大学化学实验教学体系改革

大学化学实验教学体系改革

第21卷第6期大学化学2006年12月大学化学实验教学体系改革黄驰席美云程功臻(武汉大学化学与分子科学学院武汉430072)刘明建(武汉大学教务部武汉430072)摘要近年来,武汉大学化学实验教学中心对大学化学实验教学体系进行了改革。建立了大学化学实验三个创新教学平台和一个学习园地,提出了14项大学化学实验教学改革措施,形成了新时期的创新教学理念,充分利用社会资源,使实验教学与科研、社会相结合,在培养具有创新能力的复合型人才方面进行了探索。随着社会步入知识经济时代,要求各高等学校实施培养创新人才的教育。检验人才质量的标准也由以前的“凭掌握已有知识之多寡深浅”改变为“更看重是否具有创造活力、探索未[1,2]知的能力”。大学化学实验在培养大学生认识、研究、掌握和应用化学现象及变化规律中起到非常重要的作用。近年来,国家教育部和国家教育部高等学校化学与化工学科教学指导委员会非常重视大学化学实验教学改革,提出用创新教育思想指导实践教学,切实提高大学生的实践能力,加强产学研合作教育,充分利用国内外资源,不断拓展校际之间、校企之间、高校与科研院所之间的合作,加强各种形式的实践教学基地和实验室建设。自20世纪90年代以来,国内许多高等院校对大学化学实验教学采取了很多卓有成效的改革措施,取得了很好的效果,提高了学生[3～9]的创新能力。自1998年以来,武汉大学化学实验教学中心(以下简称实验中心)在学校和学院的支持下,以培养学生的创新能力为出发点,根据当今化学学科的特点,在大学化学实验教学实践中,建立了大学化学实验三个创新教学平台和一个学习园地,提出并实践了14项大学化学实验教学改革措施。1大学化学实验教学理念的建立大学化学实验教学理念是化学实验教学的出发点。我们以创新教育思想为指导,通过7年的改革探索,形成了新时期大学化学实验教学理念:以教师为主导,以学生为中心,以激发学生学习积极性为出发点,以培养学生创新能力为目的,以科学研究的规律、思维、方法为主线组织实验教学,促进学生自我选择学术发展方向、自我设计知识结构、自我完善科研技能。2大学化学实验教学改革措施在7年的实验教学改革实践中,我们提出并实践了以下改革措施。(1)加强专职实验教学队伍建设。20\n实验教学队伍是大学化学实验课程改革和实践的保证。为保证实验中心有一支水平高、数量相对稳定的实验教学队伍,自中心成立之日起,就引入了专职实验教师。当时,这些教师主要是来自各教研室教学和科研第一线的教师。在随后几年中,又不断引进应届毕业博士研究生和归国留学人员。目前,在实验中心的15位专职教师中,有博士9人,硕士3人,占总人数80%;高级职称12人,占总人数80%;50岁以下12人,占总人数80%。在15位专职技术人员中,有高级职称7人,占总人数47%。实验中心很注重现有人员的培训工作,针对不同层次人员的特点,组织安排培训。目的在于提高业务水平,改变实验中心人员的知识层次和结构,更重要的是可以大大提高大学化学实验课程的教学水平,鼓励在职攻读硕、博士研究生,有计划派往香港和国外进修或考察以及参加各种化学专业和大型仪器培训班。(2)成立了化学实验教学指导委员会。在化学实验独立设课,并对院内外开放的新形式下,为了提高实验教学水平和质量,使实验教学进一步规范化、科学化,学院成立了化学实验教学指导委员会,为化学实验的课程设置、教学内容和教学方法的改革等提供咨询和指导。(3)建立了大学化学实验三个创新教学平台,分别是①实验教学-理论教学-科学研究相结合平台,②计划教学-开放实验-业余科研相结合平台,③实验中心-科研机构-企业公司相结合平台。①建立“实验教学-理论教学-科学研究相结合平台”主要是保证实验教学队伍的数量和水平的稳定,立足于改革化学实验教学内容。目前,实验教学改革的特点之一是实验课程独立设课,但是实验教学必须与理论教学紧密结合,统筹协调,这样才能使学生在学习过程中理论联系实际,不仅可以促进学生对化学理论课的学习,也有利于培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。化学实验教学也要和科学研究的前沿紧密结合,在实验教学内容中随时引入最新科研成果,这样才有利于学生了解并在实验课程中学习化学科学研究的前沿知识。