牛麗紅， 崔愛莉， 尉京志， 楊 錦， 張四純

(清華大學(xué) 化學(xué)系， 北京 100084)

實驗課程改革

非化學(xué)專業(yè)大學(xué)化學(xué)實驗課程教學(xué)實踐

牛麗紅， 崔愛莉， 尉京志， 楊 錦， 張四純

(清華大學(xué) 化學(xué)系， 北京 100084)

大學(xué)化學(xué)實驗是清華大學(xué)非化學(xué)專業(yè)院系大一本科生的公共基礎(chǔ)課。清華大學(xué)的大學(xué)化學(xué)實驗單獨設(shè)課，學(xué)時短、選課人數(shù)多、學(xué)生實驗水平差別大。實驗室從實際出發(fā)，開設(shè)基礎(chǔ)知識與工科專業(yè)相結(jié)合的實驗內(nèi)容，采用多種教學(xué)形式提高教學(xué)效果，貫徹培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)理念，探索適合大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的有效模式，經(jīng)過幾年實踐，起到了較好的效果。

非化學(xué)專業(yè)； 大學(xué)化學(xué)實驗； 公共基礎(chǔ)課

化學(xué)實驗教學(xué)在本科化學(xué)教育和化學(xué)人才培養(yǎng)中起著基礎(chǔ)性的關(guān)鍵作用，實驗教學(xué)過程對學(xué)生的創(chuàng)新思想、創(chuàng)新意識的形成至關(guān)重要[1]。大學(xué)化學(xué)實驗是大學(xué)階段的第一門基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程,開設(shè)對象為工程物理、電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)、建筑技術(shù)科學(xué)、物理等非化學(xué)類院系一年級學(xué)生。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以全面了解化學(xué)實驗的一般知識和技能，樹立安全、規(guī)范、環(huán)保意識，培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力[2-3]。我校大學(xué)化學(xué)實驗單獨設(shè)課，16學(xué)時， 1學(xué)分；選修這門實驗的學(xué)生每年350～400人；由于高中硬件條件不同以及近幾年各地高中新課標(biāo)化學(xué)教育體系的變化，選課學(xué)生化學(xué)實驗水平差別非常大。面對上述情況，實驗室從實際出發(fā)，不斷改革實驗內(nèi)容，采用多種教學(xué)形式，貫徹培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)理念，探索適合大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的模式，起到了較好的效果。

1 結(jié)合專業(yè)特點的實用性實驗內(nèi)容

在教材選擇上，為配合實驗改革進行，出版了北京市高等教育精品教材“現(xiàn)代化學(xué)實驗基礎(chǔ)”，該教材重視現(xiàn)代前沿內(nèi)容和經(jīng)典內(nèi)容的連接和結(jié)合，實驗內(nèi)容上引入化學(xué)在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等方面的應(yīng)用實例，基本涵蓋了無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)的一些基本實驗原理和操作，不僅可以使學(xué)生對化學(xué)實驗有初步全面的了解，而且，還可以了解化學(xué)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用[4]。由于課時的限制，教師無法在課上詳細演示實驗操作，教研室拍攝了與教材配套的實驗演示光盤，學(xué)生可以隨時登錄網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂，下載觀看演示操作。

在實驗內(nèi)容的選擇上，根據(jù)工科學(xué)生的專業(yè)特點，增加一些貼近生產(chǎn)、生活的應(yīng)用性實驗，如“水的硬度測定”，要求學(xué)生自己采取水樣，有的學(xué)生測定宿舍樓中的水，有的學(xué)生測定不同品牌礦泉水、純凈水，根據(jù)測量結(jié)果對水質(zhì)硬度做出評價。又如“鋼中錳含量測定”，該實驗取材自工業(yè)生產(chǎn)實踐，所用原料45號鋼取自我校機械廠車床加工的下腳料，實驗中學(xué)生不僅學(xué)到了稱量、溶解、定容等實驗手段，掌握標(biāo)準(zhǔn)曲線作圖的方法，而且還親自體驗了工業(yè)生產(chǎn)中鋼中錳含量測定的方法(分光光度法)，另外還有“摩爾鹽的制備與純度檢驗”等，這類與生活緊密相關(guān)的實驗，不僅使學(xué)生掌握了一些實驗操作，而且對生活中的一些化學(xué)現(xiàn)象有了本質(zhì)的認識。

