化学是在原子和分子尺度上研究变化规律的自然科学，在该领域内绝大部分时候科技工作者需借助实验（表征测量）来探索微观世界。正如中科院俞汝勤院士所言“分析化学是科学技术的眼睛”，在此，分析化学即指化学表征或实验。
普通化学原理实验亦称无机化学实验，由于其独特的课程设置，因而兼顾培养安全及环保意识、提升兴趣和专业技能、夯实理论和实践结合的作用，且已成为各大“双一流”高校化学学科建设的重要依托。我院化学原理实验在学校和学院有关政策的支持下，已实施一系列实验教学改革和新实验项目开发，并在报告成册、试题建库、废液处理、虚拟仿真等方面取得了突出的成果，大部分在应用中也收获良好的效果反馈。
本文旨在介绍作者在先辈同行的工作基础上，以“行知合一”为理念，尝试的一小部分实验课程改革举措，主要包括：行为习惯培养（行为层面）、逻辑思维引导（知识层面）和双向评价体系。文中如有疏漏或偏见之处，仅为笔者的臆断和尝试，以此契合本学科的宗旨——Chem is try！（化学即尝试！）
图1 化学原理实验的改革理念及主要举措
一、行为习惯的培养
普化原理实验是大一新生的首门实验课，也是他们养成实验室行为习惯的关键时期。相较理论课而言，本课程单次时间更持久（4小时），人员活动更杂乱（约30人同时动手），因而实现精细化课堂管理较为困难。本人主要尝试从以下两方面进行把控，实现新生实验室行为习惯的培养。
一方面，教师需严格进行自身行为约束。正如论语所言：“其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。”首先，教师作为实验课堂的引导者，需自始至终做到“言必行、行必果”。因此，很多看似不起眼的细节内容，却潜移默化的影响学生实验室行为。例如，在实验室内禁止饮水，进实验室要着装长裤且实验服要系扣子，出实验室要脱掉实验服防止二次污染。教师应首当其冲的起到带头作用，不能仅要求学生遵守规定而不自省。其次，教师是实验课的节拍器，不仅要对课程中各个实验间的关联深谙于心，还要对每一堂课的节奏驾轻就熟。我将学期中所有的实验进行了总结归纳。因实验类型不同，每次侧重的阶段亦有不同。例如，元素性质验证实验，我们偏重课前阶段，会对学生的预习报告格式、预测现象、平衡常数查阅等项做重点检查；物化常数测定实验，偏重课后总结阶段，注重误差来源的定量分析；合成和提纯实验，则重视课中实验阶段，强调实验的流畅性和连贯性。若课堂中需要维持实验课堂秩序或做补充说明时，务必要先叫停实验室内的所有活动，再统一嘱咐，否则效果甚微。最后，教师作为实验课程的评判人，应该做到量化且细化要求和标准。以滴定终点的判断最为典型，学生的常见困惑问题：酚酞的浅粉（多浅算浅？），甲基橙的橙（黄橙？红橙？）……而这些问题的答案不应该停留在定性描述的阶段，后文还会对此举例细谈。
图2 左：实验课的教案（含操作步骤量化标准、重点与难点、时间节点、本次考核要点等）；右：化学原理部分章节知识脉络及与化学原理实验之间的关联。
另一方面，通过对学生实验室行为进行约束，使其成为“不拖沓、不推诿、有担当”的合格化学工作者。主要体现在以下三个方面：课堂行为约束、实验报告规范、团队意识培养。比如，规定“每人每堂课必须携带计算器，且当堂独立完成数据处理，提交电子版报告”，不仅可以有效避免学生的拖延症，而且还从根源上杜绝了相互抄袭报告的可能性；规定“公共物品需在公共区域使用，且用毕需即刻复原”，不仅保证天平、公共试剂、去离子水等自始至终整洁有序，而且还可树立学生的公德意识。又如，将实验报告与科技论文写作要求紧密结合，并细化到项（日期、地点、图与表等、修改规则、分工贡献等），课程中期汇总同学报告存在的问题并各个击破。再如，学期初始和结束时进行安全测试，学期中期进行消防逃生演习和灭火器使用，以此增强学生安全意识；将部分实验设置为团队合作形式，增强学生的协调能力和团队精神，并明确个人分工及贡献标注，培养尊重事实、尊重他人成果的学术精神。
