综合化学实验的选题原则及教学探讨

刘春英 冯锡兰 刘大鹏 李汝奕 罗立文

中国石油大学（华东）化学化工学院，山东 青岛 266580

无机及分析化学综合实验课程（以下简称“综合化学实验课程”）自2011年开设以来，一直是我校化学工程与工艺、应用化学、材料化学和环境工程等专业学生喜欢的限选课程之一。综合化学实验课程的教学目标是：加强学生基本实验技能、提高综合设计和实践能力、提高科学研究和创新能力。在这门课的学习过程中，学生要完成选题、文献查阅、方案设计、方案实施、科技论文写作等一系列任务，其中每一环节都是不可或缺的。在选题环节中，学生需要从教师确定的三十多个课题中选定，这些题目涉及的类型有：环保、废物回收与利用、教师科研的部分内容。题目具有综合性、设计性和研究性的特点。教师需要审慎、严谨地选定这些题目，从而使学生选择任一题目都能达到锻炼和学习的目的。可以说，合适的选题是保证学生课程学习能够顺利、高效进行的基础。本文主要探讨综合化学实验的选题原则，分析实验教学实施过程中存在的问题，并提出改进措施，以期更好地达到课程目标、提高教学质量。

一、综合化学实验的选题原则

教师选定的综合化学实验题目，首先要求内容丰富、涉及面广，能让不同学习基础的学生有选择的余地，满足学生个性化需求；其次，在符合实验教学大纲和教学目标要求的同时，要考虑题目能够让学生感兴趣，有知识性、探究性。综合起来，选题需要遵循以下原则：科教融合、绿色环保、综合设计。

（一）科教融合原则

教师丰富的科研内容和成果是非常宝贵的潜在实验教学资源，将科研与教学紧密结合是提高实验教学水平的有效途径，所以在综合化学实验教学中可将教师的科研项目的部分内容设计成探究式的综合实验。例如，可选择的题目有：“氢氧化镁阻燃剂的制备与含量分析”“氢氧化镁阻燃剂的表面改性与应用”“废炼油催化剂中回收镍”“水热法制备NaY 分子筛及表征”等。以氢氧化镁阻燃剂的制备、表面改性与应用为例，这些研究内容是教师参与某一企业项目的一部分，企业以盐湖卤水或卤块为原料、采用水热法低成本合成出片状氢氧化镁，并进行了放大生产。如果选择了“氢氧化镁阻燃剂的表面改性与应用”这个题目，学生首先要查阅文献，了解氢氧化镁的阻燃性能和阻燃原理、不同形貌的氢氧化镁阻燃效果不同以及无机粉体表面改性原理等，根据阻燃剂性能要求设计出纳米或片状氢氧化镁的制备、氢氧化镁表面改性方法及氢氧化镁填充EVA复合材料的氧指数测定的实验方案；然后准备实验、开展实验，制备出氢氧化镁阻燃剂；再对产品进行表面改性、性能测试，即测定其活化指数、沉降体积、吸油量等，分析其表面改性效果；接着采用仪器分析技术分析样品结构、存在基团类型和粒径大小；进而制备氢氧化镁填充EVA复合材料，进行阻燃性能测试；最后进行数据处理和表征图谱分析，撰写科技论文。

学生在实验教学过程中将教师的科研内容转化为综合化学实验，拓展了实验教学内容的深度和广度，使实验具有前沿性和挑战性。学生针对某一课题，掌握该领域的前沿知识、最新研究方法以及相关的实验技术、现代仪器分析技术，如采用红外光谱技术、XRD 衍射技术、扫描电镜技术、透射电镜技术等表征样品并进行谱图解析。虽然有些仪器的使用及分析对二年级大学生来说有一定的挑战性和难度，但是将科研内容融入实验教学中，能够让大多数学生充分体会到理论和科研、生产实际的紧密结合，体会到科学研究的探索性、严谨性和实用性；了解并实践了科研的一般过程，培养了科研的科学精神和创新意识，加强了学生学习的主动性和独立性，同时提高了学生参加大学生创新实验和科研活动的积极性。

