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[摘要]應用化學綜合實驗是提高學生專業綜合素質，培養學生實踐能力和創新能力的有效模式。通過構建“以學生為中心”的專業綜合實驗教學模式，對傳統的綜合化學實驗教學模式進行改革。通過問題導向、拓展思考以及基于學習遷移的自主設計等多種實驗教學模式，充分調動學生的學習積極性，在對實驗進行獨立思考、設計與實施的過程中實現對學生專業實踐和創新能力的培養，從而更好適應本專業領域科學研究和生產實踐當中對學生素質與能力方面的客觀要求。

[關鍵詞]以學生為中心；應用化學綜合實驗；教學模式改革

化學學科是一門應用性和實踐性都很強的實驗學科，應用化學理科專業人才的培養包括專業知識、專業能力和專業素質培養三個主要方面，致力于培養具備扎實專業理論基礎和實驗技能，具有創新意識、實踐能力和行業素質，能夠解決應用化學領域實際問題，能在應用化學及相關領域從事生產、科學研究、應用開發等應用型高級專門人才[1]，實現學生學有所成，學以致用。作為理論聯系實際的重要載體，應用化學專業課程體系中實驗教學在整個專業教學環節中占有特殊的地位，具有舉足輕重的作用[2]。培養具有創新能力和實踐能力的人才是當前本科教學改革的重要研究內容之一，對于應用化學專業而言，實驗課程是實現創新人才培養的重要途徑。對于實驗教學改革的目標而言，關鍵是要在實驗的實施過程當中，以提升學生素質，開發學生潛能作為目的，并將以上目標融入實驗教學的全過程。目前高等學校化學相關專業實驗教學普遍存在實驗內容陳舊、教學方式僵化、實驗考核制度單一等諸多弊病，迫使學生被動接受教育的基本模式，造成了畢業生的知識結構大致相同，“百人一面”，極大地制約了學生創新潛力的挖掘[3]。難以實現專業培養目標當中對學生創新意識、實踐能力和行業素質的培養要求。因此，實驗課程的改革勢在必行。應用化學理科專業綜合化學實驗是專業培養方案中溝通基礎課和后期專業實踐環節的重要橋梁，在專業培養體系當中促進了各二級學科之間的有機融合，起到承上啟下的關鍵作用[4-5]，也是學生將所學專業課知識進行綜合實踐的主要途徑。綜合化學實驗課程安排在大學三年級下學期，在學生修讀完化學基礎理論和實驗課程以及大部分專業核心課程后進行，主要實驗內容圍繞目標化合物的合成，產物的分離與提純，組成和性能表征三個主要環節展開，實驗類型包括驗證性實驗、綜合性實驗和自主設計性實驗三種類型。在實驗課程的實施過程當中，針對以上三種類型的實驗，進行教學模式的研究和改進，充分調動學生的積極性的同時，培養學生的創新意識和實踐能力。

1驗證性實驗的問題導向法教學(PBL教學)

