強根榮， 曾秀瓊， 楊振平， 劉秋平， 艾 寧

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)實驗教學(xué)中心，杭州 310014；2. 浙江大學(xué) 化學(xué)實驗教學(xué)中心，杭州 310058)

0 引 言

“十二五”期間，通過精品課程、示范中心等一系列質(zhì)量工程項目的建設(shè)，各高校化學(xué)實驗教學(xué)改革的成效非常顯著，都取得了可喜的教學(xué)成果。但是，在日常的教學(xué)過程中，總感覺有些美中不足，主要是內(nèi)容不夠精深，學(xué)生基本技能不夠扎實，工科學(xué)生的綜合實踐能力不夠強勁，創(chuàng)新意識不夠活躍。這些問題需要大家去進一步思考和解決，套用孔子在《論語》中說到的“學(xué)而時習(xí)之，不亦說乎”這句話，對于今天的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)來說，應(yīng)該讓學(xué)生“學(xué)而時習(xí)之，習(xí)而常思之”，多動手，勤思考，以此達到“師古不泥，善用其心，廣吸營養(yǎng)，為我所用”的效果。

1 構(gòu)建工科專業(yè)化學(xué)實驗新型教學(xué)模式的理念

工科類專業(yè)化學(xué)實驗的教學(xué)時數(shù)一般不會很多。在有限的時數(shù)內(nèi)，如何全面訓(xùn)練學(xué)生的實驗基本技能，培育實驗的創(chuàng)新思維，鍛煉實際的創(chuàng)新能力，必須對大學(xué)化學(xué)實驗課程進行頂層設(shè)計、合理規(guī)劃。在創(chuàng)建化學(xué)化工國家級實驗教學(xué)示范中心的過程中，建立了“3階段(學(xué)科基礎(chǔ)實驗-專業(yè)基礎(chǔ)實驗-專業(yè)實驗)、4層次(基礎(chǔ)規(guī)范性實驗-綜合設(shè)計性實驗-研究探索性實驗-創(chuàng)新實踐)、一體化(理、工科實驗)”的遞進式化學(xué)化工實驗教學(xué)體系。圍繞這一體系，大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)的改革必須以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和社會責(zé)任感為主線，遵循“多元融合、創(chuàng)新主導(dǎo)、寓教于研、協(xié)同育人”的建設(shè)理念，按照基礎(chǔ)性、層次性、自主性、開放性等核心基本原則和綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性等高層次原則，引入科研發(fā)展的實驗內(nèi)容和訓(xùn)練方式，采用多樣化的教學(xué)方法，促進開放式實驗教學(xué)，建設(shè)具有地方院校學(xué)科優(yōu)勢和特色的有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的實驗課程[1]。

根據(jù)該理念和要求，立足于傳統(tǒng)的化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容，淘汰部分不適合現(xiàn)代社會發(fā)展、環(huán)境需求的實驗，開發(fā)、充實新型的實驗內(nèi)容，同時，進一步完善、補充“基礎(chǔ)化學(xué)實驗”國家精品資源共享課程的特色內(nèi)容-化學(xué)系列性實驗，加強在化學(xué)一級學(xué)科內(nèi)跨二級學(xué)科實驗內(nèi)容的綜合。通過這些研究、內(nèi)容開發(fā)以及陸續(xù)的課程建設(shè)工作，做“實”、做“全”基本技能實驗，做“大”、做“精”系列性實驗，做“深”、做“強”綜合性實驗，做“活”、做“新”研究探索性實驗，使實驗教學(xué)效益最大化，為人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升起好步、鋪好路。

2 工科專業(yè)化學(xué)實驗新型教學(xué)模式的構(gòu)建

“化學(xué)實驗”是一門理學(xué)課程，工科類專業(yè)的教學(xué)要準(zhǔn)確定位，必須在保持并更好、更全面體現(xiàn)課程基礎(chǔ)性的同時，探索培育學(xué)生工程意識的教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，使基本技能實驗更具全面性，綜合性實驗更具新穎性，系列性實驗、研究探索性實驗更具深度和廣度[2-3]。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的更新

不言而喻，對教學(xué)改革來說，教學(xué)內(nèi)容的研究開發(fā)和不斷更新是第一位的，教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)的核心要素[4]，它是任何教學(xué)改革的基礎(chǔ)，離開了教學(xué)內(nèi)容，什么都變成了“無本之木”。我?；瘜W(xué)實驗教學(xué)總時數(shù)為176學(xué)時，基本滿足工科類學(xué)生化學(xué)實驗基本技能訓(xùn)練的需要，但是，在緊張有限的教學(xué)時數(shù)內(nèi)要加強綜合設(shè)計性、研究探索性實驗的教學(xué)，難度很大，只能通過選修課、課外科技活動等形式來補充，因此，統(tǒng)籌考慮實驗教學(xué)內(nèi)容，著重從以下3方面進行了改革。