（二）绿色环保原则

利用生活垃圾、食物废弃物或实验室废液等为原料设计绿色综合化学实验，例如废旧电池的回收利用，从海虹壳、扇贝壳或浒苔中分离和鉴定某些元素，从海带中分离和鉴定某些元素等。这些实验项目成本低廉、操作方案简便、试剂毒害性小。以废旧电池的回收利用为例，学生分解电池后回收MnO、碳棒、锌皮后，由锌皮制备出七水硫酸锌晶体，测定产品中七水硫酸锌的含量，同时检验产品中是否存在Cl、Fe及Pb、Mn、Cd等金属离子。通过这些实验过程，学生可以直观地了解干电池的组成和废旧电池的回收利用方法。再例如，无机化学实验教学过程会产生无机物废液，学校都是对其集中收集后交给污水处理公司处理，我们可以有针对性地选出一些无机物废液转化成试剂并设计成综合实验项目，例如从废铜液中回收硫酸铜及含量测定、从废碘液中回收单质碘及含量测定等。在学生设计方案、实施实验过程中，教师指导学生优化方案，督促其尽可能减少化学试剂的使用量、提高试剂的利用率，学生逐渐就会有意识地、自觉地科学合理回收、处理废弃物。通过以上这些实验项目的实施，学生不仅将实验室部分废液变废为宝，进一步学习了实验基本操作、提高了综合实验技能，而且培养了环境保护、绿色化学及资源综合利用的理念。

（三）综合设计原则

综合化学实验教学不仅要将学生所学的理论知识、实验方法和实验技能相结合，还要体现实验的综合性、设计性和研究性的特点。除了上面介绍的题目，再举几个例子：水热法制备纳米氧化铁粉体及其表征、超细氧化钴粉末的制备及其表征、二水醋酸锌的制备及其含量分析、洗衣粉中表面活性剂的提取及其离子型鉴定、B-Z振荡反应实验及机理综述等。学生先设计多种方案，再和教师探讨各种方案的优缺点、可行性，最终确定二至三种方案。实验内容应涉及无机化学、分析化学、有机化学实验操作及相关仪器的使用，实验方案要体现综合性、设计性的特点。以聚合硫酸氯化铝铁的制备与应用为例，学生通过优化条件制备出无机高分子絮凝剂聚合硫酸氯化铝铁，再将其用于处理油田污水或者染料液，考查其絮凝效果（对污水的除浊和脱色效果）。学生不仅要掌握无机合成多种方法，还要掌握分光光度计、浊度计、pH 酸度计等普通仪器的使用。类似题目的训练培养了学生的初步科研能力和实际应用能力。

二、教学实施过程中存在的问题及改进措施

综合化学实验这门课在开设的初期，存在着运行经费短缺、实验室开放时间不足、实验题目较少等很多不足之处。随着课程连年开设，可供选择的实验题目逐年增多，实验条件逐渐得到好转，试剂由少到多逐渐积累，小型仪器逐渐增多，实验室可以保证全天开放。但是，仍需要从实验室管理和学生管理两个方面加强改进工作。

（一）需要加强实验室管理，责任明确到人

由于综合化学实验题目的多样性以及每一组学生设计方案的多样性和特殊性，本课程的实验室管理、教学过程监督管理和实验指导同常规实验课相比有较大的挑战性和难度。实验室条件的限制给实验室管理人员试剂、仪器的准备工作和实验室之间的协调工作带来较大的难度和额外的工作量，因而指导教师和实验室工作人员要有较强的责任心，为这门课程投入更多的精力和时间；实验室管理要有制度、有秩序；实验室工作人员的实验准备工作要做得更细致。不能因为实验条件不足而让学生感觉自己的想法和方案不能实施；不能让学生因为找试剂和仪器而浪费太多时间；不能因为缺乏试剂而反复修改学生的研究思路，要使学生激发出来的灵感得到最好的实施和验证。很多实验课题要用到大型仪器，实验室工作人员和指导教师要尽可能同其他教师协调，让学生能够使用这些仪器表征样品，或者管理仪器的教师能够给学生测定样品性能，满足学生表征样品的要求，这样学生的实验数据才会及时、可靠、丰富。另外，实验设备老化是很多高校的共有问题，而实验设备是影响师生积极性和教学效率的一个大问题，因而更新设备是保证实验效果的一个重要保障。为综合化学实验教学配备的某些仪器因使用年限较长、过于陈旧，需要尽快更换设备，这需要化学实验中心的大力支持。总之，实验室的管理制度需要到位、详细，包括大型仪器的共享、使用和管理等各方面要责任明确到人，使得指导教师、实验室管理人员和学生明确实验过程中自己的责任，这样的实验室管理才科学，才能使实验室得以安全、有序地运行，为其他基础类实验和专业类综合化学实验课程服务，从而大大提高实验教学的效果和效率。