驗證性實驗是實驗教學當中一種傳統、常見的原理性質以及基本方法、基本技能的實驗，可以通過學生對實驗對應的某個概念或原理的理解，使學生掌握基本實驗方法和技能[6]。通常驗證性實驗結果具有可預見性，往往給人有呆板無趣的印象，學生積極性通常不高，通常按部就班“照方抓藥”，知其然不知其所以然，也就很難實現在實驗過程中對相應知識的理解和技能的掌握，無法完成實驗課程當中既定的知識和能力目標。應用化學專業綜合實驗課程在圍繞目標化合物合成以及合成后目標產物進行簡單分離等主要模塊，仍然保留了一部分驗證性為主的實驗內容。為了避免實驗教學中延續學生按照實驗步驟照方抓藥的現象，提高學生的學習積極性和學習效果，擬在這一部分驗證性為主的實驗課程教學中采用問題導向法進行教學，即PBL(Problembasedlearning)教學[7]。PBL教學由HowardBarrows和AnnKelson提出，是一種以問題為基礎的學習方式，其核心理念認為“問題是學習的起點，也是選擇知識的依據”。這一教學法實現了以學生為中心，通過激發學生的興趣，調動學生的思維，使學生真正成為教學的主體，由于這一方法可以實現學生在課程知識目標和能力目標方面的共同達成，在國際上成為教學改革的主要趨勢。在應用化學專業綜合實驗的部分驗證性實驗教學中采用PBL教學，主要可以通過設置預習思考題的方式進行。以上思考題涵蓋了綜合化學實驗當中各步驟的要點，對于整個實驗起到了一個提綱挈領的作用。在本課程的每一個驗證性實驗當中，都進行了預習思考題的設置，并通過預習報告，對學生完成預習思考題的模式進行驗收。實例一，在甲基叔丁基醚的制備與表征的實驗中，我們設計了如下問題：(1)目前工業制備和實驗室制備甲基叔丁基醚主要有哪些方法？請簡要指出以上方法的主要優點和不足。(2)在本實驗當中，加入15%硫酸溶液的目的是什么？請查閱相關資料指出相應的機理。加入硫酸濃度過高或者過低可能對這一反應帶來何種不良影響？(3)指出反應過程中可能出現的副產物并給出如何避免形成以上副產物的副反應發生以及如何實現以上副產物與目標產物甲基叔丁基醚的分離。(4)反應過程中，通過分餾柱收集40~60℃的餾分中都有哪些主要成分？如何將其他成分與目標產物實現分離？實例二，在綠色植物中色素提取、分離和鑒定的實驗當中，我們設計了如下問題：(1)本實驗研磨葉片之前，加入碳酸鎂的主要目的是什么？(2)萃取過程中，加入氯化鈉飽和溶液和加入蒸餾水的目的是什么？(3)請通過實驗講義中“氧化鋁柱色譜”一節內容，判斷胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素A和葉綠素B的極性順序，并給出判斷依據。(4)硅膠薄層色譜當中，如何測定各組分的比移值？通過預習環節中的問題導向，使學生在結合實驗步驟的預習對以上問題進行思考的同時，應用網絡、多媒體課件、電子圖書等現代信息技術資源查找相關資料，并對查找資料進行分析、處理和綜合，實現對所提出的預習問題進行解答[8]。通過預習思考題的設置，可以使得學生有的放矢的進行實驗預習，理解實驗每個步驟的意義，也在一定程度上提高了學生進行實驗的興趣和積極性。同時，在實驗課程開始前，教師根據實驗課程相關內容，對在以往教學過程中出現的常見問題進行總結。在實驗課程實施過程中關注每一名學生的具體實驗過程，通過討論和啟發的方式指導學生解決實驗過程中出現的問題，常見的方式主要包括：關聯相應理論知識、指導學生通過網絡查閱尋找對策以及分析操作方式或步驟與實驗結果之間的關系等等。通過PBL教學法，教師主要充當顧問的角色，可以實現學生對整個實驗實施過程的自主思考，在加深對實驗原理理解的基礎上，較為自主地解決實驗中需要的問題，并在這一過程中，獲得處理相應或類型問題的經驗，從而可以通過實驗課程實現學生知識目標和能力目標的共同達成。

