2012.大学化学-综合化学实验课程的思考和实践.pdf

第 27 卷 第 4 期 2012 年 8 月 大 学 化 学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol 27 No 4 Aug 2012 综合化学实验课程的思考和实践 牛国兴 高翔徐华龙 复旦大学化学系上海 200433 摘要根据综合化学实验课程对本科生能力培养的要求 提出 培养学生串联 组装各知识点 实验技 能 形成有效解决问题的能力 的教学理念 并用实例介绍在实验内容设置 编排和教学方式进行调整来实施 这种教学理念的方法 关键词综合化学实验能力培养教学理念思考和实践 我系本科生实验教学体系犹如金字塔结构 图 1 在大三前 进行各种基础化学实验教学 这些课 容纳量大 课时数多 是我系本科生实验教学体系的坚实基底 处在 塔尖 的科学研究训练实验课是 由我系多位教授从科研中提炼的一些内容构成 面向大三 下 大四 上 本科生开设 旨在培养学生 从事化学研究的基本思路和方法 处在 金字塔 中间的综合化学实验所起的作用是承前启后 为我系本科生能力阶梯培养的实验教 学体系构建坚实的桥梁 图 1复旦大学化学系本科生实验教学体系示意图 1综合化学实验课程的教学理念 基础化学实验的教学重点是培养学生的基本实验技能 帮助学生形成良好操作习惯并理解基础课 程知识点 这犹如让学生掌握每个零部件的工作原理和制造方法 科学研究训练实验旨在训练学生如 何运用正确的科研思路 合理选用各种手段和方法 犹如训练学生从繁杂工具箱中选择最有效最便捷的 工具来解决一个具体问题 至于工具箱中的工具 方法 从何而来 如何对各零部件进行合理组装 形成多种合适的工具 这 就是综合化学实验需承载的主要教学任务 即培养学生在面临具体问题时 能够对基础化学实验中学到 的各个知识点及各种实验技能进行串联和组装 形成可有效解决问题的一种能力 依据这种教学理 通讯联系人 E mail gxniu fudan edu cn 念 1 2 我们认为综合化学实验在巩固学生基本实验操作技能的基础上 在引入新实验方法和新知识点 增加学生知识面 做好承前启后工作的前提下 特别需要加强对学生分析和解决问题能力的培养 3 4 因此 需要在原有验证性实验的基础上 增加一些生动的例子 告诉学生应该怎样思考 如何在多种方 法 手段及应用中进行合理选择 引导学生挖掘实验内容 现象和数据中隐含的深层次信息 并尝试进行 归纳和总结 2综合化学实验课程的内容编排 根据上述理念 我们利用 211 项目 世界银行贷款 特别是 2003 年我校教务处专项课程建设费用 的资助 着重对实验内容 各实验间联系及讲义编排等进行了调整 增加了多个新实验 这些新实验设 计是在加强实验间联系 确保实验贯穿合成 表征和应用整个过程的指导思想下完成的 目的是在增加 实验趣味性的同时 加强学生对实验设计意图的理解 了解知识点串连和方法选择上的一些基本要点 我们根据不同实验的特点 分别将它们纳入到 8 个不同专题中 表 1 这种编排虽然只是形式上 的变化 但却可以加强实验间的联系 让学生从中体会到化学二级学科间的交叉 使学生能从更宽角度 理解当今化学学科的发展 如 绿色化学 专题中的实验原本彼此关联度较低 学生很难进行比较 分析 现在通过 绿色 环 境友好 主线 增强了彼此间联系 告诉学生这些实验的共同目的就是使化学与环境和谐统一 既可从 处理化学污染物角度着手 也可通过 原子经济性 减少废物排放来实现 让学生明白一个问题可从不 同角度 采用不同手段来解决 在 手性技术 专题中 原有的 二茂铁合成 和 二茂铁衍生物合成 实 验由于没有应用例子做支撑 除了训练无水无氧操作外 实验意义略显单薄 很难让学生感兴趣 现在 通过增加 手性含膦二茂铁的合成和应用 实验 使学生明白前两个实验是后者的重要基础 这样不仅 很自然地将这些实验内容联系起来 而且还向学生提供了从简单工作入手 逐步深入到研究核心的科研 思路 3综合化学实验课程教学方式的更新 我们对综合化学实验课程的教学方式也做了适当调整 主要有以下几点 1 重视学生的参与性 培养学生挖掘 