基于拔尖人才创新能力培养的基础化学实验教学改革研究*

韩 杰 邱晓航 程 鹏

（南开大学 化学学院／化学国家级实验教学示范中心，天津 300071）

一、引言

为培养具有国际一流水平的基础学科领域拔尖创新人才，教育部联合中组部、财政部于2009年启动“基础学科拔尖学生培养试验计划”。 该计划的目标任务是“在高水平研究型大学和科研院所的优势基础学科建设一批国家青年英才培养基地，建立拔尖人才重点培养体制机制，吸引最优秀的学生投身基础科学研究，形成拔尖创新人才培养的良好氛围，努力使受计划支持的学生成长为相关基础学科领域的领军人才，并逐步跻身国际一流科学家队伍”［1］，其核心是建立拔尖人才的培养体制机制［2-5］，培养基础学科领域具有国际竞争力的领军人才［6］，创新能力是评价拔尖人才培养成效的最重要的评价指标［7-11］。

南开大学是首批入选的试点高校，目前开设数学、物理、化学、生物、经济学、历史学、哲学及中国语言文学8 个基础学科“拔尖计划”学生（以下简称“拔尖学生”）培养班，这些培养班均以南开大学创始人之一——张伯苓校长的名字命名，如化学拔尖学生培养伯苓班（以下简称“化学伯苓班”）。 化学伯苓班学生由两部分组成：一部分是通过参加全国化学奥赛决赛冬令营签约南开大学化学自主招生（2020 年以后调整为“强基计划”）并被录取的学生；另一部分面向全校新生选拔，学生自愿申请并在新生服务网进行网上报名。 学校和化学学院共同组织选拔考试，考试科目包括英语、化学、数学、物理及生物，各科成绩占不同比例。 根据英语和化学成绩及总分，确定进入复试的学生名单，然后进行专家面试。 根据综合笔试和面试成绩确定入选化学伯苓班的学生。 化学伯苓班实施十年来，我们围绕核心任务从人才培养体制机制和教育教学方面开展了一系列改革与探索。 本文以基础化学实验课程为例，从教学内容与教学模式方面介绍化学伯苓班学生创新能力培养。

二、基础化学实验教学内容改革

南开大学化学学科自1921 年创办以来，一直秉承“允公允能、日新月异”的校训，重视学生理论基础及实践能力的培养。 1991 年，化学专业被批准为首批“国家基础科学人才培养基地”。 多年来基地一直执行着“注重素质，培养能力，强化基础，拓宽专业，严格管理，提高质量”的教育方针，并以此带动了化学学科其他专业的发展，教学成果显著。 在实验教学方面，南开大学化学实验教学中心在“强化基础，注重综合，突出创新，培养能力，提高素质”方针指导下，积极开展教学改革，也取得了突出成果［12-15］。

南开大学化学学院本科各专业实验类课程体系包括基础化学实验、仪器分析实验及综合化学实验。 其中，基础化学实验包括无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验及物理化学实验，是化学各专业本科生的必修课，注重培养学生的基本实验技能并强化基础理论；仪器分析实验主要对学生进行大型仪器原理、用途及操作能力训练；而综合化学实验则强调多个学科交叉，不局限于单一学科，一般需要多次教学时间段完成一个实验。化学伯苓班的学生整体素质高，多数参加了中学生奥林匹克化学竞赛并获得优异成绩，中学期间已进行了一些化学实验训练，如重结晶、蒸馏、植物叶绿素提取与分离等实验，具有较好的实验动手操作能力，这与普通班级的学生差异明显。 在开展化学伯苓班基础化学实验教学时，应当充分了解学生情况，改进教学内容，把培养学生的创新能力作为突出重点才能实现拔尖人才培养目标，取得良好教学效果。 为此，在基础化学实验教学中，我们进行了长期探索，从“改进基本操作实验，培养学习兴趣；强化综合性实验，提高科学素养；开发研究型实验，强化创新意识”3 个方面对基础化学实验内容进行了改革，旨在提高学生的创新能力。

（一）改进基本操作实验，激发创新思维

基本操作实验技能不仅是化学专业学生应该具备的基本素质，也是他们进一步发展成才的基础。 但传统的基本操作实验内容用于化学伯苓班教学，无法调动学生的学习兴趣，有些学生觉得学不到新知识，甚至浪费时间，难以实现创新能力培养。 这是化学伯苓班基础化学实验教学面临的突出难题。 为此，我们对基本操作实验进行了梳理和分析，从以下两方面改进基本操作实验。

