劉娟娟

摘要：本文以培養(yǎng)大學(xué)生基本實驗操作能力、知識綜合應(yīng)用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”為目標(biāo)，對本科化學(xué)實驗教學(xué)的課程體系、內(nèi)容方法等進(jìn)行了改革，提出三層次“學(xué)研結(jié)合”實驗教學(xué)法：基本技能訓(xùn)練實驗、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗、科研應(yīng)用創(chuàng)新型實驗。該實驗教學(xué)體系既有利于較為全面地培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力，又可有效地提升實驗教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實驗；學(xué)研結(jié)合；三層次實驗教學(xué)法；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0121-03

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，貫穿于整個大學(xué)化學(xué)本科教育。從實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、總結(jié)規(guī)律，并提出相應(yīng)的理論是化學(xué)學(xué)科建立和不斷發(fā)展完善的根本途徑。從教學(xué)的角度來考慮，如何讓學(xué)生學(xué)到“活”的知識，而不是“死”的理論，如何突出化學(xué)的實踐性，讓學(xué)生理解化學(xué)理論而不是機(jī)械地記住這些理論對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及綜合學(xué)習(xí)能力至關(guān)重要。而其中核心的一個環(huán)節(jié)就是實驗教學(xué)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)為了加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，大多是一些驗證理論知識的實驗，且整個課程以老師教授為主，學(xué)生只是臨摹重復(fù)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動性和創(chuàng)新思維。而探究型實驗雖然能夠極大地調(diào)動學(xué)生的興趣以及積極性，利于學(xué)生學(xué)以致用，但是一個完整的探究型實驗往往耗費(fèi)的時間成本和金錢成本都比較高，因此目前也很難全面推廣。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求越來越高，社會需要更多知識技能全面、應(yīng)用創(chuàng)新能力強(qiáng)的大學(xué)本科畢業(yè)生，這就更加凸顯了本科實驗教學(xué)的重要性。針對實驗教學(xué)的問題，國內(nèi)外高校在實驗教學(xué)內(nèi)容和方法上已經(jīng)進(jìn)行了很多有益的探索和改革，以期培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強(qiáng)的專業(yè)人才。芝加哥州立大學(xué)的Van Duzor提出了一種DEOI實驗教學(xué)法（Decision/Explanation/Observation/Inference），在傳統(tǒng)的驗證型實驗的基礎(chǔ)上，改變學(xué)生撰寫實驗報告的模式，從而促使他們進(jìn)行思考，仔細(xì)琢磨實驗中的操作和現(xiàn)象以及對每一個步驟和現(xiàn)象提出合理的解釋。這種“以寫促學(xué)”的實驗教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了實驗中思考的重要性，促進(jìn)了學(xué)生將學(xué)到的理論知識和實驗結(jié)合起來，加深了學(xué)生對理論知識的理解。臥龍崗大學(xué)的Jolley等人則利用分析化學(xué)實驗課前的可視化演示和理論考核來加強(qiáng)學(xué)生對實驗所涉及的基礎(chǔ)知識的掌握，鼓勵學(xué)生進(jìn)行批判性思維，讓學(xué)生在做實驗前知道自己要做什么，從而自發(fā)地進(jìn)行實驗而不是現(xiàn)場臨摹老師的行為。國內(nèi)各高校也積極推進(jìn)實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)，提出了循序漸進(jìn)的實驗教學(xué)模式等。我校以培養(yǎng)大學(xué)生基本實驗操作能力、知識綜合應(yīng)用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”為目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生對知識內(nèi)容的掌握程度，對化學(xué)實驗教學(xué)的課程體系、實驗內(nèi)容、實驗方法等進(jìn)行了改革，提出了三層次實驗教學(xué)法（圖1）：基本技能訓(xùn)練實驗、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗、科研應(yīng)用創(chuàng)新型實驗，學(xué)研結(jié)合、由淺入深、循序漸進(jìn)地對學(xué)生的各項能力進(jìn)行培養(yǎng)。特別是創(chuàng)新性地將科學(xué)研究融入到實驗教學(xué)中，讓本科學(xué)生真正參與到研究生的科研項目中去，在科研項目中將理論知識和科研技能融會貫通，進(jìn)而全面地提高各項能力。

