非化学专业大学化学实验课程教学实践

牛丽红， 崔爱莉， 尉京志， 杨 锦， 张四纯

(清华大学 化学系， 北京 100084)

实验课程改革

非化学专业大学化学实验课程教学实践

牛丽红， 崔爱莉， 尉京志， 杨 锦， 张四纯

(清华大学 化学系， 北京 100084)

大学化学实验是清华大学非化学专业院系大一本科生的公共基础课。清华大学的大学化学实验单独设课，学时短、选课人数多、学生实验水平差别大。实验室从实际出发，开设基础知识与工科专业相结合的实验内容，采用多种教学形式提高教学效果，贯彻培养学生创新思维的教学理念，探索适合大学化学实验教学的有效模式，经过几年实践，起到了较好的效果。

非化学专业； 大学化学实验； 公共基础课

化学实验教学在本科化学教育和化学人才培养中起着基础性的关键作用，实验教学过程对学生的创新思想、创新意识的形成至关重要[1]。大学化学实验是大学阶段的第一门基础化学实验课程,开设对象为工程物理、电机工程与应用电子技术、建筑技术科学、物理等非化学类院系一年级学生。通过该课程的学习，学生可以全面了解化学实验的一般知识和技能，树立安全、规范、环保意识，培养研究能力和创新能力[2-3]。我校大学化学实验单独设课，16学时， 1学分；选修这门实验的学生每年350～400人；由于高中硬件条件不同以及近几年各地高中新课标化学教育体系的变化，选课学生化学实验水平差别非常大。面对上述情况，实验室从实际出发，不断改革实验内容，采用多种教学形式，贯彻培养学生创新思维的教学理念，探索适合大学化学实验教学的模式，起到了较好的效果。

1 结合专业特点的实用性实验内容

在教材选择上，为配合实验改革进行，出版了北京市高等教育精品教材“现代化学实验基础”，该教材重视现代前沿内容和经典内容的连接和结合，实验内容上引入化学在环境科学、生命科学、材料科学等方面的应用实例，基本涵盖了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学的一些基本实验原理和操作，不仅可以使学生对化学实验有初步全面的了解，而且，还可以了解化学在各个领域中的应用[4]。由于课时的限制，教师无法在课上详细演示实验操作，教研室拍摄了与教材配套的实验演示光盘，学生可以随时登录网络学堂，下载观看演示操作。

在实验内容的选择上，根据工科学生的专业特点，增加一些贴近生产、生活的应用性实验，如“水的硬度测定”，要求学生自己采取水样，有的学生测定宿舍楼中的水，有的学生测定不同品牌矿泉水、纯净水，根据测量结果对水质硬度做出评价。又如“钢中锰含量测定”，该实验取材自工业生产实践，所用原料45号钢取自我校机械厂车床加工的下脚料，实验中学生不仅学到了称量、溶解、定容等实验手段，掌握标准曲线作图的方法，而且还亲自体验了工业生产中钢中锰含量测定的方法(分光光度法)，另外还有“摩尔盐的制备与纯度检验”等，这类与生活紧密相关的实验，不仅使学生掌握了一些实验操作，而且对生活中的一些化学现象有了本质的认识。

大学化学实验课程重在化学规律性和研究方法的把握，拓宽课程视野，体现化学与能源、环境、材料和生命健康的息息相关，反映多学科的相互渗透与融合，树立正确的能源观念、环境意识以及人与大自然和谐共处的生态科学理念。教学中结合专业特点，引导学生将化学与其专业背景加以联系，比如对于机械系的学生，要求他们对新能源部分了解更多一些，对于生命科学院的学生，有关元素的知识，特别是元素的生物功能要多介绍一些，对于材料系学生，要引入各种先进材料的介绍。在开展“专业与化学”课题调研活动中，将学生根据专业分成小组，要求他们通过查阅文献，写出与专业结合的化学实验报告，虽然大部分学生是借鉴了一些教科书上的实验，但在查文献、写报告的过程中加深了化学与其自身专业联系的了解，大大提高了学生做化学实验的主动性。

