化學實驗課程內容設置研究

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摘要：近年來理科院系的學生從大一開始參與化學科研實驗的趨勢增加，并且暴露出了一些現象和問題。本文通過總結大一新生參與科研存在的普遍問題的匯總，并結合我國高中平均的化學實驗基礎，對大一化學實驗課程內容設置提出一些建議，為高校培養更多的合格的科研人才添磚加瓦。

關鍵詞：科研；化學實驗；操作習慣

1研究背景

近年來，理科院校中選擇本科畢業后繼續讀研的學生人數比例愈高，與此同時，無論是研究生推免還是考研，競爭也愈加激烈。[1] 而科研經驗與成果是本科生進入心目中理想高校或科研機構所必不可少的[2] ——一方面，科研上的成果是綜合測評中的加分項；另一方面，面試是保研和考研的重要環節，而面試中被問及關于科研能力、科研成果、邏輯思維等問題的幾率也逐漸增加。故參與研究，取得科研成果不僅能提升綜測成績，還有助學生在面試中取得優勢。本科學生大多大學一年級時就嘗試參與科研，原因之一是希望較早開始接觸研究，積累知識、經驗；另一原因在于，根據我國目前的教育體制，學校鼓勵大一、大二本科生申請國創和本基等科研項目，這類基金項目時長一般為一年，如果學生在大二期間申請到項目，大三時結題，再整理數據發文章等待接收，一般須在大四成果才能得到發表。然而無論是夏令營還是推免面試，均在大三結束的暑假或大四學期初始。如此規則下，學生只有在大一申請項目，才能有足夠的時間在大三下學期獲得自己的學術成果。而對于許多理工科專業來說，研究往往涉及化學理論與實驗，因此一年級本科生要參與研究，取得成果，必須具有足夠的化學理論與實驗基礎（圖1）。

2現狀

2.1入校時情況。在現有的教學體制下，大一學生入校時具有什么樣的化學基礎呢？以北京師范大學環境學院為例，每年大一新生中，北京的生源在高中時期相對而言有較多接觸化學試驗的機會以及科研的經驗，而其他地區的學生在高中時期化學實驗的經驗相對較少，中學參與過科研的幾乎沒有。[3] 并且，大部分學生在初高中接觸到的實驗儀器與大學實驗室中的儀器存在較大差距。在這樣的情況下，大一新生對儀器使用的知識儲備不足，對“有什么儀器”、“這些儀器能做到什么”、“怎么用這些儀器”缺乏了解。此外，大學科學研究所需的化學理論知識比中學所學更為深入和廣泛，新生具備的理論知識顯然是不夠的。最后，大多學生也因為中學時期實際操作機會不多，入校時尚未養成規范的實驗操作習慣。而規范的基礎操作正是安全實驗、做好實驗、獲得可靠數據的必需前提。2.2課程設置。以環境學院為例，在大一開設的化學相關課程有《無機與分析化學Ⅰ》《化學基礎實驗Ⅰ》，教學內容見表1。通過課程設置可以看出大一實驗課程的偏重，沒有將具體測量方法的傳授、實驗安全和基礎儀器設備操作單獨作為課程講解。而專門教授儀器相關知識與使用的《儀器分析課程》一般開設在大三或大四，這與大一學生想參與科研實驗的現狀存在矛盾。這會導致學生在實驗過程中往往暴露出一些常用儀器不會用，基礎操作不規范的問題。2.3實驗中出現的問題舉例。2.3.1移液槍的用法。截至2016年，大多數化學基礎實驗教材還沿用吸耳球和刻度吸管的方法。事實是，它們早已被大部分實驗室淘汰，科研中使用的是更為方便而精確的儀器。就環境學院13個實驗室來說，是根本找不到此類設備的。而目前常用的移液槍雖然看似再簡單不過，但是如果不系統教授使用方法，非常容易出錯，而移液槍的正確使用又幾乎關系到所有數據的準確性問題。[4] 大一學生犯的常見錯誤有：使用前不會測試移液槍儀器誤差，不會調節量程，進液時大拇指用力過大導致取樣過多，松手時速度過快導致液體倒流進移液槍口中，取樣時移液槍沒有保持豎直狀態，槍頭離液面過近以及不會計算移液槍帶來的個人誤差。2.3.2濾膜的使用。以環境學院實驗室為例，主要使用的濾膜有水系微孔濾膜（0.22μm/0.45μm）、有機系微孔濾膜（0.22μm/0.45μm）、一次性針式過濾器、尼龍膜、硝酸纖維膜、PVDF膜。 不同濾膜作用各不相同，有些是過濾水相的、有些是過濾有機相的、有些是可以用馬弗爐去碳、有些是不能暴露在空氣中、有些是疏水濾膜。在沒有系統的學習或碩士師兄師姐的指導下，大一學生用錯濾膜的概率是非常高的。2.3.3蒸餾水、純凈水、超純水不分。大一學生對實驗需要簡單化、純化的原則認識不夠清晰，不能正確的判斷什么情況下需要用什么樣的水。再加上不懂得蒸餾水、純凈水、超純水3種水在雜質、電阻上的區別，會經常出現標液不純的現象，降低了實驗效率，也浪費了實驗耗材。2.3.4稱量與天平的使用。以環境學院為例，常用天平有萬分之一、十萬分之一、百萬分之一天平。不同的天平工作環境不同，操作要求也不同。如使用百萬分之一天平時，必須戴手套，否則一個指紋就會導致0.02mg質量的偏差；空氣溫度要保持平衡；避免強光照射；盡量避免空氣流動；開機前要至少預熱2個小時等等。[5]然而，筆者經常會看到夏天的時候，大一的學生在開著空調的房間內用百萬分之一天平稱重。其次，精密天平使用前需要調節水平，并盡量避免挪動天平，這些基礎知識大一學生在沒有系統學習過化學基礎實驗的情況下是幾乎不可能注意到。其他稱量操作問題就更多，最常見的是幾乎所有的大一學生為了給課題組節省藥品，將稱過量的藥品用稱量勺放回試劑瓶中。這種做法不僅僅沒有節省藥品，反而污染了試劑。2.3.5安全性。近年來，本科生的實驗設計若趨于高端、緊密結合現實，則更有機會獲得青睞，故針對多環芳烴、農藥、抗生素、VOC、PM2.5等環境有害物質的研究實驗屢見不鮮。但是這些物質都有一個共性，就是環境濃度很低，往往不能直接進行上機檢測。因此樣品富集、活化洗脫、氮吹 “三部曲”是本科生需要獨立面對的最常見的樣品前處理方法。但是在這一過程中，多個環節涉及毒性較強的有機溶劑。大一學生如果缺乏有機化學基礎知識，即便在師兄師姐指導下，也易出現實驗事故，并對身體造成不同程度的危害。此外，氣瓶也是本科生做實驗時經常需要單獨操作的設備。筆者曾經對環境學院大一學生進行過統計，有30%的學生對氣瓶恐懼不敢使用，而大約有10%的“熱血”學生 ，在看不清氣瓶的字體，不懂得氣瓶顏色代表的意義的情況下就敢于裝上就用。盡管在實驗室嚴格管理下已經不會出現易燃易爆氣體，但這樣的“無畏”仍然給學生安全以及儀器正常運行帶來隱患。最后，對廢液的處理，自身防護的安全意識，化學事故的應急處理辦法，有毒藥品的存放等都需要有專人向大一的學生傳授。