(1) 做“實”、做“全”基本技能實驗?；瘜W(xué)實驗技能包括蒸餾、分餾、減壓蒸餾、水蒸氣蒸餾、重結(jié)晶、萃取洗滌、物質(zhì)干燥、薄層色譜、柱色譜、機械攪拌、熔點測定、波譜鑒定等。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，一般會開設(shè)一些簡單的操作實驗，目的是讓學(xué)生學(xué)會這些基本操作。但實施的效果并不好，學(xué)生的興趣也不大，真正碰到實際問題時，學(xué)生對基本操作很陌生。比如，原有開設(shè)的薄層色譜實驗，學(xué)生在制備了薄層板后，點上靛酚藍、蘇丹紅及其混合樣品三個點，展開后測量距離，計算比移值。實驗時學(xué)生感覺很新鮮，但到有機合成時不知道如何使用這個操作。為此，設(shè)計開設(shè)了二苯基乙二酮的制備實驗，將薄層色譜操作真刀真槍地應(yīng)用到該實驗中，跟蹤反應(yīng)進程，極大地提高薄層色譜的教學(xué)效果。

又如，由于專業(yè)特點和時數(shù)的關(guān)系，原先沒有安排柱色譜教學(xué)內(nèi)容，而這一內(nèi)容是現(xiàn)代有機合成分離中非常重要和常用的技術(shù)。另外，原來開設(shè)的鄰叔丁基對苯二酚的制備實驗，需用大量的二甲苯做溶劑，氣味比較濃烈，實驗環(huán)境較差。為此，在無法增加教學(xué)時數(shù)的前提下，研究開發(fā)了乙酰二茂鐵的制備與柱色譜分離實驗，替換原來的鄰叔丁基對苯二酚的制備實驗。實驗替換后，在原有的機械攪拌等實驗技能上增加了柱色譜操作，而且實驗環(huán)境大大改善。通過實驗內(nèi)容的開發(fā)，化學(xué)實驗基本技能得到更加全面的訓(xùn)練。

(2)做“深”、做“強”綜合性實驗。進一步研究開發(fā)跨二級學(xué)科實驗內(nèi)容的新型的綜合性實驗，將當(dāng)今社會難度適宜的熱點問題及科研內(nèi)容引入到教學(xué)實驗中，一方面可增強學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力，另一方面，也可增強實驗的趣味性[5-7]。

以汽車新能源的燃燒熱測定綜合性實驗為例，實驗由兩部分組成。第1部分是汽油添加劑的合成：甲醇汽油添加劑讓學(xué)生來合成。例如，汽車排放的尾氣中含有對人體危害較大的鉛塵污染物，為了減少大氣中的鉛塵污染，現(xiàn)用甲基叔丁基醚替代四乙基鉛作為抗爆劑，生產(chǎn)無鉛汽油。甲基叔丁基醚是一種高辛烷值汽油添加劑，具有優(yōu)良的抗爆性，對環(huán)境無污染[8-11]。第2部分是甲醇汽油燃燒熱的測定：用氧彈式量熱法測定甲醇汽油的燃燒熱[12-14]。實驗可以將甲醇汽油中甲醇的添加比例、甲醇汽油添加劑、改善發(fā)動機臺架等作為研究方向，通過對不同甲醇比例或添加不同添加劑的甲醇汽油的熱值進行測定，以及對所得實驗數(shù)據(jù)的分析，探討甲醇汽油合適的配比或添加劑，分析發(fā)動機燃用時理論油耗與實際油耗存在差距的原因，為進一步提升甲醇汽油使用性能提供參考。

(3) 做“大”、做“精”系列性實驗和研究探索性實驗。首先，加深系列化、專題化實驗教學(xué)，促進綜合實踐能力鍛煉。我們在基礎(chǔ)化學(xué)實驗國家精品課程建設(shè)過程中，逐漸形成了基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)的特色，研究開發(fā)了系列化實驗(即在幾個彼此獨立的實驗中，尋找它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，插入新的內(nèi)容將它們相互串連起來，構(gòu)成一個有機整體，學(xué)生經(jīng)過幾步有機合成得到目標(biāo)產(chǎn)物)，組織了教學(xué)實施，并不斷地研究實驗的深度、廣度和精度，拓寬教學(xué)覆蓋面，加大改革的力度，使改革效益得到進一步顯現(xiàn)。

