章文伟, 张 晖, 奚忠华, 孔璇凤

(南京大学 化学化工学院，化学国家级实验教学示范中心，南京 210023)

0 引 言

戴安邦先生指出：“全面的科学教育要求教学既传授知识和技术，更训练科学思维和方法， 还培养科学精神和品德。化学实验课是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式”[1]。为了克服专业划分过细、学生知识面较窄、实验技能培养单一的不足，1997年化学化工学院率先在全国高校中开设综合化学实验课程，并在后续的教学改革过程中，针对课程内容、知识结构、教学模式等方面进行了一系列有益的探索[2-11]，以契合戴先生的全面化学教育理念，培养更加全面的“化学人”，促进学生知识、能力和素质的全面培养和提高。近几年，随着学科的不断发展和学校“三三制”本科教学改革的不断深入，综合化学实验不仅更加重视在化学一级学科层面上组织教学内容，全面提升学术专业类实验项目建设，以促进学生专业实践能力的提高；同时还结合不同学科前沿和社会实际需求，不断促进学科间的交叉融合，着重加强了交叉复合类和就业创业类实验项目建设，以培养学生多学科跨界实践能力和创新创业能力，全面提升学生各方面的综合素质，在本科教学、科学研究、以及学生的就业创业之间构架起了良好的纽带与桥梁的作用。本文将着重从近年来综合化学实验教学内容的变迁来探讨课程的改革之路。

1 综合化学实验课程改革

1.1 课程内容变迁

综合化学实验课程的内容设置自开课以来一直遵循以下原则：着眼于反映学科的前沿领域及发展趋势，巩固和加深对基础理论的理解及基本技能的融会贯通，了解并掌握不同学科的新知识点以及相关的研究方法和实验技术，拓展学生的视野[2]。在课程开设初期，以部分单元实验和小型综合实验为主[12]，通过单元实验教授学生在基础实验教学中未涉及的知识点和技能点，如：“孔性物质吸附等温线的测定”“连续流动色谱法测定固体比表面积”“VO(acac)2配合物的ESR谱测定”“氧化还原体系引发苯乙烯乳液聚合”等；通过小型综合实验将基础理论和实验技能加以综合并使学生能够融会贯通，培养学生综合运用知识分析问题和解决问题的能力，如：“二茂铁的合成”“分子筛的制备及其物性测定”“固体超强碱的制备及其性质测定”“反-[Co(en)2Cl2]3[Fe(C2O4)3]·4.5H2O配合物的制备及其性质测定”“环氧树脂的制备”“丙烯酸的沉淀聚合及其分子量分布表征”等；同时，也会随着学科的发展，不断开发和引进一些反映学科前沿的新实验[7]，如：“硫醇自组装动力学的测定”“常压非均相催化氢化反应：药物Balsalazide的合成”“Bi系超导材料的制备与单晶的生长”“核酸酶酶解-高效液相色谱法分析DNA组成”等，将自组装、常压催化加氢、超导材料制备、DNA分离和鉴定等新的实验技术和方法引入综合化学实验教学中来。实验总课时为二学期。

随着化学学科的不断发展和课程改革的不断推进，综合化学实验教学内容向着研究型大综合的方向演变。特别是自2009年学校提出“三三制”本科教学改革方案[13-14]，即：本科生在大学4年，依次经过大类培养、专业培养和多元培养3个阶段，给予学生更多的自主选择权；学生可以根据自己的兴趣爱好，选择学术专业、交叉复合和就业创业3条不同的途径作为自己今后的发展方向，课程内容更加注重知识的前沿性、学科间的融合交叉与实验技术的综合应用。不断将化学生物学、生命分析技术、材料科学等前沿领域的一些研究成果，通过凝练、改编，移植到综合化学实验教学中。手性合成与催化、超分子化学、化学生物学、纳米材料等前沿领域在新的实验内容中得以体现。在内容选择上，契合“三三制”本科教学改革方案，按照学术专业类、交叉复合类和就业创业类进行优化设置。每个实验尽可能设计成一个小型的科研项目，学生通过这些实验，可以得到完整的科研训练过程。并且，学生还可以根据自己的兴趣爱好和今后的人生发展规划，有目的地自主选择某一方向的实验内容，提高学习兴趣。例如，“二茂铁衍生物的合成、表征和电化学性质测定”“手性Mn(III)Cl-Salen配合物的合成及其催化性能研究”“MCM-41有序介孔分子筛的制备及其表征”等实验可归属于学术专业类实验项目，“质粒DNA的制备、鉴定及目标基因的表达”“纳米组装血红蛋白质的直接电化学和催化研究”“主链型超分子液晶聚合物的组装合成及其液晶相行为研究”等实验可归属于交叉复合类实验项目；“天然高分子改性絮凝剂研究”“聚氨酯的合成及其功能化”则可归属于就业创业类实验项目。这些新实验的设置，使高年级本科生能了解化学学科发展的前沿动态，并可根据自己的兴趣爱好和性格特点，及早进行人生职业规划。因此尽管实验总课时被缩短至一学期，但学生在实验的综合性方面得到的培养和训练却进一步提升，且契合“三三制”人才培养目标，有利于“三三制”人才培养。

