第10屆全國大學生化學實驗邀請賽情況分析與思考

趙斌 章文偉 張劍榮

(南京大學化學化工學院，南京210023)

第10屆全國大學生化學實驗邀請賽情況分析與思考

趙斌 章文偉 張劍榮*

(南京大學化學化工學院，南京210023)

編者按：“第10屆全國大學生化學實驗邀請賽暨化學實驗教學研討會”于2016年7月6日至10日在南京大學仙林校區舉行。本刊特邀請該次競賽的主辦方南京大學張劍榮教授總結了競賽中的考試情況，分析了其中存在的問題，并對未來的實驗教學改革提出了思考與建議。此外，代表北京大學化學與分子工程學院參加本次比賽的冉隆豪、于位之、宋思成三位同學均取得了一等獎的優異成績，在此也一同分享了他們各自的參賽體會。

總結了第10屆全國大學生化學實驗邀請賽考試情況，分析了在競賽中所反映出的當前實驗教學中存在的一些問題，對實驗教學基本內容和實驗規范化操作提出了若干改革思路。

大學生實驗競賽；實驗教學；教學改革

由教育部高等學校化學教育研究中心主辦、國家自然科學基金委員會支持，南京大學承辦的“第10屆全國大學生化學實驗邀請賽暨化學實驗教學研討會”于2016年7月6日至10日在南京大學仙林校區舉行。共有來自北京大學、清華大學等43所高校的135名化學類專業本科生和200余名化學實驗教學教師參加了此次競賽活動。邀請賽旨在檢驗我國高等學校化學實驗教學改革成果，加強交流，推動化學實驗教學模式、教學內容及教學方法改革，探索培養創新型化學人才的思路、途徑和方法，提高我國高校本科化學實驗教學總體水平。為了加強國際交流，了解國際化學實驗教學改革趨勢以及我國化學實驗教學和國際名校相比的優勢、特點與不足，此次大賽還特邀美國密西根大學和英國謝菲爾德大學師生前來參賽和交流。

本文就此次化學實驗競賽過程中發現的問題，以及對未來實驗教學改革與建設的指導意義進行分析，并對實驗教學研討會的交流研討情況進行簡要介紹。

1 命題思路(試題下載網址：http://chemlabs.nju.edu.cn/)

此次競賽的實驗知識測試和實驗操作考試的命題原則與前9屆基本相同，注重考查學生掌握實驗基本知識、基本原理、基本技能的情況，以及運用這些知識和技能規范完成實驗操作的能力。

除了通過設計適當的考題數量和考題難度，以檢查學生對知識掌握的熟練度之外，為了體現我們在實驗教學中對學生“多動腦、多思考”的要求，借以提高學生綜合運用所學知識和技能解決實際問題的能力，在本次物理化學實驗的2個考題中，都要求考生首先自己設計實驗方案。其目的是檢驗學生在平時學習時是“照方抓藥”地做實驗，還是通過“動腦”理解了實驗原理，再“思考”教材上實驗步驟的合理性和可改進之處后做實驗的。

為了檢驗我們在實驗教學中要求學生“自主學習知識、靈活運用知識”的教學效果，本次有機化學實驗考查的是一個Suzuki偶聯反應(鈴木-宮浦反應，獲得2010年度諾貝爾化學獎)，我國大部分院校對這個反應和相關實驗操作介紹不多，我們設計了科研實驗常用的“無氧合成”和“加壓快速柱層析分離”兩個基本操作，只給出了操作說明和注意事項，要求學生基于自學掌握并順利完成這兩個基本操作；在乙酸乙酯皂化反應速率測定實驗中，實驗設計了溶劑對化學反應速率的影響。相信通過這次實驗，學生認識化學反應動力學的視野會更加寬廣，對通過實驗學習和創造新知識的方法有更深的體驗。

為了檢驗學生“學以致用”的能力，在無機化學實驗考試中，設計合成了一個具有溶劑變色和熱變色效應的鎳配位化合物。通過對這個化合物的合成和性質研究，將基本操作與基礎研究、實際應用進行有效的結合。

