夯实化学基础，打造创新人才 ——“无机和分析化学实验”课程的建设与探索

袁艺，李宁，委育秀，陈晨，黄建国，林旭锋，李啸风，王从敏，王勇，王鹏

浙江大学化学系，杭州 310058

在全球化与国际化的背景下，国际科技竞争日趋激烈，习近平同志指出“我们比历史上任何时期都更需要建设世界科技强国！”拔尖创新人才成为全球科技竞争的战略资源，拔尖创新人才的培养成为提升国家综合实力与国际竞争力的关键[1-3]。2020年1月，教育部颁布《关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》，决定自2020年起，在“一流大学”建设A类高校开展基础学科招生改革试点工作(简称“强基计划”)。“强基计划”旨在聚焦国家重大战略需求，探索建立多维度考核学生的评价模式，逐步形成基础学科拔尖创新人才选拔培养的有效机制，破解基础学科领军人才短缺和长远发展的瓶颈问题[4]。

在化学教学中做到创新能力的培养是化学教育工作者致力研究的方向[5-17]。“无机和分析化学实验”是面向浙江大学“强基计划”和“拔尖人才计划”化学专业本科生开设的第一门专业实验课程。总计96学时。浙江大学“无机和分析化学实验”课程组在遵循人才培养的科学规律和教育教学规律，营造有利于创新性人才自由生长的学习空间，激发创新人才追求学术和探索未知的内在驱动力等三个方面进行了重点思考、建设和探索，以培养具有扎实基础理论、娴熟实验技能、宽广学科视野的，拥有批判性思维、创新性意识、国际性竞争能力的，以天下为己任的学术领袖和行业精英。

1 融入思政，实现课程思政育人

“人无德不立，国无德不兴”。立德树人是教育的根本任务，拔尖创新人才的发展应以德为先。秉承为党育人，为国育才的初心，根据化学学科发展史、学科特色和专业优势，提炼无机和分析化学实验知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，引导学生树立正确的国家观、民族观、历史观和文化观，客观科学地看待、判断和分析自然现象和社会问题。例如：我们在“口服液和生物质中的铁含量”实验中，将测定紫金港校园内花草树木中的铁含量作为思政映射点和素材，将课程思政教育如盐入水般融入到专业知识的教学中，实现学生和校园的紧密相连，让学生享受浙大之美，化学之美、自然之美。激发学生蓬勃的生命力，使学生成为热爱祖国、热爱科学、热爱生活的人。通过重大化学学科成果、著名科学家和企业家的介绍，例如：在“蛋氨酸合铜(II)的制备及组成的测定”实验中，介绍了浙江大学化学系系友企业——浙江新和成股份有限公司，率先利用自主知识产权技术，率先利用自主知识产权技术，实现“十五万吨蛋氨酸的工业化生产”，跻身蛋氨酸全球主要供应商行列。激发专业自豪感和使命感，加强精益求精科学精神的培养，增强学生构建和谐社会和人类共同命运体的个人责任与担当。

2 立足课堂，实现三基系统强化训练

扎实的学科基本能力是学生在学术探究冲动下实现自我超越的条件。“无机和分析化学实验”作为一门实验专业课，首要目标是通过无机物的制备、分离提纯、分析鉴定，分阶段递进式加深加强对学生基本理论、基本知识和基本技能的三基系统化训练。

