大学综合化学实验教材概览与课程改革简介

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　　[摘 要]结合南京大学综合化学实验课程的教材编著与教学实践，介绍近年来国内不同院校该课程的教材编写与教改经验。针对新的教学内容与教学方式，简要讨论了该课程的改革与创新。
　　[关键词]综合化学;实验教学;教材编著;课程改革
　　[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）02-0064-04
　　实验教学是化学教育不可或缺的环节。“综合化学实验”是在学生具有一定化学基础理论知识、掌握基本化学实验技能的基础上，在融合二级学科界限、更多于一级学科层面上针对高年级本科生开设的一门综合性实验课程。综合化学实验课程紧扣科学发展前沿和社会实际需求，既保持经典的知识结构，又体现当代学科发展的前沿动态。本课程要求学生能够了解并掌握现代化学研究的方法与技术，综合应用所学理论知识与实验技能，独立并协作进行较为系统综合的研究，掌握科学研究的一般方法，初步具备科研工作者应有的科学思维、创新意识、科研能力和团队精神。综合化学实验训练在本科教学、研究生教学以及学生的就业创业之间起着纽带与桥梁作用。
　　一、综合化学实验内容设置
　　综合化学实验的内容设置着眼于反映学科的某些前沿领域以及发展趋势，并能巩固和加深对基础理论的理解及基本技能的融会贯通，拓展学生的视野。
　　需要指出的是，虽然教材最能直观地反映出综合化学实验内容设置，但是各院校在具体选择实验内容时，会针对具体情况，因地制宜地做出不同的选择，有些实验内容可能并未在教材中体现出来（因收集材料所限，暂不在本文中加以介绍和讨论）。无论如何，不同院校、不同编著者的教材反映出对综合化学实验内容设置的各自理念、着眼点与侧重点。因此在本节内容中，依时间顺序，对若干综合化学实验教材进行一些梳理分析。它们都尽可能体现出各自的特色以及适应的对象。
　　（一）2000-2003年出版的教材举例
　　较早的教材中将综合化学实验分为基础性、综合性、研究式[1] 或综合性、研究性[2]或基础性、综合性实验[3]。粗略地又可分为两个层面，即相对基础型和拓展研究型，但二者之间没有严格的壁垒。比如，在王伯康主编的《综合化学实验》教材中[1]， “二茂铁的合成”放在基础性实验中（用红外光谱进行产物鉴定）;在四院校合编的《综合化学实验》教材中[2]，拓展了实验内容，不仅包括二茂铁，还包括其衍生物（乙酰二茂铁、钨硅酸二茂铁），不仅包括合成，也包括分离（薄层色谱、柱色谱）与鉴定（熔点测定、红外光谱、核磁共振），因此“二茂铁及其衍生物的合成、分离和鉴定”放在综合性实验中。
　　在王伯康主编的《综合化学实验》教材中[1]，有20个基础性实验，30个综合性实验，10个研究式实验。在四院校合编的《综合化学实验》教材中[2]，有综合性实验39个，研究性实验12个。王尊本主编的《综合化学实验》教材中[3]，有基础性实验40个，综合性实验14个。可以看出，研究性或综合性实验的比例持续增加。这些教材在每个实验的编排上，一般均包括实验目的、实验原理、仪器和试剂、实验步骤、结果与处理（讨论）、思考题、参考文献。有些实验在最后还有相关实验技术介绍或知识点补充，如高压釜简介、真空技术、FT Raman光谱仪简介、求解动力学方程的计算机程序等[1]。有些实验还包括前景展望[2]。有的对涉及重要技术和知识点的实验原理介绍得非常系统[3]。三本教材都尽可能详细地给出图例与图示、结构与过程的演变、公式的演绎与推导等。不仅使学生能够比较容易理解相关原理，也能使学生知其然，也知其所以然，达到对知识点的融会贯通。针对学生乐于上网搜索的特点，有的教材专门提供了与化学有关的Internet网址，为学生提供了一个扩充知识的平台。
　　（二）2005-2009年出版的教材举例
