威斯康星大学基础化学教学的几点启示

李 婉 MOORE John W.

(1中国科学技术大学化学实验教学中心，合肥230026；2美国威斯康星大学麦迪逊分校化学教育学院，麦迪逊53705)

威斯康星大学基础化学教学的几点启示

李 婉1,*MOORE John W.2

(1中国科学技术大学化学实验教学中心，合肥230026；2美国威斯康星大学麦迪逊分校化学教育学院，麦迪逊53705)

介绍了美国威斯康星大学麦迪逊分校基础化学教学的几个特点，阐述了其如何通过完善的教学管理和灵活的教学环节设计培养学生的自主学习能力和科研创新能力，给我们的基础课程教学改革提供一定启示。

基础化学；教学方法；课程改革；国外教学

借鉴国外的先进教育理念、教学方法，对推进我国的教学改革，实现国家对本科化学类专业人才的培养目标具有重要意义[1,2]。2014年8月到2015年7月一年间，笔者在美国威斯康星州立大学麦迪逊分校(UW-Madison)做访问学者。该校化学系有专门的化学教育学院负责全系的教学管理和课程设置。一年期间笔者全程跟进该校部分基础化学课程的理论和实验教学，随堂听课、随堂做实验、参加每周的助教会议(staff meeting)和实验讲解(lab briefing)、参加教改项目，对该校的基础化学教学有了比较全面的了解。

UW-Madison本科生化学课程以普通化学(general chemistry)为基础，所有学生必须先修完普通化学的学分后，才能修其他化学课目。普通化学的教学内容包括无机和有机两部分，其中无机部分相当于国内的化学原理课，涵盖了化学平衡、反应速率、化学热力学、原子和分子结构等内容；有机部分占的比例相对少，主要介绍了官能团、反应类型、分子结构、聚合物等有机化学基础知识。值得注意的是，有机部分一半的课时用来介绍蛋白质、碳水化合物、脂类、DNA等生物大分子。因此学生修完普通化学后就掌握了化学基本原理和生物化学的相关概念。之后再根据自己的专业要求决定是否继续修有机化学、分析化学、无机化学和物理化学等课程。

一年的学习中笔者深刻感受到，尽管选课人数庞大，UW-Madison优良的教学传统和完善的教学管理保证了其基础化学课程的教学质量，而中美两国教育理念的差异造成两国高校在具体教学环节上存在诸多不同，最终影响了学生自主学习能力和创新能力的培养。下面将从几个方面进行介绍。

1 充分的学业辅助

选修普通化学的学生绝大部分是刚入校的新生，没有太多的学习经验，因此UW-Madison给该课程提供了充分的学业辅助，帮助学生顺利完成从高中到大学的过渡。

开学的第一堂课上，任课教师会下发该门课程的教学大纲(syllabus)，上面有详细的课程要求、教学计划、作业要求、打分标准、助教信息等，甚至写明该课程每周预计要花费多少时间。学生看了后对整门课程的安排心中有数。教学大纲也挂在网上，方便学生随时查阅。

开学后网上会给出该门课程任课教师以前的助教笔记，方便学生预习和参考。同时每堂课都安排有助教随堂做笔记，下课后交到教学办公室，扫描后立即挂在网上供学生复习参考。

美国的一个教育理念是“讨论是掌握知识的最快途径之一”。基础化学课程一周安排两次研讨课(discussion)。研讨课上助教会事先准备材料，引导学生分组讨论理论课上的重难点，也会讨论实验的相关内容。不像理论课上座位是固定的，讨论课教室的椅子是活动的，学生可以随意分组围坐成一个圈讨论，也可以分成几个小组进行抢答，形式非常自由，很好地弥补了大班上课师生不能接触的不足。

另外普通化学课程一周一次课堂小测试(quiz)，一月一次月考(exam)，随时检查学生的掌握情况。月考后的一两天内，助教就给出“作业+实验+小测试+月考”的加权平均分以及全班成绩分布，学生可以随时上网了解自己截至到当月的学习情况，避免了到期末考试时学生才开始着急用功的现象。

普通化学103课(相当于普通化学上)还配有专职的学业辅导教师。该教师会随大班听课，发现问题学生，指导助教采取相应的措施帮助学生。

国内大学很少针对大一的课程提供额外的学业辅助。我们的学生从严酷的高考中解放出来，不少人很难一下就适应宽松自由的大学学习。而一旦不知不觉掉了队，并不容易找到该门课程合适的资源，帮助自己赶上进度，造成越来越听不懂跟不上，最终只能重修该门课。很多学生的退学都是由于大一时不及格的学分太多而造成的，因此UW-Madison化学系给大一基础课程提供额外学业辅助的做法非常值得我们借鉴。

