大学化学, 2018, 33(2): 75-81 doi: 10.3866/PKU.DXHX201710002

国外化学教育

美国约翰霍普金斯大学化学系教学实验室访学见闻

欧阳小清,

Experience and Enlightenment from the Teaching Laboratories of Chemistry Department at Johns Hopkins University

OUYANG Xiaoqing,

通讯作者: 欧阳小清, Email: xqouyang@xmu.edu.cn

收稿日期: 2017-10-11   接受日期: 2017-11-20  

基金资助: 2016年度教育部“基础学科拔尖学生培养试验计划”研究课题
2017年福建省本科高校教育教学改革研究项目.  FBJG20170295
2017年度厦门大学教学改革研究项目.  JG20170204

Received: 2017-10-11   Accepted: 2017-11-20  

Fund supported: 2016年度教育部“基础学科拔尖学生培养试验计划”研究课题
2017年福建省本科高校教育教学改革研究项目.  FBJG20170295
2017年度厦门大学教学改革研究项目.  JG20170204

摘要

介绍了对美国约翰霍普金斯大学化学系教学实验室访问学习见闻。通过访问学习,发现其系统全面的实验室安全教育方式、行之有效的实验室安全管理措施、实验室垃圾与生活垃圾的分类处理办法及网络辅助实验教学模式、注重学生课堂实验笔记的实验课成绩评定方式等方面,都值得我们学习和借鉴。

关键词: 访问学习 ; 约翰霍普金斯大学 ; 化学系 ; 教学实验室

Abstract

This paper mainly introduces the experience and enlightenment learned during my visiting study at the teaching laboratories of chemistry department, Johns Hopkins University. Through the visiting study, we can find that some aspects, such as systematic and comprehensive laboratory safety education, effective laboratory safety management, laboratory and household waste classification approach, network-assisted laboratory teaching mode and laboratory class performance assessment are worth learning.

Keywords: Visiting study ; Johns Hopkins University ; Chemistry department ; Teaching laboratory

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欧阳小清. 美国约翰霍普金斯大学化学系教学实验室访学见闻. 大学化学[J], 2018, 33(2): 75-81 doi:10.3866/PKU.DXHX201710002

OUYANG Xiaoqing. Experience and Enlightenment from the Teaching Laboratories of Chemistry Department at Johns Hopkins University. University Chemistry[J], 2018, 33(2): 75-81 doi:10.3866/PKU.DXHX201710002

约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)为美国著名的研究型私立大学,是全球最富学术声望的大学之一,截止目前,霍普金斯大学的校友、教师和研究人员中先后有36位获得诺贝尔奖,其中有6名获得诺贝尔化学奖。约翰霍普金斯大学化学系历史悠久,多年来在全美化学专业排名一直名列前茅。该系教学实验室每学年承担全校约10个相关院系1800多名学生的化学实验课程。

本人有幸获厦门大学“ 2015年度工程、实验等系列专业技术人员出国(境)研修项目”资助,于2016年7月至2017年6月在美国约翰霍普金斯大学学习交流,对该校化学系教学实验室进行访问学习。

通过访问学习,发现其在学生的实验室安全教育和实验室安全管理、实验教学模式及学生实验课成绩评定方式等方面中的一些做法,值得我们国内高校学习和借鉴。

1 学生的实验室安全教育及实验室的安全管理

高校实验室是进行实验教学和科学研究的重要基地,实验室安全关系到高校乃至整个社会的安全和稳定,实验室安全教育和管理是国内外高校共同关注的重要领域,化学实验室安全管理是高校安全工作的重要组成部分[1-3]。我们来了解一下约翰霍普金斯大学化学系教学实验室的实验室安全教育和管理方式。

