综合性大学公共基础化学实验教学模式探讨

张霞 徐烨 孙挺 王林山

(东北大学理学院化学系 辽宁沈阳110817)

实验教学是培养学生实践能力和创新精神的重要手段，是本科教学体系的重要环节。近年来，随着我国高等教育的发展，国内各高等学校对实验教学投入了很多资金用于购置先进的仪器设备，并对教学体系、教学内容和教学方法进行改革，取得了显著的教学成果，对培养学生的创新能力和科研思维起到了重要作用［1-4］。随着现代科学技术的迅猛发展，学科之间的交叉渗透越来越深入。化学科学与材料科学、环境科学和采矿以及矿物加工等学科专业之间的学科交叉，导致了新的科学研究增长点，引起了相关学科专家学者的高度重视，同时也对化学科学知识和实验技术提出了更高的要求。

作为东北大学公共基础课程之一，化学实验系列课程面向16个专业的46个班级约1380名学生。具体实验课程教学体系安排如表1所示。由于在教学实践过程中，深感不同专业对化学实验技术需求的差异，我们从2007年开始尝试根据不同专业特色和需求设计实验教学内容，对无机化学实验和分析化学实验的教学内容进行了改革。在完成基础实验技能训练的基础上，适当安排研究探索类实验项目，以训练学生的综合实验技能和创新思维。如开设了化学综合实验课程;采取自主开放的实验教学模式，在仪器分析实验课程中通过自由设计实验培养学生的自主学习积极性。教学实践结果表明，东北大学理工科学生的整体化学实验综合技能得到提高。

表1 东北大学基础化学实验课程体系

(1)从专业特色和需求出发设计实验教学内容。

我们通过与专业教师进行交流，了解了不同专业的特色与专业需求;据此，在无机化学实验和分析化学实验课程中，按照学生的专业特色进行了分类，并在此基础上，有计划分步骤地设计了有特色的实验教学内容。

工科分析化学实验面向冶金工程、安全工程、环境工程和环境科学专业开设。在完成基本实验技能训练基础上，按照专业特色，设计了不同实验教学内容。冶金工程和安全工程专业的实验项目侧重分析化学实验技术在金属冶金分析中应用，因此设计了“铝合金中的铝及其他元素的综合分析”实验;内容包括:原子吸收法测定铝合金中Cu和Mg，络合滴定法测定铝合金中Al含量，分光光度法测定铝合金中的Fe，离子选择性电极测定铝合金中的F等。环境工程等专业侧重分析化学实验技术在环境分析中的应用，为此设计了“废水中污染物质的综合分析”;内容包括:络合滴定法测定废水样中的金属污染物Pb2+，原子吸收法测定废水样中的重金属污染物Cu2+和Cd2+，分光光度法测定废水中的Fe3+，离子选择性电极测定废水样中的F-，气相色谱法测定废水中有机污染物。

无机化学实验教学内容的设计也是本着“学以致用”的原则，针对学生的不同专业特色和需求，设计不同的教学内容。工科无机化学实验课程的实验项目设计如表2所示。针对材料冶金特色专业(冶金工程、采矿、矿物加工等专业)开设的无机化学实验项目注重与金属冶金过程相关的化学实验，包括铝的阳极氧化、未知固体鉴定等;环境特色专业(环境工程、环境科学等专业)注重与环境治理科学相关的化学过程，据此开设了食用碘盐中离子浓度测定、废水处理及化学需氧量测定等实验。另外，在实验教学管理上，我们采取开放式管理，学生可以从兴趣出发，选做其他专业的实验。

物理化学实验也结合学生的专业特色，开设了系列特色实验项目。由于高温热力学过程在冶金、材料等研究体系中普遍存在，在物理化学实验课程中开设了12学时的高温热力学实验，包括:碳的气化反应，Bi-Sn二元相图，KNO3的差热曲线测定与分析;并根据需要自行研制了实验装置。例如，我们自行设计的Bi-Sn二元相图绘制实验装置与商品化的二元相图绘制实验装置(所有部件都装在一个盒子内，外部只显示温度变化)相比的一个主要特点是:学生能够直观地观察到二元相图的生成过程。

表2 工科无机化学实验项目

通过不断完善专业特色实验项目的设计，将化学实验与学生的专业实验紧密结合，能使学生将所学到的化学实验知识用于后续的专业学习，真正做到学以致用。

(2)开设探索性、综合性实验项目，培养学生的综合实验能力和创新思维。

我们把科学研究成果和一些化学前沿性的内容引入到本科生的实验教学中，设计了一些研究性、综合性实验项目，拓宽了学生的知识面，扩大了他们的视野，使学生对研究型实验过程有了较深入的了解，培养了其科学研究意识。

对于应用化学专业的学生，我们在其完成无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和仪器分析实验课程之后，又开设了化学综合实验课程(48学时)。我们依据教师的科研课题设计了3个24学时的综合实验，这3个大实验的教学内容分别来自于国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金项目的研究成果(表3)。

