工科专业化学实验新型教学模式的构建与实践

强根荣， 曾秀琼， 杨振平， 刘秋平， 艾 宁

(1. 浙江工业大学 化学实验教学中心，杭州 310014；2. 浙江大学 化学实验教学中心，杭州 310058)

0 引 言

“十二五”期间，通过精品课程、示范中心等一系列质量工程项目的建设，各高校化学实验教学改革的成效非常显著，都取得了可喜的教学成果。但是，在日常的教学过程中，总感觉有些美中不足，主要是内容不够精深，学生基本技能不够扎实，工科学生的综合实践能力不够强劲，创新意识不够活跃。这些问题需要大家去进一步思考和解决，套用孔子在《论语》中说到的“学而时习之，不亦说乎”这句话，对于今天的大学化学实验教学来说，应该让学生“学而时习之，习而常思之”，多动手，勤思考，以此达到“师古不泥，善用其心，广吸营养，为我所用”的效果。

1 构建工科专业化学实验新型教学模式的理念

工科类专业化学实验的教学时数一般不会很多。在有限的时数内，如何全面训练学生的实验基本技能，培育实验的创新思维，锻炼实际的创新能力，必须对大学化学实验课程进行顶层设计、合理规划。在创建化学化工国家级实验教学示范中心的过程中，建立了“3阶段(学科基础实验-专业基础实验-专业实验)、4层次(基础规范性实验-综合设计性实验-研究探索性实验-创新实践)、一体化(理、工科实验)”的递进式化学化工实验教学体系。围绕这一体系，大学化学实验教学的改革必须以培养学生实践能力、创新能力和社会责任感为主线，遵循“多元融合、创新主导、寓教于研、协同育人”的建设理念，按照基础性、层次性、自主性、开放性等核心基本原则和综合性、系统性、创新性等高层次原则，引入科研发展的实验内容和训练方式，采用多样化的教学方法，促进开放式实验教学，建设具有地方院校学科优势和特色的有利于创新性人才培养的实验课程[1]。

根据该理念和要求，立足于传统的化学实验教学内容，淘汰部分不适合现代社会发展、环境需求的实验，开发、充实新型的实验内容，同时，进一步完善、补充“基础化学实验”国家精品资源共享课程的特色内容-化学系列性实验，加强在化学一级学科内跨二级学科实验内容的综合。通过这些研究、内容开发以及陆续的课程建设工作，做“实”、做“全”基本技能实验，做“大”、做“精”系列性实验，做“深”、做“强”综合性实验，做“活”、做“新”研究探索性实验，使实验教学效益最大化，为人才培养质量不断提升起好步、铺好路。

2 工科专业化学实验新型教学模式的构建

“化学实验”是一门理学课程，工科类专业的教学要准确定位，必须在保持并更好、更全面体现课程基础性的同时，探索培育学生工程意识的教学观念、教学内容、教学方法的改革，使基本技能实验更具全面性，综合性实验更具新颖性，系列性实验、研究探索性实验更具深度和广度[2-3]。

2.1 教学内容的更新

不言而喻，对教学改革来说，教学内容的研究开发和不断更新是第一位的，教学内容是教学的核心要素[4]，它是任何教学改革的基础，离开了教学内容，什么都变成了“无本之木”。我校化学实验教学总时数为176学时，基本满足工科类学生化学实验基本技能训练的需要，但是，在紧张有限的教学时数内要加强综合设计性、研究探索性实验的教学，难度很大，只能通过选修课、课外科技活动等形式来补充，因此，统筹考虑实验教学内容，着重从以下3方面进行了改革。

(1) 做“实”、做“全”基本技能实验。化学实验技能包括蒸馏、分馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏、重结晶、萃取洗涤、物质干燥、薄层色谱、柱色谱、机械搅拌、熔点测定、波谱鉴定等。在传统实验教学中，一般会开设一些简单的操作实验，目的是让学生学会这些基本操作。但实施的效果并不好，学生的兴趣也不大，真正碰到实际问题时，学生对基本操作很陌生。比如，原有开设的薄层色谱实验，学生在制备了薄层板后，点上靛酚蓝、苏丹红及其混合样品三个点，展开后测量距离，计算比移值。实验时学生感觉很新鲜，但到有机合成时不知道如何使用这个操作。为此，设计开设了二苯基乙二酮的制备实验，将薄层色谱操作真刀真枪地应用到该实验中，跟踪反应进程，极大地提高薄层色谱的教学效果。

又如，由于专业特点和时数的关系，原先没有安排柱色谱教学内容，而这一内容是现代有机合成分离中非常重要和常用的技术。另外，原来开设的邻叔丁基对苯二酚的制备实验，需用大量的二甲苯做溶剂，气味比较浓烈，实验环境较差。为此，在无法增加教学时数的前提下，研究开发了乙酰二茂铁的制备与柱色谱分离实验，替换原来的邻叔丁基对苯二酚的制备实验。实验替换后，在原有的机械搅拌等实验技能上增加了柱色谱操作，而且实验环境大大改善。通过实验内容的开发，化学实验基本技能得到更加全面的训练。

