李 婉 MOORE John W.

(1中國科學技術大學化學實驗教學中心，合肥230026；2美國威斯康星大學麥迪遜分校化學教育學院，麥迪遜53705)

威斯康星大學基礎化學教學的幾點啟示

李 婉1,*MOORE John W.2

(1中國科學技術大學化學實驗教學中心，合肥230026；2美國威斯康星大學麥迪遜分校化學教育學院，麥迪遜53705)

介紹了美國威斯康星大學麥迪遜分?；A化學教學的幾個特點，闡述了其如何通過完善的教學管理和靈活的教學環(huán)節(jié)設計培養(yǎng)學生的自主學習能力和科研創(chuàng)新能力，給我們的基礎課程教學改革提供一定啟示。

基礎化學；教學方法；課程改革；國外教學

借鑒國外的先進教育理念、教學方法，對推進我國的教學改革，實現(xiàn)國家對本科化學類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標具有重要意義[1,2]。2014年8月到2015年7月一年間，筆者在美國威斯康星州立大學麥迪遜分校(UW-Madison)做訪問學者。該?；瘜W系有專門的化學教育學院負責全系的教學管理和課程設置。一年期間筆者全程跟進該校部分基礎化學課程的理論和實驗教學，隨堂聽課、隨堂做實驗、參加每周的助教會議(staff meeting)和實驗講解(lab briefing)、參加教改項目，對該校的基礎化學教學有了比較全面的了解。

UW-Madison本科生化學課程以普通化學(general chemistry)為基礎，所有學生必須先修完普通化學的學分后，才能修其他化學課目。普通化學的教學內(nèi)容包括無機和有機兩部分，其中無機部分相當于國內(nèi)的化學原理課，涵蓋了化學平衡、反應速率、化學熱力學、原子和分子結(jié)構(gòu)等內(nèi)容；有機部分占的比例相對少，主要介紹了官能團、反應類型、分子結(jié)構(gòu)、聚合物等有機化學基礎知識。值得注意的是，有機部分一半的課時用來介紹蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類、DNA等生物大分子。因此學生修完普通化學后就掌握了化學基本原理和生物化學的相關概念。之后再根據(jù)自己的專業(yè)要求決定是否繼續(xù)修有機化學、分析化學、無機化學和物理化學等課程。

一年的學習中筆者深刻感受到，盡管選課人數(shù)龐大，UW-Madison優(yōu)良的教學傳統(tǒng)和完善的教學管理保證了其基礎化學課程的教學質(zhì)量，而中美兩國教育理念的差異造成兩國高校在具體教學環(huán)節(jié)上存在諸多不同，最終影響了學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。下面將從幾個方面進行介紹。

1 充分的學業(yè)輔助

選修普通化學的學生絕大部分是剛?cè)胄５男律?，沒有太多的學習經(jīng)驗，因此UW-Madison給該課程提供了充分的學業(yè)輔助，幫助學生順利完成從高中到大學的過渡。

開學的第一堂課上，任課教師會下發(fā)該門課程的教學大綱(syllabus)，上面有詳細的課程要求、教學計劃、作業(yè)要求、打分標準、助教信息等，甚至寫明該課程每周預計要花費多少時間。學生看了后對整門課程的安排心中有數(shù)。教學大綱也掛在網(wǎng)上，方便學生隨時查閱。

開學后網(wǎng)上會給出該門課程任課教師以前的助教筆記，方便學生預習和參考。同時每堂課都安排有助教隨堂做筆記，下課后交到教學辦公室，掃描后立即掛在網(wǎng)上供學生復習參考。

美國的一個教育理念是“討論是掌握知識的最快途徑之一”?；A化學課程一周安排兩次研討課(discussion)。研討課上助教會事先準備材料，引導學生分組討論理論課上的重難點，也會討論實驗的相關內(nèi)容。不像理論課上座位是固定的，討論課教室的椅子是活動的，學生可以隨意分組圍坐成一個圈討論，也可以分成幾個小組進行搶答，形式非常自由，很好地彌補了大班上課師生不能接觸的不足。

另外普通化學課程一周一次課堂小測試(quiz)，一月一次月考(exam)，隨時檢查學生的掌握情況。月考后的一兩天內(nèi)，助教就給出“作業(yè)+實驗+小測試+月考”的加權平均分以及全班成績分布，學生可以隨時上網(wǎng)了解自己截至到當月的學習情況，避免了到期末考試時學生才開始著急用功的現(xiàn)象。

普通化學103課(相當于普通化學上)還配有專職的學業(yè)輔導教師。該教師會隨大班聽課，發(fā)現(xiàn)問題學生，指導助教采取相應的措施幫助學生。

國內(nèi)大學很少針對大一的課程提供額外的學業(yè)輔助。我們的學生從嚴酷的高考中解放出來，不少人很難一下就適應寬松自由的大學學習。而一旦不知不覺掉了隊，并不容易找到該門課程合適的資源，幫助自己趕上進度，造成越來越聽不懂跟不上，最終只能重修該門課。很多學生的退學都是由于大一時不及格的學分太多而造成的，因此UW-Madison化學系給大一基礎課程提供額外學業(yè)輔助的做法非常值得我們借鑒。

