普通化学实验新技术和新思路

范丽岩，刘亚菲，吴梅芬，许新华

同济大学化学科学与工程学院，上海 200092

普通化学实验也可叫做大学化学实验，是一门本科大类公共基础课，与普通化学(或大学化学)理论课程配套开设，授课对象一般是非化学类专业的一年级新生，授课面广，学生专业背景各异。鉴于该实验课程内容是现代大学生应该掌握的自然科学基础知识的重要组成部分，而当前各地高考体系多样且变化不断，宽广的授课面和众多的专业背景又导致选课学生的化学实验水平参差不齐，因此国内高校对普通化学实验课程的改革工作一直持续进行，如增加结合专业特点的实用性实验内容[1]、“三因一自”模式增强学生主观能动性[2]、基于学科交叉融合的新实验教学体系[3]，以及学生主体-教师辅助的大学化学实验教学内容与教学模式双改革[4]等。这些实验教学改革工作，有效提升了普通化学实验的教学效果，对学生的创造性思维和创新实践能力的培养有很大促进作用。

国际化学教育领域在普通化学实验上的改革力度更加巨大。近年来，在美国化学会Journal ofChemicalEducation期刊上发表了大量实验教学论文，相当一部分涉及到现代数码设备和技术在传统化学实验中的应用，令人产生耳目一新之感。与之相比，国内普通化学实验教学的内容设计和实验技术仍然存在比较明显的差距，主要有以下几个问题：

(1) 过于强调实验课程的“普通”特色，忽视了现代科技发展对学生的影响和对实验教学方式的冲击。

与其他的化学专业实验课程相比，普通化学实验无论从教学内容和实验技术看，都属于入门级别。长期以来，普通化学实验给人的印象一直是“瓶瓶罐罐，汤汤水水”，以同济大学普通化学实验室为例，实验员一年为学生准备试剂滴瓶超过2万份次，更换滴管胶头过万只，各种颜色的试剂瓶在实验室堆积如山。这种状况，一方面反映出普通化学实验课程教学的巨大工作量，但是从学生的角度看，无疑会留下这门课程严重落后于时代的印象，须知现在的95后、00后学生已经是伴着数码产品长大的一代，现代科技在他们身上已经留下了深深的烙印，即使是像物理化学实验这样技术含量较高的实验课程，很多实验已经可以数字化操作和测量，这些学生仍然觉得不满意，经常自觉或不自觉地拿出自己的数码产品拍摄实验过程和记录实验数据。可以想象，当这些学生走进普通化学实验室，面对更加初级“普通”的实验条件，肯定有恍如隔世之感。

(2) 过于强调实验课程的“化学”特色，忽视学生来源的多样性和对课程诉求的灵活性。

普通化学实验是附属于普通化学课程的，国内各高校对该门实验课程的定位一直是通过实验加深对普通化学理论课知识的理解和掌握，这就导致在实验内容的安排上必须比较严格地与理论课内容同步，无论各高校如何进行普通化学实验课程的改革，都没有突破这个“紧箍咒”，这就导致普通化学实验课程非常的“化学化”，即以培养化学专业人才的思维和方式来进行实验的设计和教学。但是，对于普通化学实验这种大学起步阶段实验课程，在课时有限的状况下，缺乏基础训练的学生往往无法理解教师的实验教学设计思想，这个问题不是中国特有的，在国际化学教育界也普遍存在，英国格拉斯哥大学科学教育中心的研究表明[5]，学生往往无法清晰了解所学课程各部分的重要性及相互关联，造成这一现象的原因是教师及专家在实验课程设计时过度考虑专业内容，忽视学生感受。同时，时代的变化导致全世界的高等教育都面临纯理科学生日益减少的局面[6]，中国也概莫能外，绝大多数学生来做化学实验，不是要成为化学家，用培养化学专业人才的要求对学生进行实验教学，除了让学生望而生畏、心生厌恶之外，恐怕不会有什么好的教学效果。

