远化学专业开设化学实验课的认识与实践

饶震红, 杜凤沛

(中国农业大学 理学院, 北京 100083)

1 远化学专业开设化学实验的必要性

什么是远化学专业？简单的理解“远”和“近”就是指所学专业与化学学科相关的密切程度。诸如地球物理、土木工程、机械制造、农业工程、交通运输、海洋工程、大气与地质,能源与水利等专业,从主干课教学目的及未来从事行业的技术需求等表象看,与化学学科关系略有疏远,属于远化学专业[1]。

“中国制造2025”“一带一路”等国家重大战略的提出与实施,推动了产业经济的发展,迫切需要多元化、交叉复合型人才；世界经济全球化的进程为远化学专业的发展带来了机遇[2],化学学科研究的对象决定了化学作为基础知识渗透于各学科的方方面面。 因为,化学研究的是物质世界,它告诉人们世界是物质的(原子分子论)、物质是可认知的(可以观察、测量和描述)、物质是运动的(物理/化学变化)、运动是有规律的(热力学、动力学、结构化学)[3]。人类从事的各项活动都是改造客观世界的物质活动,是对自然界的认知、开发和利用,无论研究的方向是机械制造、岩石与土壤、甚至是农产品市场与贸易,在制定进取策略时,都需要面对社会复杂的变化,需要与自然资源形成系统的融合,离不开化学所蕴含的世界观的指导,化学改变着人的思维方式与创新意识。

化学与其他学科相比不同的特征是化学是实验科学,化学实验是我们认知物质世界的工具,是获取感性认识,并由感性认识上升为理性认识的过程,化学的理论和规律总结都是从实验中来,而且借助于化学的方法论和应用化学理论完成对物质世界的探索。因而化学课程教学如果缺少实验过程,意味着切断了在认识过程中对信息选择、分析、重构的训练。在当下面对世界经济全球化的发展,面对未来对交叉复合型人才的需求,面对化学学科本质对学生形成正确意识形态的影响,远化学专业开设化学实验课程是不可或缺的。

2 国内外远化学专业开设化学实验课比较

2.1 美国两所大学远化学专业开设实验课情况

(1) 教学理念方面。选取美国2018年US NEWS大学工科专业排名第8位的普度大学和排名第14位的德州农工大学与我国的综合性大学进行比较。从两所国外院校的教学大纲上可知,远化学专业开设的化学课程不同于普通的通识化学教育,课程名称定为General Chemistry(普通化学),旨在为学生提供重要化学概念、化学原理和背景知识，重点在相关领域技术方面的实际应用。因此化学实验课程展示了理论课中教授的基本化学原理,并向学生介绍化学中的现代主题,通过开展实验教学旨在强调观察数据与理论模型之间的数据分析和比较[4-5]。

(2) 课程安排方面。表1是美国两所大学远化学专业开设化学实验课的情况对比[6-7]。美国普度大学和美国德州农工大学在远化学专业均开设了化学课程的学习,定位于基础必修课,不同的是普度大学在第一学年中的3个学期循环开课,尤其是土木工程专业在必须学习化学CHM11500(General ChemistryⅠ)课程之后,还可以根据自己的意愿继续选修CHM11600(General ChemistryⅡ),实验课程作为理论课的一部分,未单独设置,开设的周次与理论课周次相匹配,一学期12次课,要求至少完成其中的9个实验。德州农工大学在本科生一年级的第一学期为远化学专业单独设置了1学分化学实验课CHEM 117, 要求学生正在或已经学过化学理论课程CHEM107,一学期上10次实验课,其中有2次实验课是在线学习课程。

表1 2所美国大学远化学专业开设化学实验课对比

(3) 教学内容。普度大学和德州农工大学有详尽的实验手册,手册包含实验报告。两所学校在实验手册中列出了本学期课程所有实验指导教师和实验助教的地址与联系方式,尤其普度大学在实验指导中特别注释了实验教师的职责与具体负责的管理工作,鼓励学生实验前多提问题。学生要定期查看邮箱,及时接受有关实验课程的信息。无机和物化内容是两所学校都选择的,美国普度大学实验中有分析化学的内容,实验内容设置显示出清晰的模块化,分为实验技能类、原理模型类、分析测定类和兴趣探索类(见表2)。

表2 普度大学2011年秋学期实验内容

表2(续)

