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教学体系
化学实验教学中心经过多年实践,围绕“培养学生实践能力和创新意识”,认真设计和构筑了“以培养学生实践能力和创新意识为核心”的化学实验教学新内容。在低年级的基础性实验阶段,强调基础与规范,融合创新,充分发挥学生的个性及主体作用,提高化学兴趣,夯实化学基础;在高年级的综合性实验阶段,以国家级精品课程—《综合化学实验》为重点,大力发展《化学生物学实验》课程,为培养探索型、研究型和复合型的高素质人才服务。
一、构筑了化学实验教学新内容
1. 基础性实验课程内容中注重规范,融合创新
基础性实验是训练基本实验方法、基本操作技能等的实验,要求学生规范操作并熟练掌握。操作规范是形成扎实技能的基石,是学生在未来科研中自由腾飞的起跑器。化学实验教学中心在低年级的基础性实验课的内容设置中,始终强调实验操作的规范性。如,在《基础化学实验I》硫酸铝钾晶体的制备、硫酸亚铁铵中铁含量测定以及《基础化学实验II》乙酰苯胺的合成等经典实验中,通过指导教师的演示,学生的反复训练来达到化学分析定量测定、化合物合成、蒸馏结晶等基本操作的规范性,使他们具有较强的化学实验和实践能力。
但仅仅注重规范,忽略创新思维与创新意识的培养,只能是“只会按教材做实验的呆板式教育”。为了避免这种弊端,化学实验教学中心将“规范与创新”的理念贯穿于整个实验内容的安排上。鼓励学生上课时可以不照搬实验教材、可以改变实验内容和实验条件、改变实验方法,甚至质疑教材上的实验步骤,有效地培养了学生观察问题、分析问题、运用知识解决问题的多种实验能力。
2. 综合性实验课程内容中倡导自主探索与研究
 
在高年级实验课程中注重提高学生的自主探索和研究能力。
探究与研究性实验一般由学生自主选题、设计实验方案并加以实现。学生可以利用已掌握的实验知识和现有实验室的条件,以获得新发现、提出新见解、开拓新领域或解决实验过程中的问题。
化学实验教学中心以国家级精品课程——《综合化学实验》为主要载体,整个课程如图分阶段进行。学生可以自带课题,需要从查阅文献入手,设计研究方案,经过方案论证、进入实验过程,完成实验,实验后期还要按照期刊格式撰写论文,并进行集中报告与答辩。
3. 化学生物学实验内容中体现学科之间的交叉与渗透

 

 
化学实验教学中心以大力发展化学生物学实验课程来培养学生在相关交叉领域的实验技能(如图所示)。《化学生物学实验》主要是用实验手段研究生命现象中的化学问题,对复合型人才的培养具有重要意义。化学实验教学中心于2005年创建《化学生物学实验》课程,在教材建设和实验内容上逐年不断完善。2013年1月,《化学生物学实验》教材由科学出版社出版,成为了我国第一本正式出版的该领域的实验教材。教材共33万字,安排了41个实验,分为生化分离分析实验技术、生物材料制备技术、化学中基因工程实验技术、化学中蛋白质实验技术和化学中细胞实验技术等五个部分。涉及到基因工程、细胞工程、计算化学、蛋白质化学等众多领域;实验内容选题新颖,具有综合性、研究性和挑战性。学生分小组进行实验,每次实验完成一个大的专题内容,可以得到多方位的实验技能训练和强化。

 