1.1 学生的实验室安全教育

根据有关规定,约翰霍普金斯大学要求学生进实验室(如化学、生物、物理等实验室)前必须学习相关的实验室安全课程和接受相关的实验室安全培训。在学校的选课系统上,每门化学实验课程均注明学生在选修注册该实验课前必须在线学习学校网站(https://my.jh.edu/MyLearning)中所列的实验室安全基本课程(Laboratory Safety Introductory Course),并接受由学校健康安全环境机构(Health Safety and Environment,HSE)提供的实验室安全培训(Lab Safety Training)。实验室安全课程内容包括六大模块,第一模块主要是关于认识和预测实验室危害、实验室安全的重要性、个人的安全职责、实验室危害种类等基本内容;接下来四个模块分别就物理、辐射、生物、化学危害及防护进行具体介绍;最后一个模块介绍有关实验室日常和紧急安全处理程序及学校相关安全组织联系信息。在线完成该安全课程学习并取得该课程考试合格证书后,再预约接受实验室安全培训。实验室安全培训则借助具体实物示范进行现场培训,包括两部分内容:第一部分主要介绍危险标志、个人防护装备、化学品储存和标记、废弃物处理、实验室安全设施等内容;第二部分介绍有关安全政策及实施细则,以及对使用传染性或潜在感染因子的实验室的设施要求等内容。通过这种安全课程学习和安全培训,让学生在进实验室前就对实验室安全要求有一个系统的学习了解,并从此建立起实验室安全意识。

进入实验室,除要求学生准确知道灭火器、洗眼器、紧急喷淋器等实验室安全设施的放置位置和正确使用方法,佩戴基本的安全防护用品外(实验服、防护镜、手套等),实验教学过程中安全教育也是非常细致到位,比如实验讲义中会列明每个实验的安全注意事项和一旦发生危害的应急处理办法,且会对实验中产生的废弃物如何处理进行指导说明,以防废弃物处理不当造成安全隐患。

据了解,国内如北京大学、厦门大学等部分高校对大学一年级学生开设了必修的实验室安全教育课程,但大多数国内高校是将有关实验室安全教育融入各个实验教学中,缺乏系统性。开设系统全面的实验室安全网络课程并由学校专门的安全管理机构开展实验室安全培训,并将获得安全课程考试合格证书及接受实验室安全培训作为选修化学实验课程的必要条件,约翰霍普金斯大学化学系这种实验室安全教育方式值得我们学习推广。比如可将各相关院系现有的实验室安全教育课程和实验教学中普及的安全知识进行整合充实,制作成系统全面的实验室安全网络课程,供学生在线学习;同时设立专门的安全管理机构开展实验室安全培训,并硬性要求学生在进实验室前必须完成实验室安全课程学习及安全培训。

1.2 实验室的建设及安全管理

在实验室建设和安全管理方面,约翰霍普金斯大学化学系教学实验室中的某些细致周到的设计和行之有效的管理措施也很值得我们借鉴学习。比如,实验室内除装有良好的排气系统外,还配有中央空调,空调系统由学校统一控制,一年四季温度均维持在25 ℃左右,为学生创造了良好的实验环境。实验室使用面积较大,在实验室进门左右两侧设有衣帽钩供学生放置外套,以免学生穿着笨重或将外套随意放置影响实验操作,从而造成安全隐患。实验室内及走廊内均装有安全报警系统及明确的安全出口指示牌,一旦楼内某个位置出现安全事故,整栋楼的报警系统将立即全部响起,同时安全指挥中心发出广播,要求该楼所有人员必须立即停止手头工作,从就近的安全出口迅速撤离到安全地带,直至警报解除,及时有效地将安全事故带来的不良影响控制到最小;学校会定期进行此类逃生演练,保障真正事故发生时安全撤离工作有序有效进行。同时学校配有安全监管机构,对实验室的安全进行监督检查,一旦发现那个实验室存在安全问题或不符合安全管理规定,要求实验室进行安全整改,情节严重的将在学校校园网上进行通报批评,实验室工作人员须重新进行安全培训方能上岗;通过建立这种监督管理制度,有力地保障了各种安全管理措施的有效实施。