2綜合性實驗的拓展思考式教學

綜合性實驗主要指的是通過專業知識的綜合，加強學生對專業知識內在聯系的理解和掌握，讓學生能夠較系統地掌握從選題、方案論證、設計、系統實現，到最后的總結報告等全過程的各個環節，以培養學生學以致用的實踐能力，并能夠激發學生的創新潛能。開設綜合實驗的主要目的是在學生先修過無機化學實驗、化學分析和儀器分析實驗、有機化學實驗等基礎實驗的基礎上，根據學生在基礎實驗修讀環節當中掌握的知識和能力，指導學生綜合先修理論課程學到的知識和實驗課程掌握的技能，獨立分析問題和解決問題的能力。與驗證性實驗不同，綜合性實驗當中的實驗方案設計并無一定的標準答案，具有一定的開放性，只要符合實驗方案科學合理并能夠解決實驗當中需要解決的問題，都能夠被認為是可行的實驗方案。這就要求學生能夠將對實驗方案的拓展思考取代驗證性實驗當中點對點的簡單問題分析，才能實現綜合性實驗目標的達成。“草酸根合鐵(III)酸鉀的制備和結構測定”是一個典型的綜合性實驗，課程實驗講義給出了制備這一化合物的方法。就講義中制備實驗的方法本身而言，該實驗的制備模塊可以作為一個小型的驗證性實驗。而通過實驗制備得到化合物的結構測定則可以作為一個啟發學生拓展性思考的實驗內容，其內容核心在于如何定量測定構成此化合物的K元素、Fe元素以及配體草酸根離子的含量，并根據含量推測制得配合物的結構。學生需要通過應用先修課程當中化學分析和儀器分析的基礎知識，根據待測元素和官能團的特點，查閱資料設計測定以上組成元素的實驗方法。因此，在這一模塊的實施當中，教師需要充當顧問的角色，對學生提出實驗方案和科學性、合理性和可行性進行指導和建議。這一實驗中，首先進行堿金屬陽離子K+含量的定量測定；草酸根合鐵(III)酸根絡合陰離子的組成和相對含量測定實驗環節，需要分別對Fe(III)和草酸根離子的含量進行定量測定。根據以上測定結果以及相關元素和官能團的主要性質，對以上絡合物的結構進行推斷和確定。在化合物組成成分定量測定環節當中引導學生拓展性思考的實施方法，以K+定量測定進行示例。學生通過查閱資料提出了多種分析檢測方法并進行可行性分析后，選擇采用了離子選擇性電極測定法和四苯硼酸鉀沉淀重量法兩種化學分析方法進行測定的實驗方案。教師根據學生的實驗方案指出在該實驗中離子選擇性電極測定法干擾較小，并指導學生比較離子選擇性電極測定法當中標準曲線法和標準加入法的測定結果，根據結果將以上兩種方法的優劣進行比較。而四苯硼酸鉀沉淀法測定易于受到草酸根合鐵(III)酸根絡合陰離子的干擾，教師需要引導學生設計實驗方案，排除以上絡合離子對于測定的干擾。根據學生的實驗方案指導學生進行測定，并由學生對兩種方法的測定結果進行比較和總結。應用相似的實驗教學方法，指導學生完成對Fe(III)和草酸根離子的含量進行定量測定。在這一過程中，充分調動學生拓展思考下進行多種分析檢測方法的設計、嘗試與比較，有助于提高學生面對問題提出多元化解決方案的能力。完成以上組成元素和官能團的定量測定后，測定結果以及相關元素和官能團的主要性質，對以上絡合物的結構進行推斷和確定，并對結果進行分析和總結。學生根據測定數據，推斷得到的結果當中K元素、Fe元素和草酸根的含量比例為非整數，推測的物質組成并非僅通過簡單的理論分析先入為主得到的K3[Fe(C2O4)3]。學生對以上結果進行質疑。如何對以上實驗結果進行分析，是這一綜合性實驗的另一拓展思考環節。在這一環節，教師的角色僅僅做到為學生釋疑是不夠的。通過配體草酸根的化學性質組織學生進行小組討論，引導學生對配合物的結構進行思考，教師根據學生的拓展思考進行總結。指出作為雙齒配體，草酸根可以通過雙齒配合的方式與Fe3+形成較為穩定的五元環螯合物，也可以通過單齒配合的方式形成簡單的配合物，因此在絡合陰離子當中，兩種配位方式共存，故草酸根合鐵(III)酸鉀可能存在K3[Fe(C2O4)3]與K5[Fe(C2O4)4]混合物的情況，而實驗結果中的非整數正說明以上兩種形式是以一定比例共存的。通過這一拓展思考環節，可以引導學生如何正確對待實驗結果，并根據結果進行科學合理的分析，避免先入為主而輕易對實驗結果進行否定。在此基礎上，聯系該實驗的制備環節提出進一步拓展延伸的思考題，即如何通過控制和優化反應條件制備得到K3[Fe(C2O4)3]的純凈物，并指導學生嘗試制備條件優化的實驗環節，并對不同制備條件下制得的產物進行結構測定。通過以上制備-結構測定-制備條件優化的閉合反饋循環，培養學生進行化學專業相關科學研究初步的科研能力[9]。通過以上的多個拓展思考環節，能夠更好地與專業培養計劃當中畢業論文等實踐環節進行接軌，使得學生能夠更好地完成從理論環節到專業能力實踐的過渡。