1.2 课程改革举措

1.2.1 提升实验的综合性

综合化学实验课程开设的所有实验项目都要求具有较强的综合性，能够综合应用多种实验技术和方法，集合成、分离、结构表征、理化性能测试及性质分析为一体，强调学生知识和技能的综合运用及融会贯通。以“二茂铁衍生物的合成、表征和电化学性质测定”实验为例，这是一个典型的化学学术专业类实验项目。该实验贯穿合成—结构表征—性能测试的主线，学生可以系统地学习惰性气氛合成技术(基础实验教学中很少涉及)、强化重结晶/TLC/柱色谱分离技术，并运用红外/紫外/核磁等谱学技术和电化学分析方法对中间产品和最终产物进行结构表征和氧化还原性质测定，使学生能够进一步深入理解化合物的结构与紫外可见吸收和氧化还原性质之间的构效关系，并能运用所学理论知识对原料二茂铁和合成出的一系列二茂铁衍生物表现出的光、电性质之间的差异进行合理分析和解释。合成出的最终产品乙炔二茂铁还可以进一步作为开放实验“Sonogashira交叉偶联反应合成D-A型共轭化合物1-FcAq”的起始原料。通过这个实验，不仅可培养学生扎实的合成功底，同时还可提升学生综合运用所学知识进行实验结果分析和解决实际问题的能力。

1.2.2 突出实验的前沿性

科学的发展日新月异，化学学科同样也在不断进步和发展。因此，通过对综合化学实验内容进行有针对性调整，使其能够及时反映学科发展的前沿动态。如“天然脯氨酸的不对称转化及催化性能研究”“纳米组装血红蛋白质的直接电化学和催化研究”“主链型超分子液晶聚合物设计合成及其性质表征”等实验，反映了当前较为热门前沿的小分子有机催化、电分析化学、超分子化学、液晶等领域。学生在“天然脯氨酸的不对称转化及催化性能研究”实验中，可以了解手性和小分子有机催化等基本概念，学习结晶法诱导L-脯氨酸不对称转化原理和非天然D-脯氨酸的合成方法，以及不对称Aldol反应机理，掌握对映体比旋光度测定方法；在“纳米组装血红蛋白质的直接电化学和催化研究”实验中，可以让学生了解纳米材料的基本特点和电化学分析的基本方法，基于对血红蛋白复杂分子结构和特点的认知(电活性中心不易暴露、电子传递速率低)、以及碳纳米管电化学传感性质的了解(高比表面积、高的生物相容性、高的电子转移能力)，使学生了解组装原理，掌握纳米组装血红蛋白修饰电极的技术，并考察它们对过氧化氢的电催化作用；通过“主链型超分子液晶聚合物设计合成及其性质表征”实验，可以让学生了解液晶和超分子的概念、特点及性质，知晓液晶是在分子或超分子水平上集有序性和流动性于一体的某种热力学稳定相态，而利用氢键等次价键力组装合成超分子液晶是发展新型功能材料、将合成材料与生物功能系统集成的一条有效途径。该实验从合成材料开始，综合运用不同表征技术，尤其是差示扫描量热分析和偏振光学显微镜观察与数码拍摄以及织构分析，让学生能够从多角度对材料的结构组装与功能性质有全面的认识与了解。通过这样一些与科研前沿结合较为紧密的实验，可以让学生了解科研动态，掌握现代实验技术和研究方法，实现教学-科研的无缝对接。

1.2.3 强化实验的学科交叉和实际应用

针对学科不断交叉融合的趋势来设计综合化学实验，拓展学生的知识面，提升学生对交叉学科领域的认知。例如，结合化学与生物科学，开设了“DNA样品的制备、结构鉴定和性质”实验，该实验分为3个层面：①进行DNA浓度的测定与结构判断；②利用紫外分光光度法对不同DNA结构进行表征与电泳样品的制备；③利用聚丙烯酰胺凝胶垂直或水平平板电泳法鉴定DNA折叠。为了强化DNA的前端知识结构，还开设了“质粒DNA的制备、鉴定、转化及目标基因的诱导表达”实验。该实验包括采用碱裂解法进行质粒DNA的提取、琼脂糖凝胶的制备以及琼脂糖凝胶电泳在DNA片断分离中的应用、感受态细胞及其转化、蛋白质的诱导表达等。在这两个实验中，学生均能学习使用电泳仪、微量核酸蛋白测定仪、凝胶成像系统；而在后一个实验中，学生可进一步学习使用恒温培养箱、恒温培养震荡器、脱色摇床、高速离心机、干式培养器等仪器与设备，掌握细菌培养传代的无菌操作实验技能。开设实验显著拓展了学生的源头知识背景并且提升了相应的实验技能，培养和训练了学生在跨学科交叉复合基础上的跨界实践能力。