2 大量课堂演示实验

UW-Madison基础化学课堂上会做大量的演示实验，甚至可以占到上课时间的1/3。教室的讲台又宽又长，边上装有水池，有一个专职教师负责辅助课堂上的实验演示。实验的选题非常广泛，除了常规化学反应外，还会拿日常生活中的瓶瓶罐罐做实验，甚至有不少燃烧、爆炸的装置。学生对演示实验反应积极，每每报以热烈的掌声和欢呼。

演示实验多，课堂上讲解概念原理的时间就少了，于是很多基本概念课堂上不展开解释，甚至没有提及。UW-Madison的教师认为大一学生的学习目标还不明确，如果不通过演示实验引起学生的兴趣，学生可能根本就不想学习。而只要有了兴趣，为了完成作业，学生自己就会看书，把知识补充完整。

国内大学的基础化学课堂上实验演示非常少，大部分时间是知识灌输，务求让每一个认真听讲的学生完全掌握知识的重难点。比较而言，激发学生的学习兴趣，引导学生思考，之后放手让学生自己在知识海洋徜徉的教学方式能更好地培养学生学习的自主性和探索精神。

3 实验内容贴近生活实践

化学是一门实验科学，实验课程对提高学生解决问题能力和创新能力起到重要作用[3]。UW-Madison普通化学每周一次实验课，每学期共开设10—14个实验，实验课时和国内相差不大。具体实验内容随课程培养方案的不同会有所不同，但都是以物质合成和化学原理的推理验证为主。比如选课人数最多的普通化学103和104(相当于普通化学上、下)，两学期共开设了1个安全和仪器认领实验、5个合成实验、8个化学原理实验、2个物化参数的测定实验、3个模拟分子结构实验和1个设计实验。

除了模拟实验以外，其他教学内容和国内的基础化学实验看起来比较相似，但做起来就发现UW-Madison的实验内容与生活实践联系得相当紧密。作为美国高等教育史上著名的“威斯康星理念”(Wisconsin Idea)的发源地[4]，理论联系实际显然是该校的一个教学传统。

以表面活性剂的制备实验为例，国内高校开设这一实验大多数只是制备出表面活性剂[5]。而在UW-Madison的这个实验中，每组学生会得到几小片棉布。在使用不同原料制备出表面活性剂后，学生首先将产品与市售的纤维柔顺剂配成同样浓度的溶液；之后将布片分别在纯水、市售纤维柔顺剂溶液、自制表面活性剂溶液中浸泡、烘干；比较纤维的触感以及吸水时间长短，并按照商业产品的检测程序打分。学生们热切地比较着各自纤维的柔软度，讨论不同原料造成的产品差异。

类似的还有合成生物质柴油的实验。该实验用普通的蔬菜油做原料，通过酯交换反应制备出生物质柴油，之后测量合成柴油的密度、凝固点和燃烧热，与市售柴油的理化数据进行比较。这个实验切合了当前寻找石油化工产品替换物的科研热点。这种贴近实际生活的实验设计，对学生的学习兴趣和创新能力的培养起到推动作用。

4 弱化实验课程讲解，允许学生犯错

UW-Madison的基础化学实验课上助教讲得很少，通常只是提醒实验要注意的安全问题，比如不同试剂要倒入相应的容器，对实验原理和实验步骤则基本不提。实验过程中出现了疑问，大部分靠学生自己研究讨论解决，因此课堂上会出现同一个实验步骤大家采取不同的做法。对此助教一般不会干涉，任由学生按自己的想法做下去。有些组做错后发现不对会做出调整，也有的组就会一直错着直到做出不合理的实验结果。

这一点和国内的实验课大不相同。我们通常会先讲授实验原理、实验流程、注意要点，之后学生再操作。对学生的错误操作我们会及时纠正，保证他们按照正确的步骤进行。国内这种教学模式能够保证大部分学生顺利完成实验，达到实验教学的目的。但讲得太多太细，没有给学生留下思考和尝试的空间，不可避免地扼杀了学生的探索热情，使学生更趋向于一个技术工，而不是科学家。

要培养学生的科研探索精神，我们就需要彻底改变实验教学理念，课前少讲，放手让学生通过思考、讨论、摸索，自己找到解决问题的方法。并且要允许学生在实验过程中犯错误，教会学生面对不理想的实验结果时进行归纳总结，避免下次再错，这样更能加深学生的印象。“科学就是这么一回事，反复犯错，然后修正，最后找到正确的方法”[6]。