(2)做“深”、做“强”综合性实验。进一步研究开发跨二级学科实验内容的新型的综合性实验，将当今社会难度适宜的热点问题及科研内容引入到教学实验中，一方面可增强学生综合分析问题、解决问题的能力，另一方面，也可增强实验的趣味性[5-7]。

以汽车新能源的燃烧热测定综合性实验为例，实验由两部分组成。第1部分是汽油添加剂的合成：甲醇汽油添加剂让学生来合成。例如，汽车排放的尾气中含有对人体危害较大的铅尘污染物，为了减少大气中的铅尘污染，现用甲基叔丁基醚替代四乙基铅作为抗爆剂，生产无铅汽油。甲基叔丁基醚是一种高辛烷值汽油添加剂，具有优良的抗爆性，对环境无污染[8-11]。第2部分是甲醇汽油燃烧热的测定：用氧弹式量热法测定甲醇汽油的燃烧热[12-14]。实验可以将甲醇汽油中甲醇的添加比例、甲醇汽油添加剂、改善发动机台架等作为研究方向，通过对不同甲醇比例或添加不同添加剂的甲醇汽油的热值进行测定，以及对所得实验数据的分析，探讨甲醇汽油合适的配比或添加剂，分析发动机燃用时理论油耗与实际油耗存在差距的原因，为进一步提升甲醇汽油使用性能提供参考。

(3) 做“大”、做“精”系列性实验和研究探索性实验。首先，加深系列化、专题化实验教学，促进综合实践能力锻炼。我们在基础化学实验国家精品课程建设过程中，逐渐形成了基础化学实验教学的特色，研究开发了系列化实验(即在几个彼此独立的实验中，寻找它们之间的内在联系，插入新的内容将它们相互串连起来，构成一个有机整体，学生经过几步有机合成得到目标产物)，组织了教学实施，并不断地研究实验的深度、广度和精度，拓宽教学覆盖面，加大改革的力度，使改革效益得到进一步显现。

以“苯甲醛—肉桂酸—肉桂酸酯的系列合成”实验为例。该实验既可以最大限度地减少实验室学生实验产品(肉桂酸、苯甲醇、苯甲酸)的存放，又让学生充分应用了微波合成、离子液体等新型实验手段。① 按Perkin反应机理合成肉桂酸。要求学生采用不同的催化剂、不同的介质、不同的加热方式，用苯甲醛和乙酸酐作原料合成肉桂酸。② 肉桂酸酯化反应。一方面，采用微波加热的方式，提供不同的醇，与肉桂酸进行酯化反应。另一方面，采用常规加热，利用苯甲醛的歧化反应制得的苯甲醇与肉桂酸进行酯化反应，制备肉桂酸苄酯。③ 利用Knoevenagel 反应制备肉桂酸，在“综合化学实验”选修课中学生已作了仔细地研究[15]。将这一反应应用于本科基础教学中，让学生比较利用Perkin反应和Knoevenagel 反应制备肉桂酸的不同方法，在比较中学习，在比较中提高。

其次，进一步拓展研究探索性实验，活跃创新思维。深入研究了基础化学实验与专业基础、专业实验的相互关系，开发一些可以与化工实验紧密衔接的大学化学实验，进行化学、化工实验一体化教学。通过这些措施，一方面将理科化学实验缜密的研究思路和严格的实验方法应用到工科实验中，另一方面，将工科化工实验强烈的工程意识和实际的应用能力融入到理科实验中，促进学科交叉、理工结合、协同提高，促使“科学原理探索—工程技术基础训练—单元操作组合运用”的融会贯通。

以“无水乙醇的生产”为例(见图1)，在基础化学实验阶段， 要求学生了解恒沸物的概念，掌握气液平衡数据的测定方法和相图的绘制，掌握蒸馏、分馏的基本操作和气相色谱条件的确定、检测方法等。在专业基础实验阶段，精馏操作的影响因素，如塔板数、进料状态、操作压力，还考察恒沸精馏和萃取精馏的异同之处。在专业实验阶段，进行中试规模的生产操作，包括开停车、故障诊断等，进一步结合教师的科研成果，引入超重力旋转床精馏设备等新型过程强化设备，使学生实验与科学研究、工程训练和社会应用结合。

图1 化学化工实验一体化教学(无水乙醇的生产)实施示例图

2.2 教学方法的改革

有了好的教学内容，必须通过好的教学方法来实施。针对工科类专业，要不断强化实验的工程观和经济观，培养学生工程能力，提高学生解决工程实际问题的能力。实际问题往往是不确定的，需要知识和技能的综合运用，注重工程需求的整体性和可行性，要让学生充分了解产生问题的原因和解决问题的关键因素。在教学过程中，教师要注重知识的系统性和整体性，共性整合、突出特色，为此，必须设计具有综合性的模块训练，综合运用所学的知识和技能，形成实验内容的 “基础教学—专业基础教学—专业教学”的一体化教学体系。