1. 自制实验装置，提高实践能力

基础化学实验教学中，一些基本操作实验存在问题或具有局限性，因而导致实验效果不理想，甚至降低了学生的学习兴趣。 例如，液溴等危险试剂的量取是有机化学实验中常见的基本操作实验，实验中通常采用小量筒量取液溴，由于液溴挥发性强且有毒，造成实验室刺激性气味大，影响师生健康。 而且由于液溴颜色深，用量筒量取时看不清刻度，导致量取不准，影响实验结果。 基于以上缺点，我们设计发明了危险试剂发样器。 该装置依据物理学“倒虹吸原理”，并借鉴了索氏提取器的结构特点。 量取液溴时，液溴从上部的恒压滴液漏斗流入中部的危险试剂发样器中，当蓄积到所需量时，“倒虹吸现象”出现，自动排空虹吸管内的液溴，使其流入下部的反应瓶。 整个过程有效避免了液溴的挥发，量取体积准确，且操作简便迅速［16］。

物理化学实验的特点在于涉及大量仪器设备，其中非标准仪器也占有相当大的比例，市场上购买的教学仪器在功能上往往不能完全满足实际教学需求，需要设计自制教学仪器。 例如，用于“分解反应平衡常数的测定”的恒压计较轻，在恒温水槽中容易漂浮，影响测量的准确性。 以往通常用铁架台来固定恒压计，既不方便又容易损坏恒压计。 为此，在教学实践中利用SolidWorks 软件设计并自制了恒压计的稳定装置，显著提高了实验效率［17］。

自制实验装置不仅赋予了传统实验新的内容，而且可以启发拔尖学生创新思维，激发学习兴趣。 在教学实践中，教师进行自制仪器研发的同时，也注重加强对学生设计研发能力的培养，鼓励他们根据基础实验中发现仪器设备存在的问题或局限并提出解决方案。 比如，在茶叶中咖啡因的提取实验中，升华实验装置通常由一个蒸发皿和玻璃漏斗组成，使用时将待升华的样品放在蒸发皿中，盖上带有小孔的滤纸，再盖上玻璃漏斗，用电热套或酒精灯加热。 该装置在使用中存在明显的缺点：（1）开放体系使产品及溶剂挥发到实验室，造成环境污染。 （2）加热温度不宜控制从而造成滤纸烧糊现象等。 为此，学生提出了改进的升华装置设计方案，并在老师的支持下联系专业的玻璃工技术人员制备了新的升华装置，新装置冷凝系统且可以抽真空，有效解决了传统升华装置的缺点。 化学伯苓班学生通过参与设计自制玻璃仪器，真正提升了实践和创新能力。

2. 理论联系实际，培养学习兴趣

随着化学学科的日益发展，一些延续多年的化学实验内容单调且脱离实际应用，难以引起学生的兴趣。 例如，在分析化学实验教学中常常有学生对滴定分析实验是否有实际用途充满疑惑，实验积极性不高。 为提高学生的学习兴趣，我们理论联系实际，拓展实验内容，在教学中改变教师发样的传统做法，改由学生自行选择待测样品，并根据不同的样品修订实验方案。 鼓励学生从日常生活中选取样品进行分析，如教学楼饮水机中水样硬度测定、食用醋总酸度测定、钙片中含钙量测定及河水中化学需氧量（COD）测定等。 实验完成后，学生根据不同样品的测定结果展开分析与讨论，极大地激发了学习兴趣，创新思维显著提升［18］。

