1化学实验一体化顶层设计的原则
基于一体化顶层设计理念的化学实验设计不仅需要考虑化学二级学科化学知识与实验技能培养以及化学一级学科的系统协同整合，而且还必须考虑相关的科学方法，诸如实验条件的控制、实验观察与记录、性能与结构的表征、实验结果处理与表达等方面，必须体现灵活应用化学知识与技能以及科学研究方法解决化学问题的能力、逻辑推论能力和化学创新能力。因此，在进行化学实验内容的整体设计上始终贯彻体现一体化顶层设计的理念，在具体实验项目上应体现以下原则。1．1模块层次性原则模块化按层次进行实验教学设计原则，就是对化学实验课程体系进行一级学科的整合，逐步在实验内容上体现二级学科纵向、横向拓展。经过整合后的实验教学模式是一种涵盖了原料的纯化和分离、控制性制备、产品检测与表征、综合理化性能测试的探索性实验操作的新模式。体现了实验学科内容的完整性和知识的渐进性。不同模块实验都围绕学生基本技能操作技能训练，注重应用，突出和强化实践，分层次逐步提高学生的综合创新能力。设计中减少性质实验及验证性实验的开设，将其穿插到若干个首尾相连、前后衔接的实验模块之间，在更新、重组、融合的基础上，使化学实验形成一个统一的有机整体［9］。1．2自主探索性原则自主性学习是指学生在知识的获取过程中的学习主动参与性。基于一体化顶层设计理念下的化学实验教学更应充分体现学生在实验中的主体地位，独立进行实验操作、独立设计实验步骤、独立分析实验结果的能力以及合作协同解决实验中出现的问题。这一原则在实验中的体现有利于培养学生的创造性思维，提高学生的科学素质，为培养创新人才提供一条有效途径。1．3综合可行性原则化学实验设计的综合性应当体现化学各二级学科之间的融合，现代合成、分离和表征手段的多样化以外，还应该在着力提高学生综合素质和能力上有所作为，包括承受实验挫折的洗礼，竞争与合作的团队精神等非智力因素养成。在综合实验研究内容时既要有效地防止出现新的层次上的照方拿药的实验操作现象的出现，又要适当地将实验内容置于学生当前所学专业的大背景中，通过努力可以有效地实现，避免出现大多数学生无法完成的状况，兼顾本科生的理论基础、实验技能以及实验室的条件，化学实验的设计应体现知识和能力发展的阶段性和设定目标的可行性。明确实验设计的目的，通过完成实验学生在初步调研文献能力、初步实验设计能力、初步实验结果的综合分析能力、初步使用某些大型仪器的能力以及初步撰写规范综合实验报告能力等方面有所提高;在实事求是的科学态度、竞争协作的团队意识和不屈不挠、锲而不舍的品德等方面得到初步的洗礼和锤炼。1．4绿色经济性原则绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学或清洁化学，是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料的原子，在初始就采用实现污染预防的科学手段，从而过程和终端均为零排放和零污染，是一门从源头阻止污染的化学［10］。在一级学科的视野下，在实验的设计上充分体现绿色化学的十二条原则［11］，从原料和溶剂的选择，合成方法的原子经济型、物耗和能耗、利用再生资源、减少副产物和事故风险等方面体现绿色化学经济性，充分体现化学实验设计的新理念、新课堂、新途径、新技术、新方法。1．5开放创新性原则开放创新性原则是指在实验内容的设计上要有一定的开放性，化学实验项目设计时都留有足够的探索空间，增加实验内容的柔性和新颖性，激发学生做实验的兴趣与探索未知实验结果奥秘的激情，以培养学生的创新意识。创新性还包括实验室的全面开放，包括实验时间、实验仪器设备、实验场地、实验资料等，部分或全部向学生有目的地开放，从而为他们完成某个实验项目提供服务。可以采取以学生为主体，教师加以启发指导的创新型实验教学模式，进行较高层次的开放实验教学，为学生的个性化培养创造良好的条件。1．6科技社会性原则化学实验内容的设计应体现科学、技术与社会的科学教学理念。强调通过实验项目的设计促使学生理解科学、技术和社会相互之间的关系，深刻理解学科实验对现代社会生活的影响，运用所学的科学技术更好的为人类服务。化学实验项目的设计在学科完整性的基础上尽可能贴近社会生活。比如在环保与健康、食物安全等社会热点问题都应当成为化学实验设计项目的内容。1．7成果转化性原则将实验教学与科学研究紧密结合，将科研成果适时转化为实验教学内容，应注重及时把项目研究成果、国内外研究动向以及科学方法融入实验教学内容，打通教学科研壁垒，促进科研与教学相互转化、相互促进，科研反哺教学，不断拓展、完善和提升实验教学资源，开设研究、创新型实验，吸收学生参与教师的科研项目，培养学生的创新思维，可以为创新型人才奠定坚实基础，也是培养创新型人才的重要方式。1．8科学安全性原则一体化顶层设计理念下的化学实验设计必须遵循化学学科的科学性原则，二级学科间应是无缝对接，确保实验原理、实验方法等方面必须与化学理论知识以及化学实验方法论相一致。同时，由于学生自主性的发挥，在实验设计时应尽量避免使用有毒药品或具有一定危险性的实验操作，以免构成环境污染，造成化学实验事故的发生。
