化学专业综合实验教学模式研究

[摘要]应用化学综合实验是提高学生专业综合素质，培养学生实践能力和创新能力的有效模式。通过构建“以学生为中心”的专业综合实验教学模式，对传统的综合化学实验教学模式进行改革。通过问题导向、拓展思考以及基于学习迁移的自主设计等多种实验教学模式，充分调动学生的学习积极性，在对实验进行独立思考、设计与实施的过程中实现对学生专业实践和创新能力的培养，从而更好适应本专业领域科学研究和生产实践当中对学生素质与能力方面的客观要求。

[关键词]以学生为中心；应用化学综合实验；教学模式改革

化学学科是一门应用性和实践性都很强的实验学科，应用化学理科专业人才的培养包括专业知识、专业能力和专业素质培养三个主要方面，致力于培养具备扎实专业理论基础和实验技能，具有创新意识、实践能力和行业素质，能够解决应用化学领域实际问题，能在应用化学及相关领域从事生产、科学研究、应用开发等应用型高级专门人才[1]，实现学生学有所成，学以致用。作为理论联系实际的重要载体，应用化学专业课程体系中实验教学在整个专业教学环节中占有特殊的地位，具有举足轻重的作用[2]。培养具有创新能力和实践能力的人才是当前本科教学改革的重要研究内容之一，对于应用化学专业而言，实验课程是实现创新人才培养的重要途径。对于实验教学改革的目标而言，关键是要在实验的实施过程当中，以提升学生素质，开发学生潜能作为目的，并将以上目标融入实验教学的全过程。目前高等学校化学相关专业实验教学普遍存在实验内容陈旧、教学方式僵化、实验考核制度单一等诸多弊病，迫使学生被动接受教育的基本模式，造成了毕业生的知识结构大致相同，“百人一面”，极大地制约了学生创新潜力的挖掘[3]。难以实现专业培养目标当中对学生创新意识、实践能力和行业素质的培养要求。因此，实验课程的改革势在必行。应用化学理科专业综合化学实验是专业培养方案中沟通基础课和后期专业实践环节的重要桥梁，在专业培养体系当中促进了各二级学科之间的有机融合，起到承上启下的关键作用[4-5]，也是学生将所学专业课知识进行综合实践的主要途径。综合化学实验课程安排在大学三年级下学期，在学生修读完化学基础理论和实验课程以及大部分专业核心课程后进行，主要实验内容围绕目标化合物的合成，产物的分离与提纯，组成和性能表征三个主要环节展开，实验类型包括验证性实验、综合性实验和自主设计性实验三种类型。在实验课程的实施过程当中，针对以上三种类型的实验，进行教学模式的研究和改进，充分调动学生的积极性的同时，培养学生的创新意识和实践能力。

1验证性实验的问题导向法教学(PBL教学)