（二）需要加强学生管理，发挥学生主观能动性

综合化学实验开设的起始和终止时间及周数是确定的，学生在没有其他课程时都可以进实验室做实验，自主选择的时间多，也就是说，在两周半的时间内实验室全天开放，学生可以灵活安排时间，这是优势。但是，不同专业的学生因课程安排不同而空余时间不同，因而每天来实验室的时间不固定。当选课的学生较多时，教师对于学生的管理，例如签到，实验室的使用、卫生保障，试剂和仪器的使用管理都有难度。如果教师和实验室工作人员管理不善，对自己要求不严格的学生就会不积极投入实验，或试剂摆放混乱，仪器操作不正确、不归位，或者不注意打扫实验室卫生等。因此，教师在鼓励学生认真学习这门课程的同时，必须对学生加强管理，严格执行签到制度，进行平时数据检查，明确每个课题的任务，进行工作量阶段检查以及每天的监督和检查等。这时，指导教师的任务不再是对学生传授知识点，而是对学生学习、实验习惯的引导以及实验的辅导、启发、协助、监督和管理。这样既能帮助学生逐渐养成良好的实验习惯，又能保障学生在实验课程学习过程中的主体性。

（三）需要构建科学的实验考核评价模式

激发学生兴趣的不只是实验题目及实验过程的探索，还有来自教师的鼓励以及合理的实验课程成绩评价。课程开始时要对学生明确实验室规则、课程要求、每个课题的总体要求和成绩评价内容及标准等，这样会促使学生有内在压力和自身要求，有利于提高实验效率。成绩总评包括学生的方案设计成绩（占10%）、平时成绩（占40%）、科技论文成绩（占50%）。方案设计成绩评定依据方案是否具有多样性、是否有新意以及是否详细。平时成绩评定主要包括学生的学习态度、实验工作量、实验操作规范、分析和解决问题、实验环保和实验室卫生等方面的评价。科技论文成绩评定主要考虑学生撰写的文献综述是否有深度和广度；实验数据是否真实、可靠和有效，数据的分析和讨论是否有理有据、是否体现创新意识；结论是否准确；写作格式是否规范等。目前，我校实验教学准备增加答辩环节，通过学生陈述、回答教师提出的问题的情况给出答辩成绩。总之，综合化学实验课程成绩考核的科学性与合理性是影响该课程教学方法和教学效果的重要因素，还需要通过调研、考查和讨论来确定更全面的成绩评价标准，从而构建科学、合理的实验考核评价模式，进一步提高学生进行综合实验的积极性，提升实验教学质量。

三、结束语

综合化学实验延伸了理论教学和无机及分析化学常规实验教学的内容，给学生提供了一个很好的锻炼实践能力、科研能力的平台。综合化学实验题目的选择至关重要。综合化学实验与教师科研、生产实践、学生课外科研、绿色化学相结合，具有综合性、设计性、研究性、应用性和绿色环保性特点。要与时俱进、不断挖掘新路径，选择有创新性的、可操作的实验题目，去掉不利于锻炼学生能力的题目，从而使实验题目科学化、多样化，有利于全面提升实验教学质量。在综合化学实验教学过程中，要着力解决实验室管理和运行难，学生管理、学生合成样品的表征难等问题。学院、化学系和实验中心应提供大力支持，为学生顺利进行实验、仪器使用和样品表征提供更多的条件与方便，这样才能保证学生对这门课程感兴趣，愿意投入更多的时间进行实验，从被动学习状态转变为主动实践状态，实现以学生为主体的实践教学模式；也才能促使学生主动去质疑、思考，体会科学研究的严谨性、探索性、综合性和实用性，从而更好地提升学生的知识运用能力、综合实验设计能力、实践能力、科研创新能力和团结协作能力。