以“苯甲醛—肉桂酸—肉桂酸酯的系列合成”實驗為例。該實驗既可以最大限度地減少實驗室學(xué)生實驗產(chǎn)品(肉桂酸、苯甲醇、苯甲酸)的存放，又讓學(xué)生充分應(yīng)用了微波合成、離子液體等新型實驗手段。① 按Perkin反應(yīng)機理合成肉桂酸。要求學(xué)生采用不同的催化劑、不同的介質(zhì)、不同的加熱方式，用苯甲醛和乙酸酐作原料合成肉桂酸。② 肉桂酸酯化反應(yīng)。一方面，采用微波加熱的方式，提供不同的醇，與肉桂酸進行酯化反應(yīng)。另一方面，采用常規(guī)加熱，利用苯甲醛的歧化反應(yīng)制得的苯甲醇與肉桂酸進行酯化反應(yīng)，制備肉桂酸芐酯。③ 利用Knoevenagel 反應(yīng)制備肉桂酸，在“綜合化學(xué)實驗”選修課中學(xué)生已作了仔細地研究[15]。將這一反應(yīng)應(yīng)用于本科基礎(chǔ)教學(xué)中，讓學(xué)生比較利用Perkin反應(yīng)和Knoevenagel 反應(yīng)制備肉桂酸的不同方法，在比較中學(xué)習(xí)，在比較中提高。

其次，進一步拓展研究探索性實驗，活躍創(chuàng)新思維。深入研究了基礎(chǔ)化學(xué)實驗與專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)實驗的相互關(guān)系，開發(fā)一些可以與化工實驗緊密銜接的大學(xué)化學(xué)實驗，進行化學(xué)、化工實驗一體化教學(xué)。通過這些措施，一方面將理科化學(xué)實驗縝密的研究思路和嚴(yán)格的實驗方法應(yīng)用到工科實驗中，另一方面，將工科化工實驗強烈的工程意識和實際的應(yīng)用能力融入到理科實驗中，促進學(xué)科交叉、理工結(jié)合、協(xié)同提高，促使“科學(xué)原理探索—工程技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練—單元操作組合運用”的融會貫通。

以“無水乙醇的生產(chǎn)”為例(見圖1)，在基礎(chǔ)化學(xué)實驗階段， 要求學(xué)生了解恒沸物的概念，掌握氣液平衡數(shù)據(jù)的測定方法和相圖的繪制，掌握蒸餾、分餾的基本操作和氣相色譜條件的確定、檢測方法等。在專業(yè)基礎(chǔ)實驗階段，精餾操作的影響因素，如塔板數(shù)、進料狀態(tài)、操作壓力，還考察恒沸精餾和萃取精餾的異同之處。在專業(yè)實驗階段，進行中試規(guī)模的生產(chǎn)操作，包括開停車、故障診斷等，進一步結(jié)合教師的科研成果，引入超重力旋轉(zhuǎn)床精餾設(shè)備等新型過程強化設(shè)備，使學(xué)生實驗與科學(xué)研究、工程訓(xùn)練和社會應(yīng)用結(jié)合。

圖1 化學(xué)化工實驗一體化教學(xué)(無水乙醇的生產(chǎn))實施示例圖

2.2 教學(xué)方法的改革

有了好的教學(xué)內(nèi)容，必須通過好的教學(xué)方法來實施。針對工科類專業(yè)，要不斷強化實驗的工程觀和經(jīng)濟觀，培養(yǎng)學(xué)生工程能力，提高學(xué)生解決工程實際問題的能力。實際問題往往是不確定的，需要知識和技能的綜合運用，注重工程需求的整體性和可行性，要讓學(xué)生充分了解產(chǎn)生問題的原因和解決問題的關(guān)鍵因素。在教學(xué)過程中，教師要注重知識的系統(tǒng)性和整體性，共性整合、突出特色，為此，必須設(shè)計具有綜合性的模塊訓(xùn)練，綜合運用所學(xué)的知識和技能，形成實驗內(nèi)容的 “基礎(chǔ)教學(xué)—專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)—專業(yè)教學(xué)”的一體化教學(xué)體系。

近年來，大力實施了實驗教學(xué)方法的改革，其中“理論與實踐貫通的專題式大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革探索”[16]“以問題為導(dǎo)向的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐”[17]“參與式教學(xué)模式在大學(xué)化學(xué)實驗課程中的研究與實踐”[18]“大學(xué)化學(xué)實驗混合式教學(xué)模式的研究與實踐”等項目先后被列為浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目。如在專題式教學(xué)中，首先按化合物類型分成一個個專題，在專題中包含基本實驗(課堂內(nèi)必須完成)、拓展實驗和應(yīng)用性實驗(可在課外完成)等。實驗前要結(jié)合化學(xué)課堂上學(xué)到的理論知識，進行認(rèn)真預(yù)習(xí)，寫出反應(yīng)機理、注意事項、預(yù)期的難點等，并給出解釋，通過實驗進一步確認(rèn)?；緦嶒灙毩⑼瓿桑卣箤嶒灪蛻?yīng)用性實驗可以合作完成，以便于相互討論，比較實驗方案和實驗結(jié)果的優(yōu)劣。通過這些做法，拓寬了學(xué)生的知識面，又逐步地教會學(xué)生科學(xué)研究的基本方法。