虽然我们国内高校很多实验室也装有安全报警系统,但事故发生时,只有事故发生所在实验楼的消防控制中心会接到警报,然后由控制中心派工作人员赶往现场进行处理,根据现场具体情况确定是否启动全楼的报警系统进行紧急疏散撤离工作。由于须先进行事故确认程序,耗费一定时间,其他实验室人员很可能因为未及时得到警报而遭受事故危害;同时还存在安全出口指示不明、安全演练相对较少等情况,事故发生时很难保障安全撤离工作有序有效进行。此外,国内高校很少设有安全监管机构,或者设有监管机构但职能不明确,如同虚设,导致很多安全管理措施无法长期有效地实施。

1.3 垃圾的分类处理

约翰霍普金斯大学将实验室垃圾与生活垃圾分开,由具有不同资质的专业服务机构分别负责处理。对于实验室垃圾,约翰霍普金斯大学规定,凡是与化学生物医学相关的院系,均统一使用从危险废物处理服务公司定制的专用纸箱,并内套专用红色塑料袋(图1a)进行收集,装满后由实验室工作人员扎好塑料袋,盖上纸箱并用胶带将其密封打包,在纸箱上面注明实验室房号、联系电话及纸箱密封日期(图1b),置于实验室门外走廊上,服务公司每天派工作人员前来收集,运往公司处理中心进行统一处理。而生活垃圾,则是在实验室外的走廊上及各楼层茶水间放置套有不同颜色塑料袋的不同颜色垃圾桶,按废物垃圾(trash,如泡沫饭盒、薯条和糖果包装袋、调味品包、保鲜膜和食品密封储藏袋等)、堆肥垃圾(compost,如各种食物、可生物降解的餐具、已污染的纸张、用过的咖啡杯等)、可回收垃圾(recycle,如各种废纸张和纸板、瓶子和易拉罐、铝盘等)三类垃圾进行分类收集(图2),每天由大楼物业管理人员负责清理。

图1

图1   实验垃圾箱

(a)密封前;(b)密封后


图2

图2   生活垃圾桶

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实验室垃圾和生活垃圾由不同的专业服务机构分别负责处理,避免了实验室产生的危险废物垃圾对非专业工作人员产生的危害。将实验室垃圾用纸箱收集并密封处理,解决了长期使用垃圾桶易产生危险废物积垢污染,工作人员在收集运输过程中易产生二次污染的问题。将生活垃圾使用不同颜色塑料袋及垃圾桶进行收集处理,提醒大家注意垃圾分类投放,同时也使垃圾分类变得更简单易行,给工作人员的清理工作带来很大的方便。

我们国内大多数高校实验室垃圾和生活垃圾通常都是由物业管理人员负责清理,虽有将实验室垃圾和生活垃圾分开收集,但未将生活垃圾再进行细分,且各种垃圾基本均使用颜色相同的塑料袋(通常为黑色,如图3所示)进行收集,使垃圾分类清理工作不易操作,由此产生的危险废物二次污染及对工作人员的伤害时有发生。约翰霍普金斯大学的垃圾处理方式值得我们学习推广。但不可否认,使用纸箱收集实验垃圾成本相对较高,可利用再生纸箱降低部分成本。

图3

图3   我校化学实验楼所用垃圾桶

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垃圾分类具有重要意义,通过对垃圾进行分类,将可回收垃圾分离出来,提高了废品回收利用比例,使资源得到循环利用,同时可减少垃圾处理过程中水源、土壤、大气的二次污染的风险。随着经济的飞速发展,人民生活水平的提高,生活垃圾的产生量也急剧增加,垃圾分类工作刻不容缓[4],应该受到人们的普遍重视。目前,我国垃圾分类回收工作已开始全面展开,而高校作为培养高层人才的重要场所,更应率先加强垃圾分类工作的教育与执行,从而带动整个社会对垃圾分类工作的重视与实施,进而改善我们的居住环境及提高国民的整体素质。

