綜合化學實驗的選題原則及教學探討

劉春英 馮錫蘭 劉大鵬 李汝奕 羅立文

中國石油大學（華東）化學化工學院，山東 青島 266580

無機及分析化學綜合實驗課程（以下簡稱“綜合化學實驗課程”）自2011年開設以來，一直是我校化學工程與工藝、應用化學、材料化學和環境工程等專業學生喜歡的限選課程之一。綜合化學實驗課程的教學目標是：加強學生基本實驗技能、提高綜合設計和實踐能力、提高科學研究和創新能力。在這門課的學習過程中，學生要完成選題、文獻查閱、方案設計、方案實施、科技論文寫作等一系列任務，其中每一環節都是不可或缺的。在選題環節中，學生需要從教師確定的三十多個課題中選定，這些題目涉及的類型有：環保、廢物回收與利用、教師科研的部分內容。題目具有綜合性、設計性和研究性的特點。教師需要審慎、嚴謹地選定這些題目，從而使學生選擇任一題目都能達到鍛煉和學習的目的。可以說，合適的選題是保證學生課程學習能夠順利、高效進行的基礎。本文主要探討綜合化學實驗的選題原則，分析實驗教學實施過程中存在的問題，并提出改進措施，以期更好地達到課程目標、提高教學質量。

一、綜合化學實驗的選題原則

教師選定的綜合化學實驗題目，首先要求內容豐富、涉及面廣，能讓不同學習基礎的學生有選擇的余地，滿足學生個性化需求；其次，在符合實驗教學大綱和教學目標要求的同時，要考慮題目能夠讓學生感興趣，有知識性、探究性。綜合起來，選題需要遵循以下原則：科教融合、綠色環保、綜合設計。

（一）科教融合原則

教師豐富的科研內容和成果是非常寶貴的潛在實驗教學資源，將科研與教學緊密結合是提高實驗教學水平的有效途徑，所以在綜合化學實驗教學中可將教師的科研項目的部分內容設計成探究式的綜合實驗。例如，可選擇的題目有：“氫氧化鎂阻燃劑的制備與含量分析”“氫氧化鎂阻燃劑的表面改性與應用”“廢煉油催化劑中回收鎳”“水熱法制備NaY 分子篩及表征”等。以氫氧化鎂阻燃劑的制備、表面改性與應用為例，這些研究內容是教師參與某一企業項目的一部分，企業以鹽湖鹵水或鹵塊為原料、采用水熱法低成本合成出片狀氫氧化鎂，并進行了放大生產。如果選擇了“氫氧化鎂阻燃劑的表面改性與應用”這個題目，學生首先要查閱文獻，了解氫氧化鎂的阻燃性能和阻燃原理、不同形貌的氫氧化鎂阻燃效果不同以及無機粉體表面改性原理等，根據阻燃劑性能要求設計出納米或片狀氫氧化鎂的制備、氫氧化鎂表面改性方法及氫氧化鎂填充EVA復合材料的氧指數測定的實驗方案；然后準備實驗、開展實驗，制備出氫氧化鎂阻燃劑；再對產品進行表面改性、性能測試，即測定其活化指數、沉降體積、吸油量等，分析其表面改性效果；接著采用儀器分析技術分析樣品結構、存在基團類型和粒徑大小；進而制備氫氧化鎂填充EVA復合材料，進行阻燃性能測試；最后進行數據處理和表征圖譜分析，撰寫科技論文。

學生在實驗教學過程中將教師的科研內容轉化為綜合化學實驗，拓展了實驗教學內容的深度和廣度，使實驗具有前沿性和挑戰性。學生針對某一課題，掌握該領域的前沿知識、最新研究方法以及相關的實驗技術、現代儀器分析技術，如采用紅外光譜技術、XRD 衍射技術、掃描電鏡技術、透射電鏡技術等表征樣品并進行譜圖解析。雖然有些儀器的使用及分析對二年級大學生來說有一定的挑戰性和難度，但是將科研內容融入實驗教學中，能夠讓大多數學生充分體會到理論和科研、生產實際的緊密結合，體會到科學研究的探索性、嚴謹性和實用性；了解并實踐了科研的一般過程，培養了科研的科學精神和創新意識，加強了學生學習的主動性和獨立性，同時提高了學生參加大學生創新實驗和科研活動的積極性。

