強根榮， 曾秀瓊， 楊振平， 劉秋平， 艾 寧

(1. 浙江工業(yè)大學 化學實驗教學中心，杭州 310014；2. 浙江大學 化學實驗教學中心，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量工程項目的建設，各高?；瘜W實驗教學改革的成效非常顯著，都取得了可喜的教學成果。但是，在日常的教學過程中，總感覺有些美中不足，主要是內容不夠精深，學生基本技能不夠扎實，工科學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“學而時習之，不亦說乎”這句話，對于今天的大學化學實驗教學來說，應該讓學生“學而時習之，習而常思之”，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 構建工科專業(yè)化學實驗新型教學模式的理念

工科類專業(yè)化學實驗的教學時數(shù)一般不會很多。在有限的時數(shù)內，如何全面訓練學生的實驗基本技能，培育實驗的創(chuàng)新思維，鍛煉實際的創(chuàng)新能力，必須對大學化學實驗課程進行頂層設計、合理規(guī)劃。在創(chuàng)建化學化工國家級實驗教學示范中心的過程中，建立了“3階段(學科基礎實驗-專業(yè)基礎實驗-專業(yè)實驗)、4層次(基礎規(guī)范性實驗-綜合設計性實驗-研究探索性實驗-創(chuàng)新實踐)、一體化(理、工科實驗)”的遞進式化學化工實驗教學體系。圍繞這一體系，大學化學實驗教學的改革必須以培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新能力和社會責任感為主線，遵循“多元融合、創(chuàng)新主導、寓教于研、協(xié)同育人”的建設理念，按照基礎性、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)展的實驗內容和訓練方式，采用多樣化的教學方法，促進開放式實驗教學，建設具有地方院校學科優(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)的化學實驗教學內容，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)、充實新型的實驗內容，同時，進一步完善、補充“基礎化學實驗”國家精品資源共享課程的特色內容-化學系列性實驗，加強在化學一級學科內跨二級學科實驗內容的綜合。通過這些研究、內容開發(fā)以及陸續(xù)的課程建設工作，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，使實驗教學效益最大化，為人才培養(yǎng)質量不斷提升起好步、鋪好路。

2 工科專業(yè)化學實驗新型教學模式的構建

“化學實驗”是一門理學課程，工科類專業(yè)的教學要準確定位，必須在保持并更好、更全面體現(xiàn)課程基礎性的同時，探索培育學生工程意識的教學觀念、教學內容、教學方法的改革，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 教學內容的更新

不言而喻，對教學改革來說，教學內容的研究開發(fā)和不斷更新是第一位的，教學內容是教學的核心要素[4]，它是任何教學改革的基礎，離開了教學內容，什么都變成了“無本之木”。我校化學實驗教學總時數(shù)為176學時，基本滿足工科類學生化學實驗基本技能訓練的需要，但是，在緊張有限的教學時數(shù)內要加強綜合設計性、研究探索性實驗的教學，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)籌考慮實驗教學內容，著重從以下3方面進行了改革。

(1) 做“實”、做“全”基本技能實驗。化學實驗技能包括蒸餾、分餾、減壓蒸餾、水蒸氣蒸餾、重結晶、萃取洗滌、物質干燥、薄層色譜、柱色譜、機械攪拌、熔點測定、波譜鑒定等。在傳統(tǒng)實驗教學中，一般會開設一些簡單的操作實驗，目的是讓學生學會這些基本操作。但實施的效果并不好，學生的興趣也不大，真正碰到實際問題時，學生對基本操作很陌生。比如，原有開設的薄層色譜實驗，學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，設計開設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用到該實驗中，跟蹤反應進程，極大地提高薄層色譜的教學效果。

又如，由于專業(yè)特點和時數(shù)的關系，原先沒有安排柱色譜教學內容，而這一內容是現(xiàn)代有機合成分離中非常重要和常用的技術。另外，原來開設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。通過實驗內容的開發(fā)，化學實驗基本技能得到更加全面的訓練。

