無機化學(xué)實驗教學(xué)改革淺議

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摘要：社會發(fā)展對人才素養(yǎng)需求的變化使得高校教育需做出相應(yīng)的改革。無機化學(xué)實驗是實驗教學(xué)的基礎(chǔ)入門學(xué)科，與后續(xù)無機化學(xué)以及其他化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)密切相關(guān)，對提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力以及發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題能力具有重要意義，因此開展無機化學(xué)實驗教學(xué)改革至關(guān)重要。對當(dāng)前無機化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀進行了分析，并針對實驗教學(xué)安全、綠色化學(xué)、實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面存在的問題，提出通過增強安全教育、提高綠色化學(xué)意識、優(yōu)化實驗內(nèi)容體系、豐富實驗教學(xué)方式等手段進行無機化學(xué)實驗教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：無機化學(xué)；實驗教學(xué)；改革

前言

隨著時代的進步，科技的發(fā)展，行業(yè)發(fā)展定位也發(fā)生著巨大的變化，社會對人才的素養(yǎng)要求也隨之有所改變。而傳統(tǒng)的教學(xué)模式多重理論輕實踐，導(dǎo)致培養(yǎng)出的學(xué)生實踐能力差，創(chuàng)新能力與創(chuàng)造性不足，不能很好地適應(yīng)時代的需求。為了應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所面臨的新機遇、新挑戰(zhàn)，2017年新工科研討會提出“新工科理念”，志在培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、數(shù)字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才[1-2]，這促使著高校教育需要做出相應(yīng)的改革。新時代人才的培養(yǎng)，扎實的實驗技能是基礎(chǔ)。無機化學(xué)實驗作為高校實驗教學(xué)的入門，在學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)中具有重要意義[3]。除此之外，無機化學(xué)還是一門與其他學(xué)科聯(lián)系緊密的學(xué)科，如生物無機化學(xué)、醫(yī)藥化學(xué)、材料化學(xué)、食品化學(xué)等。因此，無機化學(xué)實驗課程的重要性不言而喻，而如何保障無機化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量是實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵。目前，無機化學(xué)實驗作為眾多基礎(chǔ)化學(xué)實驗的入門，已逐漸被重視，但受限于實驗內(nèi)容設(shè)計、實驗條件、教學(xué)方式等原因，其人才素質(zhì)與社會要求仍存在一定差距。在此背景下，針對無機化學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題進行分析，提出相應(yīng)的改革措施，以期為本科無機化學(xué)實驗教學(xué)改革和人才培養(yǎng)提供參考。

1無機化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀與改革措施

1.1增強安全教育

安全穩(wěn)定的校園秩序，是高校開展正常教學(xué)和研究，實現(xiàn)辦學(xué)目標(biāo)的基本保障。化學(xué)實驗涉及電器設(shè)備、加熱操作、高壓設(shè)備、玻璃儀器等，化學(xué)實驗過程中又難免會用到易燃易爆、有毒有害試劑，并有可能在實驗過程中產(chǎn)生有毒有害氣體及廢液等，如果沒有得到有效處理會產(chǎn)生很大安全隱患。2021年3月31日，在中科院化學(xué)所，1名研究生因不當(dāng)操作反應(yīng)釜造成爆炸，當(dāng)場身亡。2021年10月24日本該是一個快樂的周末。然而，南京航空航天大學(xué)將軍路校區(qū)一實驗室卻發(fā)生了爆炸，2人死亡，9人受傷。2021年7月27日，中山大學(xué)藥學(xué)院發(fā)生一起實驗安全事故。一博士生在清理此前畢業(yè)生遺留在燒瓶內(nèi)的未知白色固體，用水沖洗時發(fā)生炸裂。炸裂產(chǎn)生的玻璃碎片刺穿該生手臂動脈血管。屢屢發(fā)生的由于實驗室安全問題而導(dǎo)致人員傷亡事件給我們敲醒警鐘，實驗教學(xué)中必須堅持以人為本，安全第一。無機化學(xué)實驗涉及多種安全隱患，如加熱電器設(shè)備、玻璃儀器、易燃易爆、有毒有害試劑以及相關(guān)三廢等，都存在很大的安全隱患。目前，學(xué)生獲取實驗安全相關(guān)知識的途徑多局限在實驗室安全手冊，內(nèi)容繁多死板且與實際實驗需求脫節(jié)，使得學(xué)生真正掌握的內(nèi)容相對較少，這導(dǎo)致在實際實驗操作過程中，學(xué)生仍缺乏安全意識、操作知識和危險應(yīng)急能力。因此，實驗室安全教育仍需要進一步加強。在教育方式上，除了簡單的文字描述，還可加入新媒體和信息化結(jié)合進行的視頻教學(xué)，更加形象生動地為學(xué)生展示，幫助學(xué)生深刻認知，并且可以結(jié)合虛擬仿真平臺進行事故及應(yīng)急預(yù)案的操作演練，幫助學(xué)生提高危險應(yīng)急能力，保護學(xué)生生命安全。除此之外，還應(yīng)建立合理的安全知識考核體系，保證每位學(xué)生在正式進入實驗室前通過相關(guān)安全知識考核。

