沈國良 張梨黎 朱海峰 趙文凱 侯 玲 薛 斌 張 靜

(沈陽工業(yè)大學 石油化工學院，遼寧 遼陽 111003)

化學學科是化工類專業(yè)的主干學科，化學類課程是培養(yǎng)化工類專業(yè)應(yīng)用型人才的基礎(chǔ)核心課程，化學類實驗教學是培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)。

在化工類院(系)中，一般把化工類專業(yè)開設(shè)的無機化學、分析化學、有機化學、物理化學課程稱為基礎(chǔ)化學(又稱四大化學)課程，基礎(chǔ)化學課程都是地位非常重要、實踐性非常強的核心課程。長期以來，在化工類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，基礎(chǔ)化學的理論課和實驗課缺乏整體考慮，基礎(chǔ)化學的理論課和實驗課各自獨立設(shè)置，缺乏有機聯(lián)系，部分內(nèi)容重復(fù)；每門課的理論課和實驗課分工太明確，相互融合和貫通不好，實驗內(nèi)容零散[1]。

基礎(chǔ)化學實驗教學在基礎(chǔ)化學教學過程中占有很重要的地位[2]。要培養(yǎng)出高水平、高質(zhì)量的應(yīng)用型人才，在基礎(chǔ)化學實驗教學中不僅要注重學生動手能力的培養(yǎng)、注重分析問題與解決問題能力的培養(yǎng)，還應(yīng)加強學生工程能力的培養(yǎng)以及對新型科學儀器、新技術(shù)的詳細了解和掌握[3]。

為了更好地發(fā)揮基礎(chǔ)化學實驗教學在化工類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面的獨特作用，我們對基礎(chǔ)化學實驗教學進行了大幅度改革，并開設(shè)出了化學虛擬仿真實驗，這些改革明顯地提高了基礎(chǔ)化學實驗教學水平和學生工程能力。

1 基礎(chǔ)化學實驗改革的必要性

以前，原基礎(chǔ)化學實驗教學各成體系，存在著內(nèi)容重復(fù)，例如天平的使用、酸度計的使用、分光光度計的使用等內(nèi)容在無機化學和分析化學實驗中均有，在實驗學時壓縮的情況下，必須避免低水平的重復(fù)；基礎(chǔ)化學實驗課中驗證性實驗項目較多，綜合、設(shè)計性的實驗很少，對應(yīng)用性實驗教學重視不夠，學生訓(xùn)練的機會很少，這種傳統(tǒng)的實驗體系已不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要；在制訂新的實驗教學大綱時，雖然將分析化學實驗在原有的容量分析實驗基礎(chǔ)上增加了儀器分析，但總體上儀器分析學時較少，僅開出酸度計、分光光度計、氣相色譜等3個實驗項目，無法滿足學生對現(xiàn)代儀器使用的需要，遠遠不能跟上科技進步和儀器發(fā)展的步伐。

近年來，在全球范圍內(nèi)明顯重視化工環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題，特別是中國政府提出現(xiàn)代綠色化工、化工清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟的新理念，化工領(lǐng)域要突出做好綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、減排增效和可持續(xù)發(fā)展的工作[4]?；A(chǔ)化學實驗中存在著危險性、污染性、高成本、不直觀性等問題，使很多基礎(chǔ)化學實驗過程難于在實驗教學中具體實施或者即使進行實驗也很難看到現(xiàn)象的本質(zhì)。同時，實驗中涉及的大型儀器設(shè)備造價昂貴、運行成本高，在教學中難以廣泛使用，而且絕大多數(shù)儀器核心工作部件封閉，在工作狀態(tài)下不可以觀察其工作過程。

隨著科學的迅猛發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量要求的不斷提高，基礎(chǔ)化學實驗教學的內(nèi)容愈來愈豐富，要在有限的實驗教學學時下擴充實驗教學內(nèi)容，提高實驗教學質(zhì)量和效率，必須對傳統(tǒng)的基礎(chǔ)化學實驗教學內(nèi)容和方法進行改革。

目前，先進的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)已將化學領(lǐng)入了信息時代，隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，采用模擬仿真技術(shù)，計算機圖形圖像技術(shù)等生成逼真的實驗場境，在虛擬的情境中完成真實情況下難以甚至不能實現(xiàn)的實驗已成為可能?；瘜W虛擬仿真實驗作為真實實驗的重要補充可擴展，具有仿真性、沉浸感、安全等特點，與實物實驗有機結(jié)合，可以使學生獲得全面的訓(xùn)練，對培養(yǎng)學生動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。

