張霞 徐燁 孫挺 王林山

(東北大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系 遼寧沈陽110817)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要手段，是本科教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著我國高等教育的發(fā)展，國內(nèi)各高等學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)投入了很多資金用于購置先進(jìn)的儀器設(shè)備，并對(duì)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，取得了顯著的教學(xué)成果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研思維起到了重要作用［1-4］。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，學(xué)科之間的交叉滲透越來越深入?；瘜W(xué)科學(xué)與材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和采礦以及礦物加工等學(xué)科專業(yè)之間的學(xué)科交叉，導(dǎo)致了新的科學(xué)研究增長點(diǎn)，引起了相關(guān)學(xué)科專家學(xué)者的高度重視，同時(shí)也對(duì)化學(xué)科學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)提出了更高的要求。

作為東北大學(xué)公共基礎(chǔ)課程之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列課程面向16個(gè)專業(yè)的46個(gè)班級(jí)約1380名學(xué)生。具體實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系安排如表1所示。由于在教學(xué)實(shí)踐過程中，深感不同專業(yè)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)需求的差異，我們從2007年開始嘗試根據(jù)不同專業(yè)特色和需求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革。在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，適當(dāng)安排研究探索類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以訓(xùn)練學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新思維。如開設(shè)了化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程;采取自主開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在儀器分析實(shí)驗(yàn)課程中通過自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，東北大學(xué)理工科學(xué)生的整體化學(xué)實(shí)驗(yàn)綜合技能得到提高。

表1 東北大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系

(1)從專業(yè)特色和需求出發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

我們通過與專業(yè)教師進(jìn)行交流，了解了不同專業(yè)的特色與專業(yè)需求;據(jù)此，在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，按照學(xué)生的專業(yè)特色進(jìn)行了分類，并在此基礎(chǔ)上，有計(jì)劃分步驟地設(shè)計(jì)了有特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

工科分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)面向冶金工程、安全工程、環(huán)境工程和環(huán)境科學(xué)專業(yè)開設(shè)。在完成基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練基礎(chǔ)上，按照專業(yè)特色，設(shè)計(jì)了不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。冶金工程和安全工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目側(cè)重分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在金屬冶金分析中應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)了“鋁合金中的鋁及其他元素的綜合分析”實(shí)驗(yàn);內(nèi)容包括:原子吸收法測(cè)定鋁合金中Cu和Mg，絡(luò)合滴定法測(cè)定鋁合金中Al含量，分光光度法測(cè)定鋁合金中的Fe，離子選擇性電極測(cè)定鋁合金中的F等。環(huán)境工程等專業(yè)側(cè)重分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用，為此設(shè)計(jì)了“廢水中污染物質(zhì)的綜合分析”;內(nèi)容包括:絡(luò)合滴定法測(cè)定廢水樣中的金屬污染物Pb2+，原子吸收法測(cè)定廢水樣中的重金屬污染物Cu2+和Cd2+，分光光度法測(cè)定廢水中的Fe3+，離子選擇性電極測(cè)定廢水樣中的F-，氣相色譜法測(cè)定廢水中有機(jī)污染物。

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)也是本著“學(xué)以致用”的原則，針對(duì)學(xué)生的不同專業(yè)特色和需求，設(shè)計(jì)不同的教學(xué)內(nèi)容。工科無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如表2所示。針對(duì)材料冶金特色專業(yè)(冶金工程、采礦、礦物加工等專業(yè))開設(shè)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目注重與金屬冶金過程相關(guān)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括鋁的陽極氧化、未知固體鑒定等;環(huán)境特色專業(yè)(環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)等專業(yè))注重與環(huán)境治理科學(xué)相關(guān)的化學(xué)過程，據(jù)此開設(shè)了食用碘鹽中離子濃度測(cè)定、廢水處理及化學(xué)需氧量測(cè)定等實(shí)驗(yàn)。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理上，我們采取開放式管理，學(xué)生可以從興趣出發(fā)，選做其他專業(yè)的實(shí)驗(yàn)。