1.2提高綠色化學(xué)意識

金山銀山不如綠水青山，環(huán)境問題刻不容緩。無機化學(xué)實驗涉及的藥品種類繁多，用量較大，部分試劑具有一定的毒性，同時實驗中還會產(chǎn)生對人體和環(huán)境造成危害的有毒有害物質(zhì)。這與綠色化學(xué)思想中所描述的“減少化學(xué)反應(yīng)中原材料、催化劑、溶劑和試劑等的使用對人體和環(huán)境造成的損害，同時盡可能減少有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生”是相悖的。例如目前開設(shè)的無機化學(xué)實驗中d區(qū)金屬元素化合物性質(zhì)，ds區(qū)金屬元素化合物性質(zhì)實驗中，會用到大量金屬鹽甚至重金屬鹽，同時在反應(yīng)中也會產(chǎn)生有害物質(zhì).除此之外，由于缺少綠色化學(xué)意識，導(dǎo)致很多學(xué)生在實驗過程中將有毒有害物質(zhì)直接倒入下水道或扔進垃圾桶，對人體健康以及環(huán)境帶來嚴重的危害。因此，在無機化學(xué)實驗教學(xué)時要注重環(huán)保意識的培養(yǎng)，幫助學(xué)生樹立綠色化學(xué)意識[4]。首先，在實驗設(shè)計上從源頭控制實驗試劑藥品的選用，選擇低毒或無毒的化學(xué)試劑代替或減少有毒害物質(zhì)的使用；在實驗過程中，通過合理的實驗步驟提高試劑藥品的利用率，減少浪費；在實驗結(jié)束時，要關(guān)注實驗中“三廢”的處理，如盡量保證易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的反應(yīng)盡可能在密閉容器中開展，并引導(dǎo)學(xué)生參與設(shè)計出合理的廢液廢氣廢水的收集和處理方案，致力打造無污染的綠色無機化學(xué)實驗。

1.3優(yōu)化實驗內(nèi)容體系

長期以來，無機化學(xué)教學(xué)過于注重理論知識教學(xué)，壓縮實驗學(xué)時，忽視實驗教學(xué)的意義，使得無機化學(xué)實驗課程設(shè)計多流于表面。同時，實驗教學(xué)多依附于理論教學(xué)，著重于驗證理論教學(xué)的內(nèi)容，這就造成了實驗教學(xué)不能按照實驗技術(shù)本身的系統(tǒng)性和科學(xué)性進行，學(xué)生也得不到系統(tǒng)有效的實驗訓(xùn)練，從而嚴重限制了實驗教學(xué)開展；更重要的是，有些實驗設(shè)計煩瑣且多有雷同，內(nèi)容單一，綜合性和設(shè)計性實驗比重相對較低，例如大部分的實驗內(nèi)容設(shè)計中，整個無機化學(xué)學(xué)科實驗里，設(shè)計性實驗的比重僅僅是十分之一甚至更少，這在一定程度上扼殺了學(xué)生的自主性和創(chuàng)造力，導(dǎo)致很多學(xué)生僅僅是簡單地按照課本內(nèi)容操作，很少能真正主動去理解和領(lǐng)會實驗的關(guān)鍵思想[5]。為充分發(fā)揮化學(xué)實驗的研究功能，培養(yǎng)學(xué)生主動探索和創(chuàng)造能力，應(yīng)適當(dāng)增加趣味性、設(shè)計性實驗和應(yīng)用型的綜合實驗，除此之外，內(nèi)容設(shè)計也應(yīng)與時俱進，不斷深化，與當(dāng)前發(fā)展實際發(fā)展需求相結(jié)合。最重要的是，在整個探索過程中，應(yīng)以學(xué)生為主體，教師為輔，利用學(xué)生已有知識進行創(chuàng)新性研究或?qū)ξ粗镔|(zhì)進行探索，獨立或者合作設(shè)計實驗方案，并通過實際操作進行驗證，培養(yǎng)其觀察問題、分析問題、解決問題、創(chuàng)新等方面的能力，保證無機化學(xué)實驗教學(xué)順利進行。