大學(xué)化學(xué)實驗課程重在化學(xué)規(guī)律性和研究方法的把握，拓寬課程視野，體現(xiàn)化學(xué)與能源、環(huán)境、材料和生命健康的息息相關(guān)，反映多學(xué)科的相互滲透與融合，樹立正確的能源觀念、環(huán)境意識以及人與大自然和諧共處的生態(tài)科學(xué)理念。教學(xué)中結(jié)合專業(yè)特點，引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)與其專業(yè)背景加以聯(lián)系，比如對于機械系的學(xué)生，要求他們對新能源部分了解更多一些，對于生命科學(xué)院的學(xué)生，有關(guān)元素的知識，特別是元素的生物功能要多介紹一些，對于材料系學(xué)生，要引入各種先進材料的介紹。在開展“專業(yè)與化學(xué)”課題調(diào)研活動中，將學(xué)生根據(jù)專業(yè)分成小組，要求他們通過查閱文獻，寫出與專業(yè)結(jié)合的化學(xué)實驗報告，雖然大部分學(xué)生是借鑒了一些教科書上的實驗，但在查文獻、寫報告的過程中加深了化學(xué)與其自身專業(yè)聯(lián)系的了解，大大提高了學(xué)生做化學(xué)實驗的主動性。

2 豐富多彩的教學(xué)形式

2.1重視化學(xué)史的啟蒙作用，提高學(xué)生的人文素質(zhì)

我國著名化學(xué)家傅鷹說過“化學(xué)可以給人以知識，化學(xué)史可以給人以智慧”。一切化學(xué)思想、化學(xué)概念及化學(xué)手段都有其背景和發(fā)展演變過程，凝聚著一代又一代化學(xué)家的心血和智慧，反映了他們的探索熱情和奮斗歷程。透過化學(xué)史的教學(xué)，能夠啟迪學(xué)生探索化學(xué)實驗背后所進行的思維活動。比如本生燈是德國化學(xué)家R.W.本生為裝備海德堡大學(xué)化學(xué)實驗室而發(fā)明的用煤氣為燃料的加熱器具。在本生燈發(fā)明前，所用煤氣燈的火焰很明亮，但溫度不高，是因煤氣燃燒不完全造成的。本生將其改進為先讓煤氣和空氣在燈內(nèi)充分混合，從而使煤氣燃燒完全，得到無光低亮度的高溫火焰。本生作為化學(xué)家，對科學(xué)具有廣泛的興趣，他早期研究有機化學(xué)，后來又涉獵無機化學(xué)、地質(zhì)學(xué)，并發(fā)明了很多鑒定、分離無機物質(zhì)的分析方法，將畢生的精力都用在培養(yǎng)學(xué)生和科學(xué)研究上。又如，現(xiàn)代儀器分析手段，目前還不能完全代替經(jīng)典分析方法，比如滴定分析、重量分析的準(zhǔn)確度，大大優(yōu)于現(xiàn)代儀器分析，所以在學(xué)習(xí)的過程中，必須重視精典內(nèi)容和現(xiàn)代前沿內(nèi)容的連接和結(jié)合，掌握較全面的知識，以適應(yīng)未來專業(yè)和學(xué)習(xí)的需要。另一方面，很多科學(xué)發(fā)明是沒有現(xiàn)成的儀器所用的，使用簡單儀器也可以發(fā)明創(chuàng)造。點滴分析法的創(chuàng)始人費格爾(維也納化學(xué)家)，他研究出一整套硫化銨和硫化氫的點滴分析法，所用的儀器相當(dāng)簡單，主要是磁質(zhì)點滴板、磁棒和濾紙等，而其靈敏度達10-8～10-5克，正是由于費格爾的貢獻，分析化學(xué)才出現(xiàn)了“超微量分析”這一分支。

對于剛接觸大學(xué)化學(xué)實驗的新生來講，在實驗課堂上穿插一些化學(xué)史的介紹和化學(xué)家奮斗故事的講述，對于實驗教學(xué)效果的提高大有裨益。首先，活躍了課堂氣氛，使學(xué)生對實驗充滿興趣；其次，通過了解知識背景，學(xué)生可更好地掌握該知識點，有利于提高科學(xué)素養(yǎng),同時，堅定學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)的信心和勇于鉆研的精神，為進行科研打下良好的情感基礎(chǔ)。

