工科高校基礎化學實驗課程體系重構與實踐*

唐 艷, 陳紅祥, 邱江華, 陳 陽, 謝 靜

化學是一門以實驗為基礎的科學, 它的定律和學說都來源于實驗。 實驗教學能培養學生觀察現象、 分析問題、 解決問題的能力, 也能為學生正確認識事物及其變化規律提供平臺, 更能以獨特的方式和豐富的內涵在培養學生創新精神, 創造能力方面發揮重要的作用。 隨著現代科學技術的發展, 學科間的交叉、 滲透使得化學學科呈現出與傳統四大化學不同的新格局,故基本獨立的無機、 有機、 分析、 物化實驗課程體系已無法滿足現代化學實驗教學的需要。 在基礎化學實驗教學中, 如何提高同學們的學習興趣和創新性, 國內許多高校對傳統的化學實驗課程體系進行了改革。 王紅等[1]將“翻轉課堂” 模式應用在基礎化學實驗教學中。 陶劍波等[2]嘗試了以化學競賽思維為引領, 對兩個基礎化學實驗案例進行教學改革。 宿艷等[3]探討了以學生創新能力培養為主線, 按照課程建設統籌規劃、 課程內容相互銜接的建設思路重構基礎化學實驗課程體系。 韓莉等[4]探討了適應大類招生的化學實驗教學課程新體系。 盧愛黨等[5]嘗試了結合專業特色開展大學化學實驗教學改革。 然而各校的性質和特點不同, 實驗教學模式也不完全相同, 還沒有成熟經驗可供借鑒。

1 傳統基礎化學實驗課程體系的弊端

傳統的化學實驗課程附屬于無機、 分析、 有機和物理化學等理論課, 有系統嚴謹、 內容成熟、 與課堂教學結合緊密等優點, 但也體現出了以下不足: 驗證性實驗過多, 設計性、 研究性實驗少; 孤立的單元性操作多, 綜合性實驗少; 經典實驗多, 反映學科前沿性的內容少等。 另外, 在具體安排上需要盡量保證與理論課程設置保持同步; 再者, 學生習慣按照實驗講義上的步驟, 循序漸進, 按部就班, 自主性差, 學習積極性不高。

針對傳統基礎化學實驗課程體系的不足, 結合我校的特點, 我們構建了一套有利于培養學生的創新能力和綜合素質的新工科高校基礎化學實驗課程體系。 依據化學實驗自身的特點設置的基礎化學實驗課程體系, 有助于學生實踐能力的培養以及科學思維的訓練, 從而提高教學質量。 針對不同專業設置的基礎化學實驗課程體系, 可以滿足我校化工、 應化、 冶金、 材料等19 個專業基礎化學實驗教學的要求, 有助于學生對所學專業知識的理解與掌握, 實現理論和實踐的緊密結合。 新的課程體系具有基礎性、 趣味性、 應用性和綜合性, 有助于提高學生學習的積極主動性, 對培養學生的綜合能力有著重要的意義。

2 基礎化學實驗課程體系的重構與實踐

2.1 基礎化學實驗課程體系的模塊設置

由于傳統的化學實驗課程體系注重于對理論課堂教學的補充, 而忽視了實驗課程本身的規律和特點, 另外, 過分強調化學學科內部二級學科的特點和系統性, 而忽視了各二級學科之間相互交叉滲透的特點。 針對以上問題, 我們對傳統的無機化學實驗、 分析化學實驗、 有機化學實驗和物理化學實驗進行了重新整合, 各學科進行了交叉和融合。 新的課程體系根據化學實驗本身的特點進行了設置, 以化學實驗技術為主線, 分為常用玻璃儀器和設備的基本操作、 基本物理量的測定、 物質的制備、 分離提純技術、 定性分析、 定量分析、 物質性質和性能的測定等內容。 新的實驗體系強化了基礎實驗技能的訓練, 優化了實驗內容, 增加了綜合性實驗, 使學生在熟練掌握實驗基本操作和基本技能的基礎上通過查閱文獻、 設計實驗、 實施方案、 分析結果、 報告總結等過程中了解從事科學研究的一般方法, 培養學生的動手和綜合能力。

2.2 適用于工科專業的基礎化學實驗課程設置

我校的基礎化學實驗課程面向化工、 應化、 生工、 材料、冶金、 環境和礦加等19 個工科專業, 化學實驗教學的質量將直接影響到這些專業學生能力的培養。 然而這些專業對化學實驗技術的要求不盡相同, 實驗技術的訓練側重面也不同, 因此我們結合了各專業的特色特點, 研究出基礎化學實驗課程所需的模塊和模塊內容。

三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備實驗是一個綜合性實驗, 以鐵(Ⅱ) 鹽為起始原料, 通過氧化還原、 沉淀、 配位反應等多步轉化, 最后制得三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀配合物。 該制備實驗涉及到稱量、 水浴加熱、 蒸發、 濃縮、 結晶、 干燥、 減壓過濾等一系列化學基本操作, 實驗制備出的產品三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀晶體為翠綠色大塊晶體。 由于實驗過程中呈現多變的色彩, 此實驗是歷年以來最受學生歡迎的實驗之一。