綜上所述，本次實驗命題在考核“三基”的基礎上，增加了部分反映“知識學習和應用能力”方面的考查元素，符合實驗教學改革的整體趨勢。

2 考試情況

本次實驗競賽的理論考試規定時間為2小時，考生均在要求的時間內完成了答題。

理論考題由無機及分析化學、有機化學和物理化學三部分組成，題型為選擇題和簡答題，總分為100分，其中無機及分析化學、有機化學和物理化學分別占30分、40分和30分。理論考試題各部分考分及總分的分析統計結果如圖1所示。從圖1可知，無論是各部分的得分，還是整體總得分均呈現較好的正態分布。相比較而言，物理化學平均得分率為47%，低于無機及分析化學(平均得分率為57%)和有機化學(平均得分率為53%)。這在一定程度上反映了物理化學實驗的理論難度較高，實驗課程對實驗儀器要求較高，學生對于物理化學實驗知識掌握相對偏弱。

無機及分析化學實驗和有機化學實驗規定競賽時間均為6.5小時，總分100分。完成較快的考生僅用時5.5小時即完成實驗操作、數據分析及實驗報告處理，其他考生也都在規定時間內完成了實驗。物理化學實驗考試題由2個獨立的實驗組成，每個實驗規定時間為3.5小時，共7小時，得分為100分，考生們也都在要求的時間內完成了全部實驗考試內容。

無機及分析化學實驗、有機化學實驗和物理化學實驗的得分統計如圖2所示。從圖2可知，各門實驗的考分也均呈現正態分布。雖然如此，從圖2(B)可知，與其他2個實驗(圖2(A)、圖2(C)和圖2(D))相比較，有機化學實驗得分較高，而且分值分布相對集中。這一方面反映出各院校學生的自主學習能力和實驗能力有了明顯的提高；另一方面也反映出學生對有機化學實驗掌握得相對較好。物理化學實驗二要求學生通過實驗考查溶劑效應對乙酸乙酯皂化反應速率常數的影響。雖然考生學習過有關化學動力學理論，但對本科生來說，研究動力學介質效應，無論是考查視角還是實驗體系都是全新的。盡管如此，從圖2(D)可見，考生得分還是比較理想的。這也同樣反映出各院校在學生能力培養方面所取得的明顯效果。

我們在4類高校中各選擇了幾個生源素質相近的高校進行了比較。表1列出了不同類型院校之間考生的得分情況。可以看出，理科院校和師范院校的理論考分相當，實驗考分則有一定差距，表明了師范院校在化學實驗理論教學方面做得不錯，但是實驗方面相對較弱。而工科院校由于化學理論課和實驗課學時普遍較少，導致得分弱于理科院校和師范院校。值得注意的是，相對于國內考生普遍都有10天培訓時間，歐美參賽院校在沒有經過任何培訓且對我國競賽考題完全不了解的情況下，實驗得分還高于工科院校和師范院校，接近理科院校，反映出歐美高校學生“能力”培養的較高水平。

圖1 理論考試分數分布

表1 不同類型院校得分情況對比

3 實驗操作中出現的問題

3.1 審題不仔細、自主學習能力有待進一步加強

不詳細看實驗注意事項和實驗內容，不注意聽監考老師特別強調的說明。沒有全局觀念，對時間安排無統籌規劃，時間安排不合理；無機及分析實驗中進行了不必要的儀器洗滌，導致試劑不夠用。有機實驗操作中，三通閥的使用有附錄，但很多人把旋鈕方向搞反，致使氮氣球中的氮氣被抽走；加壓柱的操作方法試卷上也有附注，層析柱接口處應該用卡子卡住，很多學生加壓時是用一只手按住；另外，多功能攪拌器貼有說明書，有個別學生沒仔細閱讀，溫控探頭不會用，反應溫度控制不準。部分學生閱讀和理解能力有待提高。在無機合成實驗中，實驗室提供了移液槍和旋轉蒸發儀的使用說明，可是絕大多數學生不仔細看儀器使用說明，有的學生看了說明仍不會操作儀器，雖然使用要求在儀器使用說明中已用黑體特別強調，但絕大多數學生移液槍使用完畢后仍沒有復原。

圖2 實驗考試分數統計結果

3.2 基本操作不規范

移液管使用不規范。調整移液管中液面高度或者吸放溶液時，移液管不垂直，移液管嘴未靠著容器壁，使移液管嘴掛液滴；不少學生用濕移液管直接從容量瓶中移取溶液；移液管普遍伸入溶液太深。