　　在杜志强主编的《综合化学实验》教材中[4]，设置了21个基础性实验，14个设计性实验（如食品添加剂——甘氨酸钠碳酸盐的合成及表征;植物水解蛋白的提取与表征）和13个探索性实验（如超分子主体化合物——杯[4]芳烃的合成、表征及应用;分子开关的合成与性能表征）。其中设计性和探索性实验的比例相当高。对于设计性与探索性实验，需要学生在查阅相应文献的基础上进行方案设计和小组讨论，提出改进与实施意见，最后开展实验环节。
　　张寒琦、徐家宁主编的《综合与设计化学实验》[5]，分综合实验（61个）与设计研究实验（29个）两部分。其中设计实验为指定实验内容、仪器和试剂，由学生设计操作方法的实验。实验内容着眼于无机、有机、高分子合成，将合成、分析、表征有机联系，使二级学科的实验操作能更加融合，并尽可能引入新的实验技术与手段（如微波輻射法快速合成NaA沸石;微分脉冲伏安法测定维生素C;高效液相色谱—质谱联用法测定中药刺五加中的有效成分等）。
　　在王尊本主编的《综合化学实验》第2版中[6]，对第一版的实验内容进行了较多置换更新（新增了15个实验），增添了涉及材料化学和生物化学方面的内容（如纳米量级层状材料M2S2P6的低温固相合成及其表征;多酚氧化酶的制备、特性测定及其抑制剂的应用;金属酞菁的合成及表征;双亲分子自组装性质的综合实验等），但实验设置的基本框架保持不变（基础性实验、综合性实验、附录）。在每个综合性实验中，涵盖了更多二级学科的交叉内容。
　　在章文伟主编的《综合化学实验》教材中[7]，有基础型综合实验31个，研究型综合实验14个。有些实验还列有注意事项和拓展实验。该教材更重视结构表征与物性测试。比如上述提到的二茂铁实验，不仅包括二茂铁及其衍生物（如乙酰二茂铁、2-甲酰-1-氯乙烯基二茂铁、乙炔二茂铁）的合成，以及使用红外光谱、紫外光谱、核碳共振氢谱表征产物，还进行电化学性质（循环伏安曲线）测定，以建立深层次的构—效关系。
　　由范星河、李国宝主编的《综合化学实验》包括实验守则与安全知识、实验部分、常用实验技术指导[8]。实验部分设置59个基本综合性实验、18个设计型综合实验（如氧化钛及碳/氧化钛复合材料的光催化性能;高稳定性微孔磁性甲酸配位聚合物的合成、结构与性质研究）、17个研究型综合实验（如基于原子力显微镜刻蚀和微接触印刷技术的无机功能纳米结构制备;磁性微球的制备、功能化及应用等）。实验内容源自二级学科专业实验内容的扩展和更新、课题组科研成果的体现及科研文献的选择和改进。在技术服务指南部分，创新性地提供了实验技术与方法网页介绍。 　　（三）近期出版的教材举例
　　随着知识结构的更新与教学改革的深入，许多院校对综合化学实验课程开设与教材编写都非常重视。申世刚、李立军、赵晓珑主编的《基础化学实验5 综合设计与探索》（第2版）[9]，包括综合性实验、设计型实验、研究创新型实验、附录四个部分。新版教材更新了19个实验。实验内容的设计与选择上，一方面考虑可拓宽学生的受众面，同时更加侧重于实际应用与生产实践。比如在综合性实验部分，包含了“侯氏联合制碱法与碳酸钠和碳酸氢钠含量的测定”“化工仿真实验—典型化工厂3D虚拟认识实习”等。在设计型实验部分，包含了“离子色谱法测定大气降水中的无机阴离子”“含铬废水的测定及其处理”“气相色谱法测定食品中有机氯农药残留量”等。
　　谢少艾、方能虎、蔺丽编著的《综合化学实验》[10]，包括23个基础性综合实验、24个研究性综合实验、34个设计性实验方案、11个技术服务指南四部分。其中基础性实验着眼于仪器分析技术。研究性综合实验涵盖了不同二级学科的相关实验方法与技术（如一种高比表面积微孔金属—有机框架物材料合成及表征;茶叶中茶多酚的提取及抗氧化作用的研究;常见植物性中药中微量金属元素和有限成分含量测定;等等）。方案设计实验是学生通过文献调研，设计出合理的实验方案进行实验（如淀粉的化学与生物变性;光电功能配合物的组装;石墨烯的合成与应用;离子液体的合成与应用;等等）。