2.1 学生实验能力的评估与相应的实验教学方案的设计

通过进入实验室前、实验过程中和实验结束后的安全事项调查问卷来评估学生的安全意识，进行针对性的安全培训强化。培训内容包括五大部分：(1) 认识和预测实验室危害，树立安全意识和个人的安全职责；(2) 了解和熟悉实验室安全设施(灭火器、喷淋装置、洗眼器、灭火毯、护目镜等)及其位置，掌握使用安全设施和防护用品的正确使用方法；(3) 预习实验室所用到的原料、仪器和操作过程的危险性和对策；(4) 结合案例讨论安全注意事项，演练安全器材的使用及应急处理方法；(5) 掌握废弃物(废水、废气、废液)的正确处理方法，最后进行线上安全准入考试。使学生明确本课程的安全注意事项，有意识地妥善处理各种不同的有潜在危险的物质，保护人身健康、实验室和周围环境的安全，具备在实验室进行实验操作的资格。布置在线预习单元实验操作视频。我们在第2次实验课上进行了安全准入考试和实验摸底考试。通过氢氧化钠溶液的标定评估了学生实验的理论和操作水平。评估结果表明：有化学竞赛经历学生的理论和操作水平普遍高于无竞赛经历的学生，学生的实验操作需要进一步规范，学生的思维非常活跃，领悟性很强，实验过程中表现出探究兴趣。针对摸底考试情况，有针对性地选择并调整适合学生水平的实验项目和实验内容，根据实验课程进展情况逐步提升教学内容。基本思路是依次开展三基(基本理论、基本知识和基本技能)集中强化训练、综合性实验、探究性实验，协同提高学生的实验操作水平、实验统筹能力及创新能力。其中三基强化训练实验3个，总计18学时；综合性实验4个，总计24学时；探究性实验3个，总计36学时，教学安排见表1。

表1 “无机和分析化学实验”递进式教学安排

2.2 三基的系统强化训练

针对摸底操作考试的情况，设计“不同种类的粗盐提纯及鉴定”的无机合成类实验和“多种方法测定实际样品中多种酸的解离平衡常数和解离度”的分析类实验，对学生进行基本操作的集中强化训练，加深学生对实验知识的理解，通过10次的过滤和18次的滴定操作让学生在最短时间里熟练掌握溶解、蒸发、浓缩、冷却结晶、常压过滤、减压抽滤、倾析法等无机合成操作及称量、移液、定容、滴定等分析操作，系统化夯实实验技能。

我们在经典实验的基础上设计了基础理论知识相关的实验问题，让学生通过实验来分析和总结规律。比如：在“多种方法测定实际样品中多种酸的解离平衡常数和解离度”实验中，要求学生设计两种以上的实验方案来实现解离常数和解离度的测定，阐述解离常数和解离度的影响因素。在加强三基基本训练的同时训练了学生的化学逻辑思维。

2.3 实验技能的提高和升华

设计承载本学科思想和方法、贴近生活、综合性强、实用性强的综合性实验内容。例如：开设“口服液和生物质中的铁含量”实验，从摩尔吸光系数的本质和光程两方面思考如何提高紫外-可见光谱检测的灵敏度。利用分光光度法的标准曲线法和化学分析法测定铁含量，引导学生比较不同分析方法的特点和分析对象，分析并建立待测量与实验可测量之间的定量关系，透过实验现象和数据挖掘隐含的科学思想和方法，促进学生系统性学习，提升学生灵活应用基本理论、基本知识和基本操作，培养和提升实验技能的综合运用能力。

在“口服液和生物质中的铁含量”和“实际样品中氟离子含量的测定”实验中，通过测定浙江大学紫金港校园内花草树木中的铁含量及牙膏、饮料中的氟含量，使学生掌握液体、固体等不同复杂样品的处理方法，提高解决实际问题的能力。

在“从废弃物制备硫酸铝钾的大晶体及铝含量的测定”实验中，通过溶液浓度和温度的调控来实现纯净透明规整晶种的可控生长，并再次通过调控母液的浓度和温度，获得通透规整的八面体硫酸铝钾大晶体，做透做实结晶相关的实验，提高和升华了实验技能。进一步提升实验难度，在“从不同原料制备硫酸亚铁铵晶体及其组分的测定”实验中，选用不同的重结晶溶剂和不同配比的混合溶剂，探究了重结晶溶剂对晶体形貌的影响和单晶的培养条件，获得了硫酸亚铁铵的单晶并进行了单晶XRD衍射分析，完成了从普通的重结晶到单晶培养实验技能的升华。