(4) 教学管理与成绩评价。普度大学实验课有严格的登记制度,不允许缺课,缺少的实验课不补。如果缺课2次以上成绩自动记为“F”。迟到10 min以上的、没有按规定正确地进行个人防护的、预习实验不充分的、在小组实验没有建设性贡献的、没有按规定提交实验报告的,本次实验均为零分。实验成绩占课程总成绩的25%,没有单独的实验考试,但不定期会有实验测验。美国德州农工大学则禁止学生在实验室使用手机、传呼机和其他个人电子设备,在实验课开始之前，请假获得批准可以补实验,实验课是单独设课,成绩的评定分为预习测验、实验表现、安全、数据获取分析和报告,期末90 min的实验考试共6部分,强调实验前必须完成20 min的在线实验预习测验。

2.2 国内大学远化学专业实验课情况

表3是国内不同大学远化学专业化学实验对比。由于培养目标和教学理念的差异,国内远化学专业化学实验课开设的参差不齐,表现为同一所学校并不是所有的远化学专业都有化学课,有的只有理论课,无实验课；开设了化学实验课的,后续课程中几乎不再涉及化学的学习。上海交大和清华大学对不同的远化学专业有显著的层次化教学。国内学校多数实验课单独设置,但实验次数与理论课次数不匹配,实验教学学时普遍偏少,一般为16学时,同一专业不同学校学时相差一倍,导致实验教学内容覆盖面宽窄不一,有的实验教学内容与理论课脱节,尽管开设了实验课,效果并不令人满意。实验考核一般将实验预习、实验操作和实验报告按比例分配,计算出总成绩,没有考试和测验环节[8-11]。因此在少学时的情况下,采取何种措施,怎样高效进行远化学专业的实验教学,达到预期教学目标、实现最佳效果,是值得商讨的。

表3 国内远化学专业开设化学实验课对比

3 远化学实验课程存在问题的成因分析

3.1 教学计划学时限制化学实验课开展

在学分制下制定专业培养计划,限定了基础课的教学学时[12]。在“强调基础、重视实践、拓宽口径、提高素质”为指导思想的新培养计划的制定过程中,各高校普遍压缩了课内总学时,以便为学生留出更多的时间参与创新实践。在保证核心课程和专业课程课时少缩减的前提下,远化学专业的化学理论课也只有32学时,课程中如果再包含实验课,其学时必然很少。

3.2 实验教学内容深浅度不易掌握阻碍了实验课的开展

化学学科研究的是物质世界,物质的丰富多彩也使得化学理论涉及的知识面广、概念多。但是由于学时的限制,为了在有限的学时内尽可能多地介绍各部分内容,知识的深度讲解必然达不到,传递利用理科工具和思维方式处理问题的方法受到阻滞。在实验教学时,若教学难度低了,知识的学习没有系统性,达不到大学课程教学要求；若教学难度高了,挫伤了学生学习的积极性,达不到教学效果。因而实验难度不易把握,也阻碍了远化学专业化学实验课的开展。

3.3 学生学习兴趣不高影响实验课的深度进行

对于非主干课程,学生的重视程度不够。远化学专业的学生对学习化学课不理解,认识不到其对形成正确世界观、价值观和人生观的意义,认为与本专业学习差距大,而且课时少,提不起学习兴趣,虽然是必修课,但与其他课程相比不会花费很大精力,对于实验课程更是甚少关心。

针对上述情况,中国农业大学学习国外的教学经验,为工学院、水利学院及农业经济管理专业(国际合作办学)的学生开设少学时的化学实验课,探索在有限的学时内,怎样调动学生学习积极性,怎样通过有限的实验次数,溶入广泛的化学知识,怎样通过科学实验过程，培养学生创新创造能力和科学思维能力。

4 远化学专业化学实验课程的开设实践

我校为水利和土木工程、机械设计制造、机械电子工程、车辆工程、农业工程、工业设计专业以及农业经济管理专业(国际合作)分别开设32学时和27学时的“基础化学实验”和“普通化学实验”,除农业经济管理专业外,其余均为单独设课,1学分,每年大约有600学生必修该课程。运用多种教学手段培养在多领域能够独立解决问题的人始终是我们的教学理念。

4.1 设计实验教学内容做到贯通与融合

实验教学是学生素养教育与文化教育和诚信教育的结合,是培养学生思维和创造能力的教育过程,教学内容始终是教育模式变革的基石。我们的教学内容设计原则以需求为先,既不是化学专业普通化学实验的缩编本,也不是纯概念化的兴趣教学,做到基础与前沿结合、趣味与学术结合、深度与广度结合、经典与创新结合,力图将化学为各个学科以不同的实验内容和方式展示出来。