因此,学院和院化学实验教学指导委员会要求理论课程主讲教师必须承担至少一次实验课程的教学,并且鼓励高水平科研教师参加实验课程教学,形成专职实验教师-理论课教师-科学研究教师相结合的实验教学队伍,以利于保证实验教学队伍的数量和水平。这个实验教学队伍共同讨论具体实验课程教学内容、方法的改革,参与课程教学和改革。有多方面教师参加实验教学实践,有利于不断更新设计实验内容,有利于综合实验内容与科研紧密结合,有利于构建“基础实验-设计实验-综合研究实验”这一新的分层次的实验教学模式。我们的设计型实验内容普遍来自于教师的科研工作,而综合化学实验全部来自我院的科研前沿,代表了我院学科的发展方向。我院的综合化学实验每个实验32学时,每年144学时,每年开设10余个实验。每个综合化学实验都是一个完整的课题研究过程,而且综合化学实验的开设方式与基础实验完全不同,采用完全自主进行的方式。通过综合化学实验的学习,可让学生系统实践较复杂的化学课题研究的全过程,了解化学学科的发展前沿,以初步培养他们独立进行科学研究的能力和创新能力。基于该平台,专职实验课教师与理论课教师相互协作,建立了大学化学实验演示实验室,配合理论课程教学,达到教与学的互动效果。②建立“计划教学-开放实验-业余科研相结合平台”的目的是立足于改革化学实验教学21\n方法,充分利用教学资源,调动学生的学习兴趣和培养学生的创新意识。实验中心实验室对化学专业学生、非化学专业学生和校外本科教学分层次分类别开放;例如化学专业一年级以提高学生对化学实验的兴趣为出发点,加强“三基”训练;二年级主要注重提高学生科学实验的技能;三年级以培养学生从事科学研究的综合实验能力为目标;四年级主要培养学生从事科学研究的能力。具体作法是:1～6学期按照培养方案规定的实验教学计划进行,在双休日实行开放实验教学。鼓励和推荐成绩和综合条件优秀的学生申报学校和学院设立的业余科研项目,到科研组从事业余科学研究。由于科研组可接纳的学生有限,有些学生就没有机会从事业余科研,这样就形成了有限科研资源的竞争占有机制。业余科研从第二学期开始,贯穿第2到第6学期。③建立“实验中心-科研机构-企业公司相结合平台”的目的是立足于让学生了解更多化学前沿,培养他们解决实际问题的能力,通过他们在科研机构和企业公司的表现来检验实验中心的教学效果。为了加强高等院校与科研机构的强强联合,在人才教育与培养、科研交流与合作方面充分发挥大学、科学院各自的优势并互补,我们与中国科学院化学所、上海有机所、大连化物所和长春应化所等单位共建了创新教育基地和大学生开放实验室,每年选送品学兼优的学生到这些基地学习国家重点科研机构特有的科研思路、方法、科研态度和科技前沿知识。为了培养学生在生产实践中应用理论知识的能力和实际动手能力,我们与湖北楚源化工集团等多家化工企业紧密合作,在这些企业建立了暑期社会实践基地。让学生在这些基地用所学的理论知识联系生产实践。例如,2001年6月,武汉大学化学与分子科学学院与中国科学院化学所合作成立了武汉大学化学与分子科学学院与中国科学院化学所教育联合基地,制定了教育联合基地的实施细则,明确了双方的责权利,大力加强两个单位的科研人员、研究生、本科生等人员的交流。每年由武汉大学化学与分子科学学院从化学基地班派遣8～10名优秀本科生,到化学所参加为期1年的本科生毕业论文实验工作,化学所从其中选留3～5名学生免试攻读硕士学位。4年来,教育联合基地取得了可喜的成果,先后有40余名学生在化学所进行毕业论文实验,其中近一半人员留在化学所进一步深造。据不完全统计,累计发表了约40篇论文,其中在高水平学术期刊(影响因子>3.0)上发表了13篇论文。教育联合基地开创了高校-科研院所合作的全新模式;建设了培养高水平学生和人才的平台,达到了教育为本、融会贯通、强强联合、优势互补的目的。(4)对学生进行三个“能力”,三种“精神”,三种“意识”的培养,提高学生综合素质。我们提出了对学生进行三个“能力”,三种“精神”,三种“意识”的培养,以提高学生的综合素质。这三个“能力”是查阅资料、创新思维和设计实验的能力;发现问题和解决问题的能力;完成实验、处理数据、结构模拟和寻找规律的能力。三种“精神”是科学精神、协作精神和节俭精神。