提炼深层次信息的能力 为培养学生能力 很多高校均开设了设计性实验 要求学生通过查阅文献 设计出实验过程 5 6 但 我们发现这种方式实施时有一些困难 一是学生的设计方案很难掌控 教学实验室也很难满足学生设计 方案所需的试剂和仪器 二是教学安排有困难 设计实验的连贯性往往较差 从文献查阅 设计审核到 最后实施等环节存在大量时间断档 而且受课时 场地限制 实验中心很难大规模开设这些实验 因此 有些学校将这类实验安排在课题组中进行 或只安排一部分学生进行这种模式的实验 受益面较小 为了克服这些困难 让所有学生都能接受这种能力培养 我们调整了实验计划 由教师根据实验内 容先做前期文献收集 以小型文献综述的方式总结出与实验结果有关的影响因素 然后给出一个无具体 实验参数的操作步骤 学生通过阅读这部分内容 再根据自己的理解设定目标 选出认为合理的实验参 数和操作方案 完成自己的实验 比如 纳米氧化钛合成及其在光催化降解中的应用 实验 讲义给出了一些合成条件 如 pH 温 度 投料比等对纳米 TiO2粒子尺寸和催化能力的影响规律 在 丝光沸石合成及其甲苯歧化活性测定 实验中 给出了一些制备条件对丝光沸石结晶度 离子交换容量和催化性能的影响规律 要求学生阅读 82大 学 化 学第 27 卷 这些辅助材料后 完成具体的设计方案 由于每个学生只能做一个条件实验 获得的信息比较少 很难 分析其中的规律 也不便于进行讨论 因此 我们要求一组学生 4 8 名学生 共同商定 1 2 个因素 每个学生完成其中的一个条件实验 结果大家共享 最后 每个学生根据自己对数据的理解 以小论文 形式独立完成实验报告 表 1综合化学实验课程的内容 专题名称实验内容 纳米材料的合成 表征和应用介孔材料的合成及表征 纳米氧化物的合成及表征 荧光材料的合成及表征 纳米荧光材料的合成及表征 手性材料的合成 分离和表征二茂铁的合成及表征 二茂铁衍生物的合成及表征 外消旋 1 1 联 2 萘酚的合成及其对映体拆分 手性含膦二茂铁配体的合成及应用 手性 Co Salen 催化的不对称环丙烷化反应 功能材料和特殊合成技术12 钨硅酸的制备和性质 钛硅分子筛的合成及表征 丝光沸石的合成及其应用 无水 无氧条件下二茂镍的合成及表征 四 4 氨基苯基 Ni 卟啉的合成 无皂乳液聚合法合成单分散高分子胶体微球 生物化学技术细胞色素 b5 的表达 提取及纯化 细胞色素 b5 蛋白中的非共价键作用 氨基酸的保护和二肽的合成 绿色化学三草酸合铁 络离子的光化学反应 有机废料的光催化处理技术 纳米氧化钛为催化剂 环境友好合成苯二酚 钛硅分子筛为催化剂 高电位阳极氧化法处理有机废水 电化学技术 CCD 光谱技术快速跟踪生物分子氧化还原过程 循环伏安技术 染料敏化纳米多孔 TiO2太阳能电池 溶胶 凝胶技术制备 NO 2化学修饰电极 环境分析及检测GC MS 法测定大气中汽车排放有机污染物 流动注射法测定饮用水中的氯化物 高效液相色谱柱效能及定量分析方法 水泥组分的全分析 化合物结构分析 鉴定原子簇化合物的光谱表征 镍 络合物的磁化率测定 红外光谱法测定异核双原子分子的结构参数 热分析法测定 CaC2O4 H2O 分解的热动力学参数 气相色谱法测定吸附过程的热力学函数变化 92第 4 期牛国兴 等 综合化学实验课程的思考和实践 这种调整既有利于培养学生总结文献 分析数据 解读规律 提炼结论的能力 而且也使教学过程容 易控制 让所有学生都能从中受益 2 淡化实验结果 鼓励学生分析讨论 以组为单位 分工合作完成实验有可能会出现某些条件易获得较好结果 而某些条件所得结果则较 差的问题 学生容易产生顾虑 担心选到不够好的实验条件 对于这种情况 我们会告诉学生 在科研 实验 中只有错误 失败的操作 没有 失败 的数据 数据并不存在 好 坏 之分 只要严格认真操 作 每个实验数据都是证据链上的重要一环 例如在极大值曲线中 若没有其他数据陪衬 也就没有了 极大 的概念和结论 有时学生即使认真操作也不能获得理想结果 会很沮丧 碰到这种情况 我们会告诉学生这个事实 一定包含某种信息 解读其中隐含的信息对以后工作改进会有很好的启发作用 