图3 左（上至下）：学生行为约束细则，实验报告的规范示例，学期中汇总的实验报告问题及解决方案；右：学生的实验记录，包含数据的修改、数据分享贡献、重要热力学常数的数值及来源、性质实验定量讨论。
图4 部分学生实验室行为表现与消防演习
二、逻辑思维的引导
科学是逻辑与想象的结合。养成良好的实验室行为习惯的同时，还需从更深层次的知识（逻辑）层面去分析讨论实验中遇到的问题。本课程，通过“弱化非定量标准，强调做到四个定量”，培养学生逻辑思维，构建完整知识框架。
非定量标准是指实验中无法用数据衡量的参量。例如，移液和滴定不再关注学生手指，使用天平不再关注敲击抖腕，而将重点放于结果之上——即能否高效完成液体或固体的完全转移。“四个定量”则是对不同类型实验的高层次要求。
元素实验定量预测；学生做预习报告时，需要通过定量计算先预测实验结果，再进行实验现象验证。例如，往同浓度的Cl−与CrO42-中加入Ag+，两种沉淀颜色不同（AgCl白、Ag2CrO4砖红），实验前查溶度积（Ksp(AgCl)=1.8×10-10，Ksp(Ag2CrO4)=1.1×10-12）并计算溶解度（S(MaXb)a+b=Ksp/aabb），在比较数值大小后（SAgCl< SAg2CrO4）预测现象——沉淀顺序为白先红后，这与实际观测相符。在NaCl和NH4Ac溶液pH值测定实验中，预测二者pH值均为7，然而，实际观测的现象却是NH4Ac(aq)数值为7，NaCl(aq)略小于7（室温pH计测定约6.63）。看似理论与观测不符，其实内有玄机。由于配制溶液的溶剂为离子交换树脂得到的去离子水，其中含有少许有机酸，因此NaCl的数值属于正常现象，而双水解的NH4Ac可以起到缓冲溶液的作用，因而，pH值≈7。这既体现了真实记录与现象预测的必要性，又印证了一句名言：“机会只偏爱那些有准备的头脑。”
图5 左：绚丽多彩的元素验证实验；右：对于性质实验现象的预测与解释
滴定实验定量参照；对于以“滴”论误差的此类实验，由于终点颜色判断标准并不明确，往往造成实验结果准确性较差。以滴定NaHCO3和Na2CO3混合碱为例，需要用酚酞和甲基橙分别作为两步终点的指示剂。学生经常会疑惑“酚酞的颜色到底应该滴到何种程度的浅粉色？甲基橙由黄转橙的界限在哪？”解决此类问题的关键在于熟悉原理：在清楚两步计量终点的组成分别为NaHCO3和NaCl之后（两性物质HCO3−的pH≈1/2(pKa1+pKa2)且不易受浓度影响，而NaCl的酸度即为去离子水的酸度），可利用当次实验的基准物质无水Na2CO3和标定后的HCl制造NaHCO3溶液，并以此为标准确定酚酞在NaHCO3溶液中的颜色。第二步甲基橙橙色的确定方法与之类似。因此，对于难以量化标准的实验，我们鼓励学生“如果没有标准，那就想办法先去创造标准。”
图6 利用实验室现有条件创造滴定终点的颜色——自制“标准比色卡”