2 化学实验课程体系及教学模式

2.1 化学实验课程体系

化学实验课程体系方面,我校一般针对不同专业开设不同平台的化学实验课程,对化学类专业学生开设A平台基础化学实验(无机及化学分析实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析实验)及综合化学实验,对非化学类专业学生开设教学内容相对综合、教学时数相对较少的B平台基础化学实验(无机及化学分析实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析实验)。

与我们相比,约翰霍普金斯大学化学实验课程体系略有不同,如表1所示,2016-2017学年该校化学系教学实验室共开设了7门化学实验课程,为化学类专业学生开设普通化学实验、普通有机化学实验、中等有机化学实验、物理化学实验、高等无机化学实验,而有关仪器分析实验内容则融入到以上各门实验课程中,未单独开设。而为非化学类专业学生仅开设了普通化学实验和普通有机化学实验;据了解,非化学类专业与化学专业类学生使用统一教材,教学内容、教学时数完全相同,并未分化学类(A平台)与非化学类(B平台)教学体系。

表1   约翰霍普金斯大学化学系教学实验室2016-2017学年开设化学实验课程列表

Class #TitleTermCreditsEnrollment LimitInstructor(s)
AS.030.105Introductory Chemistry Laboratory ⅠFall 20161600L.Pasternack
AS.030.106Introductory Chemistry Laboratory ⅡSpring 20171560L.Pasternack
AS.030.225Introductory Organic Chemistry LaboratoryFall 2016/
Spring 2017
3262/240L.D’Souza
AS.030.228Intermediate Organic Chemistry LaboratorySpring 2017331R.Klausen
AS.030.305Physical Chemistry Laboratory ⅠFall 2016336A.Brang
AS.030.306Physical Chemistry Laboratory ⅡSpring 2017332J.Tolman
AS.030.356Advanced Inorganic LaboratoryFall 2016324J.Greco

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2.2 化学实验教学模式

表1所示,约翰霍普金斯大学化学系教学实验室每学年向全校相关院系约1800名学生开设7门化学实验课程,每门课仅由一位教师配备若干助教(TA)负责指导。以普通化学实验(Introductory Chemistry Laboratory)为例,约翰霍普金斯大学普通化学实验室每学期面向该校化学、生物学、行为生物学、生物物理学、地球与行星科学系、神经系统科学、生物医学工程、化学和生物分子工程、环境卫生与工程、材料科学与工程等10个系约600名学生开设普通化学实验,均由化学系教授Louise Pasternack一人配备若干名TA负责指导。这么多学生,只有一位教师如何进行指导呢,这主要得益于其所运用的网络辅助实验教学模式。

2.2.1 实验课件在线学习

Pasternack教授将每个实验的PPT配上讲解做成视频课件(图4),上传到学校网站(https://my.jh.edu/Blackboard)中,由Pasternack教授设置权限,选修了这门课的学生经许可,课前通过账号登入进行在线学习,课堂上老师不再做类似的讲解,直接进行实验。Pasternack教授还会将课程的教学大纲、教学进度及学生成绩等有关信息发布至Blackboard中,同时,学生有关实验的相关问题均可在Blackboard中提出,与Pasternack教授、TA或其他学生进行讨论。除了正常的实验时间外,几乎每天还设有老师答疑时间(Office hours)和TA帮助时段(TA help sessions),学生有任何实验上的问题,均可在指定时间或预约时间请教老师和助教,进一步加强对所学知识的深入理解与掌握。利用这种网络信息化的课前教学方式,大大节约了人力资源,且学生可以享受同等质量的课前学习,反复观看学习实验课件,加深对实验内容的理解与掌握,同时有利于对学生自学能力的培养;而通过网络进行交流讨论,极大地调动了学生的积极性,学生通过充分准备、积极思考、踊跃发言,促进对已学知识的理解和应用,亦有利于对学生独立性思考、批判性思维能力的培养。当然,这种网络辅助实验教学模式要求学生具有高度的自觉性,对TA的工作也提出了更高的要求,且这种无实物讲解相对抽象,配合课堂现场实物演示讲解效果会更好。