三种“意识”是环境保护意识、绿色化学意识和安全实验意识。(5)创办《武汉大学大学生化学学报》,对学生的科研工作进行公开答辩,规范管理学生课外科研活动。创办《武汉大学大学生化学学报》期刊,为化学类专业本科学生提供交流、学习的园地。该学报刊登学生优秀的实验报告和业余科研论文,以不断提高学生进行设计实验、开放实验、研究型实验和业余科学研究的积极性,并提高学生学术论文写作水平。22\n对学生科研成果实施学术报告公开答辩确认,加强对创新学分的管理,营造浓厚的学术氛围。通过答辩过程,促使学生深刻自我总结科研工作,强化科学研究技能和实验方法的研讨。(6)教学模式的改革。为达到培养创新化学人才的目的,我们以创建国家名牌课程为目标,按照新的教学模式改[10]革大学化学实验教学,根据《化学、应用化学专业化学实验教学基本内容》的要求,减少验证性实验,增加设计实验、综合实验和研究型实验,基础实验占实验教学总学时50%;设计型实验占实验教学总学时30%;综合研究型化学实验占实验教学总学时20%。(7)加强大学化学实验教材建设。组织编写大学化学实验系列教材,根据创新教育的需要,从整体上构思教材内容。教材体现了由浅入深的探索实验过程,将科研中的新成果写入实验教材,激发学生学习兴趣,体现了绿色化学实验的教学思想。到2004年12月,大学化学实验系列教材已经出版了8本,并制作了与实验教材配套的多媒体实验指导课件。(8)加强现代教育技术的应用。运用现代化教学手段,逐步增加计算机模拟实验和接口实验,建立了大学化学实验教学网站。该网站内容丰富,可对实验教学起指导作用。[11](9)建立了科学的实验成绩评定办法。实验课程成绩评定是检验教学效果,激励学生认真完成实验教学内容的重要环节,大学化学实验课程建立了平时单元成绩累积计分与期末考试相结合的学生实验成绩评定办法。平时成绩占70%～80%,期末成绩占20%～30%。平时成绩分为实验预习、实验态度、实验操作、实验结果和实验报告5方面分别计分,调动学生从事实验的积极性,规范学生从事实验的习惯。(10)建立了一系列教学管理制度。各项管理制度的建立与实施是实验教学顺利进行的保证,建立的管理制度应该具有科学性、实用性和政策性。在长期实验教学的实践过程中,经过多次的修订,制定了一系列的实验教学管理制度,如:《关于聘任专、兼职实验教学教师和技术人员规定》、《实验主讲教师职责》、《实验指导教师岗位职责》、《研究生担任实验指导教师执教规定》、《化学实验教学中心技术人员岗位职责》、《学生实验守则》、《化学实验室安全总则》、《仪器设备管理条例及赔偿办法》、《仪器室管理条例》、《仪器培训及操作证管理条例》、《教学仪器使用登记制度》、《信息网络室管理制度》、《教职工考核办法及工作量计分标准》等,规范了实验室各类教学人员的职责和实验室以及仪器设备的管理,以保证实验教学的顺利进行。(11)加强绿色化学实验教学。化学实验教学改革的一项重要内容是将绿色化学的概念和内容渗透到实验教学过程中。近年来我们不断探索绿色化学实验教学方法,提出了8项推进实验教学绿色化的措施:①在不影响教学质量的情况下,尽量选用无毒或低毒试剂;②开设以绿色化学实验为主题的设计实验;③实施系列化实验教学法;④开设微型实验,减少实验试剂使用量;⑤在实验教学中注意设置副产物和废弃物的回收实验;⑥研制微型仪器,改进实验仪器,节能节时,减少对环境的污染;⑦引入多媒体实验教学手段;⑧集中处理废液。(12)加强实验教学的交流与合作。不断加强与国内外的交流与合作,交流实验教学改革思想,学习改革方法,从而推动实验23\n教学改革。我们与国内兄弟院校经常保持联系,先后组织教师到北京大学、南京大学、清华大学等校学习;与山东大学、香港浸会大学、日本大阪大学等校建立了多种与大学生学习有关的合作关系,与巴黎第七大学合作建立了分子模拟与化学信息学实验室。(13)加强化学实验教学研究。大学化学实验教学改革直接影响高等化学教育的质量,对我国科学技术事业的发展有深远影响,值得认真研究。另外,实验教学涉及到的问题多,人力、物力、财力的投入大,必须慎重对待;必须经过认真的调查研究,根据实际情况,制定改革措施,经反复讨论后,再进行实践,以减少不必要的损失。