3 依托科研优势提升课程质量

3.1 以实现“拔尖人才”培养“拔尖创新人才”为目标的教学团队组建

教师是课程的灵魂，直接影响拔尖创新人才的培养。我们组建了由八位教师(国家杰青、万人计划，国家优青，求是特聘教授等高层次科研人才和教学卓越岗等优秀教学人才)、两位实验技术人员和两位博士生助教相融合的教学团队。高层次人才在“无机和分析化学实验”课程的教学中负责探究性实验内容的开发与设计。其中5位高层次人才分别全程独立指导了“从废弃物制备硫酸铝钾的大晶体及铝含量的测定”“蛋氨酸合铜(II)的制备及其组成的测定”“乙二胺合钴盐光学异构体的制备与拆分”“吸波隐身(形)材料的制备与分析”和“团簇的制备及分析”等实验并批改设计方案和实验报告，1位人才做了文献检索和数据分析讲座。高层次人才和其他老师共同参与贴近生活、综合性强、实用性强的实验教学内容的设计。

秉承“提高学术志趣，激发探索欲望”的教学理念，通过学术造诣深厚和教学经验丰富的一线教师的深度介入，让学生了解世界研究热点、学科前沿，国家的战略需求，顶尖学者思考问题的角度和方法，学习拔尖人才的学术探究精神、学术情怀与攻克学术难题的意志品质，接受学术前辈高尚人格品质的熏陶，明晰学习目标和发展趋势，以实现“拔尖人才”培养“拔尖创新人才”的目标。发挥高层次人才的引领作用，倡导启发式探索性教学方法，挖掘学生的科研潜力，创建全方位、立体化、科教融合式的化学实验教学课程，提升本课程的教学水平。

3.2 科研成果转化为高阶性、创新性、前沿性和挑战度的实验教学内容

实验内容是课程质量的载体。钱伟长先生指出：教学没有科研底子，就是一个没有观点的教育，没有灵魂的教育[8]。发挥浙江大学基础学科与科学研究的优势，将学科资源和科研资源转化为优质的教学资源：教师科研成果进课堂、前沿学科动态进课堂、社会科技热点问题进课堂，实现科研反哺教学，促进科学精神和科学思维的养成。具体是将化学系科研成果，如：手性拆分、吸波隐身(形)材料和纳米团簇发光材料引入“无机和分析化学实验”教学中，开发了系列综合性强、可操作性强的小型探究性实验，例如在团簇实验中，学生从不同金属离子的价电子构型与配体基团的结构入手，对团簇的发光性能进行了探究。学生根据软硬酸碱理论推测所合成团簇化合物的稳定性，探究了空间位阻对动力学反应性的影响。为学生创建了探究性学习的情境，提供了个性化学习的空间。

吸波隐身(形)材料的表征对理解材料的形貌、性能及应用是非常必要的，可以使学生对所合成的材料有更深入的理解，并激发学生进一步探究的兴趣。因此我们在实验教学中引入了现代的材料表征技术，邀请仪器分析实验课程教师对学生进行基本操作培训，使学生掌握制样和仪器操作，了解基本原理，能通过与标准谱图的对照进行谱图解析。材料表征相关视频及资料上传至“学在浙大”平台，学生可重复观看。本课程中材料表征技术的引入使低年级的学生对材料表征技术有了实际的体验，在随后的高阶教学中将进一步讲解仪器结构、测试原理和未知复杂样品的分离分析。

通过科研成果转化的实验项目让学生初步了解科研动态以及开展科研的基本思路和基本方法，提升学生综合运用专业学科知识解决问题的能力，引导学生从“学会”向“会学”的转变，充分发挥学生的主体地位和教师的主导作用，激发创新意识、培养创新精神。本课程的教学对学生产生了强大的吸引力。

3.3 以科研思路引领学生完成实验项目

学生进入大学以后，面临一个全新的学习环境，在学习上出现了迷茫，以往高中的刷题式学习方法遇到了很大的挑战，如何解决学生在这方面的迷茫，将科研思维的培养扎根在头脑中，激发学生主动学习的意识，提升学生的专业归属感和自豪感，是“无机和分析化学实验”课程教学改革的主要目标。保姆式实验教学崇尚对学生进行投喂式的传授，追求标准答案式的传授，即时满足学生对标准答案的需求，这缓解了学生对未知事物的焦虑，但是不利于学生思辨性思维的形成和可持续发展的综合素质的培养。科研一线教师分享科研经历，以批判性思维对实验内容和实验过程进行重新认识和审视[11]，以化学学科逻辑完成实验项目。