大多数非化学类专业的学生并不会修习除普通化学实验之外的其他专业化学实验课程，因此该课程应该向学生全面展现化学的魅力和作用，给学生留下正面的、积极的印象，在非化学类专业学生心中植入一点化学思维的种子，为培养新时代高素质人才提供有益的营养。在此，我们根据多年的教学实践及对历届学生性格禀赋心态的了解，结合国际国内化学教育领域的新成果，对如何创设符合当代大学生心理的普通化学实验课程内容和方法进行了讨论，希冀能够抛砖引玉，与国内同行一起努力做好实验教学工作。

1 普通化学实验课程改革的新技术和新思路

从微观上说，化学研究分子、原子间的结合和分离；从宏观上说，化学过程决定人类社会能量的转化输运，以及新材料的开发利用等。对于非化学类专业的学生而言，如何让他们在普通化学实验中身临其境地体会到化学科学的作用，从而对化学产生正面积极的评价，需要从改革传统化学实验教学的内容、方式和技术入手，形成全新的普通化学实验教学思路，并研发出一批创新型的实验教学项目。

1.1 化学反应的微观可视化

传统化学实验，尤其是普通化学实验，注重化学反应过程现象的观察和描述，比如反应过程中生成气体、沉淀，产生颜色变化等。这些宏观化学反应速度较快，反应的过程和细节不容易观察，现有的实验手段无法对其做出时间和空间上的细致展现。

现代电子技术和数码技术的发展，使得原来昂贵的仪器设备变得廉价易用，电脑、数码显微镜等设备已经可以成为通用仪器，其价格并不比一台常规实验仪器更高，现在学生几乎人手一台的智能平板设备也基本具有放大摄录功能。利用这些装备，我们完全可以用一种全新的视角来向学生展现化学反应的详细过程和现象，就像电影慢镜头一样。我们将这一实验设计理念称为“微观可视化”，即通过巧妙的实验设计，使得原本在溶液中进行的快速化学反应变得缓慢，能够在数码显微镜下充分展现出反应过程的动态细节，使学生对化学反应的微观本质有更深刻的印象。虽然这种实验技术不可能表现出单个分子、原子的运动和反应状态，但是与传统实验相比，该技术通过电脑屏幕将反应系统放大了50-200倍，能够非常有效地观察反应物之间相互扩散、反应、生成晶体、释放气体，以及颜色变化等过程，形象生动、过程飘逸，学生形容观察到的反应体系如同宇宙星云般美丽。以该项技术为基础，将合适的传统化学反应实验改造成为“微观可视化”实验，把传统的在试管烧瓶中进行的化学实验搬到数码设备和电脑屏幕上去，可能使化学实验室的经典形象彻底改观。

1.2 实验成果产品化

95后、00后学生的生活学习须臾离不开智能设备，这反而造成了他们对实物制作的浓厚兴趣和爱好，并有通过手机、网络进行媒体扩散和炫耀的特殊心理。普通化学传统的教学模式是：教师讲解-学生进行实验-观察记录实验现象-回去写实验报告。这种模式，对于化学类相关专业的学生而言，没有任何问题，因为他们的后续理论课程以及专业实验足以使其充分了解化学科学的魅力和社会作用。但是，对于非化学相关类专业的学生，这种实验教学方法和内容就存在明显的缺陷，因为以化学反应和性质测量为主要关注点的教学内容设计，使学生无法切身感受到化学对社会产生的作用。对于不打算从事化学相关专业工作的学生而言，让他们通过实验学习掌握各种各样的化学方程式、学习规范的化学专业操作技能，并没有很大的意义；相反的，如果让他们在实验中得到一些有用的、实物化的产品，则学生们对于化学的认识反而更加直观、深刻，对化学科学的理解也就更加正面、积极。比如，与其让学生测定原电池的电动势，不如安排他们制作各种类型的电池，甚至可以做成商品化的纽扣电池，用到他们自己的物品上(比如计算器、电子表、机械模型等)；再比如，与其让他们学习如何合成乙酸乙酯，不如让他们提炼一些真正的生物燃料，并用到他们的航模、空模和车模上。通过这种创造实物型的实验教学活动，可以更加有效地培养学生对于化学的认识和科学素养，并有可能在他们将来的工作中进一步利用和发展。

