中国科学技术大学无机化学实验课程建设的探索与实践

第29卷第3期2014年6月 大学化学UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.3Jun.2014　中国科学技术大学无机化学实验课程建设的探索与实践*黄微**　李婉　刘卫　刘济红　田红军(中国科学技术大学化学实验教学中心　安徽合肥230026) 摘要　结合中国科学技术大学国家级化学实验教学示范中心的建设,介绍了无机化学实验课程在建设过程中的一些探索与实践,探讨了在建设课程体系㊁更新实验内容㊁提升学生兴趣㊁强化过程管理㊁加强师资建设等方面所采取的措施,以及所取得的初步成效,并对课程今后的发展提出了展望㊂ 关键词　无机化学实验　教学改革　课程体系　过程管理 无机化学实验是中国科学技术大学(以下简称中科大)面向化学与材料科学学院㊁少年班学院㊁地空学院的一年级本科生所开设的实验课程,年授课学时为200,年授课人数约300㊂作为新生进入高校后的第一门实验课,无机化学实验在整个化学教学中占有举足轻重的地位㊂因此,如何通过该课程的教学,在传授知识的同时,逐步提高低年级本科生学习化学的兴趣,培养学生的实验操作能力与分析观察能力,激发学生的创新意识,是该课程建设过程中亟需解决的问题[1⁃2]㊂近年来,笔者所在的无机化学实验课程组密切配合安徽省精品课程 无机化学”的课堂教学,在建设实验教学体系㊁更新课程内容㊁提升学生兴趣㊁强化过程管理㊁加强师资建设等方面采取了多项举措,获得了一定成效㊂现就我们在课程建设过程中的探索和实践与各位同仁探讨,以期作为参考㊂1　合理建设课程体系 无机化学实验的授课对象为刚跨入大学校门的新生,他们在学习方法和思维习惯上还处于由中学生到大学生的角色转变阶段,因此,在课程设置方面,我们依照学生在不同阶段所具备的知识水平与认知情况,对无机化学实验的教学内容进行了合理设计与编排,根据循序渐进的原则,分3层次开展实验教学㊂ 针对大部分新生实验基础薄弱,实验知识缺乏的情况,在一年级的第一学期(即秋季学期),课程组开设了无机化学实验(上)(必修课,80学时)㊂内容设计以传授学生基本实验知识㊁训练学生基本操作为目标㊂因此,该阶段的教学内容以基础型和验证型实验为主,如 硝酸钾的制备及提纯”, 容量分析操作”, 由废铁屑制备莫尔盐”㊂实验内容包括称量㊁溶解㊁加热㊁过滤㊁结晶㊁移液和滴定操作等㊂实验时,教师对每个基本操作进行演示,讲解操作要点,并认真观察学生操作情况,及时纠正错误操作㊂通过该阶段的实验训练,学生的实验技能有了逐步提高,实验操作开始较为自如,数据的精密度和准确度均有所提高[3]㊂ 在学生掌握了基本实验知识,进行了较为充分的基本实验技能训练之后,实验教学的重心应转移至培养学生发现问题㊁分析问题㊁解决问题的能力上㊂因此,在一年级第二学期(即春季学期)的无机化学实验(下)(必修课,80学时)中,我们逐步增加了综合型实验的比例㊂实验项目既有经典的综合型实* **基金资助:国家级实验教学示范中心建设项目;2012年安徽省教学研究项目(No.2012jyxm020);中国科学技术大学本科教学研究项目;2013年度安徽省重大教学改革项目通讯联系人,E⁃mail:hwnk@验,如 三草酸合铁酸钾的制备及配阴离子电荷数的测定”㊁ 顺式二甘氨酸合铜的制备及铜含量测定”㊁ 葡萄糖酸锌的制备及成分分析”;又有由科研成果转化而来的综合型实验,如 银纳米片的合成及光谱分析”㊁ 纳米氧化型石墨烯的制备及表征”, 酞菁酮大环配合物的制备及表征”㊂通过上述综合实验的学习,一方面可以进一步强化学生对化学基本理论的理解和对化学基本定律的灵活应用;另一方面也可以培养学生对实验现象的分析观察能力,以及对实验中出现问题的思考和解决能力㊂ 此外,考虑到我校有部分化学竞赛保送生,以及化学科技英才班学生,面对上述统一的实验内容,他们常常感觉 吃不饱”㊂因此,针对这部分学有余力㊁对科研有浓厚兴趣的低年级本科生,我们在一年级的第三学期(即夏季学期)适时开设了化学科研基础训练实验选修课程(40学时)㊂授课教师基于学科最新进展和社会热点问题,为学生精心设置了多个研究设计型实验项目,如 壳聚糖纳米药物载体的制备及体外缓释性能研究”[4], 纳米氧化锌的制备及光催化性能研究”[5], 食用碘盐中碘含量的测定”, 