大学基础化学实验教学中学生科研素养的培养

宰建陶， 陈虹锦

(上海交通大学 化学化工学院，上海 200240)

0 引 言

化学是实践型的学科。基础化学实验的学习、实践和积累对培养学生的动手能力、科学的研究方法、科学的研究态度有很好的汇聚、铺垫作用[1-3]。一旦养成的良好的实验技能、科研态度、方法和思维模式，学生在今后的进一步深造学习、科学研究中会形成一种厚积薄发的态势[4-6]。整个学习过程是一种科学方法论的体验，有时，它有着比理论教学更好的人才培养效果[7-10]。

2013～2016年，对致远学院化学班基础化学实验的第一门课程“无机与分析化学实验”[11]的教学方法、模式进行了改革。针对他们较为扎实的化学基础和良好学风，进行了高起点、高要求、高投入的改革，取得了一定的效果。

本次改革的重点放在改变过去基础化学实验教学的一般思路及做法[12-13]，重点在以下几方面作了改革。

1 实验教学以学生为主体进行

教学实验的作用主要是验证理论知识，培养学生的探究、思索能力。但以往的教学过程中往往学生的主动性发挥不够，学生照着实验方案进行操作，验证理论知识。但是整个实验的设计以及方法的原理缺乏认识，对能力的培养和整体的思路的建立不够，比较被动。为改变这种被动学习的习俗，设计了以下几个环节，旨在提高学生在整个教学过程中的主动性。

1.1 由学生分组准备实验原理和方法的讨论及操作、注意事项的讲解

充分发挥团队精神，调动每一个同学的积极性和关注力。同学在自己设计的实验方案基础上，经过全班同学的讨论和修改，抛弃实验教材进行实验。有的元素性质实验，就在实验结束后讨论，对讨论中存在的疑惑，再去做实验尝试或验证。

每一次的讨论都很认真、热烈。同学的收获颇多，即加深了对实验原理的理解，又对实验过程设计的方法原理有所掌握，重要的是，在过程中还加强了团队的协作精神。如邻二氮菲测铁实验是一个简单的但又较完整的包括实验条件的确定和标准曲线的绘制以及实际样品的含量测定的教学实验。该实验系统完整、思维容量大，对学生的能力要求高。为此，在2016级同学的实验教学中，为了有效的教学效果并尽可能的资源共享，将学生分成几个小组，增加用正交实验方法选择实验条件和测定实际样品——自制草酸亚铁含量的测定环节。学生们在组长的带领下，根据要求，多次讨论，设计方案(见图1)，经过老师的指导后再讨论修正。在实验的过程中，遇到了预想不到的问题再集体讨论，另外设计修正方案进行，大家忙得不亦乐乎，加班加点也兴致不减。

1.2 循序渐进地引入实验环节和方案设计

表1所示是无机与分析化学实验中设计性环节在总学时中所占比例的对比。从表中数据可见，在该实验教学中始终贯穿学生自己的设计环节；设计性环节的覆盖和要求循序渐进地提高。这一措施的实施，对提高学生的学习积极性和主动性很有帮助，同时也提高了学生自主学习，分析问题、提出问题、解决问题的能力。

图1 学生们讨论实验方法分析实验现象

学时

设计性环节的实施有3种情况。①先设计实验的某些环节，如合成实验样品的含量测定和组分分析；②整个实验命题设计，如混酸(强酸+弱酸)的各组分含量测定；③学生自己命题，自主设计实验。

通过这些设计性环节的设计并实践，学生收获颇丰：

(1) 体验了化学学科理论与实践的关系。他们从中体会到，化学理论课程的原理，并不是那么容易验证的，实验环节的设计很重要(如三氯化六氨合钴中氯含量的测定，在所有可查的实验书籍中都是用摩尔法沉淀滴定来测定Cl-的含量。但是在实际操作中，一个是溶液的pH的控制，另一个是终点的判断根本无法进行。为此，就让同学自己设计实验环节来解决这个问题，在老师的指导下他们都顺利完成了该环节的内容。通过这一次的实践，同学的感悟是要完成理论上可行的，貌似简单的实验过程有时是行不通的，就像要重复前人的科研成果也并非易事一样。这样的训练，可以培养学生在实验预习中会注重方法的原理和自己提出问题。

(2) 实验设计出于理论原理又高于理论。在此设计乃至实验进行的过程中，感悟实验设计方案的科学性。如在理论课程分析化学[14]的学习中有配位滴定方案的设计：①Ca2+、EDTA混合溶液中，二者含量的分别测定和②含Fe3+溶液中Bi3+含量的测定。实验方案设计后学生到实验室准备，结果发现仅仅含Bi3+溶液的配制就远没有想象的容易，反反复复数次才在实验室老师的指导下完成。如此，既体验到理论与实际的关系，又获得了元素性质的感性认识。

(3) 体验了科学研究的全过程。以往的教学实验都是课本上的实验，只要认真预习即可完成。而自主设计实验要求学生从设计到准备实验所需的试剂，到进行实验都自己完成。往往是在此过程遇到的问题远远超出设计稿完成时的预见。经常会做到一半再去查资料再研究再回实验室做，花费了很多时间和精力，但也比一般的按照课本做实验收获多得多，对他们的科研素养的培养和分析、解决问题的能力有很好的提升。也增加了对科研的兴趣。