近年来，大力实施了实验教学方法的改革，其中“理论与实践贯通的专题式大学化学实验教学改革探索”[16]“以问题为导向的大学化学实验教学改革与实践”[17]“参与式教学模式在大学化学实验课程中的研究与实践”[18]“大学化学实验混合式教学模式的研究与实践”等项目先后被列为浙江省高等教育课堂教学改革项目。如在专题式教学中，首先按化合物类型分成一个个专题，在专题中包含基本实验(课堂内必须完成)、拓展实验和应用性实验(可在课外完成)等。实验前要结合化学课堂上学到的理论知识，进行认真预习，写出反应机理、注意事项、预期的难点等，并给出解释，通过实验进一步确认。基本实验独立完成，拓展实验和应用性实验可以合作完成，以便于相互讨论，比较实验方案和实验结果的优劣。通过这些做法，拓宽了学生的知识面，又逐步地教会学生科学研究的基本方法。

再如，通过以问题为导向的翻转课堂教学，释放了实验前的讲解时间，课内腾出了更多的时间用于学生实验，增强实验课堂中师生的交互性，使得教师从传统课堂中的知识和技能的传授者变成了学习的促进者和指导者，教师不再是知识交互和应用的中心，只是学生进行学习的主要推动者。而学生借助于丰富的网络资源，可以进行自我知识延伸，自我控制学习时间、学习地点、学习内容和学习量，真正成为学习的主体。

以苯甲酸的微波合成和苯甲酸乙酯的制备实验为例。实验前提出以下问题，供学生思考：①酯化反应的工艺路线是否合理？阐述理由。②从实验的加热手段、反应中原子的利用率、实验中间体苯甲酸的利用(减少实验室废弃物)、选择酯化反应的带水剂、选择酯化反应催化脱水剂等多方面阐述绿色化学的理念。③实验中产生的二氧化锰如何处理或利用？④酯化反应中未反应完全的苯甲酸如何提取和处理？⑤实验中用分水器来分离酯化反应产生的水，工业上如何来解决？⑥实验中用乙醚作萃取剂，乙醚的回收率有多少？⑦实验中用10%Na2CO3作洗涤剂，生产1 t苯甲酸乙酯，废碱的排放量有多少？⑧苯甲酸乙酯用减压蒸馏来精制，需要哪些设备？⑨减压蒸馏保护系统中的3个吸收塔，在工业上是如何实施的？

在开设这个实验时，传统的教学方法往往忽视了这些问题，甚至从未提出过这些问题。学生根本没有一点工程意识，实验结束后产品回收即了事。通过这些问题的思考，学生会很自然地将实验室与工厂结合起来。

3 化学实验新模式的实施效果

工科化学实验教学的改革，使学生基本技能和综合创新能力得到明显提高。我校自2008年受邀参加每两年一届的全国大学生化学实验邀请赛以来，在参赛学生大多是国内“985”高校理科化学专业学生的情况下，连续获得二等奖的好成绩。除此之外，实验教学向第二课堂延伸，将新开发的综合性实验、研究探索性实验等应用到大学生课外科技活动，面向包括各级大学生创新实验计划项目在内的学生课外科技活动全面开放，让学生带着问题进入实验室，第二课堂与第一课堂齐头并进，有效地提高学生实践能力，促进学生多样化成才。化工学院本科生负责国家级“大学生创新性实验计划”项目和浙江省大学生科技创新活动计划项目30多项， 获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖及浙江省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等奖项20项。这些成绩充分体现了化学实验教学和改革的效益。

4 结 语

在今后的实验教学实践中，为增强工科学生的工程意识，激发学生的创新思维能力，将进一步着力化学实验的工程化探索，通过在实验教学中引入综合设计和研究探索性实验，完善“理工”一体化教学体系，让学生更加明确反应条件的设计、操作技能的应用，更加有效的提高分离效果、回收溶剂、降低成本、减少污染等，学会从实验室制备与工业生产角度来分析工艺条件、原料配比等对产品收率、成本及环境的影响。与此同时，把绿色化学化工理念进一步渗透到实验教学内容和过程中，通过引入绿色化学化工技术，让学生自主设计实验，处理实验过程中产生的“三废”，使学生接触绿色科技前沿，提高学生知识综合应用能力，增强学生的社会责任感和人文关怀。

通过这些改革，化学实验将更好地承载“基础与前沿、经典与现代相结合，基本技能规范训练与创新能力培养相结合”人才培养轨道，有效地提高学生实践能力，促进学生多样化成才。