2 丰富多彩的教学形式

2.1重视化学史的启蒙作用，提高学生的人文素质

我国著名化学家傅鹰说过“化学可以给人以知识，化学史可以给人以智慧”。一切化学思想、化学概念及化学手段都有其背景和发展演变过程，凝聚着一代又一代化学家的心血和智慧，反映了他们的探索热情和奋斗历程。透过化学史的教学，能够启迪学生探索化学实验背后所进行的思维活动。比如本生灯是德国化学家R.W.本生为装备海德堡大学化学实验室而发明的用煤气为燃料的加热器具。在本生灯发明前，所用煤气灯的火焰很明亮，但温度不高，是因煤气燃烧不完全造成的。本生将其改进为先让煤气和空气在灯内充分混合，从而使煤气燃烧完全，得到无光低亮度的高温火焰。本生作为化学家，对科学具有广泛的兴趣，他早期研究有机化学，后来又涉猎无机化学、地质学，并发明了很多鉴定、分离无机物质的分析方法，将毕生的精力都用在培养学生和科学研究上。又如，现代仪器分析手段，目前还不能完全代替经典分析方法，比如滴定分析、重量分析的准确度，大大优于现代仪器分析，所以在学习的过程中，必须重视精典内容和现代前沿内容的连接和结合，掌握较全面的知识，以适应未来专业和学习的需要。另一方面，很多科学发明是没有现成的仪器所用的，使用简单仪器也可以发明创造。点滴分析法的创始人费格尔(维也纳化学家)，他研究出一整套硫化铵和硫化氢的点滴分析法，所用的仪器相当简单，主要是磁质点滴板、磁棒和滤纸等，而其灵敏度达10-8～10-5克，正是由于费格尔的贡献，分析化学才出现了“超微量分析”这一分支。

对于刚接触大学化学实验的新生来讲，在实验课堂上穿插一些化学史的介绍和化学家奋斗故事的讲述，对于实验教学效果的提高大有裨益。首先，活跃了课堂气氛，使学生对实验充满兴趣；其次，通过了解知识背景，学生可更好地掌握该知识点，有利于提高科学素养,同时，坚定学生刻苦学习的信心和勇于钻研的精神，为进行科研打下良好的情感基础。

2.2 因材施教，开设开放实验

大学化学实验是培养大学生创新能力的重要途径之一[5-7]，而现有化学实验能力评价标准过于简单，远远不能满足现代社会对学生化学实验能力培养的要求，因此有必要对大学化学实验能力评价标准进行研究、完善和体系化。由于大学化学实验学时比较短，仅2学时，而选修大学化学实验的学生，高中化学水平(尤其是实验水平)不一、动手能力参差不齐，这种情况下，开放实验室非常有必要。在问卷调查中，90%的学生对开放实验非常感兴趣，10%的学生认为无所谓。

对于高中没有做过实验的学生要强调基本能力的训练,并逐步加以引导,增强学生做好实验的信心，允许重复上实验课，并要求学生写出实验心得，从失败中学到经验教训。经过几年的实践，学生反响很好。高中化学基础较好的学生(例如参加奥林匹克化学竞赛获奖的学生)，对于大学化学实验内容，他们往往多了一分优越感,少了一分新鲜感。在教学过程中,对于这些学生注重引导他们对实验内容设计的思考，为其开设提高性的实验，并以小论文的形式总结实验过程。特别是利用清华大学优秀的学生自主创新平台——SRT(student research training)项目,学生每学期可多次申请自主研究项目，学校都会给予一定的经费资助。例如，本学期大一工程物理系学生朱发强等3名学生选择探索性实验“铜氨配合物热致变色现象讨论”，他们合成了一系列热致变色化合物，探讨了相转变温度与配体的关系，获得我校实验室建设贡献奖二等奖。物理系大一学生鲍亦澄将计算机知识应用于化学实验，设计的教学软件“钢中锰含量计算软件”，可以当堂给出学生实验结果、成绩及成绩分布度，使得师生能够在课堂上及时对实验加以总结，目前该生即将赴哈佛大学物理系深造，他认为“化学实验为我在大学化学起步阶段打下良好的运用知识、创造知识的平台”。材料系大一学生张晨慧申请的“离子色谱仪在分离混合离子中的应用”，利用离子色谱仪分离混合离子，作为非化学专业的大一学生，熟练掌握了仪器操作方法，并提出了计算法和实测法的区别讨论。这些都说明，学生有较强的求知欲望、自学能力和运用知识能力，只要给他们一片合适的沃土，在教师的指导下，他们就能做出更大成绩。

