無機及分析化學實驗課程探索

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摘要:無機及分析化學實驗課程是化學本科生的必修實驗課，在本科生科研能力和創新能力培養中有著極其重要的作用。通過對課程內容、教學形式和開放模式進行改革探索，除加強基本操作和基本技能訓練外，通過綜合性基礎實驗和開放實驗模式，啟迪學生的創新思維，激發學生的創新激情，培養學生的科學素養和探索精神。

關鍵詞:無機及分析化學實驗;創新能力培養;基礎化學實驗

錢偉長曾經說過：教學沒有科研作為底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育?？梢娊虒W與科研之間的重要相互作用。目前，在國外很多高校，對于剛進入大學校門的學生就配備導師指導他們進行一些簡單的科研活動，并有針對性地進行科研訓練，從而使得他們盡快熟悉科學研究方法，并從中培養他們的科研能力。新世紀以來，國內多數高校特別是研究型大學也逐漸意識到本科生科研能力培養的重要性，通過各種途徑鼓勵教師進行實驗教學研究與改革，創建各種平臺以培養本科生的科研素養?；瘜W是一門以實驗為基礎的學科，隨著學科的發展和對人才要求的提升，基礎化學實驗不僅僅培養學生的基本實驗技能，更是從大學初期，就要培養學生的基本科研技能和創新科研素養［1－4］?！盁o機及分析化學實驗”課程屬于基礎化學實驗，國內外高校一般都在大學一年級開設，開設時間為一學年。它以無機化學、分析化學為理論基礎。傳統的課程內容通常以基本操作、無機合成提純、定量檢測為主，目的在于培養學生基本實驗操作技能，并進行系統的理論與實踐相結合的訓練。無機及分析化學實驗對高校理工科很多專業的學生來說都是一門重要的基礎實驗課，是后續的基礎實驗課程的必備基礎，為后續科研的開展提供了基礎。傳統的實驗教學通常為“教師講解，學生模仿”的模式進行，在這種傳統教學模式下，實驗教學變為照方抓藥，忽視了學生獨立思考和創新能力的培養，缺乏趣味性和探究性，對學生自主學習和動手能力的提升難以起到較好的作用［5－8］。尤其是拔尖學生培養方面，雖然相比較其他學生在教學內容方面進行了一些改革和探索，但依然沒有達到理想的效果。根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》相關要求，為了更好地完善“創新人才培養體制”“提升科學研究水平”以提升學生科研素養，國內高校在基礎化學實驗課程體系方面進行了探索和實踐，主要改革方向包括：（1）通過建立新的教學理念，滲透綠色化學概念，課堂主體由教師向學生轉移［9－10］。（2）實驗內容更新優化，減少單一性實驗內容，增加連續性綜合性的實驗項目，并根據目前國內外科研熱點，增加相關實驗內容［11］。（3）課程形式多樣化，增加課前課后討論環節，經驗分享，資源共享［12］。通過國內高校眾多教育工作者多年的探索和實踐，基礎化學實驗在提升學生動手能力、創新能力、科研素養方面起到了一定的積極效果。但是目前國內高校在基礎化學實驗階段，主要還是采取定點定時開設方式，比較少見采取學生自由選擇時間和課題、項目開放的實驗形式和實驗項目。借鑒國內外高校經驗，結合我們自身特點，近年來，對無機及分析化學實驗課程內容、開設形式等進行了改革和探索，以期對基礎實驗課程中學生創新能力培養提供參考和經驗。下面以無機及分析實驗過程中常開設課程“五水硫酸銅的制備及分析為例”加以說明。

1實驗課程內容調整

近幾年我們在教學內容、教材建設等方面進行了深入、系統的研究與改革，力求使課程達到“夯實基礎、注重綜合、強化設計、旨在創新”的要求。課程內容設置按照基本操作、綜合實驗、自行設計實驗3個層次進行調整。其中基本操作實驗項目主要是夯實基礎、規范操作，即加強基本知識、基本技術和基本技能的訓練，占總學時的40％左右；綜合實驗項目使學生通過無機化合物的合成、提純、分析鑒定和性能研究得到較系統的科學研究訓練，此部分占總學時的45％左右。在五水硫酸銅的制備與分析實驗中，我們將五水硫酸銅的制備和分析實驗整合為一個綜合實驗，實驗課本給了常見制備及分析方法，要求學生通過分析自己制備的樣品，以探討實驗條件對實驗純度及產量的影響。除此之外，我們增加了自行設計部分———五水硫酸銅的單晶培養，學生通過查閱資料運用已有的知識、技術和技能，設計切實可行的實驗方案并進行單晶培養。通過綜合實驗和自行設計實驗項目的相關訓練，培養了對學生查閱資料、分析、解決問題等實際工作能力，又注重了因材施教，發展和張揚不同層次學生的個性，把實驗課作為學生創新能力培養的重要場所。不僅要使學生“會做”而且更要使學生“會想”。為后續的綜合化學實驗和開放創新實驗打下扎實的基礎。