无机荧光材料的制备”[6]㊂课程形式为完整地模拟一次科研过程㊂即在教师指导下,学生自主选择研究课题,完成从文献检索㊁方案设计㊁实验实施㊁问题解决到论文撰写㊁结题汇报这一完整的科研实践过程㊂该阶段的实验教学,既从实验内容上加强了各学科间的交叉融合,又从教学方式上强化了学生的中心主导地位,是对学生所学知识的综合应用以及掌握情况的实战训练,给学生提供了更多自我选择㊁自主学习的空间[7]㊂ 上述的3层次实验教学体系,涵盖了基础型㊁综合型㊁设计型实验,依据先简单后复杂的教学模式,层层递进,不断深化,有利于不同阶段㊁不同认知水平学生的能力培养与发展㊂2　及时融入科研成果 在无机化学实验教学中,课程组还参考学科发展的最新报道及科研实践,有选择地进行归纳㊁取舍,将部分学术前沿内容渗透至实验教学中,使学生能够及时了解学科进展,接触前沿知识,确保课程内容的先进性和完整性,有效实现了中科大资源共享和教学科研双赢的目的㊂例如,依据2010年诺贝尔物理奖的工作,并结合本校化学系杰出青年基金获得者俞书宏教授的工作[8],无机化学实验课程组于2011年为学生开设了 纳米氧化型石墨烯的制备及表征”实验,即利用氧化反应破坏石墨层的π⁃π作用,得到氧化型石墨烯(图1)㊂学生感慨道 没想到这么前沿的科学领域居然是基于最基本的理论知识,真是学以致用!”图1摇制备氧化型石墨烯的反应式 又如:纳米贵金属(尤其是Ag 和Au)因其在光㊁电㊁催化等方面具有不同于块体材料的特性而成为材料科学领域的研究热点㊂无机化学实验课程组适时为学生开设了 银纳米片的合成及光谱分析”实验㊂该实验采用液相还原法,以硝酸银为前驱体,以聚乙烯吡咯烷酮和柠檬酸三钠为表面活性剂和保护剂,通过加入不同剂量的硼氢化钠还原硝酸银,从而得到不同厚度的银纳米片㊂ 将科研成果转化为本科实验教学,能使学生在实验中了解科学研究的前沿进展,领悟科学探索和研究的方法,提高综合实践能力与创新能力,进一步提高教学质量㊂但在二者的转化过程中,往往要利用仪器对产品性能进行表征,而学生在一年级时却尚未学习仪器分析课程㊂因此,如何使学生既能掌握前22大学化学第29卷　沿知识,又能深入了解实验,做到教学与实验紧密结合,是我们在开设该类型实验时所面临的最大问题㊂我们所采取的方式是对实验内容进行优化,尽量采用一年级本科生所掌握的仪器测试方法进行产品表征㊂如:对于 纳米氧化型石墨烯的制备及表征”实验,我们采用欧姆表测定制备出的氧化型石墨烯薄膜的电阻,并与石墨烯薄膜的电阻进行对比,让学生意识到不同材料的特性及应用㊂又如:对于 银纳米片的合成及光谱分析”实验,针对 不同尺寸的银纳米片具有不同的表面等离子体共振吸收性质,从而使其胶体溶液呈现出不同颜色”的特性,我们设计了采用分光光度法对银纳米片进行表征㊂这些优化与变革,不仅加深了学生对实验的认识,也复习了所学过的仪器表征方法,一举两得㊂此外,对于部分难以对实验表征手段进行优化变革的实验,如 酞菁酮大环配合物的制备及表征”实验,我们采取分组进行仪器测试的方法,即将学生分成若干大组,每组送一份样品至仪器分析实验室,教师简单讲解仪器工作原理,进行红外㊁元素分析表征;在下次实验课时,教师公布各组实验结果,并进行分析比对㊂这样就能在不大量增加教师工作量的前提下,让学生意识到制备过程对实验结果的影响,从而提高学生的实验严谨度和对科学探索的兴趣㊂3　提升学生实验兴趣 很多学生对基础无机化学实验重视程度不够,课前未能充分预习,面对实验原理和繁琐的实验步骤,有时兴趣不高,实验操作也多是照葫芦画瓢㊂针对这一情况,无机化学实验课程组采用了多元化的教学方式,将多媒体㊁板书以及实验演示有机结合,全方位㊁多角度㊁立体化展示化学实验,从而激发学生实验兴趣,提高教学效率㊂例如:在讲解 莫尔滴定”这一经典实验时,会涉及到体系颜色的多次变化,传统的教学是大篇幅文字和单一的板书,学生往往感觉比较抽象,理解起来较为困难㊂我们所采取的方式是在课堂上展示自制的多媒体动画课件,将各种颜色的变化直观地进行反映,使学生形成初步印象,再辅以现场的实验演示,进一步加深学生理解㊂又如:在讲解 燃料电池粉体制备”实验时,我们向学生现场展示了锌锰电池㊁燃料电池㊁铅蓄电池㊁镍氢电池,并对电池的正负极材料㊁电池反应以及优缺点等进行了简单介绍,使学生在学习知识的同时,对新兴的绿色能源也获得了初步的了解㊂通过这种方式的教学,能够有效改进学生实验课预习不充分的现状,使枯燥的教学过程变得生动,整个课堂教学更富艺术性,从而提升学生自主学习的主动性,逐步完成从 要我学”到 我要学”的转变[11⁃12]㊂4　