2.2 因材施教，開設(shè)開放實驗

大學(xué)化學(xué)實驗是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑之一[5-7]，而現(xiàn)有化學(xué)實驗?zāi)芰υu價標(biāo)準(zhǔn)過于簡單，遠遠不能滿足現(xiàn)代社會對學(xué)生化學(xué)實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的要求，因此有必要對大學(xué)化學(xué)實驗?zāi)芰υu價標(biāo)準(zhǔn)進行研究、完善和體系化。由于大學(xué)化學(xué)實驗學(xué)時比較短，僅2學(xué)時，而選修大學(xué)化學(xué)實驗的學(xué)生，高中化學(xué)水平(尤其是實驗水平)不一、動手能力參差不齊，這種情況下，開放實驗室非常有必要。在問卷調(diào)查中，90%的學(xué)生對開放實驗非常感興趣，10%的學(xué)生認為無所謂。

對于高中沒有做過實驗的學(xué)生要強調(diào)基本能力的訓(xùn)練,并逐步加以引導(dǎo),增強學(xué)生做好實驗的信心，允許重復(fù)上實驗課，并要求學(xué)生寫出實驗心得，從失敗中學(xué)到經(jīng)驗教訓(xùn)。經(jīng)過幾年的實踐，學(xué)生反響很好。高中化學(xué)基礎(chǔ)較好的學(xué)生(例如參加奧林匹克化學(xué)競賽獲獎的學(xué)生)，對于大學(xué)化學(xué)實驗內(nèi)容，他們往往多了一分優(yōu)越感,少了一分新鮮感。在教學(xué)過程中,對于這些學(xué)生注重引導(dǎo)他們對實驗內(nèi)容設(shè)計的思考，為其開設(shè)提高性的實驗，并以小論文的形式總結(jié)實驗過程。特別是利用清華大學(xué)優(yōu)秀的學(xué)生自主創(chuàng)新平臺——SRT(student research training)項目,學(xué)生每學(xué)期可多次申請自主研究項目，學(xué)校都會給予一定的經(jīng)費資助。例如，本學(xué)期大一工程物理系學(xué)生朱發(fā)強等3名學(xué)生選擇探索性實驗“銅氨配合物熱致變色現(xiàn)象討論”，他們合成了一系列熱致變色化合物，探討了相轉(zhuǎn)變溫度與配體的關(guān)系，獲得我校實驗室建設(shè)貢獻獎二等獎。物理系大一學(xué)生鮑亦澄將計算機知識應(yīng)用于化學(xué)實驗，設(shè)計的教學(xué)軟件“鋼中錳含量計算軟件”，可以當(dāng)堂給出學(xué)生實驗結(jié)果、成績及成績分布度，使得師生能夠在課堂上及時對實驗加以總結(jié)，目前該生即將赴哈佛大學(xué)物理系深造，他認為“化學(xué)實驗為我在大學(xué)化學(xué)起步階段打下良好的運用知識、創(chuàng)造知識的平臺”。材料系大一學(xué)生張晨慧申請的“離子色譜儀在分離混合離子中的應(yīng)用”，利用離子色譜儀分離混合離子，作為非化學(xué)專業(yè)的大一學(xué)生，熟練掌握了儀器操作方法，并提出了計算法和實測法的區(qū)別討論。這些都說明，學(xué)生有較強的求知欲望、自學(xué)能力和運用知識能力，只要給他們一片合適的沃土，在教師的指導(dǎo)下，他們就能做出更大成績。

這種方式不同于經(jīng)典的驗證實驗，實驗中增加了很多需要獨立探索的實驗條件，通過實驗過程的深入學(xué)習(xí)不僅提高了學(xué)生的實驗操作能力,鞏固了基礎(chǔ)知識,而且使學(xué)生對于現(xiàn)代化學(xué)理論及其應(yīng)用有了深刻的認識，從學(xué)生反應(yīng)來看，這種方式很受歡迎，“摒棄了照方抓藥式的實驗內(nèi)容的限制”“發(fā)揮余地比較大，培養(yǎng)獨立思考和解決問題的能力?！薄白灾鲗W(xué)習(xí)能力得到很大鍛煉，同時培養(yǎng)了團隊合作精神。”