我们在学校教务部门的支持下,不断进行实验教学研究,先后承担了国家、湖北省和武汉大学实验教学研究项目共17项,推动了我校大学化学实验教学改革工作顺利进行。(14)鼓励进行自制实验设备研究。实验中心自成立以来,一直鼓励教师和技术人员自制教学仪器。通过多年的努力,在无机化学实验、分析化学实验、物理化学实验、有机化学实验和化工基础实验课程中均有自制仪器对学生开设实验,如流变态反应合成无机化合物实验、微型滴定实验、熔解热测定实验、反应级数测定实验、提取咖啡因实验、超临界干燥实验、氨氧化催化实验等。到目前为止,实验中心研制的教学仪器已经获得实用新型专利5项。3大学化学实验课程改革的效果大学化学实验课创新教育研究经过7年的教学实践,取得了明显的效果:(1)01～05届本科生在实践方面取得优异成绩:在校期间共发表科研论文294篇,大学生业余科研获得学校资助250余项;近5年获得“挑战杯”全国大学生课外学术作品竞赛、“汇凯杯”湖北省大学生优秀科研成果竞赛、“自强杯”武汉大学业余科技作品竞赛和全国大学生化学实验竞赛等各种奖励共38项(国家级12项、省级14项、校级12项)。(2)大学化学实验教学先后获得国家级、省级和校级教学成果奖23项。2003年,大学化学实验被评为湖北省精品课程。2004年,由湖北省教育厅组织的专家对实验中心的“大学化学实验的创新教育研究与实践”成果进行了鉴定,认为:该成果具有开创性和自己的特色,在国内处于领先水平,对目前我国大学化学实验教学具有一定示范作用。4化学实验教学中心的辐射作用实验中心的大学化学实验教学体系改革研究经过7年的教学实践,取得了明显的效果,具有较强的辐射作用。实验中心通过开设大学化学实验公选课、组织“手拉手”活动和接受本校各专业学生实验预约等方式,将化学实验室向全校学生开放;同时,还接受华中师范大学化学系、福州大学化学与化工学院、郧阳高等师范专科学校和孝感学院等院校的学生来中心进行相关实验学习。实验中心每年还通过校园开放日、高中生奥林匹克化学实验技能培训等方式对全湖北省的中学生开放。在教学之余,实验中心承担了湖北省省属学校化学类实验技术人员,湖北楚源公司、湖北京山华贝公司和中国氟硅工业协会的会员单位科研技术人员的培训,取得了良好效果。(下转第42页)24\n23T=297.27+6.1018t+1.2251t-0.12587t-1-1将n=200,E=60～120kJ·mol(间隔20kJ·mol)代入(5)式,计算结果见图4及表3。表3自由变温法测乙酸乙酯水解速率参数实验组数E/(kJ·mol-1)k1×102/h-1T/Kk×104/min-112981714.991301.26.132694.945300.66.473695.295301.56.40平均69.76.33文献值69.0～72.4从以上各次实验结果可见多项式升温法的变温动力学数学模型推理逻辑合理,计算结果与经典方法基本符合,但大大缩短了实验时间,可用于学生实验。由于其利用了实验最初浓度和最终浓度来计算理论反应途径,又利用各个时间的实测浓度与理论途径进行比较获得活化能,故对浓度测定的精度和实验要求较高。另外温度的跟踪和测量也要同步。参考文献1RogersAR.JParmPharmacol,1963,15:101T2庞贻慧,鲁纯素.药物稳定性预测方法.北京:人民卫生出版社,19843詹先成,殷恭宽,马宝忠.药学学报,1997,32(2):1314王小平,薛金友,汤启昭.数学的实践与认识,2006,36(2):160(上接第24页)参考文献1徐光宪.大学化学,2004,19(3):12高盘良,常文保,段连运.大学化学,1999,14(2):213陆靖,吴性良,姚子鹏,等.高等理科教育,2000(6):554段连运,常文保.大学化学,2000,15(4):195田曙坚,廖一平,焦书明.大学化学,2005,20(1):256陆靖,徐华龙.大学化学,2003,18(4):117施开良,姚天扬,俞庆森.大学化学,2002,17(6):88王伯康,王志林,孙尔康.大学化学,2001,16(2):259金若水,吴性良,谢高阳.大学化学,1998,13(6):1210教育部理科化学教学指导委员会.大学化学,1999,14(2):911席美云,季振平.大学化学,2000,15(4):2342