1.4豐富實驗教學(xué)方式

實驗教學(xué)局限在實驗室這個特定的情境中，這在很大程度上限制了實驗教學(xué)的順利進行，這個弊端在新冠疫情下的教學(xué)顯得尤為突出。2019年12月開始的新冠疫情導(dǎo)致很多學(xué)生無法按時返校，理論教學(xué)尚可通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實現(xiàn)，實驗教學(xué)一度無法正常開展，這就將大量的實驗教學(xué)開展推遲到學(xué)生正常返校后。而短時間完成實驗教學(xué)任務(wù)勢必極大降低實驗教學(xué)效果。因此，發(fā)展新型的教學(xué)方式，使實驗教學(xué)不僅僅局限在實驗室中至關(guān)重要。針對無機實驗教學(xué)中的驗證性實驗較多的特點，可開發(fā)符合無機化學(xué)實驗教學(xué)特點的虛擬仿真程序，建立一套系統(tǒng)的關(guān)于實驗原理、實驗流程與實驗操作的講解視頻，實現(xiàn)學(xué)生在程序上進行現(xiàn)象性實驗驗證操作的目的。以虛補實、虛實結(jié)合，為學(xué)生搭建能力培養(yǎng)平臺，從而實現(xiàn)信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合，提升高校本科教學(xué)的實用性、有效性和高階性。課前，通過程序熟悉并認知即將要進行實驗的相關(guān)儀器與藥品特性，有利于學(xué)生在后續(xù)的實驗過程中發(fā)揮更大的主動性；課中，對一些無法線下操作的高難度、高危險性實驗進行模擬教學(xué)，彌補線下教學(xué)的不足；目前所用的實驗教學(xué)方式，在走出實驗室后無法對整個操作過程進行有效分析即難以實現(xiàn)“復(fù)盤”環(huán)節(jié)，導(dǎo)致很多學(xué)生的基本操作不過關(guān)而不自知，以至于后續(xù)的實驗僅僅是錯誤的簡單重復(fù)，因此可以在實驗結(jié)束后在該程序上增加重復(fù)實驗，利用虛擬仿真小程序，重溫實驗，通過系統(tǒng)給出的結(jié)果分析及時進行課后“復(fù)盤”，實現(xiàn)“課前-課中-課后”連貫性的虛擬仿真實驗教學(xué)。進而達到復(fù)習(xí)糾錯、鞏固提高的目的。真正實現(xiàn)“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時時可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會。除此之外，虛擬仿真實驗平臺的引入可作為傳統(tǒng)實體實驗課程的補充，打破常規(guī)實驗室對實驗操作的限制，拓展實驗項目，幫助學(xué)生更直觀地了解理論知識和提高知識運用能力，進一步還可真實再現(xiàn)工廠環(huán)境，讓學(xué)生直觀體驗實際工業(yè)現(xiàn)場操作，增強學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和動手能力。與此同時，還將減輕對大型、昂貴儀器設(shè)備的損壞，避免危險操作，節(jié)省大量人力、物力，降低實驗成本，實現(xiàn)真正意義上的實驗教學(xué)形式改革[6]。同時，科學(xué)的實驗方式和實驗平臺的建立，也可以減少實驗中有毒有害實際的使用，減少對環(huán)境和人體的危害，幫助學(xué)生模擬參與特殊環(huán)境條件下的實驗，可能遇到的危險以及處理方式，真正實現(xiàn)教學(xué)中以人為本的教學(xué)指導(dǎo)思想。

1.5加強實驗室?guī)熧Y隊伍建設(shè)

在實驗教學(xué)中，實驗技術(shù)人員是必不可少的，然而，高校實驗技術(shù)人員的地位相對較低，所受到的重視和尊敬往往不如理論教師，這也是導(dǎo)致實驗開展難有突破的重要原因。也是由于以上原因，實驗技術(shù)人員隊伍組成知識水平相對薄弱，同時很多時候被動地與各項學(xué)術(shù)教學(xué)活動脫離，嚴重影響到實驗室隊伍的積極性和穩(wěn)定性，以及自身知識水平的提高和實踐能力的增強。實驗室的工作內(nèi)容包括教學(xué)、管理兩部分，教師只負責(zé)上課，實驗員只負責(zé)管理，這樣一刀切的分工看似合理實則存在很大的弊端。首先，多數(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容編制人員并沒有完整地操作實驗，無法給出實驗操作的最優(yōu)條件，導(dǎo)致很多現(xiàn)象性實驗無法呈現(xiàn)，給實驗的順利開展帶來不便。其次，理論教師只注重內(nèi)容講授，很少有時間精力關(guān)注于實驗課程，對實驗室的實驗設(shè)備不熟悉，對當(dāng)今實驗儀器發(fā)展趨勢不了解，對實驗具體操作不熟悉，這樣既會使實驗室的功能發(fā)揮受限，又會導(dǎo)致實驗課程落伍。同樣，實驗員只管理實驗室，只是機械的準(zhǔn)備實驗，缺乏對實驗原理以及涉及的相關(guān)專業(yè)知識和專業(yè)發(fā)展的理解，這也會造成實驗室設(shè)備陳舊，跟不上形勢。所以，實驗教學(xué)人員和實驗管理人員間應(yīng)有分工，更應(yīng)該有合作，將兩者充分結(jié)合在一起，共同研究無機化學(xué)理論和應(yīng)用特點，把握實驗內(nèi)容設(shè)計，掌握實驗儀器操作，定制儀器設(shè)備購置計劃，共同指導(dǎo)學(xué)生實驗。