葉圣陶先生講：“教是為了不教。”這首先是突出教師的教，即教師的主導(dǎo)作用。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、建設(shè)實驗平臺、積極進行開放實驗等，均需要教師的主導(dǎo)和引導(dǎo)，這對師資隊伍提出了很高的要求。適應(yīng)研究型和開放型的實驗內(nèi)容，要求教師必須有科學(xué)研究的經(jīng)歷和熟練的實驗技能；適應(yīng)綜合性的實驗內(nèi)容，要求教師具有廣博的專業(yè)基礎(chǔ)知識；實驗內(nèi)容的多樣化，要求教師必須有很強的應(yīng)變能力；實驗室開放的運行模式，要求教師必須有奉獻精神和很高的職業(yè)道德[8]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)資源，課堂的延伸

我國著名教育技術(shù)專家南國農(nóng)先生的基本觀點是 “把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來，使兩者優(yōu)勢互補，才能取得最佳的學(xué)習(xí)效果”。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂為師生互動提供了很好的交流平臺，為充分利用僅2學(xué)時的課堂時間，教師將一些演示操作提前放在網(wǎng)上“教學(xué)資源”板塊中，學(xué)生實驗課前自行選擇時間通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)，掌握相關(guān)操作方法，教師課上就可以針對性的講解，省去一些不必要的重復(fù)演示。每次實驗結(jié)束后，在“課程答疑”“課程討論”等板塊中學(xué)生就實驗現(xiàn)象展開討論，最后由課代表將典型性問題整理歸納后，在下次課上和任課教師共同討論。

發(fā)揮微信在課堂中交流平臺的作用，例如制備實驗中，學(xué)生紛紛將合成產(chǎn)品的圖片上傳到群中，第一時間獲取其他學(xué)生的實驗結(jié)果，在與其他學(xué)生比較的過程中，了解不同實驗條件下得到的產(chǎn)品形貌的不同，開展討論，教師加入討論并給予引導(dǎo)，大大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

與本課程相應(yīng)的理論課程“大學(xué)化學(xué)” 作為我校首批上線的先修課課程，在“學(xué)堂在線”上受到廣泛的關(guān)注和好評，其中別出心裁的實驗演示部分，受到業(yè)界廣泛關(guān)注[9]，課堂上適時的播放相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生從更微觀的角度了解實驗過程，課前提示—引發(fā)興趣—實驗探索—討論反饋，形成一個良性的學(xué)習(xí)過程。

3 基礎(chǔ)實驗中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

高等教育的首要任務(wù)就是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的學(xué)生。在實驗教學(xué)中更要開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。學(xué)生活躍的思維在化學(xué)實驗中體現(xiàn)為獨特的創(chuàng)造能力[9]。

在大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中, 元素及其化合物的性質(zhì)實驗占有十分重要的地位。這類實驗幫助學(xué)生從感性上直接認識元素及其化合物, 并要求學(xué)生較為系統(tǒng)地掌握元素及無機化合物的重要性質(zhì)。元素及其化合物的性質(zhì)實驗基本上是在試管中進行反應(yīng), 內(nèi)容多且雜, 容易使學(xué)生感到實驗內(nèi)容過于枯燥；另外，大一學(xué)生思維方式往往停留在中學(xué)教學(xué)模式中，不善于對教科書上的說法提出質(zhì)疑，而作元素性質(zhì)實驗過程中，往往得到與書中不盡相同的結(jié)論。在教學(xué)過程中，結(jié)合學(xué)生得到的異常實驗結(jié)果，引導(dǎo)他們查閱文獻，使他們意識到知識是發(fā)展的，即使是歷史上非常經(jīng)典的實驗，也蘊含著許多值得繼續(xù)研究的新課題。這種探究式的學(xué)習(xí)方法受到學(xué)生的普遍歡迎，大大提高了他們做元素性質(zhì)實驗的興趣。同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，簡單的無機化學(xué)反應(yīng)背后蘊藏著豐富的物理、化學(xué)、材料研究內(nèi)容, 任何一個新的現(xiàn)象都有可能成為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的起點。從紛繁復(fù)雜的表象背后看到問題的實質(zhì), 從簡單的化學(xué)反應(yīng)背后看到豐富的物理化學(xué)研究內(nèi)容 ,可以逐漸幫助學(xué)生樹立起正確的科學(xué)研究觀念[10]。

這種參與不僅使學(xué)生親歷了一次科研活動,了解了科研工作的一般規(guī)律,增強了學(xué)生做實驗的興趣,同時也提高了學(xué)生的科研能力,使學(xué)生的思維不拘于實驗中早已定好的過程。特別是通過在教師指導(dǎo)下追蹤最新文獻、翻譯資料,在這個過程中學(xué)生必然會認真思考,主動尋找怎樣才能提出自己的見解和觀點,從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識，激發(fā)了學(xué)生探索、鉆研問題的興趣，解決了理論知識和科學(xué)研究相脫節(jié)問題。這樣的教學(xué)過程，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