　　路建美、黄志斌主编的《综合化学实验》（第2版）共选编了37个实验[11]，增加了8个新编实验。实验内容着眼于无机与有机、物化与分析，甚至生化与医药、环境或材料等学科的交叉。实验内容设计与教学模式上综合考虑前沿性（比如源于国家自然科学基金新近结题项目）、开放性（学生自选实验项目与实验时间）与实用性（与社会生活紧密相关），使学生可以掌握更多的实用知识与技能。比如“奶粉的理化指标和三聚氰胺的检测”“葡萄酒的理化分析”“染料的染色及废水处理”“水质的综合分析及水体中有机污染物光催化降解”等实验内容的设置，反映出编者的指导思想与理念。
　　上述是结合教材编著对综合化学实验教学内容的一些梳理讨论，其他教材限于篇幅不能一一尽列。但即使由所列的有限例子，也可一窥在综合化学实验教学上，不同院校都在集思广益，在综合性、科学性、难易性、适用性方面进行认真探索，力求做到融会贯通与内在均衡，从而使综合化学实验教学体现出当代教学改革的特色与创新。
　　二、综合化学实验课程改革与创新
　　（一）南京大学综合化学实验课程沿革概况
　　为了全面培养学生的知识结构和综合素质，1997年南京大学化学化工学院取消了二级学科的专门化实验，率先在全国高校中建立了综合化学实验室，开设综合化学实验课程，且于2000年由南京大学出版社出版了由王伯康主编的《综合化学实验》教材。王伯康等[12]介绍了从1982年起，开始在中级无机化学实验中编排部分综合实验，涵盖无机、有机、物化、分析、结构等相关知识，并使综合实验在实验技能（多种技能的综合应用）、实验设计（学生自己查资料、制订方案，独立开展实验）、实验灵活性（允许不同方法与途径，鼓励进行综合比较）等方面体现出特点。这是南京大学综合化学实验课程的雏形。1987年起，南京大学化学系推广综合实验教学形式，试行独立开设综合实验课程。综合化学实验的开设，拓宽了学生的知识面，调动了学生的学习兴趣，提升了学生的综合能力，同时促进了实验室的建设与开放。章文伟等探讨了综合化学实验教学改革与实践[13]，通过总结、调整、再总结、再调整，对综合化学实验教学归纳出了一整套方法。主要包括鼓励实验基础较好的学生进入科研课题组、探索实验教学与科研活动直接结合、增加研究性探索性开放实验、观摩使用大型仪器、了解新的研究方法与技术、提出了更新的教学模式、加强师资队伍建设、增设前沿教学内容、灵活必修与辅修及课内与课外开放模式等措施[14]。将综合化学实验教学作为培养高素质创新人才的重要一环，在教学模式、内容、方法、管理等方面积极探索，积累提高[15]。2009年，高等教育出版社出版了由章文伟主编的新版《综合化学实验》教材，并被评为“国家精品课程”。它将手性合成与催化、绿色合成、化学生物学、超分子化学、非线性光学材料、纳米材料等一系列新的实验内容纳入其中。2016年该教材被授予首批“国家级精品资源共享课”称号。
　　（二）国内部分院校综合化学实验课程改革经验
　　山东大学崔学贵等[16]提出，为培养复合型创新人才，需构建包含综合化学实验在内的实验教学新体系，构建基础化学实验与科学研究之间的桥梁，将化学基础理论与基本实验技能在化学、生命、环境、能源、材料等学科间进行融合，相关实验具有明确的研究设计特点，使学生能够得到比较完整的研究型科学训练。通过把前沿科研成果或重要进展作为综合化学实验教学的丰富源泉，有力地推动了综合化学实验内容的更新与变革，使综合化学实验教学体系充满了生机与活力。北京大学吕占霞等[17]对综合化学实验课程教学体系改革与创新提出了若干思路，包括成立研究型综合化学实验教学指导小组，制定相应的实施细则，确定教师队伍，由学生提出申请并开展实验，最终进行考核评定。重要的创新举措是将课程教学延伸到科研学术组，也即进行第二层次的综合化学实验II，充分发挥北大化学学院科研与师资优势，将学生的创新能力培养与创新思想融汇于前沿的科研活动中，实现教学与科研的资源共享与互利双赢，为培养创新型与复合型人才开辟新的途径。