在“蛋氨酸合铜(II)的制备及组成的测定”实验中，学生对蛋氨酸与碘的反应机理不清晰，老师通过启发式的递进式提问引导学生围绕问题查阅文献，主动思考，小组讨论来理解蛋氨酸与碘的作用机理。当学生对配位反应所需的pH有质疑时，老师提出条件稳定常数的概念，引导学生从金属离子、滴定剂乙二胺四乙酸(EDTA)各自的副反应分析滴定条件对配位滴定的影响，确定准确滴定的条件，主动设计实验方案，提出可行性实验方法，解决实验中所遇到的问题。

4 注重表达和交流，激发思辨

哈佛大学的迈克尔·桑德尔(Michael J. Sandel)教授[18]指出，“让学生参与讨论，这种互动性的方式对于教师来说在控制课堂上有些风险，因为会存在不确定的因素，但正因为有这些的存在，才会让课程更有灵气，师生之间才会出现闪光点。”闪光点的出现说明大家都在真正地思考。本课程三次探究性实验中学生以小组为单位开展实验，教师把学生带入一个个具体的困境，不断地抛出尖锐的问题，启发思考和辩论，但不会给出标准答案，为学生创造更多自由探讨的氛围。学生通过查阅文献，小组成员积极讨论，自行设计实验方案，教师密切跟进过程，鼓励学生发现问题，大胆猜想与独立论证，这种方式极大地调动了学生的学习兴趣，锻炼了学生的文献调研能力、自学能力、科学表达能力和实际解决问题的能力。同时培养学生的严谨性，要求专业术语的缩略语、略称或代号，在首次出现时需注明其全称或加以说明。在答辩课上，学生针对本学期的实验内容进行汇报，积极讨论和互动，教师给予点评。讨论中以“会质疑、重实证、讲逻辑”为基本要点，培养学生求真、理性、推理、变通、综融的思维技能，帮助学生成为拥有反思能力、创新意识和多元流动思维的复合型人才。

学术探究冲动是直接推动学术人才执着于学术探究活动的内在动力[19]。采取有效措施保护学生的学术探究冲动，激发学生“做”学术的兴趣、体验“做”学术的快乐，培养他们的质疑精神，将他们的学术探究兴趣从有趣发展为乐趣，并进一步发展成为学术志趣。为学生全面认知与深度体验基础学科探究活动创造条件。锻炼克服困难的意志，体验学术探究的成功与喜悦，萌生崇高的学术情怀。

5 信息化教学平台的使用和建设

依托“学在浙大”教学平台，我们推行了讲义、实验相关素材、视频、预习报告、实验报告等内容的电子版无纸化教学，做到了高效、即时、灵动、开放，实现了有效的大信息量沟通。针对强基班和求是班的学生理论基础较为扎实，思维非常活跃，学习主动性很强的特点，我们给学生提供了更多的开放性问题，引发学生的思考，培养学生发现问题、提出问题的能力，促进学生科学思维的训练。要求学生观看视频，根据实验内容自主提出与实验相关的思考题，上交电子版预习报告，预习报告包括实验步骤、思考题和注意事项三方面的内容。通过对实验步骤的充分预习，熟悉实验的基本内容，做到心中有数。通过注意事项的思考，学生明确了实验中可能存在的危险及所用试剂的安全性。根据学生的实验过程随时丰富完善实验讲义，随时上传教学相关素材，实现即时灵动开放式的教学模式。要求学生利用绘图软件和数据处理软件撰写电子版实验报告和探究性实验报告，鼓励学生针对实验内容提出自己的观点，注重报告的规范性。学生在“学在浙大”教学平台上上传实验过程记录和产品图片，加强对学生的跟踪评价，实现实验全过程管理。

6 结语

通过高层次人才的深度介入，培养学生正确的价值取向，自主的钻研创新精神和浓厚的科研兴趣。立足课堂，夯实化学学科基础，建立以问题和课题为核心的项目式实验教学模式，倡导启发式探索性教学方法，学会思考、批判和选择，激发学生“做”学术的兴趣、创建以培养拔尖创新人才为导向的科教融合式“无机和分析化学实验”课程教学模式，打造具有预判趋势的洞察力、整合资源的创造力、把握全局的领导力的卓越创新人才。