实验是做出来的,做好实验的能力是在教育的点滴中进行培养的。对于大一的学生,无论文科生还是理科生都有适应度的问题。考虑到学生背景知识参差不齐,实验难度上从最简单的实验开始,既大众化、普及化,又介绍化学学科的基本概念,力图通过简单的仪器操作,调动学生学习热情,能够从简单中获取感受,掌握相应的化学知识,更主要的是让学生了解科学研究的过程,做到简单中的不简单。第一次课,开设“盐水溶液密度的测定”,这个实验很简单,我们将实验过程做了调整,加入了分析化学中常用的万分之一天平及移液管的使用,融入了精密度、准确度和有效数字的概念,对最终的实验结论不是简单地由公式计算直接得出,而是要对数据进行处理,分析误差来源,使学生进一步认识了化学实验,掌握了实验室常用仪器的使用,对“量”“误差”和“有效数字”等基本概念有了感性的理解。

实验教学是对学生信息加工能力的培养,在实验过程中实验材料多元化,可以成为抽象理论学习的助手。在现行的大学化学实验中没有探究离子键和共价键类型的实验,讲述元素间的原子通过什么作用形成丰富多彩的物质的时候,抽象的化学键令人难以理解。描述化合物原子间化学键的类型除了用模型外,还可以通过熔点、电导率的测定进行预测。因此,我们测定生活中常见物品在水和乙醇溶液中的电导率,通过溶液的导电性分析溶液中离子移动,预测化学键类型,并研究改变离子浓度对电导率的影响,研究溶液pH变化的影响,使得抽象的概念形象化,难于理解的知识生活化。

深度学习、独立思索是高水平主动认知的表现,是学生掌握核心知识,运用批判性思维解决复杂问题的能力,实验教学可以实现科学思维能力的培养。用分光光度法测定补血药片中铁的含量,可以潜移默化地引导学生深度学习。因为由于学时限制,理论课上没有讲授这部分知识,实验讲义则写的非常细致,从电磁波的定义到光谱分析原理,从比尔定律到分光光度计的使用,设计先用色素进行实验,了解吸光度和吸收曲线,然后再用吸光光度法测定铁含量,通过实验课程深度学习,不仅锻炼思维能力,学到新知识,而且这种方式可以补充理论教学学时的不足。

实验课程知识的贯通除实验技术的学习外,还在于对科技前沿知识的认知。科技前沿通常指科技研究中最新或领先的领域,将这些领域中的新内容、新方法、新思想纳入实验教学中,扩大学生的知识视野,不仅是社会进步的要求,也是学生自身发展的需求。铁磁流体是一种新型的功能材料,美国宇航局首先将它应用于宇航服的密封,我们开设了铁磁流体制备的实验,用化学共沉淀法制备细小的Fe3O4磁性纳米粒子,再加入活性剂,获得了高磁化强度、高颗粒浓度的超稳定系统。当磁流体溶液中的悬浮颗粒在外加磁场的作用下,展现各种形态时,留给学生的恐怕不仅仅是对实验现象的惊呼吧。

4.2 采用多种途径,提高实验教学的工作效率

利用网络教学和视频课程讲授实验知识可以有效地缓解远化学专业实验课课时偏少的困境。MOOC课程“大学化学实验先修课程”的开设,将中学教育与大学教育进行了很好的衔接[13]。而提高实验教学实效、注重实验教学过程,更离不开面对面互动的教学模式。

抓好第一堂课的学习效率是学生能否取得实验好成绩的基础。农林经济管理专业化学实验课的第一次课是在教室内完成的。在这次课上,教师讲述实验室安全和规则,并与学生签署安全协议。用多媒体介绍化学实验室常见的仪器,并且向大家介绍取得高分实验成绩的方法,指出要给自己留出足够的时间阅读实验相关内容,不要等到实验课前1 h再预习,要完成实验预习题目才能开始实验,而且特别重申学术不诚实是一种严重的犯罪。

在实验教学过程中,采取合作互动教学法能够促使少学时的实验课高效完成,培养了学生协作精神和社会担当能力。以农林经管专业的化学课为例,每次实验两位学生一组共同完成,并没有减弱每位学生的操作机会。我们的实验课堂鼓励学生在实验过程中进行讨论,思疑、质疑和解疑在生生之间、师生之间对实验的探讨中完成,而且生生之间的互动延续到课后对实验数据的分析。招录本专业二年级的学生(每次实验大约5人左右)作为“小师傅 ”重回实验室,也是实验课的一个特点。“小师傅”协助实验工作,又不同于教师,学生与“小师傅”有自然的亲切感,对在实验过程中出现的问题,能够及时地与“小师傅”交流,快速地找到答案。