2 基礎(chǔ)化學實驗改革的做法

根據(jù)現(xiàn)代化學實驗教學需要，在反復(fù)論證利弊的基礎(chǔ)上，成立了“基礎(chǔ)化學實驗教學中心”、“化學虛擬仿真實驗教學中心”。

首先，及時調(diào)整了部分實驗儀器設(shè)備的管理和使用，合并了無機化學、分析化學、有機化學、物理化學的天平室，將原有的天平集中管理和使用。調(diào)整的結(jié)果完全能夠滿足基礎(chǔ)化學實驗的需要，且基礎(chǔ)化學實驗教學中心的天平室還可對其它學生實驗開放，既避免了重復(fù)購置，又提高了天平的使用率。總之，顯著地提高了基礎(chǔ)化學實驗室和儀器設(shè)備的利用率，為基礎(chǔ)化學實驗教學改革打下了良好的基礎(chǔ)。

其次，加強了基礎(chǔ)化學實驗主講教師的力量，采取從事理論教學教師都要擔任實驗主講教師，新到校的青年教師直接先到實驗室專職做1年以上的實驗主講教師，充分發(fā)揮任課教師參加實驗教學和實驗教學改革的積極性?；A(chǔ)化學實驗教學實行主講教師制度，實驗主講教師負責實驗課教學內(nèi)容的改革與修訂、實驗教學過程的把關(guān)、實驗教學考核的實施；對首次指導(dǎo)實驗的新教師和首開新實驗的教師，實行試講試做工作制度。加強師資力量和提高實驗教學水平為基礎(chǔ)化學實驗教學改革提供了有力的支撐。

第三，將無機與分析化學、有機化學、物理化學課程涉及的實驗內(nèi)容作為一個整體統(tǒng)籌安排，對基礎(chǔ)化學實驗內(nèi)容進行重組，使實驗內(nèi)容合理銜接，刪除內(nèi)容存在低水平重復(fù)的實驗，突出基礎(chǔ)化學實驗的應(yīng)用性，減少了驗證性實驗項目，增加了技能性、綜合性、設(shè)計性實驗項目。

第四，按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位，化學虛擬仿真實驗教學已基本構(gòu)建了兩大層次教學資源：第一層次——以強化雙基教學為主導(dǎo)的基礎(chǔ)化學虛擬仿真，該層次的虛擬仿真實驗課程設(shè)置主要以無機化學、分析化學、有機化學、物理化學等基本實驗的實訓(xùn)，設(shè)置目的是讓學生系統(tǒng)學習化工類專業(yè)的基礎(chǔ)實驗知識，掌握基礎(chǔ)技能，強化基本操作能力訓(xùn)練。同時培養(yǎng)學生獨立思考、團結(jié)協(xié)作的精神，加強分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)，從而達到提高學生專業(yè)學習的興趣。根據(jù)虛擬現(xiàn)實教學的特點，深化改革，加強課程建設(shè)，對實驗基本操作類內(nèi)容加強練習，保障學生動手能力的培養(yǎng)是實物實驗的安全。本層次為學生開設(shè)虛擬仿真實驗內(nèi)容有：化學實驗基本操作與實驗室準入、無機化學虛擬仿真實驗、分析化學虛擬仿真實驗、有機化學虛擬仿真實驗、物理化學虛擬仿真實驗。第二層次——以強化應(yīng)用能力為主導(dǎo)的大型分析儀器虛擬仿真，該層次的虛擬仿真實驗課程設(shè)置主要以化學相關(guān)的儀器分析課程為主，包括電化學分析、色譜分析、光譜分析及其它大型儀器等實驗項目的設(shè)置，設(shè)置目的是培養(yǎng)學生的查閱、動手、觀察、記憶、思維、想象和表達等能力，促進學生的全面發(fā)展。具體到教學內(nèi)容上則是重在使學生掌握常用大型分析儀器的結(jié)構(gòu)原理、基本操作及應(yīng)用等，掌握儀器分析中儀器維護、樣品處理和處理數(shù)據(jù)的基本方法，了解儀器分析領(lǐng)域的最新發(fā)展動向及其趨勢，鞏固課堂所學理論知識，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、處理、解決問題的能力，加強學生素質(zhì)教育，激發(fā)學生的創(chuàng)新精神，把學生培養(yǎng)成為適應(yīng)化工行業(yè)發(fā)展要求的新型人才。