2化学实验一体化顶层设计案例分析
基于一体化顶层设计理念的化学实验设计除了完成实验的基本目的与要求外，在培养学生创新能力方面也有明确的要求，并建立合理科学的质量监控机制。首先应明确该实验项目之目的，体现从化学一级学科的高度让学生了解和掌握整个化学领域中的各种实验方法、实验原理、实验技能。同时，面对化学实验项目，引导学生能独立查阅中外文相关文献资料、优选并实施实验方案、并对实验结果进行专业、科学的分析、给出高质量的实验总结报告。在整个实验过程中初步得到分析问题、解决问题的独立工作能力和创新能力。在实验完成的基础上，学会反思，扩展实验中所用化学方法和技术在当今高新科技领域的重要应用。其次应明确设计的化学实验在学生能力培养方面之目的或侧重点。分清哪些模块的实验是培养学生综合实验技能的;哪些模块或实验项目是为了在化学学科基础上拓宽学生知识面的;哪些实验项目或步骤是为了增强学生在表征微观结构上使用大型近代仪器的能力，提高仪器操作技能和图谱解析方面的能力;哪些是进一步加深基础操作技能的。下面以综合设计性实验案例加以说明。三草酸合铁酸钾配合物合成与表征的实验案例教学分析实验目的:(1)掌握合成K3Fe［(C2O4)3］·3H2O的基本原理和操作技术;(2)加深对铁(Ⅲ)和铁(Ⅱ)化合物性质的了解;(3)掌握配合物光化学性能测试;(4)掌握容量分析等基本操作;(5)掌握用离子交换法测定三草酸合铁(III)酸钾配阴离子的电荷数的方法;(6)掌握红外光谱鉴定化合物的表征方法;(7)掌握化合物热分析方法;(8)掌握配位化合物中心离子Fe3+电子结构测定方法;(9)掌握X－射线衍射分析在物相分析中的应用。实验过程设计理念分析:(1)通过合成实验使学生学会选择实验途径和反应前驱体，体现合成路线的绿色原子经济性原则，并掌握不同价态Fe的性质。同时，学生的合成技能得到加强;(2)从实验设计的项目可以看出实验的层次渐进性原则。从二级学科的分析化学测定化合物的组成(容量分析方法)、物理化学(磁性能测定、化合物的热分析、配合物和不同分解阶段的X－射线衍射的物相确定等)、有机化学(红外光谱的功能团的表征)等实验的加入，体现在化学一级学科下一体化顶层设计化学实验的理念。(3)通过图谱的解析，如图1红外光谱的解析，学会化合物确认的方法以及分子光谱的相关知识;例如图2，说明配合物K3Fe(C2O4)3·3H2O的热分解过程如下:第一步为脱水阶段，温度区间为46－130℃，DTG(红线)峰为几个峰的叠加，TG曲线变化率也不均匀，说明它的脱水可能是分步脱掉的，总失重百分率为10．62%，理论值为11．00%。脱水产物对应的TG曲线上有长的平台，说明它较稳定。第二步分解温度区间245－310℃，失重百分率为8.87%，理论值为8．96%。第三步分解温度区间310－450℃，失重百分率为13．70%，理论值为14.25%。第四步分解温度区间450－570℃，失重百分率为8.91%，理论值为8．96%。推测其热分解过程，并在X－射线衍射的测定下加以证实。实验目的中的其它实验谱图和过程不再一一分述。(4)通过这些步骤的实验，建立化学中的定量和定性的关系特征。图1产品实验的红外光谱图图2产品的热分析图经过一级学科视角下的一体化顶层设计实验项目，学生查阅文献能力、实验创新能力、各类谱图解析能力、对实验结果的专业分析问题与解决问题的能力以及假设推理等能力都得到了很好的初步综合训练。
3结语
本文提出化学实践教学一体化顶层设计的基本原则，并进行了具体实验项目的设计说明。该化学实验的设计力图打通二级学科的壁垒，在化学一级学科设计实践教学体系，强化学生综合创新能力的培养，体现了化学实验设计的模块层次性原则、绿色经济性原则、自主探索性原则、综合可行性和开放创新性原则，体现了化学实验过程中学生的主体参与性，对提高学生的创新积极性和创新能力起了很好的作用。当然，这里提出的化学实验设计项目也会有一些不足之处，还需要不断更新和完善。
作者：郭亚杰 王广健 工业经济期刊张振新 汪燕鸣 杨振兴 刘结平 孙登明 单位：淮北师范大学 化学与材料科学院
