基于科研素质培养的综合实验课程建设——大学综合化学实验课程教学实践*

范慧俐 刘旭东 王明文 弓爱君 刘杰民 叶亚平 李旭琴

（北京科技大学 化学与生物工程学院，北京 100083）

实验教学是理工科高等学校本科教学工作的重要组成部分，是培养能力的重要环节。特别是为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，对高校毕业生的实践能力、动手能力、创新能力及问题解决能力等提出更高要求。近年来各高校纷纷对提高学生能力的专业实验课程进行了有意义的建设和改革实践［1-8］。本文从提高学生科研素养角度出发对大学综合化学实验课程进行了建设实践。

大学综合化学实验是化学或应用化学专业在学生完成各门基础课及基础实验课之后，本科毕业论文工作之前开设的一门专业实验课。目的是在巩固学生基本理论知识和基本实验操作技能的基础上，在引入新实验方法和新知识点、增加学生知识面，做好承前启后工作的前提下，进一步提高学生综合运用理论知识和实验操作技能，分析问题和解决问题的能力，特别是与化学领域发展相适应的综合能力，全面培养学生科学思维能力和创新意识［9-12］。在大学综合化学实验教学过程中，作者结合专业科研生产实际，将科学研究过程引入实验课堂，以培养学生与学科领域发展相适应的综合能力。同时让学生尽早接触实际问题、学习科学研究方法，为学生更好地进入毕业论文环节和从事科研工作奠定基础。

本文从培养学生科研能力角度出发，采用研究型教学方法，在实验内容选择、指导教师聘用、教学组织和实验成绩考核方面进行了研究。

一、根据科学研究的具体课题设计实验内容

实验课程内容不仅是知识、技术的介绍和实施，还应有对学生进行观察、思考和解决问题能力的训练。由于大学综合化学实验开设于基础化学和基础化学实验课程之后，学生已掌握基本化学原理和化学实验技术，因此在《大学综合化学实验》讲义编写过程中，除精选少数经典实验外，更多地强调问题导向，注重吸纳教师科研课题内容，选用新的实验技术。根据学校学科特点及教师科研方向，教学内容侧重化学在环境、材料、生物、医药等领域的应用。旨在通过大学综合化学实验课程的学习，让学生初步了解专业应用领域，提高分析问题和解决问题的能力，进而提高职业适应能力和社会竞争能力。

在所编《大学综合化学实验》讲义中有意识地联系科研和生产实际。具体实验内容与教师的科研课题或实际生产中的化学化工问题密切结合。如“室内环境或食品中异味化合物鉴别及异味强度测定”和“旋转圆盘电极测定K4Fe（CN）6／K3Fe（CN）6体系动力学参数”实验来源于指导教师的国家自然科学基金项目；“气升式内循环膜生物反应器氧传质系数测定”基于指导教师的一项发明专利；“中空聚合物微球的制备和表征”来源于与中科院某研究所合作研究项目；“聚醋酸乙烯胶粘剂的制备与表征”来自于一个为企业解决生产过程遇到的实际问题的课题。这些实验从知识和方法上都反映了学科研究的前沿。例如“室内环境或食品中异味化合物鉴别及异味强度测定”实验采用三点比较式臭袋法测定常见异味化合物阈值，采用气相色谱—嗅觉检测—质谱联用技术测定异味混合物的性质和强度。通过计算、嗅辨和检索获得异味物质的阈值浓度、异味强度与浓度的关系、异味混合物的成分及强度信息。在这个实验中学生不仅了解到异味污染的危害，还学会异味物质的定性和定量分析，以及认识到针对室内环境下异味物质种类多和浓度低的特点，界定异味特征和测定异味强度，对实现异味污染物控制和提高人们生活质量的必要性。又如“高效液相色谱法测定Bt生物农药中酪氨酸的含量”实验，针对广泛采用的Bt生物农药毒力效价生物检测法的缺点，如操作程序复杂、费时费力、准确性受限因素多（虫龄、环境条件等）开展研究。根据Bt生物农药的主要杀虫成分是伴孢晶体——一种蛋白质，而蛋白质由氨基酸组成，伴孢晶体中含有的每一种氨基酸量是固定的。如果将伴孢晶体彻底水解，用高效液相色谱检测其中一种氨基酸的含量，其含量的多少即代表了伴孢晶体的多少，进而反映出Bt生物农药毒力能力。通过这个实验学生深深体会到样品前处理在仪器分析用途扩展方面的重要性，了解分析对象性质对仪器分析的重要性。紧密联系实际科研和生产的教学内容，使学生在提高自身实验能力的同时，切身感受到应用化学在生产、生活和科学发展中的作用，并且直接感受到学以致用的乐趣。