1.3 化学理论的虚拟现实表现

普通化学课程中涉及的很多理论问题，比如热力学过程、分子原子结构、电子轨道、反应过渡态等，都是很难用宏观实验方法进行直接观察的，而微观实验技术和设备过于昂贵，也不能大规模应用于普通化学实验教学。因此，利用适当的计算机软件，对这些过程进行虚拟现实表现，是当代化学教育的一个重要内容。在这里，我们要特别指出这项工作不是目前流行的“虚拟实验”，不是将现实的动手实验虚拟化，而是将理论图形化，可以将其归属于“微观可视化”的一种类型，只是现在可视化的对象不是一个具体的化学反应过程，而是一个化学理论。与“虚拟实验不同”，该方法不是由教师或者编程人员预先编制好计算机程序，然后让学生据此进行虚拟实验操作，而是用商品化的科学软件，由学生自主地进行模型设计、参数拟定和图形表现，这本身就是一种运用化学思维进行创造性思考的实验过程。

上述实验技术或设计思路所要达到的目标，简而言之，就是要让学生在这个全新的实验室中，“看得见，摸得着”化学。所谓看得见，就是通过微观可视化和虚拟现实表现，让学生以一种全新的视角来观察化学；所谓摸得着，就是通过实验成果实物化，让学生切实感受到化学创造出来的、可以应用于他们的生活工作中的产品，了解化学的社会作用。

2 普通化学实验课程改革的实践与创新

2.1 使用智能设备或数码摄录设备的化学反应可视化

将化学反应用图像、视频方式进行呈现的方法已经有不少优秀案例，如中国科技大学的“美丽化学”项目[7]、清华大学化学实验MOOC[8]等。但是这些工作主要是制作化学反应过程的视频作品，供学生和公众观看学习，以了解化学的美丽奇妙之处，其使用的高速延迟摄影设备及实验器皿非常昂贵，不适合大规模的学生实验。

现在学生中智能手机已经完全普及，智能平板设备也有较高的拥有率，同时简单的数码体视显微镜的价格也在几百元左右，均可作为可视化实验的主体设备[9-11]，甚至可以使用扫描仪进行光度法实验[12]。普通化学实验大多涉及溶液反应，反应速度快、溶液扰动大，反应过程的精细过程在时间和空间维度上均不容易准确观察。为此，一般采取两种策略来达到较为满意的可视化效果：在反应体系中添加特定指示剂，以及采用凝胶技术部分降低反应速率、减少反应体系扰动，比如在溶液中添加NH3指示剂，能够清晰显示铜电解过程中铜离子从阳极向阴极迁移的路径和反应区域[13]；将铜铝置换反应转移到琼脂凝胶中进行，能够形成结构完整的铜晶体枝条，并对该反应涉及的电子转移、微电池效应等进行许多设计性实验[14]；以及将两种策略结合，在凝胶中添加双指示剂酚酞和铁氰化钾，以观察氧化、还原区域分离及金属活动性顺序等[15]。许多肉眼难以分辨的化学反应现象都能够在数码镜头下被呈现和记录下来，例如将化学能直接转化成机械运动能量的振荡反应波[16]和微液滴驱动、展现渗透压现象的“溶液中的法老之蛇”(亚铁氰化钾颗粒在硫酸铜溶液中反应)，以及缤纷精彩的晶体生长模式[17]等，图1为部分实验图像。

图1 数码显微镜中的化学反应

智能平板设备的另外一个优势功能就是可以搭载红外成像配件，从而将学生观察化学反应的视野拓展到肉眼不可见的红外波长范围，可对化学反应涉及的热运动和热现象进行原位实时观察、摄录和分析。这些红外成像配件价格低廉，使得原先成本昂贵的红外成像技术能够比较容易地进入普通化学实验教学之中，比如液体的蒸发、对流过程，晶体结晶过程，溶液蒸发的拉乌尔效应，理想溶液和非理想溶液混合过程的热效应，浓硫酸水合过程涉及的表面效应，超细金属颗粒的空气自燃等，都可以在红外成像技术之下形成极有价值的探究型教学实验项目[18,19]，图2是部分实验的红外成像图片。