（二）綠色環保原則

利用生活垃圾、食物廢棄物或實驗室廢液等為原料設計綠色綜合化學實驗，例如廢舊電池的回收利用，從海虹殼、扇貝殼或滸苔中分離和鑒定某些元素，從海帶中分離和鑒定某些元素等。這些實驗項目成本低廉、操作方案簡便、試劑毒害性小。以廢舊電池的回收利用為例，學生分解電池后回收MnO、碳棒、鋅皮后，由鋅皮制備出七水硫酸鋅晶體，測定產品中七水硫酸鋅的含量，同時檢驗產品中是否存在Cl、Fe及Pb、Mn、Cd等金屬離子。通過這些實驗過程，學生可以直觀地了解干電池的組成和廢舊電池的回收利用方法。再例如，無機化學實驗教學過程會產生無機物廢液，學校都是對其集中收集后交給污水處理公司處理，我們可以有針對性地選出一些無機物廢液轉化成試劑并設計成綜合實驗項目，例如從廢銅液中回收硫酸銅及含量測定、從廢碘液中回收單質碘及含量測定等。在學生設計方案、實施實驗過程中，教師指導學生優化方案，督促其盡可能減少化學試劑的使用量、提高試劑的利用率，學生逐漸就會有意識地、自覺地科學合理回收、處理廢棄物。通過以上這些實驗項目的實施，學生不僅將實驗室部分廢液變廢為寶，進一步學習了實驗基本操作、提高了綜合實驗技能，而且培養了環境保護、綠色化學及資源綜合利用的理念。

（三）綜合設計原則

綜合化學實驗教學不僅要將學生所學的理論知識、實驗方法和實驗技能相結合，還要體現實驗的綜合性、設計性和研究性的特點。除了上面介紹的題目，再舉幾個例子：水熱法制備納米氧化鐵粉體及其表征、超細氧化鈷粉末的制備及其表征、二水醋酸鋅的制備及其含量分析、洗衣粉中表面活性劑的提取及其離子型鑒定、B-Z振蕩反應實驗及機理綜述等。學生先設計多種方案，再和教師探討各種方案的優缺點、可行性，最終確定二至三種方案。實驗內容應涉及無機化學、分析化學、有機化學實驗操作及相關儀器的使用，實驗方案要體現綜合性、設計性的特點。以聚合硫酸氯化鋁鐵的制備與應用為例，學生通過優化條件制備出無機高分子絮凝劑聚合硫酸氯化鋁鐵，再將其用于處理油田污水或者染料液，考查其絮凝效果（對污水的除濁和脫色效果）。學生不僅要掌握無機合成多種方法，還要掌握分光光度計、濁度計、pH 酸度計等普通儀器的使用。類似題目的訓練培養了學生的初步科研能力和實際應用能力。

二、教學實施過程中存在的問題及改進措施

綜合化學實驗這門課在開設的初期，存在著運行經費短缺、實驗室開放時間不足、實驗題目較少等很多不足之處。隨著課程連年開設，可供選擇的實驗題目逐年增多，實驗條件逐漸得到好轉，試劑由少到多逐漸積累，小型儀器逐漸增多，實驗室可以保證全天開放。但是，仍需要從實驗室管理和學生管理兩個方面加強改進工作。

（一）需要加強實驗室管理，責任明確到人

由于綜合化學實驗題目的多樣性以及每一組學生設計方案的多樣性和特殊性，本課程的實驗室管理、教學過程監督管理和實驗指導同常規實驗課相比有較大的挑戰性和難度。實驗室條件的限制給實驗室管理人員試劑、儀器的準備工作和實驗室之間的協調工作帶來較大的難度和額外的工作量，因而指導教師和實驗室工作人員要有較強的責任心，為這門課程投入更多的精力和時間；實驗室管理要有制度、有秩序；實驗室工作人員的實驗準備工作要做得更細致。不能因為實驗條件不足而讓學生感覺自己的想法和方案不能實施；不能讓學生因為找試劑和儀器而浪費太多時間；不能因為缺乏試劑而反復修改學生的研究思路，要使學生激發出來的靈感得到最好的實施和驗證。很多實驗課題要用到大型儀器，實驗室工作人員和指導教師要盡可能同其他教師協調，讓學生能夠使用這些儀器表征樣品，或者管理儀器的教師能夠給學生測定樣品性能，滿足學生表征樣品的要求，這樣學生的實驗數據才會及時、可靠、豐富。另外，實驗設備老化是很多高校的共有問題，而實驗設備是影響師生積極性和教學效率的一個大問題，因而更新設備是保證實驗效果的一個重要保障。為綜合化學實驗教學配備的某些儀器因使用年限較長、過于陳舊，需要盡快更換設備，這需要化學實驗中心的大力支持。總之，實驗室的管理制度需要到位、詳細，包括大型儀器的共享、使用和管理等各方面要責任明確到人，使得指導教師、實驗室管理人員和學生明確實驗過程中自己的責任，這樣的實驗室管理才科學，才能使實驗室得以安全、有序地運行，為其他基礎類實驗和專業類綜合化學實驗課程服務，從而大大提高實驗教學的效果和效率。