我们会鼓励他在实验 报告中对此进行深刻分析 并解释原因所在 对于以上两种情况 我们认为必须而且应该淡化实验结果 更加注重对过程的控制和对学生能力的 培养 只有这样 学生才会更加关注实验过程 并乐于参与实验设计 此外 我们还要求学生挖掘实验的设计思路 多思考为什么 体会设计过程的严谨性和严肃性 领悟 严格 严密的设计是获得可信解决方案的重要保障 比如 水泥全组分分析 实验采用了化学滴定 紫 外光谱 原子吸收光谱和等离子光谱 4 种方法测定一些元素的含量 我们要求学生思考这 4 种方法的各 自特点和使用范围 如何根据客观条件和样品特性选择合适的分析方法和排除测量干扰 通过思考这 些问题 学生不仅能巩固分析化学知识 而且能理解不同方法的使用是有条件的 只有了解它们的特点 合理选用 才能发挥其优势 3 加强教师讲解 重点补充外延知识 丰富实验教学内容 综合化学实验的很多内容与当前研究热点相关 因此 我们要求教师加大讲解力度 除注意事项 外 重点介绍相关背景和专业知识 并适当介绍相关研究领域的发展方向和热点 以开阔学生眼界 增加 实验趣味性 比如 在 手性不对称环反应 实验中 教师在手性化合物应用 获得方法 手性催化的意 义及进展等方面重点进行拓展讲解 利用综合化学实验教学的机会 让学生对手性化合物或材料有较全 面认识 通常一个 1 天的实验 我们会用约 2 小时进行讲解 此外 我们还要求教师多与学生交流 鼓 励学生提出问题 4 公开评分标准 让学生自觉遵守教学规范 应试教育培养出来的学生 往往对分数很敏感 很多学生对成绩的关注超过了对课程本身 要想在 短时间内解决这一问题并不现实 但若能将实验要求转化为可量化的分数 学生就有可能在 分数 指 挥棒的引导下 自觉地遵循我们的教学理念 我们将每个实验的总分设定为 10 分 其中预习 1 分 课堂 与教师互动 1 分 安全卫生 1 分 实验操作 2 分 实验结果 2 分 实验报告 3 分 每迟到或早退 10 分钟扣 1 分 为引导学生主动参与实验教学 加强能力和思维培养 特意增添了学生与教师课堂互动的分数 并提高了实验报告的分值 为学生在实验报告中进行问题分析和讨论预留了分数差异空间 同时 在总 分之外另辟了 独创性 分项 以鼓励学生积极思考 这种公开评分标准的好处在于 学生能潜移默化地接受和实践我们设定的能力培养方案 最明 显的是杜绝了迟到早退的现象 在实验报告中增加了针对结果和现象的讨论 课堂气氛也相对活跃了 有分可依 的方式避免了教师的个人喜好 基本杜绝了学生对成绩的抱怨或投诉 03大 学 化 学第 27 卷 4教学中存在的主要问题 我们在综合化学实验教学过程中 也发现了一些问题 主要表现在以下几个方面 1 教学宗旨与学生参与实验目的间存在差异 因为各种原因 有些学生对化学 包括综合化学实验 不是很感兴趣 参加实验仅仅是为了得到相 应学分 对实验缺乏热情 对于这些学生 我们一方面在内容设置和讲解中 力求突出兴趣点以吸引他 们的关注 同时 在评分上 依据教学宗旨 严格把握评分尺度 加大能力培养方面的分值 从主动 被动 两方面引导学生按照我们的教学宗旨进行 但在实践中 我们发现后者 被动方式 更有效 这是我们 的困惑 2 教学要求与实施效果存在差距 教学宗旨能否有效落实 取决于教师的实践质量 虽然每位教师都知道具体教学要求 但最终实践 效果很难有评定标准 只能依靠教师自身的能力和职业素养 尽管大多教师都很负责 但也有一些不认 真和不负责任的现象发生 一些教师可能只是出于职务晋升和年终考评的目的才加入实验教学队伍 缺乏 教书育人 的责任心 也有一些教师可能对教学宗旨理解不深 以为只是一堂普通实验课 对于 后一种情况 我们可以通过不断强调 宣传 交流加以修正 而对于前一种情况 实际上是很难进行管理 的 3 教学效率不高 造成这方面问题的主要原因是实验室场地 设备资源和实验内容不足 特别是前二者 致使一些教 师每次实验只能带 4 名学生 这样既浪费教学资源 也影响实验周转 延长了学生的实际实验时间 目 前 每个学生每学年要做 20 天综合化学实验 虽然能满足学时数要求 但实际上大三 下 大四 上 的学生 有很多空