(2)做“深”、做“強”綜合性實驗。進一步研究開發(fā)跨二級學科實驗內容的新型的綜合性實驗，將當今社會難度適宜的熱點問題及科研內容引入到教學實驗中，一方面可增強學生綜合分析問題、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，促進綜合實踐能力鍛煉。我們在基礎化學實驗國家精品課程建設過程中，逐漸形成了基礎化學實驗教學的特色，研究開發(fā)了系列化實驗(即在幾個彼此獨立的實驗中，尋找它們之間的內在聯(lián)系，插入新的內容將它們相互串連起來，構成一個有機整體，學生經(jīng)過幾步有機合成得到目標產(chǎn)物)，組織了教學實施，并不斷地研究實驗的深度、廣度和精度，拓寬教學覆蓋面，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生實驗產(chǎn)品(肉桂酸、苯甲醇、苯甲酸)的存放，又讓學生充分應用了微波合成、離子液體等新型實驗手段。① 按Perkin反應機理合成肉桂酸。要求學生采用不同的催化劑、不同的介質、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。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。另一方面，采用常規(guī)加熱，利用苯甲醛的歧化反應制得的苯甲醇與肉桂酸進行酯化反應，制備肉桂酸芐酯。③ 利用Knoevenagel 反應制備肉桂酸，在“綜合化學實驗”選修課中學生已作了仔細地研究[15]。將這一反應應用于本科基礎教學中，讓學生比較利用Perkin反應和Knoevenagel 反應制備肉桂酸的不同方法，在比較中學習，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。深入研究了基礎化學實驗與專業(yè)基礎、專業(yè)實驗的相互關系，開發(fā)一些可以與化工實驗緊密銜接的大學化學實驗，進行化學、化工實驗一體化教學。通過這些措施，一方面將理科化學實驗縝密的研究思路和嚴格的實驗方法應用到工科實驗中，另一方面，將工科化工實驗強烈的工程意識和實際的應用能力融入到理科實驗中，促進學科交叉、理工結合、協(xié)同提高，促使“科學原理探索—工程技術基礎訓練—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)，在基礎化學實驗階段， 要求學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，進一步結合教師的科研成果，引入超重力旋轉床精餾設備等新型過程強化設備，使學生實驗與科學研究、工程訓練和社會應用結合。

圖1 化學化工實驗一體化教學(無水乙醇的生產(chǎn))實施示例圖

2.2 教學方法的改革

有了好的教學內容，必須通過好的教學方法來實施。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)學生工程能力，提高學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，要讓學生充分了解產(chǎn)生問題的原因和解決問題的關鍵因素。在教學過程中，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，必須設計具有綜合性的模塊訓練，綜合運用所學的知識和技能，形成實驗內容的 “基礎教學—專業(yè)基礎教學—專業(yè)教學”的一體化教學體系。

近年來，大力實施了實驗教學方法的改革，其中“理論與實踐貫通的專題式大學化學實驗教學改革探索”[16]“以問題為導向的大學化學實驗教學改革與實踐”[17]“參與式教學模式在大學化學實驗課程中的研究與實踐”[18]“大學化學實驗混合式教學模式的研究與實踐”等項目先后被列為浙江省高等教育課堂教學改革項目。如在專題式教學中，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(課堂內必須完成)、拓展實驗和應用性實驗(可在課外完成)等。實驗前要結合化學課堂上學到的理論知識，進行認真預習，寫出反應機理、注意事項、預期的難點等，并給出解釋，通過實驗進一步確認。基本實驗獨立完成，拓展實驗和應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果的優(yōu)劣。通過這些做法，拓寬了學生的知識面，又逐步地教會學生科學研究的基本方法。

再如，通過以問題為導向的翻轉課堂教學，釋放了實驗前的講解時間，課內騰出了更多的時間用于學生實驗，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習的促進者和指導者，教師不再是知識交互和應用的中心，只是學生進行學習的主要推動者。而學生借助于豐富的網(wǎng)絡資源，可以進行自我知識延伸，自我控制學習時間、學習地點、學習內容和學習量，真正成為學習的主體。

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，供學生思考：①酯化反應的工藝路線是否合理？闡述理由。②從實驗的加熱手段、反應中原子的利用率、實驗中間體苯甲酸的利用(減少實驗室廢棄物)、選擇酯化反應的帶水劑、選擇酯化反應催化脫水劑等多方面闡述綠色化學的理念。③實驗中產(chǎn)生的二氧化錳如何處理或利用？④酯化反應中未反應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？

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

3 化學實驗新模式的實施效果

工科化學實驗教學的改革，使學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生化學實驗邀請賽以來，在參賽學生大多是國內“985”高校理科化學專業(yè)學生的情況下，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用到大學生課外科技活動，面向包括各級大學生創(chuàng)新實驗計劃項目在內的學生課外科技活動全面開放，讓學生帶著問題進入實驗室，第二課堂與第一課堂齊頭并進，有效地提高學生實踐能力，促進學生多樣化成才?；W院本科生負責國家級“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目和浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃項目30多項， 獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽一等獎及浙江省“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎等獎項20項。這些成績充分體現(xiàn)了化學實驗教學和改革的效益。

4 結 語

在今后的實驗教學實踐中，為增強工科學生的工程意識，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力，將進一步著力化學實驗的工程化探索，通過在實驗教學中引入綜合設計和研究探索性實驗，完善“理工”一體化教學體系，讓學生更加明確反應條件的設計、操作技能的應用，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，把綠色化學化工理念進一步滲透到實驗教學內容和過程中，通過引入綠色化學化工技術，讓學生自主設計實驗，處理實驗過程中產(chǎn)生的“三廢”，使學生接觸綠色科技前沿，提高學生知識綜合應用能力，增強學生的社會責任感和人文關懷。

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