部分學生不會用差減法稱量固體樣品，不會使用稱量瓶；即便知道用差減法稱量，操作也不規范。例如：不在盛接樣品的容器上方打開或關閉稱量瓶蓋；倒出一定量樣品后，直接合上稱量瓶蓋，導致樣品粘在瓶口。

不會正確選擇和使用玻璃儀器。當反應體系為有機體系，反應和接收有機溶液的玻璃儀器一般應選擇圓底燒瓶、茄形瓶、錐形瓶等小口儀器，以防溶劑揮發。可是，很多學生沒有這方面的常識，用燒杯來接收常壓過濾的濾液。并且，當反應體系為有機體系時，引入水對實驗是不利的，很多學生不去思考這方面的問題，在過濾有機反應液時用水來潤濕濾紙。

過濾操作不規范。如漏斗嘴與承接容器隔空放置或與承接容器未貼壁；在無機合成中，實驗過程中有3次過濾，2次常壓、1次減壓。常壓過濾后不洗滌，導致中間產品轉移不完全，致使產品收率偏低；在最后一步減壓過濾時，很多學生洗滌方法不當，導致產品純度較差。

大部分學生在有機實驗操作中都沒有用固體漏斗或長頸漏斗加反應原料；薄層板在層析杯中展開時基本都沒有襯濾紙；不會使用水泵安全瓶，產生倒吸現象；分液漏斗不檢漏，操作方法不規范；用層析柱純化有機產品時，實驗室提供的層析柱本身帶有砂芯，配備的石英砂是用來封蓋硅膠固定相的，但有一半左右的學生在空柱子中先加石英砂。

滴定操作問題較多。不少學生在臨近終點時不沖洗杯壁，不會加半滴控制終點，不會通過顏色變化準確判斷滴定終點，導致終點判斷不準確，或提前或滯后。

操作習慣不好。玻棒隨便放在桌面上，不帶實驗記錄本去稱量，直接用手拿稱量瓶；不貼標簽，導致取錯溶液。

3.3 學生缺乏“量”的概念

定量分析時，待分析固體樣品須準確稱量，標準溶液須準確移取。在返滴定測試Ni含量時，已告知學生須準確加入一定量的標準EDTA溶液，但沒有告知通過什么儀器加入。有不少學生就用量筒量取溶液，準備直接加入，被監考老師制止。測pH時，玻棒和pH試紙所沾溶液不吹入待測液中。

不會判斷產品是否析出完全。在良溶劑中加入不良溶劑是常用的一種獲得產品的方法，但很多學生不會判斷產品是否析出完全，也沒有這個意識，導致產品產量偏低。

3.4 安全意識還不夠

進入實驗區進行實驗時，有些女學生雖然把頭發扎起來了，但是沒有按要求扎短至肩部以上；不少學生還不習慣戴防護眼鏡和手套做實驗，這種現象在物理化學實驗中表現尤為突出。做有機實驗的不少學生習慣把頭伸進通風櫥觀察或操作；很大一部分學生溶脹硅膠(溶劑為石油醚、乙酸乙酯)用大燒杯，未用準備好的250毫升錐形瓶。無機合成部分，反應液為有機體系，反應體系不能密閉，但很多學生加塞進行反應，這樣操作極其危險，說明學生沒有意識到安全方面存在的隱患。揮發性有機廢液長時間在敞口燒杯中放置，沒有及時倒入具蓋廢液瓶。