4 結(jié)語

大學(xué)化學(xué)實驗作為一門校級基礎(chǔ)課，是對大學(xué)新生進行素質(zhì)教育的重要途徑，授課教師要根據(jù)新生的心理特點開展針對性教學(xué)，在教學(xué)過程中努力讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)成功的歡樂, 使學(xué)習(xí)變得更有趣味,使得學(xué)生認識到化學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科的重要性。在提高實驗教學(xué)質(zhì)量的改革中，一手抓“基礎(chǔ)”，突出化學(xué)基本素養(yǎng)的訓(xùn)練，一手抓“提高”，突出學(xué)生個性化及綜合能力培養(yǎng)，為合格化學(xué)人才的培養(yǎng)進行有益的探索與實踐。通過近年來的摸索,初步取得了一些成績,學(xué)生非常喜歡這門基礎(chǔ)實驗課，這也給了從事基礎(chǔ)課實驗教學(xué)的教師更大的信心搞好教學(xué)工作。

感謝清華大學(xué)化學(xué)系李強教授(北京市教學(xué)名師，大學(xué)化學(xué)先修課主講教師)、崔愛莉研究員(大學(xué)化學(xué)實驗負責(zé)人)、基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中心主任張四純教授對本課程的支持，感謝博士生助教劉俊利、張思敏、劉東琳對本課程建設(shè)的貢獻，感謝SRT本科生鮑亦澄、朱發(fā)強、李昕珂、巫騰飛、張晨慧的積極參與。

References)

[1] 任艷平.“化學(xué)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”課程平臺[J].大學(xué)化學(xué)，2017,32 (1)：15-20.

[2] 強根榮,盛衛(wèi)堅,劉秋平,等.化學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2010,29(11):107-112.

[3] 馬世紅,趙在忠,王煜,等.開設(shè)實驗選修課培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能[J].物理實驗，2002,22(3):27-29.

[4] 袁書玉.現(xiàn)代化學(xué)實驗基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[5] 衛(wèi)星星，李銀濤，賈瑞虹．大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的探索與實驗[J]．化學(xué)教育，2016, 37(20):38-40.

[6] 王偉祖，鄭旭明.構(gòu)建實驗教學(xué)新體系，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]．實驗室研究與探索，2007,26(2):70-75.

[7] 趙云岺，歐陽津，孫豪嶺，等.基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程中學(xué)生能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[J]．化學(xué)教育，2015(6):42-45.

[8] 龔淑玲,黃馳,侯安新,等.以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高化學(xué)實驗教學(xué)效果[J]．實驗技術(shù)與管理, 2012, 29(8):1-8.

[9] 莊京.談基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)改革觀念[J].大學(xué)化學(xué)，2010, 25(1):13-16.

[10] 張洪奎,朱亞先,夏海平.構(gòu)建實驗課程體系，培養(yǎng)合格化學(xué)人才[J].實驗技術(shù)與管理,2012,29(1):7-10.

Teaching practice of university chemical experiment course for non-chemistry majors

Niu Lihong， Cui Aili, Wei Jingzhi， Yang Jin, Zhang Sichun

(Department of Chemistry, Tsinghua University, 100084 Beijing， China)

The university chemical experiment is a public fundamental course for the first year students of non-chemistry majors in Tsinghua University. The university chemical experiment course is set up independently in Tsinghua University, the teaching hours are short, the number of the students choosing this course is large, and their experimental levels are quite different. From the actual situation, the experimental contents with the combination of basic knowledge and engineering specialty are determined, the various teaching forms are adopted to improve the teaching effect, the teaching idea of training students’ innovative thinking is implemented, and an effective mode for the university chemical experimental teaching is explored. After several years of practice, better results have been achieved.

non-chemistry majors; university chemical experiment; public fundamental course

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.052

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0210-04

2017-05-23

清華大學(xué)本科教育教學(xué)改革項目(53410100537)

牛麗紅(1977—)，女，河北秦皇島，碩士，工程師，從事大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)工作，研究方向為超分子化合物的合成、性質(zhì)研究以及大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)、管理工作.

E-mailniulh @tsinghua.edu.cn