验证性实验是实验教学当中一种传统、常见的原理性质以及基本方法、基本技能的实验，可以通过学生对实验对应的某个概念或原理的理解，使学生掌握基本实验方法和技能[6]。通常验证性实验结果具有可预见性，往往给人有呆板无趣的印象，学生积极性通常不高，通常按部就班“照方抓药”，知其然不知其所以然，也就很难实现在实验过程中对相应知识的理解和技能的掌握，无法完成实验课程当中既定的知识和能力目标。应用化学专业综合实验课程在围绕目标化合物合成以及合成后目标产物进行简单分离等主要模块，仍然保留了一部分验证性为主的实验内容。为了避免实验教学中延续学生按照实验步骤照方抓药的现象，提高学生的学习积极性和学习效果，拟在这一部分验证性为主的实验课程教学中采用问题导向法进行教学，即PBL(Problembasedlearning)教学[7]。PBL教学由HowardBarrows和AnnKelson提出，是一种以问题为基础的学习方式，其核心理念认为“问题是学习的起点，也是选择知识的依据”。这一教学法实现了以学生为中心，通过激发学生的兴趣，调动学生的思维，使学生真正成为教学的主体，由于这一方法可以实现学生在课程知识目标和能力目标方面的共同达成，在国际上成为教学改革的主要趋势。在应用化学专业综合实验的部分验证性实验教学中采用PBL教学，主要可以通过设置预习思考题的方式进行。以上思考题涵盖了综合化学实验当中各步骤的要点，对于整个实验起到了一个提纲挈领的作用。在本课程的每一个验证性实验当中，都进行了预习思考题的设置，并通过预习报告，对学生完成预习思考题的模式进行验收。实例一，在甲基叔丁基醚的制备与表征的实验中，我们设计了如下问题：(1)目前工业制备和实验室制备甲基叔丁基醚主要有哪些方法？请简要指出以上方法的主要优点和不足。(2)在本实验当中，加入15%硫酸溶液的目的是什么？请查阅相关资料指出相应的机理。加入硫酸浓度过高或者过低可能对这一反应带来何种不良影响？(3)指出反应过程中可能出现的副产物并给出如何避免形成以上副产物的副反应发生以及如何实现以上副产物与目标产物甲基叔丁基醚的分离。(4)反应过程中，通过分馏柱收集40~60℃的馏分中都有哪些主要成分？如何将其他成分与目标产物实现分离？实例二，在绿色植物中色素提取、分离和鉴定的实验当中，我们设计了如下问题：(1)本实验研磨叶片之前，加入碳酸镁的主要目的是什么？(2)萃取过程中，加入氯化钠饱和溶液和加入蒸馏水的目的是什么？(3)请通过实验讲义中“氧化铝柱色谱”一节内容，判断胡萝卜素、叶黄素、叶绿素A和叶绿素B的极性顺序，并给出判断依据。(4)硅胶薄层色谱当中，如何测定各组分的比移值？通过预习环节中的问题导向，使学生在结合实验步骤的预习对以上问题进行思考的同时，应用网络、多媒体课件、电子图书等现代信息技术资源查找相关资料，并对查找资料进行分析、处理和综合，实现对所提出的预习问题进行解答[8]。通过预习思考题的设置，可以使得学生有的放矢的进行实验预习，理解实验每个步骤的意义，也在一定程度上提高了学生进行实验的兴趣和积极性。同时，在实验课程开始前，教师根据实验课程相关内容，对在以往教学过程中出现的常见问题进行总结。在实验课程实施过程中关注每一名学生的具体实验过程，通过讨论和启发的方式指导学生解决实验过程中出现的问题，常见的方式主要包括：关联相应理论知识、指导学生通过网络查阅寻找对策以及分析操作方式或步骤与实验结果之间的关系等等。通过PBL教学法，教师主要充当顾问的角色，可以实现学生对整个实验实施过程的自主思考，在加深对实验原理理解的基础上，较为自主地解决实验中需要的问题，并在这一过程中，获得处理相应或类型问题的经验，从而可以通过实验课程实现学生知识目标和能力目标的共同达成。