图4

图4   课件截图


2.2.2 实验预习作业在线完成及实验报告在线提交

http://www.chem21labs.com是美国化学学会开发的一个化学实验课程网站(图5),主要包含三部分内容:化学实验学习材料和题库、家庭作业系统以及在线实验报告提交系统。Pasternack教授通过这个网站给学生布置每个实验的在线课前预习作业以及要求学生在线提交实验报告。选修了这门课的学生缴纳一定费用后即可获得该网站的个人帐号及密码,登入在线完成课前预习作业以及在线提交实验报告。实验课前预习作业通常包含实验原理、实验内容、实验步骤及实验注意事项等相关信息,以填空题及选择题形式进行考查,学生必须在规定时间内完成,超过规定时间系统将完全关闭,计算机将根据学生完成情况自动分级给出评分,教师通过网站可查看学生成绩,该成绩将按一定比例计入本门实验课的最后考核成绩。而课后提交的实验报告则更注重实验数据的处理。这很好地解决了长期以来实验预习报告与最后提交的实验报告内容形式雷同、学生盲目照书搬抄,但对所抄内容理解不深、印象不深的普遍问题。利用Chem21labs课程网,学生可及时获得有关答题结果的反馈,同时,通过完成课前预习作业,学生对实验内容和步骤进一步熟悉与掌握,进而更快速高效地完成实验。几乎所有报告均以电子版方式提交,实验报告实现无纸化,节约又环保;学生可以在任何具有互联网的地方完成预习作业及实验报告的提交,方便又快捷。

图5

图5   化学实验课程网

(http://www.chem21labs.com)


总体来说,互联网给实验教学带来了很大的便利,网络辅助实验教学模式很值得推广,而我们国内高校将互联网网络教学模式运用在实验教学上相对较少,今后可在这方面有所加强改进。

2.3 学生的化学实验课程成绩评定方式

同样以该校普通化学实验为例,学生最终成绩由课前预习成绩(10%)、课堂实验笔记和课后实验报告成绩(50%)、实验书面考试成绩(40%)三部分组成。值得一提的是,该评定方式将课堂实验笔记也纳入了最终成绩考核中,且占有较大的比重。据了解,根据任课老师要求,学生实验中记录所用的记录本必须具有复写功能,每次实验结束后,及时将复写页上交给老师,老师将对实验笔记进行评分。与简单地照书搬抄不同,实验笔记记录必须言简意赅、条理清晰地列明你所用的试剂用量、仪器设备(包括玻璃仪器)、实验步骤及实验现象,误写的地方需进行标注,但不能擦拭涂改,其他人根据你的实验笔记,应可重复实验并得出相同的实验结果,实验笔记将作为学生实验态度与实验能力的有力证明。我们知道,实验笔记是科学研究最原始最重要的资料之一,将实验笔记纳入最终考核成绩中,既能更客观全面地反应学生的实验能力以及对实验的掌握情况,也能让学生认真对待实验笔记,养成良好的实验习惯,为将来继续进行科学研究及从事其他相关工作打下良好的基础;约翰霍普金斯大学化学系教学实验室采取的这种学生实验课成绩评定方式值得参考。

综上所述,通过对约翰霍普金斯大学化学系教学实验室进行访问学习,从中得到一些启发:做好实验室安全管理工作首先要提高全体参与人员的安全意识,加强系统全面的安全教育;其次要完善实验室基础建设与安全管理,设立有力的安全监督职能机构。互联网给实验教学带来了极大的便利,灵活地将互联网资源运用到实验教学中,可以有效地节省人力资源和实现节能环保。怎样才能更全面更客观地反映学生对该门实验课程的掌握情况以及实际的动手操作能力,怎样更有利于对学生良好实验习惯的培养,实验课成绩评定标准的设定值得探究。基于以上几点启发,在今后的实验教学中,我们可以根据实验室的实际条件与情况,有针对性地进行借鉴与改革[5]

参考文献

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廖一平. 大学化学, 2012, 27 (2), 84.

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