再如，通過以問題為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，釋放了實驗前的講解時間，課內(nèi)騰出了更多的時間用于學(xué)生實驗，增強實驗課堂中師生的交互性，使得教師從傳統(tǒng)課堂中的知識和技能的傳授者變成了學(xué)習(xí)的促進者和指導(dǎo)者，教師不再是知識交互和應(yīng)用的中心，只是學(xué)生進行學(xué)習(xí)的主要推動者。而學(xué)生借助于豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，可以進行自我知識延伸，自我控制學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)地點、學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)量，真正成為學(xué)習(xí)的主體。

以苯甲酸的微波合成和苯甲酸乙酯的制備實驗為例。實驗前提出以下問題，供學(xué)生思考：①酯化反應(yīng)的工藝路線是否合理？闡述理由。②從實驗的加熱手段、反應(yīng)中原子的利用率、實驗中間體苯甲酸的利用(減少實驗室廢棄物)、選擇酯化反應(yīng)的帶水劑、選擇酯化反應(yīng)催化脫水劑等多方面闡述綠色化學(xué)的理念。③實驗中產(chǎn)生的二氧化錳如何處理或利用？④酯化反應(yīng)中未反應(yīng)完全的苯甲酸如何提取和處理？⑤實驗中用分水器來分離酯化反應(yīng)產(chǎn)生的水，工業(yè)上如何來解決？⑥實驗中用乙醚作萃取劑，乙醚的回收率有多少？⑦實驗中用10%Na2CO3作洗滌劑，生產(chǎn)1 t苯甲酸乙酯，廢堿的排放量有多少？⑧苯甲酸乙酯用減壓蒸餾來精制，需要哪些設(shè)備？⑨減壓蒸餾保護系統(tǒng)中的3個吸收塔，在工業(yè)上是如何實施的？

在開設(shè)這個實驗時，傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往忽視了這些問題，甚至從未提出過這些問題。學(xué)生根本沒有一點工程意識，實驗結(jié)束后產(chǎn)品回收即了事。通過這些問題的思考，學(xué)生會很自然地將實驗室與工廠結(jié)合起來。

3 化學(xué)實驗新模式的實施效果

工科化學(xué)實驗教學(xué)的改革，使學(xué)生基本技能和綜合創(chuàng)新能力得到明顯提高。我校自2008年受邀參加每兩年一屆的全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽以來，在參賽學(xué)生大多是國內(nèi)“985”高校理科化學(xué)專業(yè)學(xué)生的情況下，連續(xù)獲得二等獎的好成績。除此之外，實驗教學(xué)向第二課堂延伸，將新開發(fā)的綜合性實驗、研究探索性實驗等應(yīng)用到大學(xué)生課外科技活動，面向包括各級大學(xué)生創(chuàng)新實驗計劃項目在內(nèi)的學(xué)生課外科技活動全面開放，讓學(xué)生帶著問題進入實驗室，第二課堂與第一課堂齊頭并進，有效地提高學(xué)生實踐能力，促進學(xué)生多樣化成才?；W(xué)院本科生負(fù)責(zé)國家級“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃”項目和浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃項目30多項， 獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎及浙江省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎等獎項20項。這些成績充分體現(xiàn)了化學(xué)實驗教學(xué)和改革的效益。

4 結(jié) 語

在今后的實驗教學(xué)實踐中，為增強工科學(xué)生的工程意識，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，將進一步著力化學(xué)實驗的工程化探索，通過在實驗教學(xué)中引入綜合設(shè)計和研究探索性實驗，完善“理工”一體化教學(xué)體系，讓學(xué)生更加明確反應(yīng)條件的設(shè)計、操作技能的應(yīng)用，更加有效的提高分離效果、回收溶劑、降低成本、減少污染等，學(xué)會從實驗室制備與工業(yè)生產(chǎn)角度來分析工藝條件、原料配比等對產(chǎn)品收率、成本及環(huán)境的影響。與此同時，把綠色化學(xué)化工理念進一步滲透到實驗教學(xué)內(nèi)容和過程中，通過引入綠色化學(xué)化工技術(shù)，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗，處理實驗過程中產(chǎn)生的“三廢”，使學(xué)生接觸綠色科技前沿，提高學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力，增強學(xué)生的社會責(zé)任感和人文關(guān)懷。

通過這些改革，化學(xué)實驗將更好地承載“基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合，基本技能規(guī)范訓(xùn)練與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合”人才培養(yǎng)軌道，有效地提高學(xué)生實踐能力，促進學(xué)生多樣化成才。