应用化学专业设计实验的探索与实践

　　摘要:为培养应用化学专业本科生良好的应用和实践能力，具备运用所学知识进行应用研究、科学研究和技术开发的基本技能，海洋大学的应用化学专业设计实验经过近十年的摸索，从内容、形式到授课方式等方面进行了创新、改革。实验以四大化学实验为基础，结合海洋特色专业，充分体现我校化学应用领域的研究优势，如海水副产物的利用和海洋精细化学品的提取等，着力体现化学的应用性和实用性。形成了既具有本校特色又能培养具有实践经验人才的专业设计实验。

　　关键词:应用化学;设计实验;教学改革

　　对于高校应用化学专业的学生来说，如果仅仅掌握了基本的理论知识，就好比纸上谈兵，很难胜任未来的技术开发、应用研究等方面的工作［1－5］。化学化工学院的应用化学实验室借助学校乔迁新区的契机，对应用化学专业实验进行了改革。改革后的实验结合自己的特色学科海洋化学，采用教授进实验室率领中青年教师为本科生授课，并将科研成果带进实验室与学生分享、探讨并共同研究，将实验课的内容和层次提高了一个新的台阶，激发了学生的学习兴趣，为应用化学专业学生综合实践能力的培养提供了强有力的平台。

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　　1构建实验课程新体系

　　实验教学作为实践教学环节，一直受到高等院校的加强和重视。学生在低年级学习完无机化学、有机化学、分析化学、物理化学等的实验课程后，由于各学科之间相互联系甚少，所学的知识和技能难以融会贯通，并且主要是验证性实验，教材对每个实验的原理、步骤和实验现象都写的很清楚，学生只需照方抓药就可完成实验，而学生在踏上了工作岗位之后，其所面对的化学问题往往是极其复杂的，没有现成的步骤，综合性很强［5］，这就需要学生具备利用已有的知识、技能去设计切实可行的实验方案来解决复杂的化学问题的能力，应用化学专业是一门研究范围很广，并与多门学科相互交叉的学科，应着力培养学生解决复杂化学问题的能力。基于此我们为三年级和四年级的本科生开设了应用化学专业设计实验。改革离不开学校的大力支持，学校为应用化学实验室制定了一期、二期、三期的建设方案，购置了大量先进的仪器设备，为开设高水平的应用化学专业设计实验奠定了基础。

　　1.1实验讲义的编写

　　作为一所以海洋学科为特色并走在国内国际前沿的高校，我们的应用化学实验讲义具有显著的海洋特色和优势。《利用活性炭吸附提取卤水中的碘》和《昆布氨酸的仿生合成》等实验均是海洋化学在应用化学方向的延伸和应用，讲义经过长达五年的积累和讨论，才最终定稿。在准备过程中，采用每年运行十多个实验，累计实验项目六十多个，经过比较、筛选、学课负责人带领教师一起审核讨论等模式，最终确定七个大实验项目。实验项目由负责实验的教师自行申报，尤其鼓励教师将自己的科研成果转化为实验项目，提炼出前沿性强，综合性强，能理论联系实际的题目让学生来做，实验源于课题，但是不能太大，太大学生无法完成，并且又要有连贯性、系统性，能充分训练学生的动手能力、创新能力。比如《工业硫酸亚铁的提纯及制备铁系材料》这个实验项目就来源于本院毕教授的课题，工业上钢铁酸洗废液会产生大量的硫酸亚铁，这些硫酸亚铁由于含有超细的钛氧化物和矿粉而难以利用，实验要求学生利用重结晶、过滤、离心沉淀等方式进行提纯，获得纯净的硫酸亚铁晶体，并利用空气氧化法制备打印机墨粉Fe3O4，使之变废为宝。实验不仅让学生了解到工业废液的处理思路，也让学生对身边打印机所用墨粉Fe3O4的用途、性质产生了浓厚的兴趣，学生通过制备Fe3O4获得了直观体验，而不仅仅是课堂教学中的一个概念。

　　1.2创新优化实验讲义

　　创新优化后的实验讲义没有详细、具体的实验操步骤作，只写实验要求和提示以及简单的实验流程。讲义提前一周发给学生，对实验中可能用到的数据，知识点，学生必须自己查阅资料，然后设计实验方案。例如《利用活性炭吸附提取卤水中的碘》实验中用到的淀粉指示剂、40%的氢氧化钠等试剂要学生自己配置，看似简单的一个溶液配置，对已习惯试剂都是实验员提前备好，伸手拿来就用的学生来说也是有难度的。刚开始经常会有学生跑来问没有淀粉指示剂怎么办，老师会告知需要自己配置，然后协助学生找到配置淀粉指示剂的方法，并对配置淀粉指示剂的注意事项、安全等问题给学生讲解明白，不再手把手一步步教学生。学生用自己所配置的淀粉指示剂来检验碘离子，当看到溶液变蓝，既验证了实验又验证了自己所配的试剂，大大提高了对实验的兴趣和自己的动手能力，同时培养了学生的独立性，减少了依赖心理。