图2 物理、化学过程的红外热成像

上述在可见光和红外波长范围的光学成像探头可以整合在一个微观可视化实验平台上(图3)，同时搭载光纤光谱仪的光纤探头，实现红外-可见-紫外全域检测。与常规光谱仪相比，光纤光谱仪探头可自由移动转向，并在吸收光谱、发射光谱和漫反射光谱模式间自由切换，且样品池长度可大范围调整，非常适合开展诸如原子线光谱测量、气态分子吸收光谱测量等实验，对普通化学教授原子分子结构理论有很好的促进作用。目前，我校已经研制并装备了一个示范性教学实验室，配备了搭载上述三类探头的化学可视化微平台，可开展实验项目十余项。

图3 微观可视化实验平台

2.2 化学实验结果的实物化

在化学实验课上做出一些生活化的产品，尚不是国内高校普通化学实验的主要内容。然而，很多国际著名高校却都有此类通识性的化学实验课程，比如美国麻省理工学院(MIT)化学系就开设有厨房化学实验(Kitchen Chemistry)[20]和高级厨房化学实验(Advanced Kitchen Chemistry)[21]两门课程，专门教授各种食物制作过程中的化学原理和方法。以下用几个公开发表的案例说明，在完全符合传统意义上的普通化学实验课程中，是可以制作出实物产品用于学生的日常活动中。

案例1美国匹兹堡大学化学系开发了一个制作高性能常规电池的化学实验，使用日用化学品或食品(如漂白剂、清洗剂、实验、醋等)配制电解液，用罐头金属片制作电极，通过组装形成工作电池，并系统研究了电解质浓度、电极距离以及电极表面积对电池性能的影响。该实验所制得的常规电池电动势高于铜-锌原电池，电流密度比典型空气-铝电池高75倍、比典型的水果电池(lemon batteries)高150倍，完全可以驱动各种机械模型[22]。该实验全部完成仅需4课时，完全可以作为一个电化学实验用于普通化学实验课程中。

案例2北京大学化学与分子工程学院开发了一个简易光伏电池制作的教学实验，该实验包括两种光伏电池的制作：硫化铜/硅光伏电池和N719染料敏化的敏化光伏电池。实验过程中学生会了解沉淀溶解平衡、元素性质等基本化学原理在制作光伏电池这类实际的功能器件上的具体应用，使学生体会普化实验所涉及的内容与化学前沿间的相关性；通过亲手组装简易光伏电池，使学生对半导体、能带理论、光伏效应等抽象概念有一定的感性认识，并了解化学过程与光、电现象之间的本质联系[23]。这个实验适用于在大学一年级的普通化学实验课程中开设。

案例3福建农林大学生命科学学院设计以自制淀粉酶为催化剂催化淀粉水解制备麦芽糖浆，实验将淀粉在自制定向酶的作用下水解生产麦芽糖，且利用所学的分析化学相关知识来对酶催化的特性进行探究，也可以设计出酶活性的研究、酶催化的速度等其他方面的探索内容[24]，完全不同于同类传统实验只限于定性观察，且在酸的作用下水解生成葡萄糖的实验内容。

除此以外，利用材料的形变特性和表面特性制作相关用品也是实物化实验设计的重要方面，比如中国科学技术大学化学国家级实验教学示范中心利用热缩材料的特性，设计并开发了可以“自己动手做”的熵致形变高分子材料挂件[25]；新疆大学化学化工学院以聚乙烯醇和单宁酸为原料制备出了形状记忆水凝胶，以乙二胺四乙酸、二水合氯化铜、六水合氯化镁、氧化铝为原料制备出了无机热致变色材料，以结晶紫内酯、硼酸、十六醇为原料制备出了有机热致变色材料，并将形状记忆材料与热致变色材料结合，成功制备出了两种既能记忆形状又能变色的新型复合高分子材料[26]；绍兴文理学院化学化工学院利用溶胶-凝胶法制备超疏水材料，并将基于靛蓝胭脂红变色的“红绿灯”实验在超疏水材料上进行绘画展示，让学生亲身感受化学之美、化学之趣，激发其对化学的兴趣，引发学生对材料科学的探索和思考[27]。