2 大量課堂演示實驗

UW-Madison基礎化學課堂上會做大量的演示實驗，甚至可以占到上課時間的1/3。教室的講臺又寬又長，邊上裝有水池，有一個專職教師負責輔助課堂上的實驗演示。實驗的選題非常廣泛，除了常規(guī)化學反應外，還會拿日常生活中的瓶瓶罐罐做實驗，甚至有不少燃燒、爆炸的裝置。學生對演示實驗反應積極，每每報以熱烈的掌聲和歡呼。

演示實驗多，課堂上講解概念原理的時間就少了，于是很多基本概念課堂上不展開解釋，甚至沒有提及。UW-Madison的教師認為大一學生的學習目標還不明確，如果不通過演示實驗引起學生的興趣，學生可能根本就不想學習。而只要有了興趣，為了完成作業(yè)，學生自己就會看書，把知識補充完整。

國內(nèi)大學的基礎化學課堂上實驗演示非常少，大部分時間是知識灌輸，務求讓每一個認真聽講的學生完全掌握知識的重難點。比較而言，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生思考，之后放手讓學生自己在知識海洋徜徉的教學方式能更好地培養(yǎng)學生學習的自主性和探索精神。

3 實驗內(nèi)容貼近生活實踐

化學是一門實驗科學，實驗課程對提高學生解決問題能力和創(chuàng)新能力起到重要作用[3]。UW-Madison普通化學每周一次實驗課，每學期共開設10—14個實驗，實驗課時和國內(nèi)相差不大。具體實驗內(nèi)容隨課程培養(yǎng)方案的不同會有所不同，但都是以物質(zhì)合成和化學原理的推理驗證為主。比如選課人數(shù)最多的普通化學103和104(相當于普通化學上、下)，兩學期共開設了1個安全和儀器認領實驗、5個合成實驗、8個化學原理實驗、2個物化參數(shù)的測定實驗、3個模擬分子結(jié)構(gòu)實驗和1個設計實驗。

除了模擬實驗以外，其他教學內(nèi)容和國內(nèi)的基礎化學實驗看起來比較相似，但做起來就發(fā)現(xiàn)UW-Madison的實驗內(nèi)容與生活實踐聯(lián)系得相當緊密。作為美國高等教育史上著名的“威斯康星理念”(Wisconsin Idea)的發(fā)源地[4]，理論聯(lián)系實際顯然是該校的一個教學傳統(tǒng)。

以表面活性劑的制備實驗為例，國內(nèi)高校開設這一實驗大多數(shù)只是制備出表面活性劑[5]。而在UW-Madison的這個實驗中，每組學生會得到幾小片棉布。在使用不同原料制備出表面活性劑后，學生首先將產(chǎn)品與市售的纖維柔順劑配成同樣濃度的溶液；之后將布片分別在純水、市售纖維柔順劑溶液、自制表面活性劑溶液中浸泡、烘干；比較纖維的觸感以及吸水時間長短，并按照商業(yè)產(chǎn)品的檢測程序打分。學生們熱切地比較著各自纖維的柔軟度，討論不同原料造成的產(chǎn)品差異。

類似的還有合成生物質(zhì)柴油的實驗。該實驗用普通的蔬菜油做原料，通過酯交換反應制備出生物質(zhì)柴油，之后測量合成柴油的密度、凝固點和燃燒熱，與市售柴油的理化數(shù)據(jù)進行比較。這個實驗切合了當前尋找石油化工產(chǎn)品替換物的科研熱點。這種貼近實際生活的實驗設計，對學生的學習興趣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到推動作用。

4 弱化實驗課程講解，允許學生犯錯

UW-Madison的基礎化學實驗課上助教講得很少，通常只是提醒實驗要注意的安全問題，比如不同試劑要倒入相應的容器，對實驗原理和實驗步驟則基本不提。實驗過程中出現(xiàn)了疑問，大部分靠學生自己研究討論解決，因此課堂上會出現(xiàn)同一個實驗步驟大家采取不同的做法。對此助教一般不會干涉，任由學生按自己的想法做下去。有些組做錯后發(fā)現(xiàn)不對會做出調(diào)整，也有的組就會一直錯著直到做出不合理的實驗結(jié)果。

這一點和國內(nèi)的實驗課大不相同。我們通常會先講授實驗原理、實驗流程、注意要點，之后學生再操作。對學生的錯誤操作我們會及時糾正，保證他們按照正確的步驟進行。國內(nèi)這種教學模式能夠保證大部分學生順利完成實驗，達到實驗教學的目的。但講得太多太細，沒有給學生留下思考和嘗試的空間，不可避免地扼殺了學生的探索熱情，使學生更趨向于一個技術工，而不是科學家。

