构建开放性无机化学实验教学体系

白广梅，訾学红，任海荣，赵靖强

(北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 朝阳区 100124，China)

实验教学是一种有计划、有组织的实践活动，在这个实践活动中，学生的实验技能、实验习惯以及思维能力等应得到有效培养。传统的实验教学由于教学手段单一、实验内容没有及时更新以及教学过程比较固定而相对封闭，其结果是不能很好地激发学生的学习兴趣，从而制约了学生学习的主动性和创新欲望。显然，这种传统的、封闭的教学模式已与创新人才的培养脱节，亟待改革。目前，许多高校都意识到了这一点，并已采取行动，尝试实行开放性实验教学，努力为学生提供一种开放化、多元化的学习环境，使学生的学习由被动转为主动[1]。实践证明，实施开放性实验教学，激发了学生的学习热情，学生的自主创新能力以及综合素质得到了很好的培养[2－6]。毋庸置疑，实施开放性实验教学是培养高素质创新人才的必然选择。开放性实验教学体系是实施开放性实验教学的前提与基础。结合多年的实验教学经验，本文就如何构建基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系进行了探讨。

1 构建开放性无机化学实验教学体系的必要性

开放性实验教学的宗旨是培养学生的创新精神和实践能力，训练学生学习的主体意识和问题意识，激发学生的创新思维，因而是实验教学模式的创新，也是高校实现人才培养目标的有效途径[7]。鉴于此，开放性实验教学应贯穿于各门实验课程的教学中。无机化学实验是化学及其相关专业学生进入大学校门后首先要系统学习的一门基础化学实验课程，在这个阶段实施开放性实验教学显得尤为重要。当然，要实施开放性实验教学，需先构建完善的开放性实验教学体系，否则开放性实验教学就会变成无源之水、无本之木。

2 基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系的构建

实验教学体系涉及诸多方面，如实验教学内容、教学手段、教学过程等，因此，构建开放性无机化学实验教学体系需从这些方面着手进行。通过调研，并结合多年的实际教学经验，我们提出了如图1所示的基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系。

图1 基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系

2.1 优化实验项目

无机化学实验教学内容大体包括化学原理与常数测定、无机物的制备与提纯、元素及化合物的性质与鉴定三部分。这些教学内容相对固定，但构建开放性实验教学体系时，开设的实验项目需具有一定的 “开放性”，换句话说，就是实验项目包含的内容及实验项目本身均需不断更新、优化。实际中，可采取问卷形式或定期召开实验教学效果评估会，组织学生、教师及相关专家对实验项目的实验效果进行评估，并根据评估结果优化实验项目，或是改进实验项目的内容，或是进行实验项目的优胜劣汰，以确保所开设实验项目教学效果的实效性。比如摩尔盐的制备、三草酸合铁酸钾的制备这两个实验，以前是两个独立的无机制备实验。教学效果评估显示，由于两个实验涉及的基本操作部分类似，学生对第二个实验的兴趣有所减弱，于是优化实验项目，把两个实验设计为串联实验，将第一个实验的产物作为第二个实验的原料，并在第二个实验中设计了产物的光敏性质实验。这样，学生的实验自主性提高，实验效果自然得到提高。

也可结合化学实验竞赛成果，如隔年一届的北京市大学生化学实验竞赛形式均为化学新实验设计，这些新实验是一笔很有价值的实验教学改革资源，可以用来更新、充实实验教学内容。由于是学生自己设计的实验，拓展为学生的基础实验项目就更具有亲和力，更容易激起学生的兴趣，更容易被学生接纳。学生对实验项目感兴趣后，学习过程就会变得积极主动。

还可关注先进技术或科研，将先进技术或科研成果引入实验项目，以确保所开设实验项目的先进性。譬如，“化学反应速率常数的测定”实验教学内容一般通过实验项目 “过二硫酸铵与碘化钾反应速率常数的测定”或 “过氧化氢的分解反应速率常数的测定”体现出来，由于实验内容或实验项目没有紧跟科技前沿，缺乏时代感，不能激起学生的实验兴趣，实验教学效果不佳。如果引入先进技术，将实验项目改为 “Fenton试剂降解罗丹明B反应速率常数的测定”，实验教学效果会大为改观[8]。实践证明，将 Fenton法这一前沿的高级氧化技术引入实验教学，不但达到了实验目的——学生了解并学会了化学反应速率常数的测定方法，而且拓宽了学生的视野，使学生对有机污染物处理的最新研究方法与手段有了一定程度的了解。