在日常的普通化学实验教学中，一直有高校尝试让学生进行实物制作的教学内容，我校研发了一系列天然植物提取物用于制作化妆品的化学实验项目，包括麦冬、柴胡、黄芪、红花、薄荷等中草药，并用于制作保湿美艳护肤品、唇膏以及透明手工皂等产品，实验过程涉及到植物有效成分提取、旋转蒸发、乳液调配等多个实验操作技术，学生们形容这样的实验课程是“空手而来，满载而归”，非常受到学生的欢迎。这一类实物化制作实验项目虽然内容已经不再新颖，但是如果能够结合各高校的地域特色和生活习俗进行改造，仍然能够做成实验精品，比如云南民族大学化学与环境学院开发了一个制作鲜花香皂的教学实验，乍一看这个实验不就是一个手工制作(DIY)嘛，怎么能作为教学实验呢？但是就是这样一个手工皂制作的项目，被设计为包含丰产天然产物有效成分的提取、皂化反应、添加搅拌制备日化产品等过程，将大学化学的基础知识、基本实验技能与日常生活相结合，制备出鲜花香皂，具有趣味性、系统性和连贯性，大大激发了学生学习的兴趣，培养和提高了学生的创新能力和综合实践能力[28]。

2.3 化学微观结构的现实表现：软件、手工与3D打印

可用于普通化学实验教学的软件有BioChemOffice、Gaussian等，前者的3D模式能够比较方便地构建分子的立体构型，并用多种形式予以表现，不需要任何编程或量子力学知识，一年级新生比较容易上手使用，且软件自带的部分免费计算功能也能够完成分子构型的优化，显示分子结构的动态调整过程，对初次接触大学化学内容的学生而言，有比较大的吸引力。结合前面可视化实验平台上进行的晶体生长实验，也能够比较容易地获得某些无机物的单晶体，比如五水合硫酸铜或一水合乙酸铜等，这些单晶在单晶衍射仪上获得衍射数据是比较快的，然后就能使用免费版的Mercury晶体分析软件获得这些晶体的三维原子分布(图4)。

图4 蒸发结晶形成的单晶体和Mercury软件中的晶体结构

如果化学软件的使用受到经费和版权的制约，也可以借助传统手段进行分子结构的模拟，比如中国传统折纸手艺，早在上个世纪九十年代就被成都科技大学应用于模拟复杂分子的构型，并且在美国化学会《JournalofChemicalEducation》期刊上发表过系列论文[29-31]；香港浸会大学的学者也发表过类似论文[32]。可见，折纸法构建分子模型是我们国家原创的教学方法，完全可以应用于普通化学实验教学中，或单独开设实验，或作为合成实验后期产物分析和研究的辅助教学手段。此外，除了常规的分子结构球棒模型教具外，北京大学化学实验教学示范中心还提出用磁性球搭建密堆积晶体结构的方法[33]，同样非常适合普通化学实验的教学工作。

当前，3D打印技术蓬勃发展，并且已经应用于化学教学之中[34,35]。可以预见，当该技术的成本降低到一定程度后，必然会被引入普通化学实验的教学中，其作为分子结构等物质微观信息的现实模拟手段，会使学生学习化学的获得感更加丰富。

3 结语

作为普通化学实验课程内容改革的主要基础，化学反应过程的可视化技术、微观结构的虚拟现实技术及实验结果实物化模式将会极大改进当前课程给学生的观感。当然，这些技术和模式仍然要不断寻求与传统实验教学项目之间的融合以及与理论课程之间的相互配套，将化学教育中比较分散的知识点通过实验呈现出来，连接起来，使学生在更新、更高的观察维度上认识化学、在更深更广的情感维度上接受化学。唯有如此，我们培养的学生，无论他们是什么专业背景，才是拥有比较完整科学价值观的人；也唯有如此，我们热爱的化学学科也才会拥有更平坦宽广的前途。