Berkeley

今天我们要说的加州大学伯克利分校化学实验室

伯克利，位于美国旧金山湾区伯克利市，是世界著名公立研究型大学、在学术界享有盛誉，位列2018-19年USNews世界大学排名世界第4、世界大学学术排名世界第5。伯克利是加州大学的创始校区，也是美国最自由、最包容的大学之一。

那么美国实验室区别于中国高校实验室的地方在哪儿呢？

我们以Berkeley化学实验室为例，听我慢慢道来。

（此文介绍的为基础化学实验，不代表着Berkeley的所有化学实验层次）

国内高中阶段的实验

在美国大学做试验和在中国高中的物理化学实验课有很大的不同。因为没有在国内上过本科所以不能比较美国大学实验室和国内大学实验室的区别。

总的来说，国内高中阶段的实验可以说是展示性的，往往是老师带领学生对物理化学中的特殊现象进行实验和观察。在实验中所涉及到的计算比较简单，试验的精度往往也不高。

例：酸碱中和试验，国内的实验基本是这样的：用制备好的酸度为1的盐酸10克，与碱度为14的氢氧化钠进行中和试验。学生会被要求在盐酸溶液中加入指示剂，一滴一滴的想盐酸溶液中加入氢氧化钠。当试剂变红的时候停止加入盐酸。记录氢氧化钠溶液的加入量，反复试验三次，比较实际加入量和理论加入量（10克）的差别。

这样的实验过程其实是对化学公式的一个简单展示，证明化学理论的真实性。而相同的实验在美国大学里面被提高到了另外一个层面。

美国实验室

在美国大学，用实验来展示理论仅仅是实验的一部分。这里的实验课更注重的是对每一个实验步骤的控制，记录，和推算。

在实验过程中学生的理论实践水平和动手能力同时得到有力的强化。在美国大学实验室中得到理想数据和对试验中的疏漏和误差分析被放到了相同的高度。

学生最终可能得到一个离谱的数据离开实验室，但是只要你能通过实验记录分析出误差原因和应该有的误差范围，你的实验报告同样会得到理想的分数。正是因为如此，美国大学本科的实验课往往长达三到四个小时，研究生和博士生的实验课则更长。

酸碱中和实验

看似简单的酸碱中和实验在美国大学实验室中是这样进行的。

在试验之前所有学生会对实验过程进行理论推导。氢氧化钠的原子质量是40克每摩尔，利用取得氢氧化钠的质量可以得到氢氧化钠的摩尔数。

用会将氢氧化钠融化，水的体积为H。从上面得到的摩尔数和水的体积就可以求得氢氧化钠溶液也就是氢氧离子的浓度。

盐酸溶液的浓度µ是未知的，只能通过滴管取得h2体积的溶液和氢氧化钠溶液进行中核试验求得，试验中滴入氢氧化钠溶液的量为h1

所以最终未知溶液的浓度推导如下：

推导过程对大部分中国学生来说并不困难，但是实验室导师依然会要求每个学生把每一步推导过程都写下来。因为公式可以得到计算结果，更是每一步试验过程的理论依据。这个看似简单的意识形态其实难倒了很多中国留学生。因为大部分中国学生已经习惯看到公式就想到数据结果，却忽略了公式对实验过程甚至对实际生活中现象的影响。

理论推导在中国高中（初中）的实验室中成了最终目的，而在美国大学实验室里，这只是长达三个小时中和试验的开始。

美国实验课对实验过程的精确操作和测量要求很高。从实验室的设备就可以看出来。称实验药品的电子秤可以精确到0.001克。毫不夸张的说，吹口气都能让数据发生很大的变化。所以实验室里面的电子称上方都有玻璃罩隔绝空气流动以及灰尘对数据的影响。为了得到尽可能精确的测量结果，测量的步骤也要做到尽可能完美。

拿称氢氧化钠晶体为例，为了不污染托盘，氢氧化钠晶体必须用实验室用纸承载。首先用电子秤测量纸的重量，当读数稳定以后，记录读数和误差。然后加入氢氧化钠晶体，等待读数稳定以后再次记录读数和误差。同时为了减少其他物质对实验药品的污染（也同时为了保护学生安全）每一个学生都会被要求在进实验室之前穿上试验袍，穿不露出脚趾的鞋，并带上护目镜和手套。

每一个试验步骤都需要学生用这样的标准和态度来对待。如果读数不稳定，或者明显偏离正常值则一定要重新来过。这样细致和精益求精的过程是非常消耗时间和精力的。

“差不多”在美国大学实验室中就显得格格不入。这也是为什么总是有总过留学生抱怨实验室的辛苦和不适应。但是这恰恰是一个科学家或者说一个学者应该有的专注和精神。虽然毕业之后没有从事科研工作，但是回想起来实验课带给我最有价值的就是这种“不到黄河不死心”态度。所以，为什么美国科技如此发达，除了有效吸引全世界的优质资源以外，美国的教育系统培养了一大批具有热情专注的科技工作者。

写在最后

除了一丝不苟的实验过程以外，我认为严格的误差分析是美国实验室区别于中国高校实验室的另外一个特点。

在中国高校实验室中也有对实验数据误差的分析，但是往往学生在误差分析过程中受到固有思想的影响，为了让自己的最终答案更加接近于理论值而“美化”误差数据。这样的实验数据分析其实背离了科学实验的初衷。因为科学实验是为了寻找事实真相，而误差反映了实验数据的可信度，如果为了让实验数据显得可信故意把误差值缩小，这样的实验数据就很可能误导理论分析。

对于像酸碱中和实验这样建立在成熟理论上的实验美化实验数据也许并不会造成多大的影响，但是如果试验的目的是探索新的理论那么经过美化的数据就会造成天差地别的影响。

所以美国实验室一直倡导严格真实的误差分析。一份完整的误差分析应该和实验过程同样的消耗时间和精力。所以误差分析往往就是实验课之后的家庭作业。

刚才用一个简单的化学实验介绍了美国实验室和试验过程的完善和严谨。一个简单的化学实验也可以延伸到不同的层次。美国大学的实验室依靠尖端的试验设备，严格的过程控制和真实准确的实验数据分析让学生把理论和实践有效地结合到一起。除此之外一些高级实验课还特别鼓励学生的创造性，把理论实践的理念发挥得淋漓尽致。