值得一提的是，以往提到优化实验项目，很多人就提出删减甚至剔除元素及化合物的性质与鉴定这类实验项目。事实上，元素及化合物的性质是无机化学理论教学中不可或缺的一大模块，由于这部分知识内容很多，单凭理论课程的学习，学生很难掌握，因此，为了帮助学生较为系统地掌握元素及其化合物的重要性质，很多高校在无机化学实验课程中仍然安排了此类实验。当然，这类实验项目原有的内容安排确实不能满足创新人才培养的要求。构建开放性实验教学体系，必须优化这部分实验项目的内容。如在 Fe、Co、Ni性质实验中，在单项性质实验内容之后，安排设计性实验内容，如分离鉴定混合液中的 Fe3＋、Co2＋和Ni2＋。完成这个设计性实验时，学生需要综合运用刚刚完成的单项性质实验，不但要考虑到利用各个离子的特征反应，还要考虑到离子之间的干扰，以及如何排除。再如，在Cu、Zn族元素性质实验的最后，给出5瓶无标签的溶液[AgNO3、Zn(NO3)2、 Cd(NO3)2、 Hg(NO3)2、和Hg2(NO3)2]，要求学生通过实验对它们进行鉴别。这种即学即用的实验内容安排，一方面，降低了方案设计的难度，学生不至于茫然，手足无措，不知从何下手；另一方面，由于可以设计不同的实验方案来完成，给学生提供了创新思维的空间，同时也给学生提供了一次体验自主设计实验方案的乐趣，以及取得成功后的喜悦。

2.2 改变实验内容的呈现形式

长期以来，除设计型、研究型实验项目外，呈现在学生面前的化学实验项目内容均是完整详细的，每个实验项目不但列出实验目的、原理、仪器及药品，而且给出翔实的实验步骤，没有给学生留出思维空间，无机化学实验项目也不例外。学生做实验常常可以 “照方抓药”。显然，实验项目内容的这种呈现形式不利于学生勤于思考—善于思考—创新思维的培养。构建基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系，需改变实验项目内容的呈现形式。

考虑到刚入学学生在高中阶段积累的实验知识和技能不足，加上目前各高校的无机化学实验课程大多是独立设课，尽管实验课老师设法将其教学内容滞后于相关理论课，但有时也会事与愿违，学生做某些实验时，还没有学过相关的理论知识。因此，实验项目内容的呈现形式不可能一下子都改成类似设计型、研究型实验项目的呈现形式，只给出实验任务及实验药品，但可以循序渐进地向这方面发展。开始的实验项目其内容以较完整详细的形式呈现，之后的实验项目其内容尤其实验步骤逐渐简化，以实验要点的形式给出，给学生留出可发挥空间，如 “利用所给药品试验KMnO4在不同酸碱条件下的氧化性” “利用 HAc溶液、NH4Ac固体以及甲基橙指示剂验证同离子效应”。这样的实验内容呈现形式使学生 “无药方可看”，做实验时，学生需要思考怎样完成实验，包括药品的选择、加入顺序、加入量等。这样，实验过程不再那么简单，也不再那么一帆风顺，实验有时会因药品的加入顺序或加入量不合适而失败，但学生在这样的实验过程中获得的会更多，包括思维能力、创新能力、抗挫败能力等的训练。

2.3 实验教学形式多样化

传统的实验教学形式比较单一，一般都是课堂上指导教师采取提问或讲授的方式使学生对实验原理、实验内容及其中需要注意的问题有所了解，然后学生开始做实验，老师随堂指导。显然，这种单一的教学形式没有给学生创造出一个开放、主动、多元的学习环境，不满足开放性实验教学，需改变。当然，前提条件是更新并树立利于实施开放性实验教学的教学理念。化学家卢嘉锡认为:“在化学事业中有所建树的人，在实验中必须具备C3H3素质”(clean habit整洁的习惯、clever hands灵巧的双手、clear head清晰的头脑)。整洁的习惯指的是实验时要有计划、有条有理；灵巧的双手指的是敢动手—爱动手—会动手；清醒的头脑指的是能明辨是非，独立思考，有创新精神。同时考虑到无机化学实验是大学化学的第一门基础实验课程，俗话说: “万丈高楼平地起”，基础打好了，下面的课程学习就容易了。因此，在基础实验课的教学过程中努力培养学生的C3H3素质非常重要，这样可逐步形成如图2所示的无机化学实验教学理念，即在实验教学中，夯实基础，培养学生的实验基本操作、基本技能，与此同时，启发学生的学习兴趣，引导学生勤于思考和善于思考，并在此基础上有所创新。