（二）增加综合性实验，提高科学素养

同单科验证性实验内容相比，综合性实验通常包括化合物的合成、分离、结构与性质表征，涉及多个单元操作及大型仪器的使用，实验获得的数据也更丰富。 此外，综合性实验还要求学生通过文献查阅了解所开展实验项目的研究进展情况及分析讨论实验结果等环节。 在基础化学实验课程中，每个综合性实验一般需要2 次教学时间段（8 学时）完成。 化学伯苓班学生具有突出的学习能力和扎实的专业知识，且实行小班教学模式，更适于开展综合性实验。 近年来，在化学伯苓班基础化学实验教学中，逐步减少了单科验证性试验，提高了综合性实验内容的比例。 例如，在无机化学实验中，开展了“TiO2纳米粉体的掺杂改性及光催化性能研究”［19］，实验要求学生进行文献查阅，自主选择掺杂元素和含量，设计实验方案。 然后在教师指导下制备不同金属及非金属掺杂的TiO2纳米粉体，采用扫描电镜、透射电镜、X 射线衍射、紫外漫反射等手段表征合成的材料，并以甲基橙溶液模拟有机废水，考查催化剂的光催化降解活性，筛选催化剂最优条件，研究其在模拟日光下的光解水性能。 “薄荷酮的制备及比旋光度测试”是化学伯苓班有机化学实验开设的另一个综合性实验。 同样要求学生查阅文献了解薄荷酮的制备方法、结构特点和主要用途，结合绿色化学理念，明确选择次氯酸钠作为氧化剂的原因。 实验过程要求学生熟练掌握薄荷酮的合成、分液萃取、干燥、过滤、旋转蒸发除去低沸点溶剂及减压蒸馏提纯产物等多个单元操作，采用气相色谱和红外光谱表征产品组分含量和结构特点，并通过旋光仪测试产品的比旋光度。 实验结束后要求学生对实验结果进行分析讨论。 实践表明综合性实验对同学而言相当于进行了一次微型科研训练，能够显著提高学生的科学素养。 针对化学伯苓班学生，今后将进一步采用综合性实验替代传统的系列基础实验，将基础实验融入综合性实验，同时增加开放性实验内容，不断满足高水平人才培养的需要。

（三）开设研究型实验，强化创新意识

化学伯苓班学生应该了解化学学科发展前沿，关注学科新知识和新技术，拓展学术视野。 相应地，基础化学实验内容也应该关注学科前沿成果，与时俱进，不断更新。 为此，实验中心将南开大学化学学科取得的研究成果转化为实验教学内容，出版了《创新化学实验》［20］教材，开发了1，4-二甲氧基柱［5］芳烃的合成［21］、金属—有机框架MOF-5 的制备与表征［22］等研究型实验。 新实验内容主要来源于三方面：（1）将任课教师取得的科研成果转化为实验教学内容，科研反哺教学，以科研促进教学。 （2）近年来，任课教师承担了多项教育部基础学科拔尖学生培养试验计划研究课题和南开大学本科教学质量提升工程项目等教改项目，为开发新实验项目提供了支持。 （3）为提高学生对化学实验的学习兴趣，激发创新意识，南开大学化学实验教学示范中心每年面向本科生举办化学竞赛，内容涉及创新化学实验设计和教材实验内容改进等方面，一些优秀项目经优化后可用于基础化学实验内容。 研究型实验有利于培养学生严谨求实的科学态度和善于思考的创新精神，这与基础学科拔尖学生培养计划的目标一致。

自制实验教学仪器本身就是一种创新过程，依据基础化学实验教学中存在的问题，巧妙设计小型仪器并用于教学实践，实际上也是对学生创新能力的培养，能够在潜移默化中提高学生发现问题、解决问题的能力，从而提高创新意识。 而研究性教学则贯穿于综合性实验和研究型实验过程，注重于拔尖学生创新意识的培养，并通过实践提高创新能力。

三、基础化学实验教学模式改革

基础化学实验教学模式通常是教师按照实验目的、实验原理、实验内容及注意事项等顺序进行讲解，然后学生依据实验步骤进行操作，完成实验报告等过程。 其特点表现为每个学生的实验内容完全一样，实验结果类似。 这种传统的实验教学模式虽然在培养学生基本实验技能和掌握基础理论知识方面具有重要作用，但实验过程缺乏探究性，不利于学生创新思维能力培养［23-26］，尤其在培养基础学科拔尖人才方面具有明显的局限性。而研究性教学模式则有利于提升拔尖学生的学习能力，有助于培养学习自觉性、主动性和创新意识［27］。 为此，我们广泛调研了化学伯苓班学生对于基础化学实验课的期望，在此基础上对课程教学模式进行了改革，开展了新型实验教学模式的研究与实践。