明确强化过程管理 化学是一门以实验为基础的学科,良好的实验习惯是每位化学工作者所必备的基本素质㊂因此,在一年级的实验教学中,无机化学实验课程组在总结多年化学实验课考核方法的基础上,进一步明确和强化过程管理,从细节着手,逐步建立了一套较为科学公正的实验考核制度(见表1),使整个实验教学过程更加规范化[13]㊂例如: 煤气灯使用”是期中考试的项目之一,我们对于每一操作细节均有考核,如在打开煤气总阀㊁关闭空气入口㊁开煤气分阀㊁打开煤气螺旋钮㊁点燃煤气灯㊁调节煤气和空气进量比例至正常火焰等环节上进行逐项监督和评分㊂又如: 粗食盐的提纯及成分分析”是无机化学实验(上)的期末考试项目之一,除了对实验原理㊁实验思考题等进行笔试考核外,我们还综合考察了学生对该实验所涉及基本操作的掌握情况(如固体试剂取用㊁液体试剂量取㊁煤气灯使用㊁pH 试纸使用㊁减压抽滤㊁普通过滤㊁蒸发浓缩等),并通过考察学生对实验结果的分析以及对实验中出现问题的处理情况,对学生的学习能力进行综合评判㊂通过在无机化学实验教学中明确和强化过程管理,推行课程考核制度,达到了检验教学效果㊁完善教学内容㊁改进教学方法的目的,也可促使一年级本科生受到规范严格的实验训练,为他们养成良好的实验习惯打下扎实的基础㊂32　第3期黄微等:中国科学技术大学无机化学实验课程建设的探索与实践42大学化学第29卷　表1摇无机化学实验课程成绩评定标准评价类别评价内容评价标准赋分平时成绩(80)实验操作规范的操作,认真仔细的观察3025实验报告积极有效的分析思考,数据的正确处理㊁结果的准确分析预习及实验记录完整㊁真实的预习及原始记录15台面及卫生出勤考核,整洁的实验区10期中考核(10)减压抽滤,固/液试剂量取,煤气考察基本实验操作知识10灯使用,定容,移液等10期末考核(10)选取一个有代表性的综合实验实验原理㊁思考题等笔试;实验操作㊁实验记录㊁收率㊁晶型㊁数据处理㊁分析讨论㊁实验收获总计1005　加强教师队伍建设 在建设课程体系,提高人才培养质量的过程中,教师队伍的建设是基础和关键㊂目前,无机化学实验课程组共有10位教师,其中5人具有博士学历,2人具有研究生学历,形成了一支敬业精神强㊁学历层次较高㊁年龄结构合理的实验教学队伍㊂这对于实验教学的顺利开展以及新实验的开发起到了良好的推动和促进作用㊂此外,课程组长期以来坚持实行集体预备实验制度,即不论实验项目新旧,不论实验所需时间长短,所有任课教师必须在课前预做下一个实验项目㊂通过集体预实验,可以检查实验药品或仪器是否齐全,温习实验的各个注意事项,清楚实验教学过程中可能出现的现象和细节,尤其是能给新教师提供良好的学习和交流机会,保证了实验课教师队伍的后续培养[14]㊂6　总结 自开设无机化学实验以来,课程组围绕教学体系和教学内容,制定了一系列适合不同层次的实验教学大纲,在教学方法和教学手段方面均作出了大量尝试和努力,并取得了一定成效㊂今后,我们还将继续从如下几方面加强对该课程的教学研究与探索:(1)深化教学改革,不断探索符合教学规律的新方法㊁新思想;(2)更新课程内容,及时将最新的科研成果引入至本科实验教学,进一步确保课程内容的先进性和完整性;(3)加强实验室软硬件建设,多渠道㊁多方面争取实验室建设经费,改善实验条件,提高管理效率;(4)进一步加强教师队伍的建设,不断吸引更多高学历㊁高水平的教师加入到课程教学队伍中来㊂参　考　文　献[1]　李巧云.实验室研究与探索,2002,21(2):33[2]　黎红梅,刘静,王险峰.大学化学,2011,26(5):39[3]　李秀玲,蔡吉清,曾秀琼,等.大学化学,2011,26(2):32[4]　Tian Q,Zhang C N,Wang X H,et al.Biomaterials,2010,31(17):4748[5]　Park S K,Park J H,Ko K Y,et al.Cryst Growth Des,2009,9(8):3615[6]　Armelao L,Heigl F,Jürgensen A,et al.J Phys Chem C,2007,111(28):10194[7]　黄微,陈锴,李维维,等.实验技术与管理,2012,29(1):14[8]　Yao H B,Wu L,Cui C H,et al.J Mater 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