这种方式不同于经典的验证实验，实验中增加了很多需要独立探索的实验条件，通过实验过程的深入学习不仅提高了学生的实验操作能力,巩固了基础知识,而且使学生对于现代化学理论及其应用有了深刻的认识，从学生反应来看，这种方式很受欢迎，“摒弃了照方抓药式的实验内容的限制”“发挥余地比较大，培养独立思考和解决问题的能力。”“自主学习能力得到很大锻炼，同时培养了团队合作精神。”

叶圣陶先生讲：“教是为了不教。”这首先是突出教师的教，即教师的主导作用。为提高学生的学习兴趣优化实验教学内容、建设实验平台、积极进行开放实验等，均需要教师的主导和引导，这对师资队伍提出了很高的要求。适应研究型和开放型的实验内容，要求教师必须有科学研究的经历和熟练的实验技能；适应综合性的实验内容，要求教师具有广博的专业基础知识；实验内容的多样化，要求教师必须有很强的应变能力；实验室开放的运行模式，要求教师必须有奉献精神和很高的职业道德[8]。

2.3 网络资源，课堂的延伸

我国著名教育技术专家南国农先生的基本观点是 “把传统学习方式的优势和数字化学习的优势结合起来，使两者优势互补，才能取得最佳的学习效果”。

网络学堂为师生互动提供了很好的交流平台，为充分利用仅2学时的课堂时间，教师将一些演示操作提前放在网上“教学资源”板块中，学生实验课前自行选择时间通过网络预习，掌握相关操作方法，教师课上就可以针对性的讲解，省去一些不必要的重复演示。每次实验结束后，在“课程答疑”“课程讨论”等板块中学生就实验现象展开讨论，最后由课代表将典型性问题整理归纳后，在下次课上和任课教师共同讨论。

发挥微信在课堂中交流平台的作用，例如制备实验中，学生纷纷将合成产品的图片上传到群中，第一时间获取其他学生的实验结果，在与其他学生比较的过程中，了解不同实验条件下得到的产品形貌的不同，开展讨论，教师加入讨论并给予引导，大大增加了学生学习的积极性和主动性。

与本课程相应的理论课程“大学化学” 作为我校首批上线的先修课课程，在“学堂在线”上受到广泛的关注和好评，其中别出心裁的实验演示部分，受到业界广泛关注[9]，课堂上适时的播放相关内容，学生从更微观的角度了解实验过程，课前提示—引发兴趣—实验探索—讨论反馈，形成一个良性的学习过程。

3 基础实验中培养学生创新思维

高等教育的首要任务就是培养具有创新能力的学生。在实验教学中更要开发学生的创新思维。学生活跃的思维在化学实验中体现为独特的创造能力[9]。

在大学化学实验教学中, 元素及其化合物的性质实验占有十分重要的地位。这类实验帮助学生从感性上直接认识元素及其化合物, 并要求学生较为系统地掌握元素及无机化合物的重要性质。元素及其化合物的性质实验基本上是在试管中进行反应, 内容多且杂, 容易使学生感到实验内容过于枯燥；另外，大一学生思维方式往往停留在中学教学模式中，不善于对教科书上的说法提出质疑，而作元素性质实验过程中，往往得到与书中不尽相同的结论。在教学过程中，结合学生得到的异常实验结果，引导他们查阅文献，使他们意识到知识是发展的，即使是历史上非常经典的实验，也蕴含着许多值得继续研究的新课题。这种探究式的学习方法受到学生的普遍欢迎，大大提高了他们做元素性质实验的兴趣。同时，注重培养学生的问题意识，简单的无机化学反应背后蕴藏着丰富的物理、化学、材料研究内容, 任何一个新的现象都有可能成为新的科学发现的起点。从纷繁复杂的表象背后看到问题的实质, 从简单的化学反应背后看到丰富的物理化学研究内容 ,可以逐渐帮助学生树立起正确的科学研究观念[10]。