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)也結(jié)合學(xué)生的專業(yè)特色，開設(shè)了系列特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于高溫?zé)崃W(xué)過程在冶金、材料等研究體系中普遍存在，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)了12學(xué)時(shí)的高溫?zé)崃W(xué)實(shí)驗(yàn)，包括:碳的氣化反應(yīng)，Bi-Sn二元相圖，KNO3的差熱曲線測(cè)定與分析;并根據(jù)需要自行研制了實(shí)驗(yàn)裝置。例如，我們自行設(shè)計(jì)的Bi-Sn二元相圖繪制實(shí)驗(yàn)裝置與商品化的二元相圖繪制實(shí)驗(yàn)裝置(所有部件都裝在一個(gè)盒子內(nèi)，外部只顯示溫度變化)相比的一個(gè)主要特點(diǎn)是:學(xué)生能夠直觀地觀察到二元相圖的生成過程。

表2 工科無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

通過不斷完善專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，將化學(xué)實(shí)驗(yàn)與學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，能使學(xué)生將所學(xué)到的化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)用于后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)，真正做到學(xué)以致用。

(2)開設(shè)探索性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新思維。

我們把科學(xué)研究成果和一些化學(xué)前沿性的內(nèi)容引入到本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)了一些研究性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，擴(kuò)大了他們的視野，使學(xué)生對(duì)研究型實(shí)驗(yàn)過程有了較深入的了解，培養(yǎng)了其科學(xué)研究意識(shí)。

對(duì)于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，我們?cè)谄渫瓿蔁o機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和儀器分析實(shí)驗(yàn)課程之后，又開設(shè)了化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程(48學(xué)時(shí))。我們依據(jù)教師的科研課題設(shè)計(jì)了3個(gè)24學(xué)時(shí)的綜合實(shí)驗(yàn)，這3個(gè)大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容分別來自于國家自然科學(xué)基金和遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的研究成果(表3)。

表3 化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程中3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的來源

每個(gè)大實(shí)驗(yàn)由4～6個(gè)小實(shí)驗(yàn)組成，從物質(zhì)的化學(xué)合成出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)檢測(cè)以及性能測(cè)定，探索目標(biāo)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。其中每個(gè)小實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都很重要，關(guān)系到下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功與否。例如，實(shí)驗(yàn)I(金屬氧化物無機(jī)材料的合成、表征和性能研究)由6個(gè)4學(xué)時(shí)小實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)名稱分別如下:①納米TiO2材料的合成;②納米TiO2材料熱化學(xué)性質(zhì)研究及合成TiO2晶體;③ 納米TiO2對(duì)水中Cu2+的吸附活性研究;④ TiO2納米晶體對(duì)甲基橙的吸附活性;⑤ TiO2納米晶體對(duì)甲基橙的光催化活性;⑥自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是:用實(shí)驗(yàn)①合成的TiO2納米粉，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)②的熱分析曲線測(cè)定，根據(jù)熱分析曲線分析結(jié)果確定其晶相轉(zhuǎn)變溫度后，分別在不同溫度下燒結(jié)，得到銳鈦礦、金紅石和混晶結(jié)構(gòu)TiO2納米晶，分別用于實(shí)驗(yàn)③的Cu2+吸附、實(shí)驗(yàn)④的甲基橙吸附及實(shí)驗(yàn)⑤的光催化降解;最后要求學(xué)生在前5個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過查閱文獻(xiàn)，自主設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并完成實(shí)驗(yàn)。

在每個(gè)大綜合實(shí)驗(yàn)課前，教師給出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提綱，要求學(xué)生上網(wǎng)查閱具體實(shí)驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生自由組合，2人組成1個(gè)小組，2～4個(gè)小組組成1個(gè)大組。大組內(nèi)的各小組可以設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，小組間交換結(jié)果，共同討論，以大組為單位總結(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，寫出科技論文。

化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程采取開放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理。課程的全部信息(包括講義、通知、教學(xué)安排等)都放在網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生在網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程有配套的教學(xué)軟件，用于幫助學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)過程。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)課程中還安排了一定的自由探索實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和科研創(chuàng)新能力。