4 實驗教學研討會情況

競賽期間舉行了實驗教學改革研討會，由邀請專家和參賽帶隊教師共18位教師做了精彩報告。教育部高等學校化學教育研究中心主任段連運教授回顧了全國大學生化學實驗邀請賽的發展歷程，指出化學實驗教學找到了一條“一體化、多層次、開放式”的實驗課程體系建設路徑，實驗教學改革成為了化學教學改革中力度最大的一環。大學生化學實驗邀請賽已成為廣大教師總結經驗、交流思想的平臺，也是一個發現問題、解決問題的平臺，對激發學生學習化學的興趣和熱情起到了重要的推動作用。來自美國密西根大學的Brian P.Coppola教授為近500名參賽師生做了題為“New Ideas for Chemistry Education”的大會報告。他指出，化學教育正在發生顯著的變革。教師和學生擁有不斷變革的技術、便利的溝通手段和開放的信息資源，應思考如何將這些技術和手段進行整合，建立基于研究的實驗教學課程以及以學生為中心的教學材料；Coppola還對比了中國和美國大學的實驗教學特點，及其對學生能力形成的影響。英國謝菲爾德大學的Julie Hyde博士做了題為“Undergraduate Laboratory Teaching and Practical Outreach Events at Sheffield University，UK”的報告，主要介紹了謝菲爾德大學在3種教育模式中的實驗教學及其要求的差異，介紹了他們在向中小學生及社會推廣化學實驗功能方面所做出的努力。山東大學張樹永教授做了關于“未來化學實驗教學改革的整體規劃與重點工作”的報告，主要圍繞實驗教學存在的問題、目標導向的教學設計理念與未來改革與建設重點3方面進行了討論，報告以12個發人深省的問題結尾，引起了在場實驗教育工作者的深思。其他報告人就各自學校實驗教學體系、教學內容、教學方法改革的經驗進行了交流。

5 對未來實驗教學改革和競賽安排的思考

全國大學生化學實驗邀請賽已舉辦10屆，取得了有目共睹的成績。具體體現在以下幾個方面：(一)通過搭建競賽平臺，推動廣大教師不斷交流思想、總結經驗，使得教育部化學類教學指導委員會所倡導的“一體化、多層次、開放式”實驗教學改革理念深入人心并被很好地貫徹落實，實驗教學改革成為了化學教學改革中力度最大的一環；(二)通過競賽發現和解決問題，促進了實驗教學條件改善、加快了實驗課程建設、規范了實驗基本操作和實驗室安全設施、加強了實驗室管理和建設。對開闊學生視野、激發學生學習化學的興趣和熱情也起到了重要作用；(三)鍛煉和培養了骨干實驗教師隊伍，形成了老中青相結合的指導教師梯隊，對穩定骨干實驗教師隊伍起到了積極的作用；(四)擴大了國際影響和交流。美國化學會非常關注我國舉辦的全國大學生實驗競賽，為了了解本次競賽的目的、組織方式、競賽內容，以及所反映出的中美化學實驗教學各自的特點，全額資助密歇根大學師生參加了此次競賽活動。Coppola教授也將把這次競賽活動的報告發表在J.Chem.Edu.雜志上，向全世界化學教育界同行進行介紹。這次競賽也給我們留下了許多思考。

5.1 堅持競賽指導思想

堅持競賽考查內容的基礎性。競賽的目的是為了考查和了解我國化學實驗基礎知識和理論、基本技能、基本技術等方面的教學情況。本次競賽暴露的問題提醒我們，當把目光集中在學生創新能力培養的時候，不能削弱實驗的“三基”訓練。另一方面，我們也要清楚地認識到，競賽成績僅僅反映了學生知識和技能掌握和使用的程度，并不能全面反映學生的綜合素質和能力。在堅持競賽內容基礎性的基礎上，如何把反映學生“手腦并用、自主學習、活學活用”能力的內容融入到考題中，是今后競賽命題面臨的挑戰[3－6]。

5.2 與時俱進，重新檢視“三基”內涵

隨著科學技術的發展，大量新知識、新理論、新方法、新技術不斷涌現，“三基”的內涵必然會相應發生改變。例如，各種快速、安全和高效可控的加熱技術的發展，使得煤氣燈加熱技術的重要性大大下降；電子天平因其稱量快速準確、靈便輕巧等優勢全面替代了光電機械天平和托盤天平；定量移液槍使移液管的應用機會減少了一半；原子發射光譜、離子色譜技術已經取代了傳統的陰、陽離子鑒定方法；在有機化合物及其官能團鑒定技術方面，質譜、核磁、紅外和紫外光譜已成為通用技術，元素分析和傳統有機官能團鑒定技術的重要性已經明顯降低；先進材料合成及其功能界面技術的發展，使得電鏡、顯微成像技術應用逐步成為常態化。另外，隨著社會公眾安全、環保意識的提高，化學合成和制備實驗的設計朝無害化、綠色化和綜合化發展已成為化學實驗教學改革的必然趨勢。所以，重新研究和規范“三基”內涵、修訂實驗教學基本內容是非常有必要的[7－11]。

