无机及分析化学实验课程探索

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摘要:无机及分析化学实验课程是化学本科生的必修实验课，在本科生科研能力和创新能力培养中有着极其重要的作用。通过对课程内容、教学形式和开放模式进行改革探索，除加强基本操作和基本技能训练外，通过综合性基础实验和开放实验模式，启迪学生的创新思维，激发学生的创新激情，培养学生的科学素养和探索精神。

关键词:无机及分析化学实验;创新能力培养;基础化学实验

钱伟长曾经说过：教学没有科研作为底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。可见教学与科研之间的重要相互作用。目前，在国外很多高校，对于刚进入大学校门的学生就配备导师指导他们进行一些简单的科研活动，并有针对性地进行科研训练，从而使得他们尽快熟悉科学研究方法，并从中培养他们的科研能力。新世纪以来，国内多数高校特别是研究型大学也逐渐意识到本科生科研能力培养的重要性，通过各种途径鼓励教师进行实验教学研究与改革，创建各种平台以培养本科生的科研素养。化学是一门以实验为基础的学科，随着学科的发展和对人才要求的提升，基础化学实验不仅仅培养学生的基本实验技能，更是从大学初期，就要培养学生的基本科研技能和创新科研素养［1－4］。“无机及分析化学实验”课程属于基础化学实验，国内外高校一般都在大学一年级开设，开设时间为一学年。它以无机化学、分析化学为理论基础。传统的课程内容通常以基本操作、无机合成提纯、定量检测为主，目的在于培养学生基本实验操作技能，并进行系统的理论与实践相结合的训练。无机及分析化学实验对高校理工科很多专业的学生来说都是一门重要的基础实验课，是后续的基础实验课程的必备基础，为后续科研的开展提供了基础。传统的实验教学通常为“教师讲解，学生模仿”的模式进行，在这种传统教学模式下，实验教学变为照方抓药，忽视了学生独立思考和创新能力的培养，缺乏趣味性和探究性，对学生自主学习和动手能力的提升难以起到较好的作用［5－8］。尤其是拔尖学生培养方面，虽然相比较其他学生在教学内容方面进行了一些改革和探索，但依然没有达到理想的效果。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》相关要求，为了更好地完善“创新人才培养体制”“提升科学研究水平”以提升学生科研素养，国内高校在基础化学实验课程体系方面进行了探索和实践，主要改革方向包括：（1）通过建立新的教学理念，渗透绿色化学概念，课堂主体由教师向学生转移［9－10］。（2）实验内容更新优化，减少单一性实验内容，增加连续性综合性的实验项目，并根据目前国内外科研热点，增加相关实验内容［11］。（3）课程形式多样化，增加课前课后讨论环节，经验分享，资源共享［12］。通过国内高校众多教育工作者多年的探索和实践，基础化学实验在提升学生动手能力、创新能力、科研素养方面起到了一定的积极效果。但是目前国内高校在基础化学实验阶段，主要还是采取定点定时开设方式，比较少见采取学生自由选择时间和课题、项目开放的实验形式和实验项目。借鉴国内外高校经验，结合我们自身特点，近年来，对无机及分析化学实验课程内容、开设形式等进行了改革和探索，以期对基础实验课程中学生创新能力培养提供参考和经验。下面以无机及分析实验过程中常开设课程“五水硫酸铜的制备及分析为例”加以说明。

1实验课程内容调整

近几年我们在教学内容、教材建设等方面进行了深入、系统的研究与改革，力求使课程达到“夯实基础、注重综合、强化设计、旨在创新”的要求。课程内容设置按照基本操作、综合实验、自行设计实验3个层次进行调整。其中基本操作实验项目主要是夯实基础、规范操作，即加强基本知识、基本技术和基本技能的训练，占总学时的40％左右；综合实验项目使学生通过无机化合物的合成、提纯、分析鉴定和性能研究得到较系统的科学研究训练，此部分占总学时的45％左右。在五水硫酸铜的制备与分析实验中，我们将五水硫酸铜的制备和分析实验整合为一个综合实验，实验课本给了常见制备及分析方法，要求学生通过分析自己制备的样品，以探讨实验条件对实验纯度及产量的影响。除此之外，我们增加了自行设计部分———五水硫酸铜的单晶培养，学生通过查阅资料运用已有的知识、技术和技能，设计切实可行的实验方案并进行单晶培养。通过综合实验和自行设计实验项目的相关训练，培养了对学生查阅资料、分析、解决问题等实际工作能力，又注重了因材施教，发展和张扬不同层次学生的个性，把实验课作为学生创新能力培养的重要场所。不仅要使学生“会做”而且更要使学生“会想”。为后续的综合化学实验和开放创新实验打下扎实的基础。