2综合性实验的拓展思考式教学

综合性实验主要指的是通过专业知识的综合，加强学生对专业知识内在联系的理解和掌握，让学生能够较系统地掌握从选题、方案论证、设计、系统实现，到最后的总结报告等全过程的各个环节，以培养学生学以致用的实践能力，并能够激发学生的创新潜能。开设综合实验的主要目的是在学生先修过无机化学实验、化学分析和仪器分析实验、有机化学实验等基础实验的基础上，根据学生在基础实验修读环节当中掌握的知识和能力，指导学生综合先修理论课程学到的知识和实验课程掌握的技能，独立分析问题和解决问题的能力。与验证性实验不同，综合性实验当中的实验方案设计并无一定的标准答案，具有一定的开放性，只要符合实验方案科学合理并能够解决实验当中需要解决的问题，都能够被认为是可行的实验方案。这就要求学生能够将对实验方案的拓展思考取代验证性实验当中点对点的简单问题分析，才能实现综合性实验目标的达成。“草酸根合铁(III)酸钾的制备和结构测定”是一个典型的综合性实验，课程实验讲义给出了制备这一化合物的方法。就讲义中制备实验的方法本身而言，该实验的制备模块可以作为一个小型的验证性实验。而通过实验制备得到化合物的结构测定则可以作为一个启发学生拓展性思考的实验内容，其内容核心在于如何定量测定构成此化合物的K元素、Fe元素以及配体草酸根离子的含量，并根据含量推测制得配合物的结构。学生需要通过应用先修课程当中化学分析和仪器分析的基础知识，根据待测元素和官能团的特点，查阅资料设计测定以上组成元素的实验方法。因此，在这一模块的实施当中，教师需要充当顾问的角色，对学生提出实验方案和科学性、合理性和可行性进行指导和建议。这一实验中，首先进行碱金属阳离子K+含量的定量测定；草酸根合铁(III)酸根络合阴离子的组成和相对含量测定实验环节，需要分别对Fe(III)和草酸根离子的含量进行定量测定。根据以上测定结果以及相关元素和官能团的主要性质，对以上络合物的结构进行推断和确定。在化合物组成成分定量测定环节当中引导学生拓展性思考的实施方法，以K+定量测定进行示例。学生通过查阅资料提出了多种分析检测方法并进行可行性分析后，选择采用了离子选择性电极测定法和四苯硼酸钾沉淀重量法两种化学分析方法进行测定的实验方案。教师根据学生的实验方案指出在该实验中离子选择性电极测定法干扰较小，并指导学生比较离子选择性电极测定法当中标准曲线法和标准加入法的测定结果，根据结果将以上两种方法的优劣进行比较。而四苯硼酸钾沉淀法测定易于受到草酸根合铁(III)酸根络合阴离子的干扰，教师需要引导学生设计实验方案，排除以上络合离子对于测定的干扰。根据学生的实验方案指导学生进行测定，并由学生对两种方法的测定结果进行比较和总结。应用相似的实验教学方法，指导学生完成对Fe(III)和草酸根离子的含量进行定量测定。在这一过程中，充分调动学生拓展思考下进行多种分析检测方法的设计、尝试与比较，有助于提高学生面对问题提出多元化解决方案的能力。完成以上组成元素和官能团的定量测定后，测定结果以及相关元素和官能团的主要性质，对以上络合物的结构进行推断和确定，并对结果进行分析和总结。学生根据测定数据，推断得到的结果当中K元素、Fe元素和草酸根的含量比例为非整数，推测的物质组成并非仅通过简单的理论分析先入为主得到的K3[Fe(C2O4)3]。学生对以上结果进行质疑。如何对以上实验结果进行分析，是这一综合性实验的另一拓展思考环节。在这一环节，教师的角色仅仅做到为学生释疑是不够的。通过配体草酸根的化学性质组织学生进行小组讨论，引导学生对配合物的结构进行思考，教师根据学生的拓展思考进行总结。指出作为双齿配体，草酸根可以通过双齿配合的方式与Fe3+形成较为稳定的五元环螯合物，也可以通过单齿配合的方式形成简单的配合物，因此在络合阴离子当中，两种配位方式共存，故草酸根合铁(III)酸钾可能存在K3[Fe(C2O4)3]与K5[Fe(C2O4)4]混合物的情况，而实验结果中的非整数正说明以上两种形式是以一定比例共存的。通过这一拓展思考环节，可以引导学生如何正确对待实验结果，并根据结果进行科学合理的分析，避免先入为主而轻易对实验结果进行否定。在此基础上，联系该实验的制备环节提出进一步拓展延伸的思考题，即如何通过控制和优化反应条件制备得到K3[Fe(C2O4)3]的纯净物，并指导学生尝试制备条件优化的实验环节，并对不同制备条件下制得的产物进行结构测定。通过以上制备-结构测定-制备条件优化的闭合反馈循环，培养学生进行化学专业相关科学研究初步的科研能力[9]。通过以上的多个拓展思考环节，能够更好地与专业培养计划当中毕业论文等实践环节进行接轨，使得学生能够更好地完成从理论环节到专业能力实践的过渡。

