威斯康星大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)啟示

李 婉 MOORE John W.

(1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，合肥230026；2美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；瘜W(xué)教育學(xué)院，麥迪遜53705)

威斯康星大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的幾點(diǎn)啟示

李 婉1,*MOORE John W.2

(1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，合肥230026；2美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；瘜W(xué)教育學(xué)院，麥迪遜53705)

介紹了美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；A(chǔ)化學(xué)教學(xué)的幾個特點(diǎn)，闡述了其如何通過完善的教學(xué)管理和靈活的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研創(chuàng)新能力，給我們的基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供一定啟示。

基礎(chǔ)化學(xué)；教學(xué)方法；課程改革；國外教學(xué)

借鑒國外的先進(jìn)教育理念、教學(xué)方法，對推進(jìn)我國的教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)國家對本科化學(xué)類專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)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(xué)麥迪遜分校(UW-Madison)做訪問學(xué)者。該?；瘜W(xué)系有專門的化學(xué)教育學(xué)院負(fù)責(zé)全系的教學(xué)管理和課程設(shè)置。一年期間筆者全程跟進(jìn)該校部分基礎(chǔ)化學(xué)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，隨堂聽課、隨堂做實(shí)驗(yàn)、參加每周的助教會議(staff meeting)和實(shí)驗(yàn)講解(lab briefing)、參加教改項(xiàng)目，對該校的基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)有了比較全面的了解。

UW-Madison本科生化學(xué)課程以普通化學(xué)(general chemistry)為基礎(chǔ)，所有學(xué)生必須先修完普通化學(xué)的學(xué)分后，才能修其他化學(xué)課目。普通化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容包括無機(jī)和有機(jī)兩部分，其中無機(jī)部分相當(dāng)于國內(nèi)的化學(xué)原理課，涵蓋了化學(xué)平衡、反應(yīng)速率、化學(xué)熱力學(xué)、原子和分子結(jié)構(gòu)等內(nèi)容；有機(jī)部分占的比例相對少，主要介紹了官能團(tuán)、反應(yīng)類型、分子結(jié)構(gòu)、聚合物等有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識。值得注意的是，有機(jī)部分一半的課時(shí)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(xué)生修完普通化學(xué)后就掌握了化學(xué)基本原理和生物化學(xué)的相關(guān)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(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)等課程。

一年的學(xué)習(xí)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(xué)傳統(tǒng)和完善的教學(xué)管理保證了其基礎(chǔ)化學(xué)課程的教學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)上存在諸多不同，最終影響了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。下面將從幾個方面進(jìn)行介紹。

1 充分的學(xué)業(yè)輔助

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

開學(xué)的第一堂課上，任課教師會下發(fā)該門課程的教學(xué)大綱(syllabus)，上面有詳細(xì)的課程要求、教學(xué)計(jì)劃、作業(yè)要求、打分標(biāo)準(zhǔn)、助教信息等，甚至寫明該課程每周預(yù)計(jì)要花費(fèi)多少時(shí)間。學(xué)生看了后對整門課程的安排心中有數(shù)。教學(xué)大綱也掛在網(wǎng)上，方便學(xué)生隨時(shí)查閱。

開學(xué)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(xué)生預(yù)習(xí)和參考。同時(shí)每堂課都安排有助教隨堂做筆記，下課后交到教學(xué)辦公室，掃描后立即掛在網(wǎng)上供學(xué)生復(fù)習(xí)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”。基礎(chǔ)化學(xué)課程一周安排兩次研討課(discussion)。研討課上助教會事先準(zhǔn)備材料，引導(dǎo)學(xué)生分組討論理論課上的重難點(diǎn)，也會討論實(shí)驗(yàn)的相關(guān)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(xué)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(jìn)行搶答，形式非常自由，很好地彌補(bǔ)了大班上課師生不能接觸的不足。

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

普通化學(xué)103課(相當(dāng)于普通化學(xué)上)還配有專職的學(xué)業(yè)輔導(dǎo)教師。該教師會隨大班聽課，發(fā)現(xiàn)問題學(xué)生，指導(dǎo)助教采取相應(yīng)的措施幫助學(xué)生。

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

2 大量課堂演示實(shí)驗(yàn)

UW-Madison基礎(chǔ)化學(xué)課堂上會做大量的演示實(shí)驗(yàn)，甚至可以占到上課時(shí)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(fù)責(zé)輔助課堂上的實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)的選題非常廣泛，除了常規(guī)化學(xué)反應(yīng)外，還會拿日常生活中的瓶瓶罐罐做實(shí)驗(yàn)，甚至有不少燃燒、爆炸的裝置。學(xué)生對演示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)積極，每每報(bào)以熱烈的掌聲和歡呼。

演示實(shí)驗(yàn)多，課堂上講解概念原理的時(shí)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(rèn)為大一學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)還不明確，如果不通過演示實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的興趣，學(xué)生可能根本就不想學(xué)習(xí)。而只要有了興趣，為了完成作業(yè)，學(xué)生自己就會看書，把知識補(bǔ)充完整。

國內(nèi)大學(xué)的基礎(chǔ)化學(xué)課堂上實(shí)驗(yàn)演示非常少，大部分時(shí)間是知識灌輸，務(wù)求讓每一個認(rèn)真聽講的學(xué)生完全掌握知識的重難點(diǎn)。比較而言，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考，之后放手讓學(xué)生自己在知識海洋徜徉的教學(xué)方式能更好地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和探索精神。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近生活實(shí)踐

