“精品实验项目”建设重在诠释经典和方法创新

2013-04-10徐宁，王玫，吴倩

实验室研究与探索 2013年2期

徐宁，王玫，吴倩

（同济大学化学系，上海 200092）

0 引言

“精品实验项目”建设是针对某一实验项目的精品化建设，起到了对整个实验教学的引领和示范作用［1-9］。在化工专业实验教学中，“精品实验项目”既要在实验项目上体现经典性，又要在实验教学方法上对传统的模式有所突破和创新，以适应新时期下的实验教学需求。要实现这一既定目标，在传承经典实验项目的基础上，于实验教学方法层面，对经典实验项目进行新的诠释便成为要探索的内容。本文就以“精品实验项目”建设中的实验项目“连续流动反应器中的返混测定”为例进行阐述。

1 改进实验教学方法更新实验手段

在“精品实验项目”建设过程中，正确把握实验手段与实验教学方法之间的关系至关重要。若纯粹地以更新实验手段为主，则从“精品实验项目”的内涵角度观察，不能很有效地对学生能力进行训练和培养。而以实验教学方法指导下的实验手段更新，则更能体现“精品实验项目”建设的初衷，从建设效率考察，能达到事半功倍的效果。

对一个经典的实验项目——“连续流动反应器中的返混测定”，首先是确定实验教学方法改进的突破点，即结合自主学习的多方法处理实验数据。然后，应此实验方法之需，对实验装置进行改进，将实验手段更新为具有多系统、数字化数据采集和输出的装置。有了硬件的支持，实验方法所需的大工作量的运算才成为可能。同时运用网络平台，学生网上讨论、教师网上答疑，将实验教学从课堂延伸到了课外，使实验教学多了一种互动形式。

此例说明，在实验教学中对实验手段的更新，是以实验过程中是否对学生的自主思考过程和解决问题的能力有帮助为条件的。应实验方法改进之需，实验手段得到了更新，反过来又能进一步使实验方法得到更加完善，两者能起到相辅相成的作用。

2 自主学习模式下的实验教学设计

“连续流动反应器返混的测定”实验，其原理是用概率论这一数学工具建立数学模型，来描述返混这一普遍的自然规律。不仅适用于化工领域，对非本专业的学生也有方法和思维方面的借鉴作用。对化工专业和不具备相应知识的非化工专业学生，在实验中一般都习惯于引用相关的知识和按公式处理实验数据。但是，对不具备背景知识的学生来说，就很难体会知识的运用过程和运用知识的能力。为此，将实验教学设计成学生自主学习的模式，将相关知识和建立数学模型的思维方法较完整地掌握，作为实验教学的目的之一。为了有效地培养包括操作设计能力和数据处理能力等实验的技能，采取对问题进行多方法、不同思维方式探索的实验教学设计，实验数据处理过程的多方法，给予学生以较大的思维空间。

这种模式的设计，使得单纯地测定验证型实验，改变为自主学习型的探索性实验。在验证中求探索，是对经典实验项目进行的一种新的诠释和探索。

3 在实验研究方法论指导下的实验过程

本着强调知识学习和应用能力的培养，实验教学指导书除了介绍相关的概率论知识外，还着重叙述了数学模型建立的方法。将冷模、归一化法、无因次化等体现化学工程的研究方法论，贯穿于整个实验教学过程。为了使学生有效掌握数据处理方法，设计了以分布密度为抓手的数据处理过程。学生可以根据实验数据尝试不同的方法获取分布密度，再用分布密度求取数学期望和方差，最后获得模型参数。过程体现了以实验研究方法论指导下的多方法思维进程。

在此实验中，以分布密度为抓手，起到了背景知识与数学模型相联系的桥梁作用，而数学模型的建立过程则体现了实验研究方法论的运用。

4 学习兴趣的培养与求知欲的唤醒

一个实验项目能否吸引学生，学生对实验项目的兴趣起很重要的作用［10-13］。除了实验装置、实验内容外，运用相应的知识背景探索实验研究过程，也是增进和培养兴趣的要素之一。