图2 无机化学实验教学理念

在这样的教学理念的支配下，本文认为需构建基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系，形成如图3所示的多种教学形式，包括课堂内外相结合、传统与现代相结合、虚实相结合的教学形式。

图3 基于自主学习的开放性无机化学实验教学形式

1)课堂内外相结合。

课堂内，学生为主体，教师为主导，教师引导学生以探索者的身份，认真实验、仔细观察、如实记录、积极思考，适时鼓励学生有自己的“小发现”。课堂外，充分利用校园网，发布实验相关资料，如实验课件、录像片、实验预习自我检测题、实验拓展内容等供学生课外使用。另外，根据腾讯公司公布的2016年业绩报告，微信注册用户数量已经突破9.27亿，其中60% 的微信用户是15～29岁的年轻人，在这样一个庞大的群体中，高校学生占了绝大多数，因此，可利用微信公众平台，建立自己的微信公众号，突破时空限制，实现与学生的全方位(文字、图片、语音等)沟通互动。一方面辅助学生做好课前预习，提升课堂效率及教学效果；另一方面弥补实验学时的不足，拓宽学生的知识面。比如，溶度积常数的测定方法有多种，包括滴定法、离子交换法、电导法、电位法、分光光度法等；再比如，HAc电离常数的测定，除pH外，还有电导法、滴定曲线法、半中和法等，由于实验学时数有限，课堂内只能给学生提供其中一种测定方法的实验机会，其他的可挂在校园网上或者上传到微信公众平台供学生课外学习使用。若实验室条件允许，也可提供场地、仪器及药品让学有余力且感兴趣的学生自主完成其他测定方法的学习。

2)传统与现代相结合。

一方面，继承传统的一些实验教学手段，在学生动手做实验之前，通过提问、讲解及演示等形式让学生对实验原理、实验内容及实验注意事项等做到心中有数；另一方面，借助现代教育技术手段制作实验课件、教学录像片、动画来辅助课堂实验教学。实践证明，将现代教学手段与传统教学手段有机地结合起来，可显著提高实验教学效果[9]。

值得一提的是，实验教学中使用实验教学录像片、实验动画时需牢记一点，就是不要夸大它们的作用，如果有以之取代传统实验教学的做法甚至想法都是不可取的。在实验教学中，纸上谈兵总归是行不通的，学生的实验技能只有通过自己实际的操作练习，甚至是多次的重复练习，才能得到培养和提高。实验教学录像片乃至实验动画只能在视觉上冲击学生，帮助学生更快更好地掌握实验操作，提高实验技能。另外，使用实验教学录像片、实验动画时，要设计好教学过程，找到二者的结合点，教学效果才会理想。如在pH法测定HAc电离常数实验中学习使用移液管时，先让学生观看相关的实验教学片，关键地方慢放、定格、示范，并辅以适当的讲解；再邀请一位同学演试，随后让其他同学点评；最后老师进行总结。或者反过来，同学先操作、点评，老师再放录像片。通过这样的实验教学，学生能很快掌握移液管的操作要领，大拇指堵管口等错误操作不再出现。在此基础上，随后的磺基水杨酸合铁配合物的组成及稳定常数的测定实验，同学们进行得很顺利，在实验中用移液管准确移取液体35次。

3)虚实相结合。

一方面，尽力为学生创设开放的实验环境，让他们自主完成实验，并在实际动手操作中得到实验基本技能、创新思维等方面的训练；另一方面，结合当代大学生的特点及其成长环境，开发虚拟实验室，通过虚拟实验与实际动手操作相结合提升实验教学效果。实践证明，实验教学中引入虚拟、仿真模拟实验等手段，改进了实验教学模式，提高了实验教学质量[10－11]。同样需要注意的是，虚拟实验在实验教学中的作用仍然是辅助性的，不可扩大它的作用，更不能以之取代实际动手操作。

2.4 实验教学过程开放化

无机化学实验属于基础化学实验，过去一般都采取以自然班级为单位，在固定的时间进行固定内容的实验教学，这种实验教学过程相对比较封闭。构建基于自主学习的开放性无机化学实验教学体系，实验教学过程需开放化，可采取预约开放模式、课余开放模式和全方位开放模式的一种或几种[12]。