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)課程對提高學(xué)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(xué)每周一次實(shí)驗(yàn)課，每學(xué)期共開設(shè)10—14個實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)和國內(nèi)相差不大。具體實(shí)驗(yàn)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(xué)原理的推理驗(yàn)證為主。比如選課人數(shù)最多的普通化學(xué)103和104(相當(dāng)于普通化學(xué)上、下)，兩學(xué)期共開設(shè)了1個安全和儀器認(rèn)領(lǐng)實(shí)驗(yàn)、5個合成實(shí)驗(yàn)、8個化學(xué)原理實(shí)驗(yàn)、2個物化參數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)、3個模擬分子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和1個設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

除了模擬實(shí)驗(yàn)以外，其他教學(xué)內(nèi)容和國內(nèi)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)看起來比較相似，但做起來就發(fā)現(xiàn)UW-Madison的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與生活實(shí)踐聯(lián)系得相當(dāng)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(shí)際顯然是該校的一個教學(xué)傳統(tǒng)。

以表面活性劑的制備實(shí)驗(yàn)為例，國內(nèi)高校開設(shè)這一實(shí)驗(yàn)大多數(shù)只是制備出表面活性劑[5]。而在UW-Madison的這個實(shí)驗(yàn)中，每組學(xué)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(xué)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(shí)間長短，并按照商業(yè)產(chǎn)品的檢測程序打分。學(xué)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(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)用普通的蔬菜油做原料，通過酯交換反應(yīng)制備出生物質(zhì)柴油，之后測量合成柴油的密度、凝固點(diǎn)和燃燒熱，與市售柴油的理化數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這個實(shí)驗(yàn)切合了當(dāng)前尋找石油化工產(chǎn)品替換物的科研熱點(diǎn)。這種貼近實(shí)際生活的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到推動作用。

4 弱化實(shí)驗(yàn)課程講解，允許學(xué)生犯錯

UW-Madison的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課上助教講得很少，通常只是提醒實(shí)驗(yàn)要注意的安全問題，比如不同試劑要倒入相應(yīng)的容器，對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟則基本不提。實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了疑問，大部分靠學(xué)生自己研究討論解決，因此課堂上會出現(xiàn)同一個實(shí)驗(yàn)步驟大家采取不同的做法。對此助教一般不會干涉，任由學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

要培養(yǎng)學(xué)生的科研探索精神，我們就需要徹底改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，課前少講，放手讓學(xué)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中犯錯誤，教會學(xué)生面對不理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，避免下次再錯，這樣更能加深學(xué)生的印象?！翱茖W(xué)就是這么一回事，反復(fù)犯錯，然后修正，最后找到正確的方法”[6]。

5 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)靈活

國內(nèi)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作流程比較固定，每一步加多少試劑，什么時(shí)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(xué)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要靈活很多。

比如測量反應(yīng)熱實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要得到NH4Cl固體的溶解熱、鎂條與1.0 mol·L—1HCl反應(yīng)、MgO與1.0 mol·L—1HCl反應(yīng)的反應(yīng)熱。實(shí)驗(yàn)書上只給出了每種固體試劑的最多取用量。學(xué)生需要自己設(shè)定理想的溶液溫度改變范圍，查閱相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計(jì)算每種試劑的需要量。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，可以分析原因后當(dāng)堂更改反應(yīng)條件重新做。

再比如酯化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)助教提供的產(chǎn)品編號領(lǐng)取原料，比如要合成酯A1，就取不知名的有機(jī)酸A和醇1混合在一起，按相應(yīng)的步驟進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，學(xué)生通過仔細(xì)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(jìn)行比較，確定自己合成的是什么酯，再反推出原料有機(jī)酸A和醇1的名稱。整個實(shí)驗(yàn)充分利用了芳香酯的芳香特性，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)生動有趣，鍛煉了學(xué)生的觀察能力和分析判斷能力。

6 重視學(xué)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(xué)研究還是產(chǎn)品開發(fā)，少有科學(xué)家能獨(dú)立完成全部工作?？蒲谢顒又腥伺c人之間的相互作用直接影響著科研計(jì)劃的完成[7]。因此對學(xué)生的溝通交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)十分必要。

UW-Madison的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課大部分是兩人一組完成。學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室后隨機(jī)成組，確定實(shí)驗(yàn)步驟，明確各自分工，討論解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，最后一起處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

另外有不少實(shí)驗(yàn)被設(shè)計(jì)成需要全班同學(xué)共同完成。比如部分實(shí)驗(yàn)條件設(shè)為可選項(xiàng)，每組學(xué)生選擇不同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行操作，之后設(shè)計(jì)表格將全班的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列出來，讓學(xué)生根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)。無機(jī)化學(xué)311課程的“孔雀石的制備”實(shí)驗(yàn)，就是全班每組同學(xué)按不同的原料比例和反應(yīng)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(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既鍛煉了歸納總結(jié)能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(xué)生為主體的教育理念指導(dǎo)下，UW-Madison的基礎(chǔ)化學(xué)課堂給學(xué)生提供了更大的思考空間，從激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生不斷探索、嘗試，培養(yǎng)學(xué)生溝通、協(xié)作能力等各個方面鍛煉提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，有很多值得我們借鑒學(xué)習(xí)的地方。我們需要取長補(bǔ)短，更新教育理念，改革教學(xué)方法，以培養(yǎng)出更多符合時(shí)代發(fā)展需求的人才。

[1]張樹永,王玉枝,苑世領(lǐng).大學(xué)化學(xué),2014,29(2),14.

[2]趙 明.大學(xué)化學(xué),2014,29(5),7.

[3]路甬祥.化學(xué)通報(bào),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(xué)出版社,2014:131—132.

[5]李 明,劉永軍,王書文,于躍芹.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社,2010:240—243.

[6]BBC紀(jì)錄片.我們的孩子夠堅(jiān)強(qiáng)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(xué)校省級質(zhì)量工程重點(diǎn)項(xiàng)目(皖教秘高〔2015〕122號)

www.dxhx.pku.edu.cn