实验项目“连续流动反应器返混的测定”，集营造装置数字化氛围和引导、培养兴趣相结合的方式，不断增进学生的兴趣和求知欲。由于该实验装置为数字化实验装置，能吸引本专业和一些外专业的学生。有近一半本系外专业学生报名参加，实验并不难做。但到了面对一大堆数据要处理时，发觉建模所需知识背景之深，原理之复杂是先前很少遇到过的，先要学习概率论的相关知识，再了解建立数学模型的方法，最后再处理实验数据。学生在“纠结”的情结下，硬着头皮在实验指导书的引导下，开始了自学过程……，在不知不觉间似乎找到了一丝久违的猎奇感，直到了解了原理和建模思想，一气呵成地处理完实验数据，得出结果时，才感到“有付出就有收获”，于是一股“成就感”油然而生，似乎一下子唤醒了曾经有过的求知欲。学生在完成实验过程后，最后感到：“这样的拓展实验意义很不寻常，收获很大”;“本次实验不同于其他几个实验，它的装置比较小，并借以通过电脑进行数据分析操作，是将现代化科技与传统化工实验的完美结合”;“这个实验所涉及的理论范围广，并且通过计算机软件输出并处理数据，实验的综合性很强，较传统实验方式有很大的优越性”;“不仅学习了关于釜式反应器和管式反应器的一些基本知识，更重要的是学习一种数学上数据处理的方法”;“为以后的数学处理过程开辟了新的途径和思路”;“本实验耗时少，操作也简单，但巧妙地利用概率统计理论来解释流体流动现象，不仅展示了新的知识，更让我们学习到一种研究的方法”，这是参加实验学生的普遍感受。外专业学生通过实验的整个过程不但可以增进兴趣而且还可以培养求知欲。

兴趣的“迎合”与培养相结合，而求知欲和猎奇感的唤醒才是此次实验教学过程的最大收获之一。

5 培养学生发现问题的能力

实验过程中的思考题，对帮助学生进一步掌握实验技能起到了重要的作用。然而，思考题在引导学生的同时，也束缚了学生的思维过程。学生习惯于答题，久而久之发现问题的能力得不到培养而趋弱化。针对这一状况，适当减少实验后命题式的思考题，而增加对实验过程中自己遇到的问题的讨论，在讨论中不断地发现新问题，不断地解决问题，能充分解放学生的思维方式。于是，如何发现问题变成了关键。

为了培养发现问题的能力，首先，营造一个合适的氛围是很有必要的。在硬件方面，实验装置采用多通道系统，包括三釜串联通道、管式反应器通道以及管式循环反应器通道。学生可以根据不同形式反应器的返混程度进行比较。另外，通过网络平台也能发挥学生的主体作用，给学生提供施展讨论和分析问题才能的舞台。其次，在实验教学中如何引导学生发现问题方面，教师的主导作用是不可或缺的。在实验教学中引导学生从实验研究方法层面上把握进程，从而为学生提供发现问题的多种途径。

这些构成了实验教学中有利于学生发现问题的环境，并能够引发对所发现的问题进行讨论。通过实验教学的训练，能有效培养学生发现问题的能力。

6 专业基础实验项目适应通识实验教学［14-16］

“连续流动反应器返混的测定”是一个经典的化工基础实验项目，受专业知识的限制，其实验开放对象主要是化工专业和与化学相关专业（开设过化工基础课的）的学生。但是，“返混”现象是自然界的普遍规律之一。除了化学反应器，污水处理过程中的“泥龄”问题、医学方面消化系统模型等都涉及“返混”的问题，测定物料的停留时间分布，用建立数学模型方法解决问题，在实验方法层面上具有指导意义。因此，将此经典实验项目建成通识性的实验项目，作为“精品实验项目”建设的一环具有积极意义，将最大限度地拓展实验项目的受众性，能够促使各学科间在实验方法上进行交流和借鉴。

基于通识性的需要，其实验指导书中除了强调通识性和基础性的知识外，还要深入浅出地介绍相关化学工程的研究方法和建立数学模型的思维方式，使之有尽量多的学生能适应实验内容和过程。

通识性的另一功能是开放性，由于该实验项目初步具备了集知识性、兴趣性、手段先进性等要素，为成为课外开放性实验奠定了基础。通过开放，可进一步完善实验的通识性，使实验项目的通识性更名副其实。

7 实验考核体系的探索

对实验考核体系的探索是“精品实验项目”建设的目标之一。其考核的内容和原则经多年的实践作了一些探索，在保留了运行多年、行之有效的评分方法情况下，增加了对实验结果讨论内容的评分，并增加了此项的权重。具体操作时，本着灵活的原则，在实验结果讨论中寻找闪光点，若有独到见解，再给予具体评分。与以前区别是不以成败论英雄，即使实验失败，只要找出了原因、发现了问题后能进行分析，应给予肯定与鼓励，不影响成绩。若有独到的见解，还可以适当的加分。另外，网上的互动讨论也应适当加分。

具体评分标准：实验设计占20%;实验操作占20%;数据处理占20%;实验结果讨论占30%;网上的互动讨论占10%。