化工專業的培養目標旨在學生“較好地掌握化學基礎知識、 基本理論和基本技能, 具有創新意識和實踐能力” 等, 我們在開展“三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備” 的實驗項目時, 注重強化訓練化工專業學生的基本知識、 基本理論和基本技能方法。 參與實驗的學生一般都非常在意合成產品的產量和質量,教師會指導學生利用硫酸亞鐵的溶解度曲線來確定最佳溶解溫度, 從而獲得盡可能多的產品。 同時, 教師也會要求學生探索產品的質量和結晶過程的操作參數諸如結晶溫度的關系。 對化工專業的學生來說, 實驗過程不僅幫助他們鞏固和深化無機化學課程的理論知識, 掌握無機化學基礎實驗的原理、 方法和操作技能, 還能提高他們運用課堂上的理論知識和方法來分析問題、 解決實際問題的能力。

結合環境工程專業的特點, 我們在開設“三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備” 實驗時, 會倡導環境工程的學生在用盡可能少的試劑來進行實驗, 降低污染程度和不必要的浪費。 另一方面,讓學生在實驗的過程中將廢液倒入廢液桶。 實驗結束后, 我們會要求學生設計出與所做實驗對應的“三廢” 處理方案, 作為實驗報告的一部分, 體現在實驗報告的思考與創新部分。 整個實驗過程我們注重強化學生的環保意識和節約理念, 激發他們關注環境問題和解決環境問題的興趣, 探究綠色化學實驗的方法和途徑, 提高學生的可持續發展意識。

根據不同專業的人才培養目標優化設計不同的實驗內容,不僅實現了與專業實踐的銜接和融合, 還能使學生學到更多和專業緊密結合的知識和分析方法。 在基礎化學實驗教學工作中融入專業特色, 激發了學生的學習興趣, 培養了學生的綜合能力和專業能力。

2.3 基礎化學實驗內容的更新

傳統的化學實驗教學存在著驗證性實驗項目較多, 設計性、 研究性實驗少的弊端, 學生可以不用思考和分析, 只需要按講義“照方抓藥”, 就能完成實驗。 為了培養學生的積極主動性和動手能力, 我們盡量減少驗證性實驗, 取消陳舊實驗,加強綜合性實驗, 這類實驗內容選擇了思考性強、 聯系實際、有助于提高學生分析問題、 解決問題的實驗。 通過增加綜合性實驗的訓練, 學生可以將書本知識、 研究方法以及實驗技巧等更好地融會貫通及應用, 更大程度激發學生的學習興趣, 同時還可以拓寬學生的知識面, 加強學生綜合運用化學知識和實驗技能的能力, 培養學生養成良好的科學素質, 基本掌握化學研究的一般方法。

2.4 基礎化學實驗教材的編寫

依據模塊化設置的實驗技術以及各專業對實驗技術的要求, 基礎化學實驗教材的編寫吸收了國內外教學研究成果和一線教師的實驗教學工作經驗, 在保證基礎化學實驗系統性和科學性的前提下, 選擇了重要的、 有代表性的基礎化學實驗, 同時兼顧了實驗內容的趣味性、 應用性及綜合性等特點。 在綜合性實驗中編排了探索性和開放性的問題, 給學生留下一定的思考空間, 自主探索實踐, 培養學生的創新意識和創新能力。 為了適應時代的發展和當前的科技發展, 教材增加了一些現代儀器的操作技術介紹, 便于學生了解先進的測試技術和測試方法, 體現教材內容的與時俱進, 以及基礎化學實驗課程的現代化發展情況。

2.5 基礎化學實驗教學方法的改革

傳統基礎化學實驗教學的方式是填鴨式或者灌輸式, 學生的熱情不高。 在新的基礎化學實驗課程體系中, 我們開展了啟發式的教學方式, 把傳統“照方抓藥” 的實驗教學模式轉變為“學生為主體、 教師為主導” 的模式。 教師會要求學生提前查閱相關資料, 并按照實驗指導書做好實驗內容的預習。 在實驗教學過程中, 采取課堂提問的方式, 鼓勵學生積極思考。 學生通過課前預習, 發現實驗可能存在的問題, 然后在實驗課上有針對性地進行實驗。 同時, 學生在實驗過程中相互交流、 相互討論, 解決預習過程中遇到的問題。 這種教學模式為學生自覺學習提供了更廣闊的天地, 對提高學生的實踐能力, 最大限度調動學生的學習主動性, 培養學生的科研能力和創新思維能力起到了積極的作用。

3 結 語

針對不同專業設置的基礎化學實驗課程體系, 滿足了我校化工、 應化、 冶金、 材料等19 個專業基礎化學實驗教學的要求, 幫助學生理解與掌握了所學的專業知識。 新的課程體系具有基礎性、 趣味性、 應用性和綜合性, 充分調動了學生學習的積極主動性, 培養了學生的綜合素質和創新能力。