美国威斯康星大学麦迪逊分校化工实验课程教学

2014-04-10叶向群陈丰秋

实验技术与管理 2014年11期

叶向群，陈丰秋

（浙江大学化学与生物工程学系，浙江杭州 310027）

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。实验课程是工科类学生重要课程，化工实验对于化学工程类学生的重要性是显而易见的。实验教学是理论教学的延续，是对学生进行基本技能训练的主要环节，在实践中培养了学生理论联系实际、独立分析和解决问题的能力。世界各类著名高等学府对于实验类的课程历来都相当重视，国情的差异使得我国的实验类教学与国外存在或多或少的多项差异［1-4］。

作为威斯康星大学系统的旗帜性学校——美国威斯康星大学麦迪逊分校，在实验教学方面有其独到且系统的教学模式。该校在美国拥有全国性的学术声望，2014年美国大学综合排名第41位，美国大学化学工程排名第6位，学校亦有公立长春藤之称。该校还是美国中西部知名的十大联盟的创始成员之一。该校的化工与生物工程学系（CBE）早在上个世纪30年代就因Bird等学者的Transport phenomena而享誉世界。

威斯康星大学麦迪逊分校化学与生物工程学系为本科生开设多项实验课程，笔者作为访问学者，参与了该校夏季化工实验课程（Summer Course CBE 424--Operations and Process Laboratory）的全过程教学，从而全面了解了其化工实验教学模式及教学内容。相对于国内化工实验教学而言，其教学方式和教学理念方面有诸多值得借鉴之处。

1 威斯康星大学麦迪逊分校化工实验教学

1.1 实验内容

该课程由2名教授、1名回聘退休教师、1名实验设备技师和1名助教组成指导教师小组，指导一个批次36名本科生。整个实验课程是由formal和informal两部分组成。

formal实验项目有5项，这5项实验属于综合性的大型或较大型化工实验，包括离心泵的综合特性实验、换热器的综合性能实验、反应器的综合特性实验、精馏塔的综合特性实验以及干燥和增湿过程的综合实验，这类实验由4名学生一组协同完成，这与国内高校现行的化工实验教学模式比较类似。

除了formal实验，学生更多的时间是用于informal实验，这类实验项目是由指导教师列出多个课题，这些课题涵盖了多门化工专业课程的内容，包括化工热力学、化工反应工程、化工过程原理等，2名学生一组，一周完成一项选定的课题，一个月的课程每组学生就要完成4个课题。学生选定项目后，需查阅相关文献资料，自主搭建实验装置，设计实验数据记录表，完成实验过程。整个实验过程均是各组的2名学生相互讨论共同完成，之后学生再各自完成自己的实验研究报告。整个过程中，教师只是解答学生提出的疑问。实验室的仓库可提供给学生实验所需的各类物资和分析仪器，实验室的加工车间有各类金工机械器具供学生使用。

1.2 实验设备

Formal类实验的设备与国内高校的实验装置构成也比较接近，一般属于固定化设备，其规模较大且结构比较复杂，同台设备上可以进行多项相关实验内容的切换。令笔者感慨的是，虽然设备结构复杂，但其自动化程度却并不高，甚至不及国内大学，实验装置上除了温度集中显示，几乎没有流量控制以及温度控制，且不使用电脑自动采集实验数据。交流中得知，这并非经济条件限制所致，而是学校在刻意地使用这样的少自控、多手动的实验设备，促使学生在实验过程中有更多的参与，而学生只有积极参与才能有更大的收获。

1.3 教学方式

美国威斯康星大学麦迪逊分校的化工实验教学安排在暑期完成，学生在该时段里只有这一门课程，

formal实验由指导教师在实验前大致讲解实验的内容，之后完全就是这个小组的学生配合完成整个实验。实验过程中，学生分工协作，包括测量数据、记录数据，操作设备，组成分析，处理数据等。

Informal实验是由学生自由选题，首先查阅资料，再讨论实验设备方案。实验装置构建的过程十分重要，学生初次搭建好的装置大多不能达到预计的效果甚至无法运行，于是再讨论如何改进，期间可请教师指导，经过多次改建，最终实验装置建成，测出相关的实验数据。

“兴趣是最好的老师”，建立以兴趣为导向的化工实验教学体系可提高学生学习的主动性［5］。搭建实验装置的过程可极大地激发学生的兴趣，整个实验课程期间，学生除了必需的生活时间，其余时间几乎全部都是在实验室里度过的，研究如何完成及完善实验过程，这期间遇到问题无法解决才去询问指导教师。整个过程学生都会十分投入。学生对自己亲手搭建的实验装置和做出的实验结果充满成就感。

编写实验报告是实验的最后环节，也是学生综合训练的重要环节［6］。威斯康星大学麦迪逊分校十分重视实验报告部分的撰写，要求学生将测得的数据、观察到的现象、计算结果和分析结论等用科学和工程的语言表达出来，对实验报告中存在的比较突出的问题会在每天早上集中讲解，包括实验报告的内容结构，甚至是实验报告中的用词和语法错误等，他们把实验报告撰写作为学生开始进入研究阶段的重要基本技能之一进行培养。对formal的实验课程提出10多个与实验结构和数据分析相关的问题，对于informal的实验，要求学生提交完整的实验报告，更确切地说是小型专题研究报告。实验研究报告的优劣是学生将来被应聘单位确认的个人素质里最重要的元素之一，学生独立完成各自的实验报告，并以此作为自己完成实验课程学习的成果。

1.4 成绩评定

该课程要求学生在实验结束的2日内提交初次报告，延期则按照天数降低实验课程成绩。教师在批完每份初级报告后立即返给学生，指出错误与不足，并给出初次的分数，要求学生拿到报告后及时修正，并在规定的时间内再次提交。教师再次批改报告并给出分数，2次分数的加权和便有了学生的实验成绩。该成绩占学生最终实验成绩的90%，另外10%的实验成绩是课程报告会上答辩的成绩。学生选择一个实验过程做成PPT，在报告会上演讲，接受教师和学生的提问，教师和其他组的学生根据其课题的完成情况、讲解的情况和回答问题的准确率分别进行评分，最后再将教师和学生的评分汇总作为课程答辩的成绩。

2 国内高校与威斯康星大学麦迪逊分校化工实验教学的相对差异

2.1 实验教学内容方面

威斯康星大学麦迪逊分校化工实验课程的学生人数少，且优越的经济条件使得其实验室可以提供给学生搭建实验装置和完成各项实验所需的各类仪器、工具及材料，相对而言，国内大学显然很难做到这点。国内大学的化工实验大多为固定实验（formal实验），学生人数多且受经济条件的制约，无法实现实验内容完全由学生自由选择（informal实验）。这种差异是客观存在，且短时间内无法改变的现实。

2.2 设备方面

目前国内高校的化工实验装置倾向于“高大全”，新建的实验设备愈来愈庞大，愈来愈自动化，实验中需要学生动手操作的部件愈来愈少，更有甚者，学生只要在电脑上通过点击鼠标就能轻松完成整个实验。这样的实验，即使全部完成，也有学生对实验设备的具体结构组成、记录的数据以及记录这些数据的目的还是云里雾里，违背了实验类课程设置的初衷。

2.3 教学方面

国内大学大多把实验报告作为普通课程作业对待，并且学生大多套用固定的实验报告模板完成实验报告。撰写实验报告的过程实际上只是实验数据的计算过程，于是众多的实验报告除了实验数据之外其他都是千篇一律。这样的过程无法达到让学生以此作为今后科研论文写作基础训练的目的，这也是我们与国外大学实验教学过程存在的较大差异。