3建議

為了避免上述情況發生，也為了讓學生可以獨立的參與國創、本基等基金的申請，發揮學生的主動思考能力，筆者建議從大一實驗課程體系上，首先授課群體可實行小班授課，一個實驗班的學生15-20人為最佳。其次為了培養學生學習興趣，建議基礎實驗課適當的和項目掛鉤，讓學生有機會舉一反三，帶著好奇和問題去主動學習。 并適當增加對基礎、常用儀器設備的使用及應用的授課比重。在實驗課教學方面，應該注重傳授規范的實驗操作方法，培養學生養成良好的實驗操作習慣。在此基礎上，盡可能增加實驗安全課程，提高學生的自我安全意識。最后，建議將大三、大四開設的《儀器分析實驗》課程的部分內容作為《初級儀器分析實驗》在大一的教學體系中開設，并建議結合本院系的科研平臺和研究方向，有針對性的向大一學生傳授與院系特色相關的化學基礎實驗。理工科大學生從第一年就參與科學實驗可以激發學生的科研熱情和學習興趣，大一的化學實驗課是大學新生走進實驗殿堂的入門課程，因此，更需要著重培養學生的實驗習慣，教授常用儀器的使用方法，提高學生的理論知識水平，從而彌補學生自身水平與科研基礎間的差距，為我國培養更多優秀的科研人才。

參考文獻：

[1]畢紅艷.云南民族大學學報（哲學社會科學版）,2007,24(04):60-62.

[2]曹運姣,陳雅楠.管理觀察,2016,36(19):91-93.

[3]吳晗清.中國教育學刊,2013,34(02):68-72.

[4]于濤,趙秋蓉,吳迪.農產品加工,2016,35(08):36-38+42.

[5]王學琴,梁秀麗,拓銳.化學計量分析,2013,22(02):67-69.

作者:趙金博 趙昕悅 胡俊梅 單位:1.北京師范大學環境學院 2.水環境模擬國家重點實驗室