二、根据实验内容选聘指导教师

由于实验内容来源于教师科研项目，且大学综合化学实验不仅仅是要验证某一个反应或学会一个具体操作，而是要学生学会如何运用已学知识和已经掌握的实验手段解决一个具体问题。因此指导实验过程中，要求教师对实验项目有充分的理解和思考，对实验过程设计有充分的了解和实践。如在“气升式内循环膜生物反应器氧传质系数测定”实验过程中，教师不仅指导学生如何使用循环膜生物反应器测定氧传质系数，而且根据自己的研究过程，阐述气升式内循环膜生物反应器的工作原理设计及其创新之处，进而调动学生的创新思维。所以在选聘实验指导教师时，为了让学生对实验项目有更深入细致的了解，对实验项目的提出、解决具体问题的思路及研究过程有更清晰准确的认识，每个具体实验均选聘相关项目负责人或课题组教师承担指导工作。随着实验内容的不断更新，指导教师也不断调整。为了保证实验课程的教学质量，课前教师们统一指导要求，明确培养目标。对于事务性工作繁重的教师，要求其指定一名从事具体课题研究工作的研究生协助指导。在实验指导过程中，指导教师不仅告诉学生应该怎么做，还要通过对项目要求、问题的分析，让学生知道为什么要这样做，从而培养学生的科学思维能力。此外，在实验过程中，通过与指导教师或研究生进行相关实验交流，学生可以间接感受到化学家或化学工作者从事化学研究工作的氛围，体验到科学研究的艰苦性及长期性，体会获得研究成果后的幸福感和快乐感。这些交流对大学生充分认识所学专业的实际意义发挥了重要作用。有的学生在交流过程中逐渐明确了自己的专业兴趣取向，从而对就业、深造方向选择具有指导意义。

三、教学组织中引入研究性思维

由于具体实验内容结合了实验指导教师的科研项目或解决生产中实际问题的过程，在具体教学中，指导教师不仅仅是简单讲授实验过程和原理，而是从实验项目出发，带领学生分析实验项目的实际要求，进一步分析项目要求的本质，进而确定完成这个项目应该选用的方法。再进一步思考研究过程中可能会遇到哪些问题，应该如何解决等等。循序渐进地引导学生直至得到具体实验方案。在具体实验过程中，不是大家共同按照实验讲义重复完成实验项目，而是合作完成一个实验条件研究，即不是所有学生都在同一个条件下完成实验，而是共同完成一次研究过程。例如，在“中空聚合物微球的制备和表征”实验教学过程中，指导教师不是一开始就介绍实验原理、操作步骤及注意事项，而是从课题由来、用户需求开始。这一实验是根据用户提出需要一种“能够在空气中飘浮时间尽可能长的各向同性材料支撑体。后期要在这一材料支撑体表面修饰尽可能多的无机材料”的要求演变而来。具体实验过程中，指导教师首先提出用户的要求，然后针对用户要求，带领学生分析这一课题要解决的问题及解决问题的思路。

首先指导教师根据课题要求提出问题一，要求能在空气中飘浮的材料：引导学生分析什么特点的材料可能满足要求？直至学生得到需要制得质量轻、密度小的材料，进而选择有机材料（有机材料比无机材料轻）的答案；然后考虑原料来源、成本、工艺和实现的难易程度选择制备聚苯乙烯材料；最后与学生讨论如何进一步满足在空气中飘浮要求，直至得到需制备中空结构的材料（进一步降低材料质量）的结论。

问题二，要求各向同性材料：形状为球形→悬浮聚合方法（悬浮聚合产物为球形）→引入交联剂和致孔剂（实现中空结构）。

问题三，要在材料表面修饰尽可能多的无机材料：希望粒径小（比表面积大）。

问题四，思考粒径越小越好吗？虽然粒径小可满足“后期要在这一材料表面修饰尽可能多的无机材料”要求，但是课题的最终目的是要实现材料“在空中飘浮时间尽可能长”，而修饰上的无机材料多将导致颗粒密度增加，不利于其在空中飘浮，所以材料粒径要适当。

至此课题最终问题转化为采用悬浮聚合法制备粒径合适的中空聚苯乙烯微球。具体研究内容转化为研究影响中空聚苯乙烯微球粒径的因素，确定最佳工艺条件。

在接下来的实验过程中，学生不是简单按照实验讲义完成实验，制备出粒径基本一致的聚苯乙烯颗粒，而是全班同学就一个影响聚合物粒径的因素开始集体实验研究。具体是每个实验班研究一个因素对材料产品粒径的影响。例如，某个实验班研究搅拌速度对产品粒径的影响，另一个实验班研究稳定剂用量对产品粒径的影响，第三个实验班研究单体用量对产品粒径的影响，第四个实验班研究搅拌桨位置对产品粒径的影响等。在一个实验班的实验过程中，每两组或三组同学使用同样的条件，每个实验班同学在3～4个不同的具体条件下开展实验。实验结束后，一个实验班同学共享实验数据，考察某一影响因素对产品粒径的影响规律，并要求在实验报告中对实验结果进行系统的理论分析。