这种参与不仅使学生亲历了一次科研活动,了解了科研工作的一般规律,增强了学生做实验的兴趣,同时也提高了学生的科研能力,使学生的思维不拘于实验中早已定好的过程。特别是通过在教师指导下追踪最新文献、翻译资料,在这个过程中学生必然会认真思考,主动寻找怎样才能提出自己的见解和观点,从而提高了学生的创新意识，激发了学生探索、钻研问题的兴趣，解决了理论知识和科学研究相脱节问题。这样的教学过程，培养了学生发现问题、解决问题的能力，培养了学生的创新意识。

4 结语

大学化学实验作为一门校级基础课，是对大学新生进行素质教育的重要途径，授课教师要根据新生的心理特点开展针对性教学，在教学过程中努力让学生感受到学习成功的欢乐, 使学习变得更有趣味,使得学生认识到化学作为基础学科的重要性。在提高实验教学质量的改革中，一手抓“基础”，突出化学基本素养的训练，一手抓“提高”，突出学生个性化及综合能力培养，为合格化学人才的培养进行有益的探索与实践。通过近年来的摸索,初步取得了一些成绩,学生非常喜欢这门基础实验课，这也给了从事基础课实验教学的教师更大的信心搞好教学工作。

感谢清华大学化学系李强教授(北京市教学名师，大学化学先修课主讲教师)、崔爱莉研究员(大学化学实验负责人)、基础化学实验教学中心主任张四纯教授对本课程的支持，感谢博士生助教刘俊利、张思敏、刘东琳对本课程建设的贡献，感谢SRT本科生鲍亦澄、朱发强、李昕珂、巫腾飞、张晨慧的积极参与。

References)

[1] 任艳平.“化学学科拔尖学生培养试验计划”课程平台[J].大学化学，2017,32 (1)：15-20.

[2] 强根荣,盛卫坚,刘秋平,等.化学实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(11):107-112.

[3] 马世红,赵在忠,王煜,等.开设实验选修课培养学生创新能[J].物理实验，2002,22(3):27-29.

[4] 袁书玉.现代化学实验基础[M].北京:清华大学出版社,2006.

[5] 卫星星，李银涛，贾瑞虹．大学生创新实验项目在应用型人才培养中的探索与实验[J]．化学教育，2016, 37(20):38-40.

[6] 王伟祖，郑旭明.构建实验教学新体系，培养学生创新能力[J]．实验室研究与探索，2007,26(2):70-75.

[7] 赵云岺，欧阳津，孙豪岭，等.基础化学实验课程中学生能力和创新意识的培养[J]．化学教育，2015(6):42-45.

[8] 龚淑玲,黄驰,侯安新,等.以学生为中心，激发学习兴趣，提高化学实验教学效果[J]．实验技术与管理, 2012, 29(8):1-8.

[9] 庄京.谈基础化学实验教学改革观念[J].大学化学，2010, 25(1):13-16.

[10] 张洪奎,朱亚先,夏海平.构建实验课程体系，培养合格化学人才[J].实验技术与管理,2012,29(1):7-10.

Teaching practice of university chemical experiment course for non-chemistry majors

Niu Lihong， Cui Aili, Wei Jingzhi， Yang Jin, Zhang Sichun

(Department of Chemistry, Tsinghua University, 100084 Beijing， China)

The university chemical experiment is a public fundamental course for the first year students of non-chemistry majors in Tsinghua University. The university chemical experiment course is set up independently in Tsinghua University, the teaching hours are short, the number of the students choosing this course is large, and their experimental levels are quite different. From the actual situation, the experimental contents with the combination of basic knowledge and engineering specialty are determined, the various teaching forms are adopted to improve the teaching effect, the teaching idea of training students’ innovative thinking is implemented, and an effective mode for the university chemical experimental teaching is explored. After several years of practice, better results have been achieved.

non-chemistry majors; university chemical experiment; public fundamental course

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.052

G642.0

B

1002-4956(2017)11-0210-04

2017-05-23

清华大学本科教育教学改革项目(53410100537)

牛丽红(1977—)，女，河北秦皇岛，硕士，工程师，从事大学化学实验教学工作，研究方向为超分子化合物的合成、性质研究以及大学化学实验教学、管理工作.

E-mailniulh @tsinghua.edu.cn