合成实验定量制备；这类实验过程环环相扣，学生总怕“一步走错”，引起“满盘皆输”。但该类实验又具有极强的视觉冲击力，所以格外受学生追捧。其中，三个单晶的制备实验——“黄金雨”碘化铅、“蓝宝石”五水合硫酸铜、“绿宝石”七水合硫酸亚铁铵——尤为引人关注。我院21级03、04班有不少同学还曾多次主动申请利用课外时间重复实验。该类实验的核心是利用化合物溶解度曲线，通过精细调控溶质浓度、溶液体积、冷却和溶剂挥发速度等因素，实现纳米晶、粉末多晶或针、块状单晶体的培养。课堂中，除去让同学去搜集不同晶体在军民领域的用途外，我们还组织学生汇集产品做“晶体选美”大赛。并对于各尺寸、形状、品相的晶体逐一分析，定量讨论晶体生长的更优方案。毕竟“培养晶体不是撞大运，更不是玄学，能够重复和重现的才能被称为科学实验”。
图7 无机合成实验的魅力——上：“黄金雨”PbI2的制备及视频拍摄过程；
中和下：利用溶解度曲线优化摩尔盐和硫酸铜的单晶生长条件
测量实验定量分析；测量物化常数的实验是几类实验中数据最多、难度最大的，但同时也是逻辑性最强的。以理想气体常数R的测定为例，文献记载数值为8.314510(70) J mol-1 K-1（兰氏化学手册15th版）。实验室采用镁条与硫酸反应，利用滴定管收集氢气并测定体积，得R的表达式为：
其中，四个变量（p、T、V、m）分别对应四种仪器（气压计、温度计、滴定管、天平），由各仪器的精度估算每一项的偏差（p ~ 1%，T ~ 0.3%，m ~ 0.5%），体积项则每差1 mL引起约5%的偏离（以ΔV为20 mL来估算），四项合计6.8%（在此忽略误差的高阶项），得出R = 8.31±0.57 J mol-1 K-1。如果实际测量超出此范围，就需要仔细去反思实验的细节，从而寻找造成更大偏差的原因。因此，我们在总结这类实验时，会非常详细地讨论两个问题：其一，定量的误差分析；其二，验证或消除误差的方案。天文学中，万有引力定律无法解释水星每百年进动多出的43秒，而爱因斯坦的广义相对论却可完美解释误差，因此声名鹊噪。同样，以测量微观变化为主的科学——“化学，也不应放过任何细枝末节”。
三、双向评价体系的建立
在行为层面的约束和知识层面的引导之后，还需对教学效果进行评价，以便后续课程教学的调整与改进。
图8 左：实验的量化评判标准；右：学生的课程评价意见汇集
本课程采用师生双向的评价方式，首先，精细量化了学期中所有实验的评分标准，保证成绩评定依据内容高于形式（绝不只看报告的美丑或操作程度，更注重有深度的数据分析）；其次，由于学校的实验、实践类课程没有学生评教，因此我增加了实验课学生课程意见的问卷，让学生对难忘的、渴望的、畏惧的、不满的实验室点点滴滴进行回忆，并对课程设置、指导教师进行评价，以及对下一级同学提出些许要求和建议。在提交学生成绩后，收集问卷中的建议和意见（防止自己的主观情绪影响学生成绩），融入下一年度的教学当中（每年学生提出的合理举措，都会实施，否则后面的学生就没有提意见的积极性了）。
结语
我曾不止一次的因为“红线”问题将学生撵出实验室，也曾多次半开玩笑的告诉学生们“你们不会真的认为，我是在教你们如何做实验吧？”然而，每年我还是会和教务特意要求，自己名下《无机化学》理论课和《无机实验》的班级必须一致。即便每年实验的内容大同小异，然而每届新生不同的背景和风格，也会让我感到自己仍然是一名教学上的新人菜鸟。在向年轻人了解时代更迭信息的同时，也在不断尝试与他们沟通的新方法。
无论是做实验，还是教实验，何尝不都是在尝试呢？牛顿曾说：“我不知道世界会怎样看待我，然而我认为自己不过是在海滩上玩耍的男孩，不时地寻找光滑的卵石或漂亮的贝壳，以此为乐。然而在我面前，则是一片尚待开发的真理的大海。”同样，我的工作也仅是在化药学院前辈“巨人肩膀”上做出的妄断尝试。虽然不知结果到底如何，不过我想，做事情不能刻意去追求成功，而应去追求卓越，当把任何小事做到极致的时候，也许成功就会在不经意间从身后赶来。