要培養(yǎng)學生的科研探索精神，我們就需要徹底改變實驗教學理念，課前少講，放手讓學生通過思考、討論、摸索，自己找到解決問題的方法。并且要允許學生在實驗過程中犯錯誤，教會學生面對不理想的實驗結(jié)果時進行歸納總結(jié)，避免下次再錯，這樣更能加深學生的印象?！翱茖W就是這么一回事，反復犯錯，然后修正，最后找到正確的方法”[6]。

5 實驗步驟設計靈活

國內(nèi)基礎化學實驗的操作流程比較固定，每一步加多少試劑，什么時候加，都列得明明白白，沒有太多探索和嘗試的余地。比較而言UW-Madison化學系的實驗設計要靈活很多。

比如測量反應熱實驗，學生需要得到NH4Cl固體的溶解熱、鎂條與1.0 mol·L—1HCl反應、MgO與1.0 mol·L—1HCl反應的反應熱。實驗書上只給出了每種固體試劑的最多取用量。學生需要自己設定理想的溶液溫度改變范圍，查閱相關熱力學數(shù)據(jù)，計算每種試劑的需要量。如果實驗結(jié)果不理想，可以分析原因后當堂更改反應條件重新做。

再比如酯化反應實驗。學生根據(jù)助教提供的產(chǎn)品編號領取原料，比如要合成酯A1，就取不知名的有機酸A和醇1混合在一起，按相應的步驟進行反應。反應結(jié)束后，學生通過仔細觀察產(chǎn)品的顏色、晶型，尤其是聞香味，和講臺上的已知酯樣品進行比較，確定自己合成的是什么酯，再反推出原料有機酸A和醇1的名稱。整個實驗充分利用了芳香酯的芳香特性，實驗設計生動有趣，鍛煉了學生的觀察能力和分析判斷能力。

6 重視學生的溝通協(xié)作能力培養(yǎng)

眾所周知，現(xiàn)代社會不論是科學研究還是產(chǎn)品開發(fā)，少有科學家能獨立完成全部工作。科研活動中人與人之間的相互作用直接影響著科研計劃的完成[7]。因此對學生的溝通交流、團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)十分必要。

UW-Madison的基礎化學實驗課大部分是兩人一組完成。學生進實驗室后隨機成組，確定實驗步驟，明確各自分工，討論解決實驗中出現(xiàn)的問題，最后一起處理實驗數(shù)據(jù)、完成實驗報告。

另外有不少實驗被設計成需要全班同學共同完成。比如部分實驗條件設為可選項，每組學生選擇不同的實驗條件進行操作，之后設計表格將全班的實驗結(jié)果列出來，讓學生根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)。無機化學311課程的“孔雀石的制備”實驗，就是全班每組同學按不同的原料比例和反應條件制備出孔雀石，之后用透明膠帶將產(chǎn)品貼在卡片上，寫上該產(chǎn)品的制備條件和物理化學性質(zhì)。全班的卡片集中在一起，大家總結(jié)不同制備條件對產(chǎn)物的影響。這樣的實驗設計既鍛煉了歸納總結(jié)能力，又培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作意識。

總體來說，中美兩國的教育模式各有所長。但在以學生為主體的教育理念指導下，UW-Madison的基礎化學課堂給學生提供了更大的思考空間，從激發(fā)學生自主學習，鼓勵學生不斷探索、嘗試，培養(yǎng)學生溝通、協(xié)作能力等各個方面鍛煉提高學生的科研創(chuàng)新能力，有很多值得我們借鑒學習的地方。我們需要取長補短，更新教育理念，改革教學方法，以培養(yǎng)出更多符合時代發(fā)展需求的人才。

[1]張樹永,王玉枝,苑世領.大學化學,2014,29(2),14.

[2]趙 明.大學化學,2014,29(5),7.

[3]路甬祥.化學通報,2011,74(12),1067.

[4]Thelin,J.R.美國高等教育史.第2版.孫 益,林 偉,劉冬青,譯.北京:北京大學出版社,2014:131—132.

[5]李 明,劉永軍,王書文,于躍芹.有機化學實驗.北京:科學出版社,2010:240—243.

[6]BBC紀錄片.我們的孩子夠堅強嗎?[2015-07-27].http://www.open.edu/openlearn/whats-on/tv/are-our-kids-tough-enough-chinese-school.

[7]Petersen,A.M.Proc.Natl Acad.Sci.USA 2015,112(34),E4671.

The Inspirations from Basic Chemistry Teaching at UW-Madison

LI Wan1,*MOORE John W.2
(1Chemistry Experiment Teaching Center,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,P.R.China;2Institute for Chemical Education,University of Wisconsin-Madison,Madison 53705,USA)

Several characteristics of the basic chemistry teaching at UW-Madison are demonstrated, revealing how this school cultivates the students′autonomous learning ability and innovation ability through thorough teaching management and carefully-designed teaching methods.This introduction will give some inspirations for our basic chemistry course reform.

Basic chemistry;Teaching method;Course reform;Foreign education

G64；O6

10.3866/PKU.DXHX201604018

*通訊作者，Email:liwan@ustc.edu.cn

2015年安徽省高等學校省級質(zhì)量工程重點項目(皖教秘高〔2015〕122號)

www.dxhx.pku.edu.cn