2 注重实验教学过程

实验课程是一种特殊的区别于理论课程的教学实践。过去的实验教学往往只注重结果、不太注意过程，不注意过程中的方法论[15-16]。而本教学改革针对此问题在以下几个方面进行了尝试。

(1) 对实验结果做到心中有数。让学生有目的的学习与实践，可以有把握地检验和分析自己的实验结果，做到胸有成竹。这对于学生的要求高于普通班学生。不仅是在基础理论、自学能力方面，还要求对实验设计中蕴含的方法了解和理解。经过这种训练对提高学生的科研能力很有帮助。

(2) 对实验结果正确评价。分析、评价的目的不在于结果的正负和产率的高低，而是科学地评价及分析原因。为此，让学生多方采集实验数据，全班甚至全年级同学的数据共享，让学生就实验结果进行数据处理和分析讨论并撰写小论文。同时，还鼓励同学用科学的观点分析、看待实验数据结果，如正交法引进实验设计，如何合理的舍弃实验数据等。

如钱天悦同学在混酸设计性实验报告中针对指示剂的影响部分写到：

本实验中滴定盐酸一步采用了不同的指示剂，而测定氯化铵和NaOH时都采用了酚酞，因而只讨论指示剂对盐酸测定的影响，实验结果见表2。

从表2可以看出，两种指示剂所测结果基本相同，故可认为甲基红和溴甲酚绿都可作为指示剂，且对测试结果没有明显的影响。但是根据实验中的观察，溴甲酚绿的变色点比甲基红更敏锐，更易于观察，故推荐使用溴甲酚绿。

表2 不同指示剂对盐酸浓度测定的比较

经过如此分析比较，得到了来自于实践的感悟和体验。

再如，谢哲远同学将收集的139组数据进行了详细的误差分析(见图2)，指出溴甲酚绿作为指示剂时，得到的偏差要小于甲基红，也证实了上述结论。

图2 139组混合酸测定数据偏差值制成散点图

(3) 善于边研究边类比学习。如2013级的钱忆雯同学，自己设计的实验是食品(面条和饼干)中铝含量的测定。在做试验前老师就给了她两篇文献作参考，她通过查阅和参考文献完成了设计，可是进入实验环节后，发现没有分光光度法测铝试样量的问题。为此，她再查阅文献，重新修改方案，经过多次实践，很好地完成了实验，自己也得到了很好的锻炼和提高。

(4) 正确看待实验结果。强调实验过程中自己的收获和素养的培养，而不过分注重结果。在自主设计实验中有一个命题是黄铜(合金)中铜含量测定。这是一个非常复杂且操作困难的课题，2013级的黄般若和陆铁骑同学花了很长的时间也没有做出准确结果。但是，因为他们经过反复实验，周密分析找到了原因，所以该项实验的成绩仍然是优等。这样的做法，可以鼓励学生知难迎难而上，攻克难关。在学长的推荐下，2014级的余坷、王焱同学仍然选择了这个课题，从另外的角度进行设计实验。

3 充分发挥教师的指导及启迪作用

教学改革，教师的投入是关键。在这个基础化学实验教学改革的过程中，教师起着循循善诱的作用：是放手而不是脱手，指导而不是教导。具体的做法是：

(1) 每个实验都坚持带领助教提前做预备实验，经过预备实验，给出多个实验前的思考题和实验预案，便于学生预习准备、讨论和在过程中给予指导。

(2) 对学生递交的设计方案进行反复点评、修改和指导，有时是针对性的逐个个别指导。

(3) 实验前个别指导领衔小组的总结讨论、拓展方案(每一个实验由一个小组领衔讨论)。

(4) 注重学生团队精神和求实创新精神的培养。有目的地挑选几个复杂、繁复的实验有指导性地让学生组建团队，审查团队设计方案，注重和考核每一个队员在方案中的担当。

(5) 做学生实验的“后勤保障”。及时与实验室人员沟通、协调，做好学生需要提供的实验器材和试剂的供给保证；实验数据的采集、分享，为学生分析、总结，撰写实验报告或论文提供素材。

经过本实验课程的各种训练，同学们得到了比较好的锻炼，也收获了一定的课外科研成绩(见表3)。

表3 致远化学班同学科研情况

总体来说，致远班的学生对科学研究的兴趣较浓，进入课题组以后以较好的实验技能和素养得到了教师的好评。如陈鹏宇在实验课程感想中写道：“第2学期的实验相比起第1学期，虽然实验的次数少了，但明显地感觉到难度增大了，自主思考与设计的空间也更大了。这是个不小的挑战，但同时也让实验变得有趣一些，有了更多的发挥空间与锻炼机会，而不再是照着书本机械地复制”“……奇怪现象的出现，或者奇怪化合物的生成，都激发了大家的好奇心与探索欲，让大家主动通过学习与讨论寻求答案……要将学习与研究当作是探索与发现，激起自己的好奇心与探索欲，主动的投入精力去寻求答案。” 闫昶宇同学写到“……更像真兵实练，更有利于培养和锻炼我们的实验能力和操作手法，在设计实验的时候我们需要的不仅仅是在网上、书上查找资料，更要学会筛选有效和无效的资料，因为实验和理论差距是很大的，很多网络上的数据都来自于理论计算，真实实验中不一定有效果”。

4 结 语

教学改革，教学方法的改革，能力的培养是教学的主题，关键是教师如何面向自己的教学对象，根据他们的基础、兴趣，因材施教地组织教学，并尽可能达到较好的教学效果。以上只是近几年在基础化学实验教学过程中的做法和得到的初步效果。