3 基礎(chǔ)化學實驗課程體系的構(gòu)建

構(gòu)建了與理論教學相結(jié)合的實驗教學體系及其實驗教學內(nèi)容，實現(xiàn)實驗教學與理論教學緊密結(jié)合、實驗教學內(nèi)容與工程應(yīng)用能力培養(yǎng)緊密結(jié)合。按照“強化基礎(chǔ)、循序漸進、逐步提高、注重應(yīng)用”的原則，構(gòu)建注重全面素質(zhì)、突出應(yīng)用能力培養(yǎng)的實驗教學課程體系，改革現(xiàn)有實驗教學內(nèi)容，減少重復(fù)內(nèi)容，增加接續(xù)性實驗；減少演示性實驗、驗證性，增加綜合性、設(shè)計性實驗，開發(fā)新技術(shù)實驗內(nèi)容，增加了化學仿真實驗。

將過去單獨開設(shè)的無機化學實驗、分析化學實驗完全融合統(tǒng)一考慮。在實驗教學中，實驗課為60學時，與改革前兩門實驗課的學時總和相同，但在實驗內(nèi)容上進行了重新安排。在定量分析的實驗方面，使學生能夠熟練掌握像分析天平、酸度計、電導(dǎo)率儀等常規(guī)儀器的正確使用，精選了實驗內(nèi)容與陰、陽離子定性分析鑒定相結(jié)合的元素性質(zhì)實驗，目的是使學生在了解典型元素不同價態(tài)化合物的酸堿性和氧化還原性的同時，能利用其化學性質(zhì)進行分離和鑒定。開設(shè)了多個綜合性實驗及1個初步的設(shè)計性實驗，以培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

在實驗教學方面，除無機化學實驗、分析化學實驗進行了大幅度改革外，有機化學、物理化學方面實驗也進行了有效改革。物理化學實驗新開出了燃煤質(zhì)量測定1個綜合性實驗項目和乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的測定、二元液系相圖及工作曲線的繪制2個設(shè)計性實驗項目，著重培養(yǎng)學生的實踐動手能力、知識應(yīng)用能力。

十分注意將基礎(chǔ)化學的理論課和實驗課統(tǒng)一考慮，有一些理論課內(nèi)容與實驗課內(nèi)容聯(lián)系緊密，放在實驗課上講，讓學生邊學理論邊做實驗，既豐富了實驗內(nèi)容，又緩解了理論課時間少內(nèi)容多的矛盾。

化學虛擬仿真實驗教學結(jié)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，分別構(gòu)建了基礎(chǔ)化學在線虛擬仿真實驗、大型分析儀器虛擬仿真實驗。充分利用虛擬仿真的優(yōu)勢和特點集中解決各部分在實物實驗中的瓶頸問題，仿真實驗與實物實驗相互搭配，形成虛實結(jié)合、動靜結(jié)合、理論與實際相結(jié)合的有機整體。突出了虛擬仿真實驗的靈活高效性、安全環(huán)保性，以及涵蓋面廣和成本低廉的特色。首先，在基礎(chǔ)化學虛擬仿真實驗階段，利用虛擬仿真實驗具有的可重復(fù)型的特點，學生在虛擬實驗工程中，可以反復(fù)練習，不拘泥于實驗時間、儀器設(shè)備和藥品的限制，更好地強化了學生的基本操作，解決了學時與學習效果之間的矛盾；利用虛擬仿真實驗的可視化特點，使學生在虛擬實驗中觀察到經(jīng)典化學實驗難以跟蹤、肉眼甚至儀器無法觀察的分子微觀變化以及相互作用，更真實和形象的描述化學反應(yīng)的過程、揭示化學的本質(zhì)，豐富學生的想象力和領(lǐng)悟力，激發(fā)學生的創(chuàng)造力；利用虛擬仿真實驗綠色環(huán)保、仿真度高、交互性強的特點，突破傳統(tǒng)實物實驗的限制，達到實驗過程綠色化、實驗手段現(xiàn)代化和實驗結(jié)論科學化的效果，讓學生在安全、低毒、環(huán)保的實驗環(huán)境中獲取知識。其次，在化學實驗儀器工作過程中仿真及虛擬操作訓(xùn)練，突破封閉化儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行機制的不可視化，有利于學生對儀器設(shè)備的掌握和深刻理解。因為大型科學儀器設(shè)備價格和運行成本昂貴。同時，大多數(shù)儀器核心工作部件封閉，特別是在工作狀態(tài)下不可同時觀察其內(nèi)部工作過程。這些特點嚴重制約學生對儀器工作原理、運行機制的理解和掌握。而即時學生實際能夠上機操作，時間也非常有限?；瘜W虛擬實驗利用計算機仿真，以儀器原理的邏輯順序為依據(jù)，以可視化的反應(yīng)儀器工作過程，增強學生對儀器原理和工作過程的理解，提高了大型儀器的操作能力和儀器利用率。虛擬仿真實驗的引入，大大提高了實驗的效率，解決了設(shè)備不足的矛盾，降低了成本，增強了學生的積極性和創(chuàng)造型，達到事半功倍的效果。