 
二、实施了以学生为主体、以教师为主导的多种实验教学模式
化学实验教学中心坚持以学生为本的教学理念,强化学生在实验教学中的主体地位。在实验教学实践中,实施多种教学模式并举,培养了学生的综合实验技能、创新意识和创新能力,取得了较好的教学效果。
1. 强调三个结合,注重学生能力的提高
(1)教师和学生紧密结合。提倡研讨式的、以问题为导向的教学方法,注重与学生的互动,鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题,并加以分析和解决。改变“老师满堂讲、学生机械做”的模式,实现实验教学的三个转变:学会®会学、听话®说话、被动®主动,增强学生的学习积极性、提高实验课程的教学质量。
(2)课内实验和课外实践结合。建设校内化学实习(实践)基地,提供学生展示自主动手和解决实际问题的场所;加强学生课外阅读和学习,开展课外设计、开放实验(实践),强化学生分层次和个性化的培养,给学生更多的自主实践选择以供其课外实施。
(3)结果和过程评价结合。改革过分注重结果的实验课程成绩评价体系,加强对学生在实验设计、实施和总结等全过程中的评价与考核,建立了多元化的实验成绩考核方法、以能力提高作为评定学生成绩标准之一。经过多年改革和实践,中级化学实验(II)建立了比较完善的全过程考核机制。
2. 多种教学方法并举,培养学生创新意识
1)多样化教学手段。在《基础化学实验I》和《基础化学实验II》等基础课程中,开展多样化实验教学手段,突出学生综合能力和创新意识的培养。比如:
同一类化合物采用不同的方案进行合成;
同一种化合物采用不同的方法纯化;
一种基本操作通过多种途径训练;
相同原料经过不同的技术合成同一产物;
同一产物在不同催化剂催化下合成;
用同一方法提取不同物质中的某一目标产物;
从同一天然产物中提取不同的物质。
2)探究式和开放式教学手段。开展探究式实验教学方法。在所有主干实验课程中推行探究式实验教学方法,提倡自主学习和自主实验。仅在2013年,就在基础化学实验中实施了10多个探究性实验项目,受益学生达到500余名。探究性的实验教学方法受到了学生的普遍欢迎,取得了较好的教学效果。
提倡开放式教学,做到“时间开放、空间开放和内容开放”。鼓励学生利用实验室的仪器设备和药品自主选题、自主设计实验方案,独立完成小创新实验,进一步推进创新人才的培养。
三、以信息化网络平台辅助教学、促进交流和发挥示范辐射作用
2. 建立虚拟仿真实验室。虚拟仿真实验室依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,不仅能避免某些易燃、易爆等实验给师生带来的各种危险;还能让学生在虚拟环境下进入微观世界,获得宏观实验中无法开展的实验现象和结果。虚拟仿真实验教学在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。目前实验室已建成的虚拟仿真实验分为两大类:
(1)分子模拟实验(化学生物学实验)。完成和开设了“泛素蛋白的操纵式分子动力学模拟实验”和“纤连蛋白在羟磷灰石上的吸附-脱附过程的分子模拟实验”等2个实验。如图所示,利用虚拟仿真实验室,学生可以观察到栩栩如生的纤连蛋白(关节的主要成分)在羟磷灰石(骨骼的主要成分)上拉伸和弯曲情况,并能定量地计算出其作用力大小,加强了学生感知微观世界的能力。

(2)有机化学虚拟实验(基础化学实验)。完成了涉及蒸馏、水蒸汽蒸馏、减压蒸馏、回馏、重结晶、萃取、索氏提取器提取、升华、薄层色谱、柱色谱、熔点和沸点的测定等有机实验基本操作的10多个虚拟实验。这些虚拟仿真实验包括了互动实验、模拟演示实验和视频实验。其中,互动实验具有“场景式设计,所见即所得、高交互操作、高参与性”的特点。通过鼠标的点击或者拖曳来模拟真实的实验过程:如果操作顺序或位置不正确,则不能进行下一步实验,直到步骤正确,才能进行下一步实验。学生可以自行进入,自行模拟实验,提高了学习兴趣和学习效果。
3. 建立多媒体课件资源库。比如:《基础化学实验I》和《基础化学实验II》课件,《中级化学实验II》实验技术讲座课件(如图所示)、《实验安全与环保知识题库》等。学生可以自由进入多媒体课件资源库进行学习或下载,增加了对实验内容的掌握,强化了实际动手能力。
 

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