（二）需要加強學生管理，發揮學生主觀能動性

綜合化學實驗開設的起始和終止時間及周數是確定的，學生在沒有其他課程時都可以進實驗室做實驗，自主選擇的時間多，也就是說，在兩周半的時間內實驗室全天開放，學生可以靈活安排時間，這是優勢。但是，不同專業的學生因課程安排不同而空余時間不同，因而每天來實驗室的時間不固定。當選課的學生較多時，教師對于學生的管理，例如簽到，實驗室的使用、衛生保障，試劑和儀器的使用管理都有難度。如果教師和實驗室工作人員管理不善，對自己要求不嚴格的學生就會不積極投入實驗，或試劑擺放混亂，儀器操作不正確、不歸位，或者不注意打掃實驗室衛生等。因此，教師在鼓勵學生認真學習這門課程的同時，必須對學生加強管理，嚴格執行簽到制度，進行平時數據檢查，明確每個課題的任務，進行工作量階段檢查以及每天的監督和檢查等。這時，指導教師的任務不再是對學生傳授知識點，而是對學生學習、實驗習慣的引導以及實驗的輔導、啟發、協助、監督和管理。這樣既能幫助學生逐漸養成良好的實驗習慣，又能保障學生在實驗課程學習過程中的主體性。

（三）需要構建科學的實驗考核評價模式

激發學生興趣的不只是實驗題目及實驗過程的探索，還有來自教師的鼓勵以及合理的實驗課程成績評價。課程開始時要對學生明確實驗室規則、課程要求、每個課題的總體要求和成績評價內容及標準等，這樣會促使學生有內在壓力和自身要求，有利于提高實驗效率。成績總評包括學生的方案設計成績（占10%）、平時成績（占40%）、科技論文成績（占50%）。方案設計成績評定依據方案是否具有多樣性、是否有新意以及是否詳細。平時成績評定主要包括學生的學習態度、實驗工作量、實驗操作規范、分析和解決問題、實驗環保和實驗室衛生等方面的評價。科技論文成績評定主要考慮學生撰寫的文獻綜述是否有深度和廣度；實驗數據是否真實、可靠和有效，數據的分析和討論是否有理有據、是否體現創新意識；結論是否準確；寫作格式是否規范等。目前，我校實驗教學準備增加答辯環節，通過學生陳述、回答教師提出的問題的情況給出答辯成績。總之，綜合化學實驗課程成績考核的科學性與合理性是影響該課程教學方法和教學效果的重要因素，還需要通過調研、考查和討論來確定更全面的成績評價標準，從而構建科學、合理的實驗考核評價模式，進一步提高學生進行綜合實驗的積極性，提升實驗教學質量。

三、結束語

綜合化學實驗延伸了理論教學和無機及分析化學常規實驗教學的內容，給學生提供了一個很好的鍛煉實踐能力、科研能力的平臺。綜合化學實驗題目的選擇至關重要。綜合化學實驗與教師科研、生產實踐、學生課外科研、綠色化學相結合，具有綜合性、設計性、研究性、應用性和綠色環保性特點。要與時俱進、不斷挖掘新路徑，選擇有創新性的、可操作的實驗題目，去掉不利于鍛煉學生能力的題目，從而使實驗題目科學化、多樣化，有利于全面提升實驗教學質量。在綜合化學實驗教學過程中，要著力解決實驗室管理和運行難，學生管理、學生合成樣品的表征難等問題。學院、化學系和實驗中心應提供大力支持，為學生順利進行實驗、儀器使用和樣品表征提供更多的條件與方便，這樣才能保證學生對這門課程感興趣，愿意投入更多的時間進行實驗，從被動學習狀態轉變為主動實踐狀態，實現以學生為主體的實踐教學模式；也才能促使學生主動去質疑、思考，體會科學研究的嚴謹性、探索性、綜合性和實用性，從而更好地提升學生的知識運用能力、綜合實驗設計能力、實踐能力、科研創新能力和團結協作能力。