5.3 出臺“實驗操作技術”的規范性指導文件

化學實驗技能和操作方法很多都是長期經驗的積累。對化學實驗的初學者來說，按照這些方法進行規范操作能夠保證他們安全、順利地完成實驗并獲得準確、重復性的實驗結果，這對定量分析操作尤其重要。誠然，對于個別實驗操作究竟怎么做才最合理，不同學校之間可能存在爭議，這恰恰體現了實驗操作技能和方法的經驗性特征。另外，有些做科研的教師聲稱，在科研實驗室中有時沒有按照基礎實驗所教的方式操作，也沒有發生什么問題，從而質疑規范操作的必要性。這種質疑顯然是不可取的。此次競賽中暴露出的實驗操作不規范問題有些非常觸目驚心，如果任其發展，將會導致實驗教學質量嚴重下滑，并可能導致嚴重的安全事故。此外，近十多年來，新實驗技術和方法不斷涌現，如何總結和規范這些新的實驗操作，編寫新的實驗操作規范和相關指導書，具有緊迫和現實的意義。

5.4 進一步提高安全意識，養成防護習慣

近年來，隨著國家投入的大幅度增加，我國高校實驗室的建設水平與國外著名高校間的差距迅速縮小，化學實驗室的安全設施建設也已接近國際標準[12]，但不可否認，我國高校實驗室在安全意識教育、安全制度建設、安全管理方面與國際一流大學仍有較大差距。此次競賽，英國謝菲爾德大學的Julie Hyde博士和美國密西根大學的Brian P.Coppola教授特別強調，在歐美大學實驗室，實驗者必須要穿戴好安全防護裝備才能進入化學實驗區，否則將給予相應的處罰。而反觀我們，不僅是學生，甚至我們的教師，也包括那些在歐美等高校留學或進修過的教師，整體的實驗室安全意識都很薄弱，對于物理化學實驗室等以儀器為主的實驗室，大部分教師和學生沒有穿戴安全防護裝備的習慣。這表明，我們的安全意識教育還必須大力加強，應該進一步強化安全防護要求和考核，使實驗室安全深入人心，變成每位教師和學生的自覺行動。各化學實驗教學中心還應注重細節和落實，制訂應急預案，配備急救措施，建設報警條件等。另外，實驗服應由實驗中心統一回收洗滌，不得由實驗人員帶出實驗室。

[1]朱亞先,張樹永,陸靖,鄭蘭蓀.中國大學教學,2015,No.2,31.

[2]段連運.大學化學,2002,No.5,64.

[3]張樹永,張劍榮,陳六平.大學化學,2009,44(4),24.

[4]張樹永.中國大學教學,2015,No.3,55.

[5]曾秀瓊,趙華絨,譚桂娥,蔡吉清,方文軍.實驗技術與管理,2015,32(4),179.

[6]夏春蘭,鄧立志,劉欲文,龔淑玲,黃馳.大學化學,2011,26(4),17.

[7]陳六平,鄒世春,石建新,劉鵬,楊洋溢.大學化學,2007,22(1),14.

[8]沈永雯,俞娥,梁永民.大學化學,2014,29(1),26.

[9]雷杰,高翔,馬林,張晉芬,莊繼華.大學化學,2012,27(1),16.

[10]蘇碧云,李磊,劉祥,孟祖超.大學化學,2012,27(2),34.

[11]李愛峰,孫愛玲,柳仁民.大學化學,2012,27(6),29.

[12]王燕,殷馨,孫學芹,熊焰.實驗技術與管理,2015,32(2),208.

Examination Analysis and Problem Thinking on the 10th National Undergraduate Chemistry Laboratory Tournament

ZHAO BinZHANG Wen-WeiZHANG Jian-Rong*
(School of Chemistry&Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,P.R.China)

This paper summarizes the 10th National Undergraduate Chemistry Laboratory Tournament, analyzes the problems existing in current experiment teaching which are reflected in the tournament,and gives some reform suggestions on the basic contents of experiment teaching and the standardization of experiment operation.

Undergraduate chemistry laboratory tournament;Experiment teaching;Teaching reform

G64；O6

*通訊作者，Email:jrzhang@nju.edu.cn

國家自然科學基金會人才培養項目(J1103310)和支撐條件建設(J1210030)；江蘇省高校品牌專業項目(2015－2019年)

10.3866/PKU.DXHX201609016

www.dxhx.pku.edu.cn