xiàn)紅外-可見-紫外全域檢測。與常規(guī)光譜儀相比，光纖光譜儀探頭可自由移動轉(zhuǎn)向，并在吸收光譜、發(fā)射光譜和漫反射光譜模式間自由切換，且樣品池長度可大范圍調(diào)整，非常適合開展諸如原子線光譜測量、氣態(tài)分子吸收光譜測量等實驗，對普通化學(xué)教授原子分子結(jié)構(gòu)理論有很好的促進(jìn)作用。目前，我校已經(jīng)研制并裝備了一個示范性教學(xué)實驗室，配備了搭載上述三類探頭的化學(xué)可視化微平臺，可開展實驗項目十余項。

圖3 微觀可視化實驗平臺

2.2 化學(xué)實驗結(jié)果的實物化

在化學(xué)實驗課上做出一些生活化的產(chǎn)品，尚不是國內(nèi)高校普通化學(xué)實驗的主要內(nèi)容。然而，很多國際著名高校卻都有此類通識性的化學(xué)實驗課程，比如美國麻省理工學(xué)院(MIT)化學(xué)系就開設(shè)有廚房化學(xué)實驗(Kitchen Chemistry)[20]和高級廚房化學(xué)實驗(Advanced Kitchen Chemistry)[21]兩門課程，專門教授各種食物制作過程中的化學(xué)原理和方法。以下用幾個公開發(fā)表的案例說明，在完全符合傳統(tǒng)意義上的普通化學(xué)實驗課程中，是可以制作出實物產(chǎn)品用于學(xué)生的日?；顒又?。

案例1美國匹茲堡大學(xué)化學(xué)系開發(fā)了一個制作高性能常規(guī)電池的化學(xué)實驗，使用日用化學(xué)品或食品(如漂白劑、清洗劑、實驗、醋等)配制電解液，用罐頭金屬片制作電極，通過組裝形成工作電池，并系統(tǒng)研究了電解質(zhì)濃度、電極距離以及電極表面積對電池性能的影響。該實驗所制得的常規(guī)電池電動勢高于銅-鋅原電池，電流密度比典型空氣-鋁電池高75倍、比典型的水果電池(lemon batteries)高150倍，完全可以驅(qū)動各種機(jī)械模型[22]。該實驗全部完成僅需4課時，完全可以作為一個電化學(xué)實驗用于普通化學(xué)實驗課程中。

案例2北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院開發(fā)了一個簡易光伏電池制作的教學(xué)實驗，該實驗包括兩種光伏電池的制作：硫化銅/硅光伏電池和N719染料敏化的敏化光伏電池。實驗過程中學(xué)生會了解沉淀溶解平衡、元素性質(zhì)等基本化學(xué)原理在制作光伏電池這類實際的功能器件上的具體應(yīng)用，使學(xué)生體會普化實驗所涉及的內(nèi)容與化學(xué)前沿間的相關(guān)性；通過親手組裝簡易光伏電池，使學(xué)生對半導(dǎo)體、能帶理論、光伏效應(yīng)等抽象概念有一定的感性認(rèn)識，并了解化學(xué)過程與光、電現(xiàn)象之間的本質(zhì)聯(lián)系[23]。這個實驗適用于在大學(xué)一年級的普通化學(xué)實驗課程中開設(shè)。

案例3福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院設(shè)計以自制淀粉酶為催化劑催化淀粉水解制備麥芽糖漿，實驗將淀粉在自制定向酶的作用下水解生產(chǎn)麥芽糖，且利用所學(xué)的分析化學(xué)相關(guān)知識來對酶催化的特性進(jìn)行探究，也可以設(shè)計出酶活性的研究、酶催化的速度等其他方面的探索內(nèi)容[24]，完全不同于同類傳統(tǒng)實驗只限于定性觀察，且在酸的作用下水解生成葡萄糖的實驗內(nèi)容。

除此以外，利用材料的形變特性和表面特性制作相關(guān)用品也是實物化實驗設(shè)計的重要方面，比如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心利用熱縮材料的特性，設(shè)計并開發(fā)了可以“自己動手做”的熵致形變高分子材料掛件[25]；新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院以聚乙烯醇和單寧酸為原料制備出了形狀記憶水凝膠，以乙二胺四乙酸、二水合氯化銅、六水合氯化鎂、氧化鋁為原料制備出了無機(jī)熱致變色材料，以結(jié)晶紫內(nèi)酯、硼酸、十六醇為原料制備出了有機(jī)熱致變色材料，并將形狀記憶材料與熱致變色材料結(jié)合，成功制備出了兩種既能記憶形狀又能變色的新型復(fù)合高分子材料[26]；紹興文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院利用溶膠-凝膠法制備超疏水材料，并將基于靛藍(lán)胭脂紅變色的“紅綠燈”實驗在超疏水材料上進(jìn)行繪畫展示，讓學(xué)生親身感受化學(xué)之美、化學(xué)之趣，激發(fā)其對化學(xué)的興趣，引發(fā)學(xué)生對材料科學(xué)的探索和思考[27]。