此外，由于化学和人类的生活、环境密切相关，因此相应增加了一些贴近生活实际的实验项目，如“聚氨酯的合成及其功能化”“天然高分子改性絮凝剂研究”等，增加学生就业创业的激情。以“天然高分子改性絮凝剂研究”为例，这一实验来自于教师科研成果的转化。高分子絮凝剂能促进胶体微粒及其他悬浮颗粒凝聚成无定形絮状物沉降下来，因此对于水的净化处理具有非常重要的作用，经济与社会效益十分显著。该实验以天然高分子材料壳聚糖为原料，利用壳聚糖中存在的氨基/羟基生成多功能基团，通过丙烯酰胺化学接枝改性，制备新型的天然高分子基絮凝剂材料，并使用动态光散射确定该类材料在溶液中的流体力学半径及其分布，进一步采用折光指数增量法，确定接枝共聚物的接枝率，使学生能从结构上理解絮凝效果的机制，建立起化合物结构与性质之间的构-效关系。通过实验，可以让学生真切地感受到化学在日常生活中发挥着许多实际的重要作用，有助于学生进一步了解化学、喜爱化学，激发学生创新创业的欲望，愿意将来从事化学研究来造福人类社会。

1.2.4 促进实验的教研相长

教学为科研服务，科研反哺教学，教学和科研的这种和谐关系，有利于教研相长，共同提高。为了让学生在实验教学过程中体验真实的科研氛围，促进教学和科研的融合贯通，在综合化学实验教学过程中，通过研-教-研的途径，即：实验内容源自于科研，在教学过程中模拟科研探索、实施研究型教学模式，融教学与科研为一体。例如，“天然高分子改性絮凝剂研究”实验，它是基于教师的科研成果转化而来的。实验设计分为壳聚糖-聚丙烯酰胺接枝共聚物的制备、接枝率测定、絮凝性能评价、动态光散射粒径分析4个部分。在实验教学中，教师通过启发诱导的方式，让学生理解为什么天然高分子壳聚糖可以作为絮凝剂用于水的净化处理，如何进行方案设计对其改性以增强其絮凝效果？高分子结构和絮凝效果之间有怎样的构效关系？后期该如何进一步优化实验方案？通过这样一个启发式研究型教学过程，将科学思维和研究方法融入教学，使学生逐步具备独立开展科研活动的能力。实验教学中反馈的新现象和新问题反过来又促进了教师对该类材料的进一步改质增效，同时也促进了教学实验的进一步完善，形成教学-科研的良性循环。

1.2.5 发挥网络优势与潜能

结合“三三制”本科教学改革方案，为实现以学生为本的教学理念，开发了综合化学实验网上选课系统(http://zhxk.nju.edu.cn)，学生可根据自己的学习兴趣与将来的人生发展规划，自主选择实验内容，可偏重于学术专业、或交叉复合、或就业创业，或兼而有之，以便在后期的学习中挖掘自己真正的兴趣所在，提升学习的主观能动性与学习效果。同时还建设了综合化学实验课程网站(http://www. icourses.cn/coursestatic/course_3787.html)，涵盖技能点、知识点、学习手册、教学课件、电子教材、教学录像、文献资料等，方便学生提前了解各个实验的主要内容和知识点，以便选课更有针对性；同时也方便学生网上自学和自行阅读文献，提高学生自主学习能力，拓展学生的知识面。通过选课系统，因材施教，实现了个性化培养，提高了教学质量和教学效果。

2 建设成效

在综合化学实验教学实践过程中，以教学内容改革为抓手，通过提升实验的综合性、突出实验的前沿性、强化实验的学科交叉和实际应用、促进了课程的内涵建设；通过研教相长，促进了实验教学和科学研究的有机融合；通过利用和发挥网络优势，推动了教学方法、教学模式和教学管理方式的转变，取得了良好的教学成效，学生的实践能力、综合素质、创新意识和科研能力得到了显著提升。2009年综合化学实验课程被评为“国家级精品课程”，2016年被授予首批“国家级精品资源共享课”称号，2017年获得南京大学“百层次”优质课程建设项目。

3 结语与展望

教学内容是课程的灵魂，也是课程改革的核心和建设的关键所在[15-16]。在综合化学实验教学实践过程中，根据学校提出的“三三制”本科教学改革方案，结合化学学科的研究现状和发展趋势，按照“重视基础、趋向前沿、反映现代、综合交叉”的现代课程建设理念，着重强化了课程内涵建设，并以此推动了教学模式和管理方式的转变，教学成效显著。综合化学实验课程作为一门学生综合能力培养和提升的实践课程，今后还必将随着科学的发展不断进行变革，致力于培养学生的综合素质、跨界能力、科研素养和创新精神，以适应社会发展的不同要求。