4 基礎(chǔ)化學實驗改革的效果

基礎(chǔ)化學實驗的教學改革，經(jīng)過實踐、完善、提高，廣大師生對實驗教學改革持贊同和支持的態(tài)度。教師一致認為，基礎(chǔ)化學實驗課開設(shè)技能性、綜合性以及設(shè)計性實驗，有利于調(diào)動學生主動學習的積極性，有利于鍛煉動手能力，有利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)。根據(jù)現(xiàn)在社會對畢業(yè)生的要求和國家教育部開展的應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，必須要開出綜合性實驗、設(shè)計性實驗，這樣才有利于學生素質(zhì)和知識應(yīng)用能力、工程實踐能力的培養(yǎng)。學生對基礎(chǔ)化學實驗改革參與的積極性普遍較高，在對學生畢業(yè)前的調(diào)查中，學生認為收獲較大。

化學虛擬仿真實驗是實物實驗的補充，仿真實驗與實物實驗相互搭配，形成虛實結(jié)合、動靜結(jié)合、理論與實際相結(jié)合的有機整體。突出了虛擬仿真實驗的靈活高效性、安全環(huán)保性，以及涵蓋面廣和成本低廉的特色，以虛擬實驗作為一種新型知識載體和實物實驗的補充和延伸，通過強化虛擬實驗與實物實驗協(xié)同培養(yǎng)化工類人才，利用課內(nèi)外一體化的實驗教學模式，探索了虛實結(jié)合的化學實驗新途徑。

近年，在化學工業(yè)出版社出版了無機與分析化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗3部特色實驗教材，已應(yīng)用于化學實驗教學中，學生、教師反映良好，并被評為學校優(yōu)秀教材。

5 結(jié) 語

基礎(chǔ)化學實驗教學是高等學?；ゎ悓I(yè)實現(xiàn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)，它對提高學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生的知識應(yīng)用能力和實際工程能力，有著非常重要的作用。

加強實驗教學中基本技能和綜合實驗的訓(xùn)練，對實驗內(nèi)容、實驗的方法等方面實行全方位的優(yōu)化。增加綜合性實驗數(shù)量，并不斷將最新的科技成果引用到實驗教學中，提高實驗教學水平。開放實驗室，加強學生的獨立思考能力、動手能力和科學研究方法的培養(yǎng)和訓(xùn)練，以適應(yīng)面向現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的要求，培養(yǎng)出高水平的應(yīng)用型人才。

加強基礎(chǔ)化學實驗項目綠色化建設(shè)，從實驗藥品與溶劑的選用、原子經(jīng)濟反應(yīng)、產(chǎn)品與工藝的安全性等方面考慮，對已開出的實驗項目進行全面改造，真正達到綠色化要求，增加綠色實驗項目，增強學生的環(huán)保意識。

按照現(xiàn)代實驗教學理念以及當代先進科技水平，建設(shè)高度仿真、極具代表性的化學虛擬仿真實驗，豐富實驗教學資源，降低實驗教學成本，提高實驗教學水平，更好的完成工科學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實現(xiàn)“虛實結(jié)合，相互補充，能實不虛，以虛補實”，對代表性的過程，要盡量建立“實物”，通過實訓(xùn)階段，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”，強化學習效果。對于復(fù)雜過程，以虛補實，實現(xiàn)“虛實互補”。

[1] 范望喜，秦中立. 整改實驗教學 提高教學質(zhì)量[J]. 武漢生物工程學院學報，2006，2(1)：60～62.

[2] 高世萍，翟濱，于長順 等.無機及分析化學實驗改革的研究與思考[J]. 實驗室科學，2006，(3)：42～43.

[3] 林璜，叢修杰，姜潤田 等.無機與分析化學實驗課教學改革初探[J]. 中山大學學報論叢，2003，23(1)：14～18.

[4] 沈國良，徐鐵軍，朱海峰 等.綠色化學與化工課程體系與內(nèi)容的構(gòu)建[J]. 化工高等教育，2010，(5)：37～40.