3基于學習遷移的自主設計性實驗教學

自主設計性實驗是近年來專業綜合實驗的一個新的發展方向和發展思路，在這一過程中，教師通過引導和啟發學生的思維活動，充分發揮與體現學生的主導作用，被認為能夠有效激發學生的主觀能動性，使學生在自主設計實驗的過程中，能夠獨立對文獻和資料進行搜集和查閱、獨立設計實驗方案、獨立解決實驗中出現的問題并優化實驗方案。在這一過程當中充分發揮學生的主觀能動性，鼓勵學生獨立面對問題、分析問題和解決問題，從而在這一自主設計實驗的過程中，實現學生思維能力和創新意識的培養和提升。學習遷移是學習中的一個必然現象，可以說，只要有學習，就一定有學習遷移[10]。一般認為，遷移學習和一種學習對另一種學習的影響[11]。在自主設計性實驗教學方法的設計當中，可以引導學生通過對比兩個不同學習對象和共同點和差異，根據現有的或者以前學到過的知識和經驗進行學習的遷移，完成自主設計性實驗的方案設計。在專業綜合化學實驗課程的實施過程當中，選取綠色植物中色素提取、分離和鑒定的實驗當中“通過HPLC進行色素提取液的組分分離”進行基于知識遷移的自主設計型實驗試點，在學生完成實驗講義中“柱色譜分離”模塊后，引導學生對柱色譜分離結果進行總結和討論，指出講義中柱色譜分離方法的局限性，然后根據遷移的原則，提出相似分離原理的高效液相色譜(HPLC)可以實現以上組分的分離，并根據目前實驗室的條件，給出如下自主設計性實驗題目，由學生根據儀器分析等先修理論課程所學知識，完成設計性實驗“HPLC分離色素提取液當中的組分”，要求學生使用常見溶劑(甲醇、丙酮、石油醚、正己烷等)通過C18反相柱設計HPLC等度分離或者梯度分離方案。在以上自主設計性實驗的執行當中，部分學生可以根據命題設計出合理、可行的提取液組分分離方法。學生設計的等度分離實驗方案主要基于將不同極性溶劑進行一定配比混合作為等度分離的流動相實驗條件。根據給出的具有不同極性的常見溶劑，結合先修理論課程當中講授過的溶劑極性變化順序，設計出“甲醇-丙酮”、“甲醇-石油醚”、“丙酮-環己烷”以及“丙酮-石油醚”二元混合溶劑流動相條件以及“甲醇-丙酮-環己烷”三元混合溶劑流動相條件的等度分離方法。學生可以從講義中柱色譜當中不同“丙酮-石油醚”配比洗脫溶液的分步洗脫條件方法進行遷移設計合理的混合溶劑組分比例，并能夠根據講義中柱色譜固定相與HPLC-C18分離柱固定相極性的不同判斷正相/反相分離模式，判斷出幾種主要組分的出峰順序。部分學生也可以根據以上原理的遷移設計出“丙酮-甲醇”二元溶劑體系的梯度洗脫分離方法，并能夠在教師的指導下通過優化梯度洗脫條件獲得色素中多個組分的最佳分離方法，實現了提取液中葉綠素、葉黃素、胡蘿卜素等主要色素組分的分離。此外，根據實驗中學生提出如何將HPLC當中分離出的組分進行分別收集，教師指導學生在HPLC檢測器出口管路處根據出峰情況進行了相應組分的收集，并對收集到的組分進行表征和鑒定。這一自主設計性實驗實現和發展了學生以下兩方面的知識與能力的遷移：第一是由柱色譜到高效液相色譜分離方法的遷移，根據柱色譜的固定相條件與高效液相色譜當中HPLC柱固定相條件的異同，可以比較兩者分離機理的異同(正相/反相)，實現將柱色譜當中的分離方法向液相色譜分離方法的遷移；第二是由柱色譜到高效液相色譜法組分收集方面的遷移，即由柱色譜方法當中對流出色帶進行收集到液相色譜當中根據譜峰出現后的流出液進行收集的遷移。通過以上兩方面的知識與能力的遷移，可以讓學生理解經典的柱色譜分離方法與現代分離技術高效液相色譜方法之間的傳承與改進，對于分離技術的發展與革新具有較為直觀認識的同時，掌握將經典方法當中思路應用于現代手段實現分離的能力。由于學生的專業基礎和先修課程掌握水平參差不齊，故通過學習遷移的方法引導學生進行自主設計性實驗比完全從頭開始的自主設計性實驗更容易被學生接受，可以在循序漸進的過程中逐步掌握自主設計性實驗的要領。在作為大學三年級下學期的專業綜合實驗當中對學生的以上學習遷移能力進行訓練和提升，可以為后續畢業論文當中實驗方案的設計環節打下良好的基礎。

4結語

綜合化學實驗是應用化學理科專業培養方案中溝通基礎課和后期專業實踐環節的重要環節，也是學生將所學專業課相關知識進行融合并進行實踐的主要途徑。按照綜合化學實驗內容中的不同實驗類型，通過驗證性實驗的PBL教學法、綜合性實驗對學生延伸思考的引導以及自主設計性實驗的學習遷移，培養和提高了學生對實驗原理的認識能力、分析問題并設計實驗研究和解決問題能力以及基于遷移進行實驗方案設計的能力，為培養體系當中后續實踐和畢業論文環節打下良好基礎的同時，實現學生學以致用能力的真正提升。

作者:李沁然 樊志 張晨曦 鄧啟良 吳燕 單位:天津科技大學