2教學形式改革

通過操作錄像觀摩、虛擬仿真實驗室建設等探索，在教學方法、教學形式上進行了較大的研究與改進，取得了良好的效果。2．1教學共享資源建設充分利用無機及分析化學資源共享課的公共資源，首先要求學生課前先預習實驗內容，之后通過資源共享課進行在線學習，瀏覽本次實驗課課程要求和難點，并仔細觀看基本操作錄像和授課錄像。然后將理解后的實驗步驟總結歸納于預習本上。上課時授課教師會針對相應問題詳細解答，并演示相應操作。之后學生可反復觀看基本操作錄像和授課錄像加深印象。在五水硫酸銅制備中，學生通過課前預習及在線學習，了解基本操作“趁熱抽濾”，因而減少了因操作不熟練導致產量過少的現象。2．2虛擬仿真實驗室建設結合分子模擬相關軟件對部分實驗進行延伸。分子模擬實驗與傳統的宏觀實驗相比是微觀上的實驗，能幫助學生在分子層次上理解化學物質的結構性能關系、動力學機制和反應特性。學生結合常用分子模擬軟件MaterialsStudio軟件，通過查閱相關手冊，獲得五水硫酸銅晶胞的相關信息后，將五水硫酸銅單晶結構進行構建（圖1），并通過該軟件相關功能對五水硫酸銅單晶進行解析。通過這個學習過程，學生可以從分子水平上了解五水硫酸銅的單晶結構，從而加深了對配位鍵和氫鍵的理解。

3開放模式探索

學生利用五水硫酸銅制備的產品，進行“五水硫酸銅單晶的培養和生長及分析研究”實驗，學生自由組合成2～3人的探究小組，通過查閱文獻，制訂切實可行的實驗方案。實驗室在此期間全天對學生們開放，學生們利用課余時間摸索條件進行單晶培養。在此過程中，學生不定期開設小組專題研討會，交流探討實驗中遇到的問題與解決方案等，交流成功經驗，總結失敗教訓，共同分享得失，最后以實驗小組為單位提交科技論文形式的報告。在此過程中，教師會組織學生選擇單晶培養較好的樣品進行熱重分析，通過熱重分析圖譜，并對照分子動力學模擬結果，了解五水硫酸銅失水情況，并分析原因。綜上所述，在五水硫酸銅制備和分析實驗中，我們不僅包括了傳統的制備及分析實驗，還根據五水硫酸銅的特點，開設了開放實驗———五水硫酸銅單晶的培養和生長及分析研究。整個實驗內容既包含物質的合成、提純，也包含物質組成、單晶培養、結構、性質的研究與測定。這種方式不僅系統地鍛煉了學生的實驗技能，也拓寬了學生的研究思路，增強了學生的團隊合作精神，大大提高了學生運用實驗知識分析問題和解決問題的能力；還可以因材施教，學科交叉，發展不同層次學生的個性，使學生“會做”更要“會想”，做到了自我教育、自我學習、共同努力、共同進步；同時也強烈地激發了他們的學習興趣與熱情，效果良好，受到了學生極大的好評與歡迎。這類基礎實驗無論在內容還是形式上都不多見。其中，中大型儀器的使用和實驗室定期對學生開放，在大一化學實驗課中屬首次嘗試。

4小結

經過近幾年的探索，無機及分析化學實驗課程堅持“夯實基礎、注重綜合、強化設計、旨在創新”的教學指導思想，加強了教學內容、教學方法和教學形式的研究與改革，除加強基本操作和基本技能訓練外，通過綜合基礎實驗和開放實驗，為學生營造寬松和諧的創新氛圍，培養和激發學生學習興趣和熱情，尊重學生的主體性和主動精神，注重開發學生的智慧潛能以形成健全的個性，啟迪學生的創新思維，激發學生的創新激情，培養學生的科學素養和探索精神。最終使學生具備嚴謹的科學態度、扎實的基本技能和敏捷的創新思維，為后續其他基礎實驗、綜合化學實驗和開放創新研究以及畢業論文研究打下堅實的基礎。該課程目前得到了國內許多高?；瘜W實驗教學單位和專家的認可，受到各專業不同層次學生的歡迎和好評。通過整個基礎實驗教學改革的不斷深入與發展，使我們的基礎實驗課教學水平有了較大提高。

參考文獻

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作者:馬瑩 張恒 劉剛 宋其圣 胡清萍 單位:山東大學化學與化工學院