由于实验内容直接来自教师科研课题，在课题研究过程中特殊的条件对结果的影响往往理论课上并未涉及，但实验课上可以体会到，从而使学生切实感受到理论和实践的区别，认识到实际实验的重要性。如在研究悬浮聚合条件对聚合物粒径的影响时，除悬浮剂用量、种类、单体用量和搅拌速度等因素外，指导教师带领学生就搅拌桨在反应瓶中的相对位置对产物粒径的影响进行实验考察，并对实验结果进行分析讨论。同时提出问题，搅拌桨形状是否对悬浮聚合产物粒径有影响？如果有，将怎样影响？这样的实验教学组织，让学生体会到科学研究与理论课程学习的关系，使学生初步了解面对问题如何分析问题，运用理论知识提出解决问题思路，通过实验研究最终解决问题，在解决问题过程中如何运用理论知识理解实验过程中出现的现象和得到的结论。进一步在理论知识指导下提出新的实验方案，提高学生的独立分析问题、解决问题和创新的能力。

四、实验考核方式注重对学生能力的评价

由于大学综合化学实验突出强调学生对所学化学知识和化学实验技能的综合应用以及对学生分析问题、解决问题能力的培养，所以在实验考核时，不仅仅是看学生的操作能力及实验结果的正确性，更注重对学生发现问题、分析问题和解决问题的能力的评价。在实验过程和实验报告的考查中，重点考查学生运用实验原理解释实验现象的能力，分析、解释实验结果的能力。例如，在研究搅拌速度对悬浮聚合产物粒径的影响时，一个实验班实验数据见表1。

表1 搅拌速度对聚合物粒径的影响

由表1数据可见，在搅拌速度 400rpm～650rpm范围内，随着搅拌速度增加聚合物粒径有先减小后增加的规律。实验报告考核中指导教师更关注学生对悬浮聚合过程及搅拌在悬浮聚合过程中作用的理解和认识，进一步扩展到考查学生是否能够分析出搅拌桨叶张开程度、搅拌桨位置、搅拌桨形状等对悬浮聚合产物粒径的影响，是否能就整个实验过程提出合理化建议，从而考查学生独立分析问题、解决问题的能力。

五、课程的可持续发展

由于大学综合化学实验所选的实验内容，除少数经典实验外，大多数实验都是依据指导教师的科研成果编写，所选实验内容从知识和方法上都尽可能反映学科研究的前沿和生产实际问题，随着学科的发展必须不断更新实验内容。为了保证课程的可持续发展，学院每年从学校下拨的“特色理科建设项目”中拿出部分经费支持教师进行科教结合研究，不断地将教师的最新科研成果转化成大学综合化学实验课程教学内容。学科也拿出部分学科建设经费进行实验条件建设，从而保证了这门课程的顺利进行和可持续发展。由于在实验指导过程中增加了师生的互相了解，有利于留校读研同学与导师的相互选择，客观上调动了指导教师的积极性。

六、课程存在的问题及解决思路

大学综合化学实验课程建设和实践过程中取得了一些经验，但仍面临以下问题：

第一，课程内容无法直接推广。由于实验内容大多依据各位指导教师近年的科研成果编写而成，反映的是本校的学科特色和教师的科研方向，实验过程需要具有实际工作经历的教师指导，因此实验教学内容和具体实施方式无法直接推广。其他学科和学校可以借鉴本文思路，根据本校学科特色组织专业综合实验课程。

第二，特殊实验设备通用性不强，增加教学成本。由于教师科研过程中会涉及一些特殊设备，这些设备仅在大综实验课上使用，且需要单独加工制作，增加了教学成本。针对这一问题可以与课题组合作，通过科研与教学仪器共享等方式解决。

第三，实验指导教师工作量增加。由于实验过程中每组同学的实验条件不同，需要教师根据不同条件分别加以指导，有时需要在现场组织讨论。因此增加了指导教师的工作量。这一问题需要在工作量认定方面加以适当考虑。

总之，联系科研实际的实验内容，根据实验内容选聘指导教师，教学组织中引入研究性思维方式，实验考核更注重对学生能力评价的教学方法使学生在大学综合化学实验课堂上，分析问题、解决问题能力得到更好训练，全面培养了学生科学思维能力和创新意识。同时在教学过程中让学生尽早接触和学习了科学研究方法，学生在后续的毕业论文环节得以快速进入研究状态。这种基于科研素质培养的课程建设和实践模式可供其他专业综合实践课程借鉴。