问题导向法也是增强实验效果常用的方法。该方法能够提升学生的学习兴趣,提高实验学习的参与度,诱导学生发挥主观能动性,避免应付差事现象。在我们的实验中,开设了红酒中乙醇浓度测定实验, 综合了有机化学和分析化学知识。首先将样品蒸馏,然后氧化馏出液,再利用氧化还原法滴定。因为进行蒸馏操作费时繁琐,可不可以直接将红酒氧化滴定呢,氧化温度是如何确定的呢？带着这样的问题分组、分项进行对比实验,讨论影响反应进行的因素及控制方法。引导学生体会科学的局限性,化学反应在一定条件下进行,进而完成思维的转变和独立思想的确立。

4.3 远化学专业开设化学实验课的效果

化学实验教学对于远化学专业学生的影响不是显性的,在无形中潜移默化地发挥作用。机械专业的本科毕业生做毕业设计时想到用化学方法获取气体改进制造的小设备；土地资源专业的本科生在暑期大学生社会实践中关注服务区域内水中磷的影响。自然科学客观性、逻辑性和计量性的特点,影响着农林经济管理专业学生的思维,从2017年该专业毕业生的去向可以分析出化学实验教学对学生素质能力的潜在影响,有80%的学生去往世界名校继续深造。

5 远化学专业开设化学实验课的思考

5.1 实验室教学团队的高效工作是少学时实验顺利进行的条件

在短时间内进行有效的化学实验教学,离不开充分的实验准备工作。细致、全面、正确的实验准备不仅包括实验室管理、实验教师的预做、也包含实验“小师傅”的培训工作。“小师傅”来自于大二的学生,对于结束不久的化学实验遗忘程度低,采取课前集中面授的方法,从实验理论的理解,实验操作细节的要求到实验思考题的讨论逐一指导,使“小师傅”对化学实验的认知水平有显著提高。由于“小师傅”自身学习时间的限制,并不要求“小师傅”辅导所有的实验项目。

5.2 远化学专业化学实验课的内容需要有一定深度

化学实验研究的是对物质的认识,告知人们物质间的作用规律及对社会的影响,更接近生活,易于人们接受。但泛泛而谈流于表面则达不到大学教学目的,正如学者研究的：教育传授的是科学方法,科学方法的传授需要载体,不可能离开足够深度的学科知识去泛谈方法。 在学习过程中的探究、体验与感悟,才能从学科表面窥测到学科精髓,形成合理的知识结构与独到的见解[14]。所以远化学专业开设具有适当深度的化学实验是值得认真思考的,既不能简单科普化,又不能专业化；而且在理论课时有限的情况下,借助于实验教学还可以增加知识的容纳量,进行知识更新不失为一种有效的途径。

5.3 远化学专业化学实验教学要与多学科结合

教育成功与否的关键是寻找有效途径教会学生知识、处理问题的态度和有效沟通的能力。有效沟通不仅表现为口头形式,书面表达也是人与社会沟通的形式。化学实验教学需要与数学及计算机学科相结合撰写体现科学方法的实验报告,建立数学模型分析实验结果,利用计算机模拟分子结构,探讨物质间的作用机理,利用信息化手段获取与实验关联的实质。

5.4 远化学专业的化学实验不一定需要复杂高端的仪器

借助于信息化的发展,融入新的教学手段,改进传统教学模式,激发学生的学习兴趣,提高参与度,学生的能力培养不一定需要复杂高端仪器引导,实验内容的安排要有层次,虽然实验课时相对少,但要有系统性,由简单到复杂,从无机化学到有机化学,从容量分析到仪器分析,逐渐使学生适应,避免进行长时间重复无效的实验训练。

5.5 严格进行远化学专业的化学实验成绩评价

不能因为实验学时少就降低对课程的要求,使远化学专业的实验课成为“放水”课。严格的学习评价规则是监控学习进度的手段。课前测验与课后测验都可以增强学生的自我反思,课前不定期测验是用于检查实验预习情况的常用方法,课后和当堂完成实验练习的模式也应适当地采用；在理论课程的考试中包含实验课的内容,是提高实验关注度的有效方法；将实验考核阶段化,重点放在实验过程的考核。

6 结语

当今，我们面对的未来是复杂多样的,培养的人才要顺应多变环境下社会的发展,要有终身学习和跨学科合作的能力。远化学专业开设化学实验课是学生素养、能力培养的需求,是开阔知识视野的基础。在课程实施过程中,利用合作学习机会,把握好内容的“度”,认识到内容的层次,处理好实验的系统性,以小博大,对其他专业课程的学习也有良好的借鉴作用。