表3 化学综合实验课程中3个实验项目的来源

每个大实验由4～6个小实验组成，从物质的化学合成出发，通过结构检测以及性能测定，探索目标物质的结构与性能之间的关系。其中每个小实验的结果都很重要，关系到下一个实验的成功与否。例如，实验I(金属氧化物无机材料的合成、表征和性能研究)由6个4学时小实验构成，实验名称分别如下:①纳米TiO2材料的合成;②纳米TiO2材料热化学性质研究及合成TiO2晶体;③ 纳米TiO2对水中Cu2+的吸附活性研究;④ TiO2纳米晶体对甲基橙的吸附活性;⑤ TiO2纳米晶体对甲基橙的光催化活性;⑥自主设计实验。整个实验过程是:用实验①合成的TiO2纳米粉，进行实验②的热分析曲线测定，根据热分析曲线分析结果确定其晶相转变温度后，分别在不同温度下烧结，得到锐钛矿、金红石和混晶结构TiO2纳米晶，分别用于实验③的Cu2+吸附、实验④的甲基橙吸附及实验⑤的光催化降解;最后要求学生在前5个实验的基础上，通过查阅文献，自主设计相关实验内容并完成实验。

在每个大综合实验课前，教师给出实验内容提纲，要求学生上网查阅具体实验方法。在实验过程中，学生自由组合，2人组成1个小组，2～4个小组组成1个大组。大组内的各小组可以设计不同实验方案。在实验结束后，小组间交换结果，共同讨论，以大组为单位总结实验内容，写出科技论文。

化学综合实验课程采取开放式网络教学管理。课程的全部信息(包括讲义、通知、教学安排等)都放在网络上，学生在网上预约实验。实验过程有配套的教学软件，用于帮助学生自主完成实验过程。同时，在实验课程中还安排了一定的自由探索实验学时，以培养学生的自主学习兴趣和科研创新能力。

(3)以开放的实验教学方式培养学生的自主学习能力，激发学生自主学习的乐趣。

在化学实验教学中实现了实验内容和实验教学方式的开放。例如仪器分析化学实验，在掌握经典化学仪器分析方法基础上，开设了8学时的自由设计实验。自由设计实验有别于一般的设计性实验，这里的自由设计实验是指自带样品、自查文献、自拟题目、自设实验方案的实验。很多学生从生活实际样品出发，结合仪器分析原理，设计了合理的实验内容。学生设计的一些实验题目如下:牙膏中微量氟的测定;流动注射-氢化物-原子荧光法测定南湖水中铅的含量;原子吸收法测定蔬菜中铜的含量及评价其污染状况;火焰原子吸收法测定不同品牌绿茶饮料中的钙含量;火焰原子吸收法对苹果中元素钙、镁的测定;火焰原子吸收光谱法测定易拉罐中镁的含量;原子发射光谱分析人类指甲中的金属元素;对比桑树新生叶子与成熟叶子中镁含量的差异;火焰原子吸收法测定豆油中铜的含量;用原子吸收分光光度法测定牛奶中钙的含量;土壤中微量铅和镉的测定;石墨炉原子吸收法测定化妆品中的砷和铅;火焰原子吸收法测定矿泉水中镁的含量;石墨炉原子吸收法测定卫生纸中铅的含量等。

在教学实践过程中，为了保证学生设计的实验具有可行性，指导教师要与每个学生进行具体的讨论，提出一些合理化建议。此外，教师也为学生设计了很多实验题目，供感兴趣的学生参考。这种自由设计实验倡导主动探究的学习方式，鼓励学生为解决实际问题去搜集、分析、处理信息。实践证明:自由设计实验能有效地提高学生学习兴趣和培养学生创新能力。

在化学实验教学管理信息平台支持下，我们的实验课程实现了实验教学方式的开放。同时，结合现代教育技术，使用多媒体课件讲授和演示实验原理和实验方法，在提高教师实验课讲授效率的同时，加强学生对实验知识的掌握。现已开发了工科分析化学实验多媒体课件，化学综合实验教学软件和无机化学课堂演示实验课件。

(4)实施效果。

无机化学实验、分析化学实验、物理化学实验以及化学综合实验课程的改革与建设已经应用到应用化学、冶金工程、环境科学等16个专业学生的实验教学中。经过近年来的教学实践，从事各科化学理论和实验教学的教师一致认为:与改革前相比，学生对理论的理解和应用的了解，对现代实验技术的掌握，以及动手能力和解决实际问题的能力均有较大的提高。同时，在教学实践过程中，学生表现出较高的学习热情。以化学综合实验课程为例，化学综合实验课程的课时要求是选做其中2个大实验(每个大实验24学时)。但据统计，2007～2011级学生在课业繁重的情况下，每年有67% ～80%的学生主动选择超额完成3个大实验，表现出很高的学习积极性。

为了解学生对改革后化学实验的意见，也为了检验改革后的教学效果，我们进行了问卷调查。结果表明，学生对目前开设的各实验课内容表现了较大的兴趣，普遍认为通过以上实验教学，自己的各方面能力得到了很大的提高，对化学实验教学评价较高;这些在学生实验报告的“感想与建议”一栏中也充分地表现出来。

通过实验课程训练，应用化学专业的本科生大都掌握了较为系统、全面的化学专业知识，基本功较扎实，具有较强的动手能力和创新能力，实践能力和科研能力都得到了提高，同时具有严谨认真的科学态度和团队合作精神，综合素质高，受到实习单位和用人单位的欢迎。

［1］杜志强，李宁，封子先，等.大学化学，2006，21(4):15

［2］张霞，刘晓霞，于永丽，等.实验室研究与探索，2008，27(5):117

［3］强根荣，盛卫坚，刘秋平，等.实验室研究与探索，2010，29(11):131

［4］王靖菲，高秀红.科技创新导报，2010(15):170

［5］张霞，李伟，王育红.实验技术与管理，2007，24(2):123