在日常的普通化學(xué)實驗教學(xué)中，一直有高校嘗試讓學(xué)生進(jìn)行實物制作的教學(xué)內(nèi)容，我校研發(fā)了一系列天然植物提取物用于制作化妝品的化學(xué)實驗項目，包括麥冬、柴胡、黃芪、紅花、薄荷等中草藥，并用于制作保濕美艷護(hù)膚品、唇膏以及透明手工皂等產(chǎn)品，實驗過程涉及到植物有效成分提取、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、乳液調(diào)配等多個實驗操作技術(shù)，學(xué)生們形容這樣的實驗課程是“空手而來，滿載而歸”，非常受到學(xué)生的歡迎。這一類實物化制作實驗項目雖然內(nèi)容已經(jīng)不再新穎，但是如果能夠結(jié)合各高校的地域特色和生活習(xí)俗進(jìn)行改造，仍然能夠做成實驗精品，比如云南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院開發(fā)了一個制作鮮花香皂的教學(xué)實驗，乍一看這個實驗不就是一個手工制作(DIY)嘛，怎么能作為教學(xué)實驗?zāi)兀康蔷褪沁@樣一個手工皂制作的項目，被設(shè)計為包含豐產(chǎn)天然產(chǎn)物有效成分的提取、皂化反應(yīng)、添加攪拌制備日化產(chǎn)品等過程，將大學(xué)化學(xué)的基礎(chǔ)知識、基本實驗技能與日常生活相結(jié)合，制備出鮮花香皂，具有趣味性、系統(tǒng)性和連貫性，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實踐能力[28]。

2.3 化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實表現(xiàn)：軟件、手工與3D打印

可用于普通化學(xué)實驗教學(xué)的軟件有BioChemOffice、Gaussian等，前者的3D模式能夠比較方便地構(gòu)建分子的立體構(gòu)型，并用多種形式予以表現(xiàn)，不需要任何編程或量子力學(xué)知識，一年級新生比較容易上手使用，且軟件自帶的部分免費(fèi)計算功能也能夠完成分子構(gòu)型的優(yōu)化，顯示分子結(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)整過程，對初次接觸大學(xué)化學(xué)內(nèi)容的學(xué)生而言，有比較大的吸引力。結(jié)合前面可視化實驗平臺上進(jìn)行的晶體生長實驗，也能夠比較容易地獲得某些無機(jī)物的單晶體，比如五水合硫酸銅或一水合乙酸銅等，這些單晶在單晶衍射儀上獲得衍射數(shù)據(jù)是比較快的，然后就能使用免費(fèi)版的Mercury晶體分析軟件獲得這些晶體的三維原子分布(圖4)。

圖4 蒸發(fā)結(jié)晶形成的單晶體和Mercury軟件中的晶體結(jié)構(gòu)

如果化學(xué)軟件的使用受到經(jīng)費(fèi)和版權(quán)的制約，也可以借助傳統(tǒng)手段進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的模擬，比如中國傳統(tǒng)折紙手藝，早在上個世紀(jì)九十年代就被成都科技大學(xué)應(yīng)用于模擬復(fù)雜分子的構(gòu)型，并且在美國化學(xué)會《JournalofChemicalEducation》期刊上發(fā)表過系列論文[29-31]；香港浸會大學(xué)的學(xué)者也發(fā)表過類似論文[32]。可見，折紙法構(gòu)建分子模型是我們國家原創(chuàng)的教學(xué)方法，完全可以應(yīng)用于普通化學(xué)實驗教學(xué)中，或單獨(dú)開設(shè)實驗，或作為合成實驗后期產(chǎn)物分析和研究的輔助教學(xué)手段。此外，除了常規(guī)的分子結(jié)構(gòu)球棒模型教具外，北京大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心還提出用磁性球搭建密堆積晶體結(jié)構(gòu)的方法[33]，同樣非常適合普通化學(xué)實驗的教學(xué)工作。

當(dāng)前，3D打印技術(shù)蓬勃發(fā)展，并且已經(jīng)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)之中[34,35]?？梢灶A(yù)見，當(dāng)該技術(shù)的成本降低到一定程度后，必然會被引入普通化學(xué)實驗的教學(xué)中，其作為分子結(jié)構(gòu)等物質(zhì)微觀信息的現(xiàn)實模擬手段，會使學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的獲得感更加豐富。

3 結(jié)語

作為普通化學(xué)實驗課程內(nèi)容改革的主要基礎(chǔ)，化學(xué)反應(yīng)過程的可視化技術(shù)、微觀結(jié)構(gòu)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及實驗結(jié)果實物化模式將會極大改進(jìn)當(dāng)前課程給學(xué)生的觀感。當(dāng)然，這些技術(shù)和模式仍然要不斷尋求與傳統(tǒng)實驗教學(xué)項目之間的融合以及與理論課程之間的相互配套，將化學(xué)教育中比較分散的知識點(diǎn)通過實驗呈現(xiàn)出來，連接起來，使學(xué)生在更新、更高的觀察維度上認(rèn)識化學(xué)、在更深更廣的情感維度上接受化學(xué)。唯有如此，我們培養(yǎng)的學(xué)生，無論他們是什么專業(yè)背景，才是擁有比較完整科學(xué)價值觀的人；也唯有如此，我們熱愛的化學(xué)學(xué)科也才會擁有更平坦寬廣的前途。