　　2改革实验教学方法

　　2.1开设涵盖多科知识的综合性实验项目

　　鉴于所开设的应用化学实验项目涵盖了多学科的知识，几乎每个实验项目都是无机化学、分析化学、有机化学、物理化学等知识的糅合，综合性很强，并且要用到红外光谱仪、紫外分光光度计、荧光分光光度计等大型仪器，实验时间较长。所以32学时的《应用化学专业设计实验I》安排在夏季学期为三年级的学生开设，48学时的《应用化学专业设计实验II》安排在秋季学期为四年级的学生开设，既确保了实验的顺利进行又不会和其他学科造成时间上的冲突。每个实验10个学时，从早上8点学生进实验室到晚上5点，中间实验不停，由于某些试剂需要学生自己动手，所以完成一个实验的实际时间经常长达12个小时。比如从《辣椒中提取分离辣椒红色素》［9－10］这个实验项目，第一步是色素的萃取和浓缩，用二氯甲烷做溶剂把辣椒红色素萃取出来，学生要搭建蒸馏的装置，第二步层析柱分离，层析柱的填充需要学生自己动手完成，要做到吸附剂装填致密，层析柱中的固定相始终保持湿润状态，这一步非常关键，柱子填充不好，色素就分离不成功，影响后续的实验，学生刚刚填充好的柱子，实验过程中常常一会就有大量气泡从底部升到硅胶吸附剂里，导致实验失败，这时老师就会协同学生分析原因，尝试着把溶剂先超声去除气泡，发现效果不明显，又考虑是否实验室温度偏高，导致溶剂挥发，夹带气泡进入的原因，采用降温、更换溶剂等方法来尝试解决问题。层析柱填充好后第三步进行色素的分离和色带的薄层检测并评估柱层的分离是否达到了预期效果，第四步确定辣椒红色素的紫外最大吸收波长，第五步扫描色素的红外光谱图，通过红外光谱图对色素的结构做进一步的分析，到此实验结束。此实验项目学生不仅要掌握有机化学的蒸馏、萃取、梯度洗脱等知识，还要掌握红外光谱仪、紫外分光光度计两个大型仪器的原理和操作，不仅优化了知识结构，学生的动手能力也得到了有效的训练［10］。

　　2.2全面系统化的实验报告

　　实验完毕，要求学生写出实验报告，这个实验报告不同于传统的实验报告，七大实验项目都是按照设计实验步骤→配置试剂→完成实验→测定和分析数据这四大部分组成，每个实验项目各有侧重，又相辅相成，几乎涵盖了四大化学的基本知识。不再是实验原理、仪器、药品、步骤、现象、结果的罗列，而是由中文摘要、英文摘要、文献综述、实验报告正文、参考文献等组成的实验报告，堪称一篇小型论文，这种报告格式既锻炼了学生的实验现象表述、实验结果分析等能力，也为今后从事科研等工作打下良好的基础。例如文献综述部分不仅让学生了解了自己的实验项目与国际领先水平相比差距在哪，当前研究的热点和难点是什么，还激发了学生的进取精神，开阔了学生的视野［11－13］

　　3开设设计性实验的成效

　　学院自2007年开设应用化学专业设计实验后，大学生参加化学竞赛、科技交流活动等获得的奖项年年创出新高。2018年参加全国大学生化学实验邀请赛获得全国二等奖1项，三等奖1项，参加第十届山东省大学生化学实验技能竞赛获得山东省一等奖2项，二等奖2项，参加第一届青岛市大学生化学实验技能竞赛获得青岛市一等奖1项，二等奖2项，实验竞赛取得的成绩与应用化学专业设计实验注重培养学生的创新意识和创新能力，提高学生自主设计实验的能力和动手能力，以及加强学生对大中型仪器的使用和谱图数据分析处理的能力是密不可分的。学生通过应用化学专业设计实验课程的学习，对化学各研究领域的前沿方向和研究水平有了深刻的认识，为学生后期的毕业论文设计积累了宝贵的经验。同时，应用化学设计实验的开设，也培养了有志于科研的学生们的科学素养和科学研究方法［14－16］，为社会各行业输送高水平的毕业生打下坚实的基础。

　　参考文献

　　［1］刘光印，王琳，程新峰，等.应用化学专业综合化学实验教学改革浅谈［J］．山东化工，2019，48(7):168－168，170.

　　［2］肖文理，黎艳.应用型高校应用化学专业仪器分析课程教学改革探究［J］．科技新导报，2019(11):194－195.

　　［3］侯艳君，初文毅，孙志忠，等.立足专业特色改革应用化学专业实验课程体系［J］．教育教学论坛，2019(24):255－256.

　　［4］李群，吕洲.应用化学专业特色方向的确立与教学体系的构建［J］．大学教学，2015(10):43－48.

　　［5］徐家宁，侯文海，王英华，等.深化实验教学改革和课程建设创建级实验教学示范中心［J］．实验室研究与探索，2007，26(11):71－73，116.

　　张栋梅，冯丽娟，张霞

《应用化学专业设计实验的探索与实践》

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