5 实验步骤设计灵活

国内基础化学实验的操作流程比较固定，每一步加多少试剂，什么时候加，都列得明明白白，没有太多探索和尝试的余地。比较而言UW-Madison化学系的实验设计要灵活很多。

比如测量反应热实验，学生需要得到NH4Cl固体的溶解热、镁条与1.0 mol·L—1HCl反应、MgO与1.0 mol·L—1HCl反应的反应热。实验书上只给出了每种固体试剂的最多取用量。学生需要自己设定理想的溶液温度改变范围，查阅相关热力学数据，计算每种试剂的需要量。如果实验结果不理想，可以分析原因后当堂更改反应条件重新做。

再比如酯化反应实验。学生根据助教提供的产品编号领取原料，比如要合成酯A1，就取不知名的有机酸A和醇1混合在一起，按相应的步骤进行反应。反应结束后，学生通过仔细观察产品的颜色、晶型，尤其是闻香味，和讲台上的已知酯样品进行比较，确定自己合成的是什么酯，再反推出原料有机酸A和醇1的名称。整个实验充分利用了芳香酯的芳香特性，实验设计生动有趣，锻炼了学生的观察能力和分析判断能力。

6 重视学生的沟通协作能力培养

众所周知，现代社会不论是科学研究还是产品开发，少有科学家能独立完成全部工作。科研活动中人与人之间的相互作用直接影响着科研计划的完成[7]。因此对学生的沟通交流、团队协作能力的培养十分必要。

UW-Madison的基础化学实验课大部分是两人一组完成。学生进实验室后随机成组，确定实验步骤，明确各自分工，讨论解决实验中出现的问题，最后一起处理实验数据、完成实验报告。

另外有不少实验被设计成需要全班同学共同完成。比如部分实验条件设为可选项，每组学生选择不同的实验条件进行操作，之后设计表格将全班的实验结果列出来，让学生根据这些数据进行归纳总结。无机化学311课程的“孔雀石的制备”实验，就是全班每组同学按不同的原料比例和反应条件制备出孔雀石，之后用透明胶带将产品贴在卡片上，写上该产品的制备条件和物理化学性质。全班的卡片集中在一起，大家总结不同制备条件对产物的影响。这样的实验设计既锻炼了归纳总结能力，又培养了学生的团队协作意识。

总体来说，中美两国的教育模式各有所长。但在以学生为主体的教育理念指导下，UW-Madison的基础化学课堂给学生提供了更大的思考空间，从激发学生自主学习，鼓励学生不断探索、尝试，培养学生沟通、协作能力等各个方面锻炼提高学生的科研创新能力，有很多值得我们借鉴学习的地方。我们需要取长补短，更新教育理念，改革教学方法，以培养出更多符合时代发展需求的人才。

[1]张树永,王玉枝,苑世领.大学化学,2014,29(2),14.

[2]赵 明.大学化学,2014,29(5),7.

[3]路甬祥.化学通报,2011,74(12),1067.

[4]Thelin,J.R.美国高等教育史.第2版.孙 益,林 伟,刘冬青,译.北京:北京大学出版社,2014:131—132.

[5]李 明,刘永军,王书文,于跃芹.有机化学实验.北京:科学出版社,2010:240—243.

[6]BBC纪录片.我们的孩子够坚强吗?[2015-07-27].http://www.open.edu/openlearn/whats-on/tv/are-our-kids-tough-enough-chinese-school.

[7]Petersen,A.M.Proc.Natl Acad.Sci.USA 2015,112(34),E4671.

The Inspirations from Basic Chemistry Teaching at UW-Madison

LI Wan1,*MOORE John W.2
(1Chemistry Experiment Teaching Center,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,P.R.China;2Institute for Chemical Education,University of Wisconsin-Madison,Madison 53705,USA)

Several characteristics of the basic chemistry teaching at UW-Madison are demonstrated, revealing how this school cultivates the students′autonomous learning ability and innovation ability through thorough teaching management and carefully-designed teaching methods.This introduction will give some inspirations for our basic chemistry course reform.

Basic chemistry;Teaching method;Course reform;Foreign education

G64；O6

10.3866/PKU.DXHX201604018

*通讯作者，Email:liwan@ustc.edu.cn

2015年安徽省高等学校省级质量工程重点项目(皖教秘高〔2015〕122号)

www.dxhx.pku.edu.cn