1.6注重學(xué)生學(xué)習(xí)思想轉(zhuǎn)變的培養(yǎng)

無機化學(xué)實驗是學(xué)生進入實驗室接觸到的第一門實踐性課程，是學(xué)生實驗課程學(xué)習(xí)習(xí)慣與學(xué)習(xí)思想形成的重要階段，該課程開設(shè)的好壞直接影響到學(xué)生后續(xù)的理論與實驗學(xué)習(xí)開展。大部分學(xué)生進入大學(xué)后仍然帶著被動接受知識的心態(tài)，在實驗開展之前不能很好地完成報告預(yù)習(xí)，僅僅只是對實驗內(nèi)容進行簡單的摘抄，從而導(dǎo)致很多學(xué)生在真正的實驗過程中實驗?zāi)康牟幻鞔_，在實驗過程中常過度依賴教師，很難在簡短的時間內(nèi)完全掌握實驗操作，實驗結(jié)束后一問三不知。因此，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，提高其學(xué)習(xí)的積極性和主動性。針對以上問題，首先應(yīng)從實驗內(nèi)容的設(shè)計出發(fā)，適當(dāng)增加設(shè)計性實驗和綜合性試驗的比例，不設(shè)定實驗的具體步驟，鼓勵學(xué)生尋找多種途徑實現(xiàn)實驗?zāi)康模M量減少甚至杜絕盲目實驗的現(xiàn)象。另一方面，引入多種學(xué)習(xí)方式，如虛擬仿真以及掌上實驗小程序，幫助學(xué)生提前在云平臺上完成相應(yīng)的虛擬仿真實驗，掌握相關(guān)安全知識，更形象直觀地了解實驗過程，對即將進行的實驗做到心中有數(shù)。實驗過程中，自主記錄實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定給出實驗結(jié)果并輸出個性化報告，便于學(xué)生進行實驗分析。實驗教學(xué)中另一個重要的步驟是教學(xué)考核，由于實驗課時的壓縮，實驗的考核少之又少，實驗過程依然更多的是教師講解學(xué)生機械的操作，缺少交流溝通，因此，應(yīng)將考核貫穿于整個實驗教學(xué)過程中，例如增加隨堂提問幫助學(xué)生加深對實驗如何操作、注意事項、實現(xiàn)原理以及實驗現(xiàn)象解釋的理解，將單向交流轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熀蛯W(xué)生的雙向交流。在實驗結(jié)束后，不再僅僅關(guān)注學(xué)生的實驗結(jié)果，而是同時增加對實驗操作技能的隨堂抽查，并將其列入期末打分，幫助學(xué)生訓(xùn)練實驗操作技能，真正做到在實踐中提高和完善學(xué)生的動手能力。

2結(jié)語

無機化學(xué)實驗作為本科實驗教學(xué)的第一站，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)、思考、創(chuàng)新等科研素質(zhì)具有重要意義，其開展的好壞直接關(guān)系著新時代人才素質(zhì)的培養(yǎng)的優(yōu)劣。近年來，針對社會發(fā)展對人才需求的變化，我校無機化學(xué)實驗也在進行著相應(yīng)的改革，改變傳統(tǒng)觀念，增加年輕的博士隊伍，進行探索和改革，在實驗教學(xué)理念、實驗教學(xué)方式、實驗教學(xué)內(nèi)容等方面均取得了一定的進展，在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的探索性和主動性，提高了其動手能力，但離新工科背景下人才培養(yǎng)目標(biāo)還有一定的距離?？偠灾?，無機化學(xué)實驗教學(xué)改革是一項任重而道遠的工作，未來需要各方面共同努力摸索出一條切實可行的教學(xué)模式，以達到新時代人才培養(yǎng)的最終目標(biāo)。

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作者:孫娜 闞二姐 魏學(xué)嶺 單位:安徽工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院