南昌大学张小林等[18]探索了综合性、设计性实验教学改革，与其他实验内容穿插進行或结合开放性实验在课外或假期进行。学生通过查阅文献、设计实验方案、独立实验操作、分析数据、撰写报告、开展实验报告会等环节，进行综合性、设计性实验，满足自身的求知欲，促进了创新意识及能力的培养。华南师范大学吕梅香等[19]介绍了在综合化学实验教学中的若干举措，包括聘用高层次实验员、邀请知名教授上课、更新仪器设备、优化教学内容、开放实验室、支持科研项目等;使学生的角色变被动为主动，由观察与归纳到创造与创新;使综合化学实验内容更贴近生活，同时兼具科学性、实用性、趣味性与创新性，充分调动学生的主观能动性;使学生能学到更多，理解更深，视野更宽，能力更强。 　　三、结语
　　综合化学实验作为不同学科的交叉与纽带，正在发生深刻的变化。综合化学实验课程作为一门综合能力的训练课程，已成为学生的就业创业与研究生培养不可或缺的重要途径，其教学模式也将更趋灵活多样，在内容设置、知识结构、课时弹性、课程融合、参与及互动方式等方面将更加契合教育发展的自身规律以及社会发展的不同要求，并在相应的教学改革中得到进一步体现。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 王伯康.综合化学实验[M].南京：南京大学出版社，2000.
　　[2] 浙江大学，南京大学，北京大学，兰州大学主编.综合化学实验[M].北京：高等教育出版社，2001.
　　[3] 王尊本.综合化学实验[M].北京：科学出版社，2003.
　　[4] 杜志强.综合化学实验[M].北京：科学出版社，2005.
　　[5] 张寒琦，徐家宁.综合与设计化学实验[M].北京：高等教育出版社，2006.
　　[6] 王尊本.综合化学实验（第2版）[M].北京：科学出版社，2007.
　　[7] 章文伟.综合化学实验[M].北京：高等教育出版社，2009.
　　[8] 范星河，李国保.综合化学实验[M].北京：北京大学出版社，2009.
　　[9] 申世刚，李立军，赵晓珑.基础化学实验5-综合设计与探索[M].第2版.北京：化学工业出版社，2016.
　　[10] 谢少艾，方能虎，蔺丽.综合化学实验[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
　　[11] 路建美，黃志斌.综合化学实验[M].第2版.南京：南京大学出版社，2014.
　　[12] 王伯康，王志林，孙尔康.开设综合化学实验的探索与实践[J].大学化学，2001（2）：25-26.
　　[13] 章文伟，韩志坚，张剑荣，等.综合化学实验改革的探索与实践[C].全国大学化学教学研讨会，2005：581-583.
　　[14] 章文伟，左景林，白俊峰，等.综合化学实验教学改革与实践的几点体会[C].大学化学化工基础课程报告论坛，2006：644-646.
　　[15] 章文伟，张晖，柯小康，等.综合化学实验培养高素质创新人才的实践探索[J].宁夏大学学报（自然科学版），2007（5）：3-4.
　　[16] 崔学桂，张树永，贝逸翎，等.综合化学实验充满生机与活力[J].实验技术与管理，2006（1）：20-21.
　　[17] 吕占霞，贺维军，高珍，等.综合化学实验教学体系改革与创新[J].大学化学，2011（1）：14-15+28.
　　[18] 张小林，周美华，李茂康.综合性、设计性实验教学改革探索与实践[J].实验技术与管理，2007（7）：94-96.
　　[19] 吕梅香，汪朝阳，何广平，等.综合化学实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2010（4）：112-114.
　　[责任编辑：罗 艳]
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