1)预约开放模式。

开发实验室信息管理系统，在系统里公布实验项目安排，包括实验项目名称及每个实验项目开出的时间。学生通过登录该系统，查看实验基本信息，阅读实验要求等相关信息，并根据实时信息自主选择实验项目、实验时间，完成实验预约，并在预约时间内到实验室完成相关实验。

2)课余开放模式。

一般地，实验室并不是全天候都有实验安排，所以可以根据实际情况，如师资配置等，将实验室的空闲时间充分利用起来，对学生开放。一方面提高了实验室的利用率；另一方面，给学生提供了一个开放的学习空间，学生可以利用课余且在实验室开放的时间内，进入实验室进行自主实验，或是继续做之前尚未完成的实验内容，或是进行实验内容的再学习，或是根据自己的兴趣选做额外的实验。

3)全方位开放模式。

与前两者相比，这种模式的教学过程开放程度更大，不但开放实验时间、实验项目，而且开放实验仪器设备。学生随时可以进入实验室利用实验药品、仪器设备进行自主实验，或是进行基本操作的反复练习，或是重做实验结果不理想的实验，或是进行实验探索。显然，全方位开放模式更有利于培优补差，是最理想的开放模式。

毋庸置疑，学生在开放的实验教学过程中具有更大的灵活性和自主性，但是实验过程的开放化、自主化往往会使得教学过程的组织管理成为一个比较棘手的问题。另外，各校的实验教学条件、师资力量、学生素质等方面也存在较大差异。因此，实验教学中可根据实际情况采取具有自己特色、可操作性强的实验教学过程开放模式。

3 构建开放性无机化学实验教学体系的实践

近年来，学院在构建开放性无机化学实验教学体系方面进行了积极的探索与实践。制作实验教学录像片、实验动画及实验课件并将其应用于实际教学是实验教学工作之重。

3.1 实验课件的制作及应用

课件在理论课堂上的应用早已是普遍现象。实际上，实验课也是课堂，是实践课堂，课件的引入定会使实验课堂收到意想不到的效果，基于这样的想法，学院着手进行无机化学实验课件的设计、制作与实践。通过调研与多次的讨论，将实验课件设计成6个模块，包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理、注意事项和思考题，并在实验原理模块中嵌入动画，通过生动形象的动画来辅助实验原理的阐述，在实验步骤模块中采用直观的流程图来展示实验步骤。至目前为止，制作的无机化学实验课件已覆盖开设的所有实验项目，并且已引入实际教学。课前，学生利用课件进行预习，由于课件图文并茂，学生喜闻乐见，预习效果明显提升；课堂上，教师结合课件进行讲解，教学效果显著提高；课后，学生利用课件进行复习，进一步加深了对实验相关知识的理解、掌握。

3.2 实验教学录像片的制作及应用

实验教学录像片早已在实验教学中得到应用，但是量身定制的很少，为了配合实验教学，学院结合教学经验，设计并撰写制作稿，然后与专业人员沟通，并配合他们进行拍摄及后期的剪辑制作，自制实验教学录像片，并引入实验教学活动，进行实验教学新模式的探索。课堂内，老师借助这些录像片进行实验教学，丰富实验教学形式的同时，也提升了教学效果；课堂外，学生借助它们进行课前预习及课后复习。有同学这样说:“看完实验教学录像片，感觉好神奇，真有一种跃跃欲试的冲动。”还有同学这样说: “看完实验教学录像片，就像自己又做了一遍实验，实验课的相关内容很快都回忆起来了。”

3.3 实验动画的制作及应用

多年的实际教学发现，学生对抽象的实验原理总是理解得不够透彻。比如盐效应实验中，总有同学解释不清 “Pb(Ac)2溶液中加入 KI溶液，会有黄色沉淀生成，再加入NaNO3固体，沉淀会消失”这个实验现象，其实这就是盐效应的具体体现，于是学院针对性地进行设计、撰稿并配合专业人员制作了3D动画，将其引入实验教学，学生看完动画后，恍然大悟。

4 结束语

开放性实验教学的实施涉及实验教学体系的改变、教学理念的转变、评价体系及管理体制的变革与建设等方方面面，其中实验教学体系的改变最为重要。这些年来，通过老师们不断的努力，开放性的实验教学体系已逐渐形成，尽管这样，仍需进一步的探索与完善。作为一线的实验教师，有责任积极主动地实施开放性实验教学，构建并完善开放性实验教学体系。

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