3基于学习迁移的自主设计性实验教学

自主设计性实验是近年来专业综合实验的一个新的发展方向和发展思路，在这一过程中，教师通过引导和启发学生的思维活动，充分发挥与体现学生的主导作用，被认为能够有效激发学生的主观能动性，使学生在自主设计实验的过程中，能够独立对文献和资料进行搜集和查阅、独立设计实验方案、独立解决实验中出现的问题并优化实验方案。在这一过程当中充分发挥学生的主观能动性，鼓励学生独立面对问题、分析问题和解决问题，从而在这一自主设计实验的过程中，实现学生思维能力和创新意识的培养和提升。学习迁移是学习中的一个必然现象，可以说，只要有学习，就一定有学习迁移[10]。一般认为，迁移学习和一种学习对另一种学习的影响[11]。在自主设计性实验教学方法的设计当中，可以引导学生通过对比两个不同学习对象和共同点和差异，根据现有的或者以前学到过的知识和经验进行学习的迁移，完成自主设计性实验的方案设计。在专业综合化学实验课程的实施过程当中，选取绿色植物中色素提取、分离和鉴定的实验当中“通过HPLC进行色素提取液的组分分离”进行基于知识迁移的自主设计型实验试点，在学生完成实验讲义中“柱色谱分离”模块后，引导学生对柱色谱分离结果进行总结和讨论，指出讲义中柱色谱分离方法的局限性，然后根据迁移的原则，提出相似分离原理的高效液相色谱(HPLC)可以实现以上组分的分离，并根据目前实验室的条件，给出如下自主设计性实验题目，由学生根据仪器分析等先修理论课程所学知识，完成设计性实验“HPLC分离色素提取液当中的组分”，要求学生使用常见溶剂(甲醇、丙酮、石油醚、正己烷等)通过C18反相柱设计HPLC等度分离或者梯度分离方案。在以上自主设计性实验的执行当中，部分学生可以根据命题设计出合理、可行的提取液组分分离方法。学生设计的等度分离实验方案主要基于将不同极性溶剂进行一定配比混合作为等度分离的流动相实验条件。根据给出的具有不同极性的常见溶剂，结合先修理论课程当中讲授过的溶剂极性变化顺序，设计出“甲醇-丙酮”、“甲醇-石油醚”、“丙酮-环己烷”以及“丙酮-石油醚”二元混合溶剂流动相条件以及“甲醇-丙酮-环己烷”三元混合溶剂流动相条件的等度分离方法。学生可以从讲义中柱色谱当中不同“丙酮-石油醚”配比洗脱溶液的分步洗脱条件方法进行迁移设计合理的混合溶剂组分比例，并能够根据讲义中柱色谱固定相与HPLC-C18分离柱固定相极性的不同判断正相/反相分离模式，判断出几种主要组分的出峰顺序。部分学生也可以根据以上原理的迁移设计出“丙酮-甲醇”二元溶剂体系的梯度洗脱分离方法，并能够在教师的指导下通过优化梯度洗脱条件获得色素中多个组分的最佳分离方法，实现了提取液中叶绿素、叶黄素、胡萝卜素等主要色素组分的分离。此外，根据实验中学生提出如何将HPLC当中分离出的组分进行分别收集，教师指导学生在HPLC检测器出口管路处根据出峰情况进行了相应组分的收集，并对收集到的组分进行表征和鉴定。这一自主设计性实验实现和发展了学生以下两方面的知识与能力的迁移：第一是由柱色谱到高效液相色谱分离方法的迁移，根据柱色谱的固定相条件与高效液相色谱当中HPLC柱固定相条件的异同，可以比较两者分离机理的异同(正相/反相)，实现将柱色谱当中的分离方法向液相色谱分离方法的迁移；第二是由柱色谱到高效液相色谱法组分收集方面的迁移，即由柱色谱方法当中对流出色带进行收集到液相色谱当中根据谱峰出现后的流出液进行收集的迁移。通过以上两方面的知识与能力的迁移，可以让学生理解经典的柱色谱分离方法与现代分离技术高效液相色谱方法之间的传承与改进，对于分离技术的发展与革新具有较为直观认识的同时，掌握将经典方法当中思路应用于现代手段实现分离的能力。由于学生的专业基础和先修课程掌握水平参差不齐，故通过学习迁移的方法引导学生进行自主设计性实验比完全从头开始的自主设计性实验更容易被学生接受，可以在循序渐进的过程中逐步掌握自主设计性实验的要领。在作为大学三年级下学期的专业综合实验当中对学生的以上学习迁移能力进行训练和提升，可以为后续毕业论文当中实验方案的设计环节打下良好的基础。

4结语

综合化学实验是应用化学理科专业培养方案中沟通基础课和后期专业实践环节的重要环节，也是学生将所学专业课相关知识进行融合并进行实践的主要途径。按照综合化学实验内容中的不同实验类型，通过验证性实验的PBL教学法、综合性实验对学生延伸思考的引导以及自主设计性实验的学习迁移，培养和提高了学生对实验原理的认识能力、分析问题并设计实验研究和解决问题能力以及基于迁移进行实验方案设计的能力，为培养体系当中后续实践和毕业论文环节打下良好基础的同时，实现学生学以致用能力的真正提升。

作者:李沁然 樊志 张晨曦 邓启良 吴燕 单位:天津科技大学