2教学形式改革

通过操作录像观摩、虚拟仿真实验室建设等探索，在教学方法、教学形式上进行了较大的研究与改进，取得了良好的效果。2．1教学共享资源建设充分利用无机及分析化学资源共享课的公共资源，首先要求学生课前先预习实验内容，之后通过资源共享课进行在线学习，浏览本次实验课课程要求和难点，并仔细观看基本操作录像和授课录像。然后将理解后的实验步骤总结归纳于预习本上。上课时授课教师会针对相应问题详细解答，并演示相应操作。之后学生可反复观看基本操作录像和授课录像加深印象。在五水硫酸铜制备中，学生通过课前预习及在线学习，了解基本操作“趁热抽滤”，因而减少了因操作不熟练导致产量过少的现象。2．2虚拟仿真实验室建设结合分子模拟相关软件对部分实验进行延伸。分子模拟实验与传统的宏观实验相比是微观上的实验，能帮助学生在分子层次上理解化学物质的结构性能关系、动力学机制和反应特性。学生结合常用分子模拟软件MaterialsStudio软件，通过查阅相关手册，获得五水硫酸铜晶胞的相关信息后，将五水硫酸铜单晶结构进行构建（图1），并通过该软件相关功能对五水硫酸铜单晶进行解析。通过这个学习过程，学生可以从分子水平上了解五水硫酸铜的单晶结构，从而加深了对配位键和氢键的理解。

3开放模式探索

学生利用五水硫酸铜制备的产品，进行“五水硫酸铜单晶的培养和生长及分析研究”实验，学生自由组合成2～3人的探究小组，通过查阅文献，制订切实可行的实验方案。实验室在此期间全天对学生们开放，学生们利用课余时间摸索条件进行单晶培养。在此过程中，学生不定期开设小组专题研讨会，交流探讨实验中遇到的问题与解决方案等，交流成功经验，总结失败教训，共同分享得失，最后以实验小组为单位提交科技论文形式的报告。在此过程中，教师会组织学生选择单晶培养较好的样品进行热重分析，通过热重分析图谱，并对照分子动力学模拟结果，了解五水硫酸铜失水情况，并分析原因。综上所述，在五水硫酸铜制备和分析实验中，我们不仅包括了传统的制备及分析实验，还根据五水硫酸铜的特点，开设了开放实验———五水硫酸铜单晶的培养和生长及分析研究。整个实验内容既包含物质的合成、提纯，也包含物质组成、单晶培养、结构、性质的研究与测定。这种方式不仅系统地锻炼了学生的实验技能，也拓宽了学生的研究思路，增强了学生的团队合作精神，大大提高了学生运用实验知识分析问题和解决问题的能力；还可以因材施教，学科交叉，发展不同层次学生的个性，使学生“会做”更要“会想”，做到了自我教育、自我学习、共同努力、共同进步；同时也强烈地激发了他们的学习兴趣与热情，效果良好，受到了学生极大的好评与欢迎。这类基础实验无论在内容还是形式上都不多见。其中，中大型仪器的使用和实验室定期对学生开放，在大一化学实验课中属首次尝试。

4小结

经过近几年的探索，无机及分析化学实验课程坚持“夯实基础、注重综合、强化设计、旨在创新”的教学指导思想，加强了教学内容、教学方法和教学形式的研究与改革，除加强基本操作和基本技能训练外，通过综合基础实验和开放实验，为学生营造宽松和谐的创新氛围，培养和激发学生学习兴趣和热情，尊重学生的主体性和主动精神，注重开发学生的智慧潜能以形成健全的个性，启迪学生的创新思维，激发学生的创新激情，培养学生的科学素养和探索精神。最终使学生具备严谨的科学态度、扎实的基本技能和敏捷的创新思维，为后续其他基础实验、综合化学实验和开放创新研究以及毕业论文研究打下坚实的基础。该课程目前得到了国内许多高校化学实验教学单位和专家的认可，受到各专业不同层次学生的欢迎和好评。通过整个基础实验教学改革的不断深入与发展，使我们的基础实验课教学水平有了较大提高。

参考文献

［1］俞路，袁文杰．高等教育与学术研究，2008（3）：34－37

［2］郝渊晓，周美莉，赵彦．技术与创新管理，2008（6）：626－632

［3］陈金飞，李康，王薇．产业与科技论坛，2012（1）：200－201

［4］赵川平，张聪，楼程富．高等工程教育研究，2001（4）：40

［5］张志刚，殷科生．高等教育研究，2011（1）：48－49

［6］黄锁义，李容，潘乔丹．高教论坛，2011（2）：22－24

［7］张安富．中国高教研究，2006（9）：7

［8］郑家茂，张胤．高等工程教育研究，2008（6）：98－102

［9］杨秀平，兰景凤．高校实验室工作研究，2017（3）：20－22

［10］张大海，张静，李先国．教学研究，2014，37（5）：68－70

［11］高瑜，乌兰．亚太教育，2015（3）：33

［12］顾云兰，吴秀红，张红梅．化工时刊，2016，30（11）：53－55

作者:马莹 张恒 刘刚 宋其圣 胡清萍 单位:山东大学化学与化工学院