（一）“讲一练二考三”教学模式

2015 年南开大学提出了“讲一练二考三”本科教学创新理念，旨在推动从侧重“传授知识”转变为重在“提升素质”，从“以教为主”向“以学为主、教学相长”转变，培养学生的创新思维，提高创新实践能力，强化素质教育［28］。 这种新型教学理念与“基础学科拔尖学生培养试验计划”培养创新型领军人才的目标一致。 我们以苯甲酸的微波法制备为例，将该理念运用于化学伯苓班有机化学实验教学实践，改革了基础化学实验的传统讲课模式、教学内容及考核方式［29］。 首先，在讲课环节，注重对基础化学实验内容进行梳理，重点讲授实验中涉及的新知识即微波反应原理和微波化学器的操作，而以前学习过的知识点如重结晶操作则少讲或不讲，讲授时间控制在20 分钟以内，把更多时间留给学生实际操作，实现“讲一”效果。 其次，实验过程要求每个学生完成两个不同反应时间的实验，比较反应时间对结果的影响，增加学生实验操作机会，达到“练二”目的。 此外，通过增加课前文献查阅与课后讨论教学环节，充分调动了学生的积极性和能动性，引导学生了解微波法在有机合成中的优点和重要研究进展，思考微波反应机理，拓展知识面。 最后，进行考核，从而实现“考三”目标。 “讲一练二考三”教学模式已成功入选教育部高等学校实验教学指导委员会组编《高等学校实验教学典型案例汇编》［30］，具有良好推广价值。

（二）“探究式”教学模式

为促进学生学习科研方法，我们将“探究式”教学模式运用于苯甲酸乙酯的制备实验，通过学生实验考查加热方式（微波或电热套加热）、反应溶剂（环己烷或甲苯）及反应时间对结果的影响。全班同学虽然都是进行苯甲酸乙酯的制备实验，但每个学生的实验条件不同，且上课时采用抽签方式确定具体实验条件，具有很强的探索性。 实验中每人独立完成实验内容，获得各自实验结果，完成实验报告。 任课教师将全班同学实验数据进行总结，并反馈给同学，启发学生对实验数据进行思考，获得结论。 这种上课模式相当于所有同学共同参与基于合成方法学研究的课题，与实际科研高度吻合。 值得指出的是，全班同学还将实验结果进行分析整理发表在《大学化学》［31］上。 从学生的反馈意见可知，同学们非常欢迎“探究式”教学模式，认为这种教学方式有利于提高科学素养和创新思维能力。

“讲一练二考三”教学模式的核心是给予拔尖学生更多自主时间和发挥空间，鼓励学生拓展实验内容，主动查阅文献，积极设计实验并对实验结果进行充分讨论分析。 而“探究式”教学模式则是科研方法在教学中的具体运用，注重学生的阅读文献能力、科学问题提炼能力、研究方案设计及优化能力等科学素养培养。 教学实践表明，这两种教学模式有利于提升拔尖学生的创新能力。

四、基础化学实验教学改革成效

“基础学科拔尖学生培养试验计划”开展以来，我们对基础化学实验的教学内容与教学模式进行了系统研究和改革，并将研究成果用于教学实践，取得了显著教学效果。 2019 年11 月，由化学伯苓班学生参与完成的创新实验“联二炔囊泡的光致聚合、热致变色及其应用”在首届全国大学生化学实验创新设计竞赛获得特等奖，同学们在实验设计与实施、课题展示及答辩等环节充分体现了扎实的基础化学知识、良好的实验技能和突出的创新意识。 该项目也贯彻了科研反哺教学的育人理念，实现了前沿科研成果到本科生实验教学的转化［32］。 2015 年以来，化学伯苓班学生参与的团队还先后获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖两项，三等奖两项，展现了突出的实验技能和创新意识。 此外，化学伯苓班学生在国际一流大学课题组科研实习中表现突出。 2017 年，2014 级化学伯苓班王焜昱和常雪莹同学入选了美国加州大学伯克利分校Laboratory Research Experience Program，并在该项目海报展示中分别被评选为第一名和第三名，他们的突出表现引起加州大学伯克利分校的关注，学校官方网站刊登了常雪莹参加科研实习项目的体会。2018 年，2015 级化学伯苓班汤天化同学入选同样项目，并在海报展示评比中获得第一名。 此外，化学伯苓班学生的动手操作能力、创新意识及学术视野逐渐得到国际一流大学认可，毕业生读研率达到100%，其中大部分学生进入麻省理工学院、哈佛大学、牛津大学等世界排名前20 大学攻读博士学位。 化学伯苓班学生取得的突出成绩体现了基础化学实验内容与教学模式改革的成效。

2020 年教育部已开启“基础学科拔尖学生培养计划2.0”，我们将系统总结化学拔尖学生培养计划中取得的经验和不足之处，深入研究拔尖学生的特点和成长规律，关注化学学科前沿发展趋势，进一步优化基础化学实验课程教学内容，改进教学模式，全面提高我国化学专业本科教育教学质量。