(3)以開放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的樂趣。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的開放。例如儀器分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在掌握經(jīng)典化學(xué)儀器分析方法基礎(chǔ)上，開設(shè)了8學(xué)時(shí)的自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)有別于一般的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這里的自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是指自帶樣品、自查文獻(xiàn)、自擬題目、自設(shè)實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)。很多學(xué)生從生活實(shí)際樣品出發(fā)，結(jié)合儀器分析原理，設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生設(shè)計(jì)的一些實(shí)驗(yàn)題目如下:牙膏中微量氟的測(cè)定;流動(dòng)注射-氫化物-原子熒光法測(cè)定南湖水中鉛的含量;原子吸收法測(cè)定蔬菜中銅的含量及評(píng)價(jià)其污染狀況;火焰原子吸收法測(cè)定不同品牌綠茶飲料中的鈣含量;火焰原子吸收法對(duì)蘋果中元素鈣、鎂的測(cè)定;火焰原子吸收光譜法測(cè)定易拉罐中鎂的含量;原子發(fā)射光譜分析人類指甲中的金屬元素;對(duì)比桑樹新生葉子與成熟葉子中鎂含量的差異;火焰原子吸收法測(cè)定豆油中銅的含量;用原子吸收分光光度法測(cè)定牛奶中鈣的含量;土壤中微量鉛和鎘的測(cè)定;石墨爐原子吸收法測(cè)定化妝品中的砷和鉛;火焰原子吸收法測(cè)定礦泉水中鎂的含量;石墨爐原子吸收法測(cè)定衛(wèi)生紙中鉛的含量等。

在教學(xué)實(shí)踐過程中，為了保證學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)具有可行性，指導(dǎo)教師要與每個(gè)學(xué)生進(jìn)行具體的討論，提出一些合理化建議。此外，教師也為學(xué)生設(shè)計(jì)了很多實(shí)驗(yàn)題目，供感興趣的學(xué)生參考。這種自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)倡導(dǎo)主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式，鼓勵(lì)學(xué)生為解決實(shí)際問題去搜集、分析、處理信息。實(shí)踐證明:自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У靥岣邔W(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理信息平臺(tái)支持下，我們的實(shí)驗(yàn)課程實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的開放。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)，使用多媒體課件講授和演示實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，在提高教師實(shí)驗(yàn)課講授效率的同時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握?，F(xiàn)已開發(fā)了工科分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)多媒體課件，化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件和無機(jī)化學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)課件。

(4)實(shí)施效果。

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程的改革與建設(shè)已經(jīng)應(yīng)用到應(yīng)用化學(xué)、冶金工程、環(huán)境科學(xué)等16個(gè)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。經(jīng)過近年來的教學(xué)實(shí)踐，從事各科化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師一致認(rèn)為:與改革前相比，學(xué)生對(duì)理論的理解和應(yīng)用的了解，對(duì)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握，以及動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力均有較大的提高。同時(shí)，在教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生表現(xiàn)出較高的學(xué)習(xí)熱情。以化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程為例，化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程的課時(shí)要求是選做其中2個(gè)大實(shí)驗(yàn)(每個(gè)大實(shí)驗(yàn)24學(xué)時(shí))。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007～2011級(jí)學(xué)生在課業(yè)繁重的情況下，每年有67% ～80%的學(xué)生主動(dòng)選擇超額完成3個(gè)大實(shí)驗(yàn)，表現(xiàn)出很高的學(xué)習(xí)積極性。

為了解學(xué)生對(duì)改革后化學(xué)實(shí)驗(yàn)的意見，也為了檢驗(yàn)改革后的教學(xué)效果，我們進(jìn)行了問卷調(diào)查。結(jié)果表明，學(xué)生對(duì)目前開設(shè)的各實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容表現(xiàn)了較大的興趣，普遍認(rèn)為通過以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自己的各方面能力得到了很大的提高，對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)較高;這些在學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的“感想與建議”一欄中也充分地表現(xiàn)出來。

通過實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的本科生大都掌握了較為系統(tǒng)、全面的化學(xué)專業(yè)知識(shí)，基本功較扎實(shí)，具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，實(shí)踐能力和科研能力都得到了提高，同時(shí)具有嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作精神，綜合素質(zhì)高，受到實(shí)習(xí)單位和用人單位的歡迎。

［1］杜志強(qiáng)，李寧，封子先，等.大學(xué)化學(xué)，2006，21(4):15

［2］張霞，劉曉霞，于永麗，等.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(5):117

［3］強(qiáng)根榮，盛衛(wèi)堅(jiān)，劉秋平，等.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(11):131

［4］王靖菲，高秀紅.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(15):170

［5］張霞，李偉，王育紅.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(2):123