一、基礎(chǔ)技能訓(xùn)練實驗

基礎(chǔ)技能培訓(xùn)實驗主要針對第一、二學(xué)年的學(xué)生，其核心課程包括大學(xué)化學(xué)實驗、無機(jī)及分析化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗和有機(jī)化學(xué)實驗。每門課程的授課平均為10節(jié)課，一節(jié)課通常為4個課時，總包含40個實驗項目。實驗課程結(jié)合理論課程的基本要求，對內(nèi)容進(jìn)行了不斷優(yōu)化，盡可能全面地涵蓋了最核心的基礎(chǔ)化學(xué)理論以及化學(xué)實驗基本操作。課程以驗證性實驗為主，主要培養(yǎng)學(xué)生最基本的實驗素養(yǎng)和能力，要求學(xué)生掌握基本的實驗操作技能，如正確使用實驗儀器，認(rèn)真觀察、準(zhǔn)確記錄實驗現(xiàn)象，利用理論知識解釋實驗現(xiàn)象，分析處理實驗數(shù)據(jù)，針對結(jié)果撰寫實驗報告以及提出進(jìn)一步實驗假想?；A(chǔ)技能訓(xùn)練實驗主要采用“老師教學(xué)，學(xué)生模仿”的形式，同時借鑒Van Duzor提出的“以寫促學(xué)”的方法，設(shè)計了新型的實驗報告問答模板（圖2），能夠充分調(diào)動學(xué)生課前學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)他們思考以及利用理論知識，將理論、實驗和現(xiàn)實生活有機(jī)結(jié)合起來，進(jìn)而在理解理論知識的基礎(chǔ)上更好地掌握實驗操作技能。其次，在實驗課程中，非常重視學(xué)生的動手能力，要求每個學(xué)生必須掌握基本的實驗操作要領(lǐng)，并將實驗技能納入課程考核之中，讓學(xué)生重視實驗技能，最終熟練掌握基礎(chǔ)實驗技能，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和科研打好基礎(chǔ)，促使學(xué)生全面提高綜合素質(zhì)。

二、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗

知識轉(zhuǎn)化綜合實驗建立在基礎(chǔ)技能培訓(xùn)實驗的基礎(chǔ)上，主要針對二、三年級的學(xué)生，其核心課程包括綜合化學(xué)實驗課程I和Ⅱ。課程以半開放性實驗為主，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗方案，綜合運(yùn)用各種基礎(chǔ)知識、各類實驗儀器以及發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。這種半開放性實驗中老師主要起引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研思考的作用，而不是傳統(tǒng)的手把手教授，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)解決問題的途徑和方法。為了讓學(xué)生能夠順利完成實驗方案的設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，采用組隊實驗的形式，加強(qiáng)學(xué)生之間的交流討論，形成良好的團(tuán)隊協(xié)作精神。綜合化學(xué)實驗一節(jié)課為4個課時，二節(jié)課完成一個實驗（具有固定的實驗課題），一門課總共8個半開放性實驗，64個課時。每個實驗的時間安排都很充足，充分模仿科研訓(xùn)練，給學(xué)生試錯的機(jī)會。為了不損害學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，課程按照由易到難的形式進(jìn)行排課，讓學(xué)生逐步理解真實的科學(xué)研究流程。同時，在兩次課程中間增加答疑時間，幫助學(xué)生完善實驗方案的設(shè)計（圖3）。此外，這種半開放性實驗不以實驗結(jié)果為唯一考核標(biāo)準(zhǔn)，主要注重學(xué)生解決問題以及綜合運(yùn)用理論知識的能力。以SiO2納米微球的制備實驗為例，我們將課程相關(guān)的閱讀材料和PPT提前上傳到實驗教學(xué)中心網(wǎng)站，要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)。課堂上，老師簡單介紹Stober法制備SiO2納米微球的原理以及相關(guān)的影響因素，并給出一個常規(guī)的合成路徑，然后要求學(xué)生自行選擇三個實驗條件進(jìn)行考察。學(xué)生根據(jù)自己的研究興趣，自行設(shè)計實驗方案，可以考察不同合成溫度、不同氨水濃度、不同醇的種類、不同正硅酸乙酯的濃度對制備樣品的影響等。學(xué)生根據(jù)自行選擇的條件進(jìn)行實驗，然后分析得到的實驗結(jié)果，并結(jié)合理論知識進(jìn)行解釋。

三、科研應(yīng)用創(chuàng)新實驗

科研應(yīng)用創(chuàng)新實驗建立在知識轉(zhuǎn)化綜合實驗的基礎(chǔ)之上，主要針對三、四年級的學(xué)生，其核心課程為科研實踐課，此外還包括大學(xué)生科研訓(xùn)練和創(chuàng)新性實驗項目（RTCAP，Research Training and Creative Activity Program）。在這個課程中，老師不再承擔(dān)授課的任務(wù)，而是將學(xué)生加入到各個研究生實驗室中，讓他們聽取相關(guān)研究小組的組會報告，參與研究生的真實科研項目（無固定的實驗課題），為畢業(yè)設(shè)計以及研究生學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)?？蒲袘?yīng)用創(chuàng)新實驗將實驗教學(xué)與科研訓(xùn)練融合起來，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維與創(chuàng)新能力，讓他們能夠針對實驗需求選擇實驗儀器和方法，真正熟悉科學(xué)研究，發(fā)掘自身的創(chuàng)新潛力。例如，環(huán)境科學(xué)與工程系有光催化污染物降解實驗室，學(xué)生通過加入該實驗室可以了解光催化的研究進(jìn)展，與研究生一起學(xué)習(xí)文獻(xiàn)閱讀、文獻(xiàn)檢索，然后了解光催化實驗的一些基礎(chǔ)表征手段，將基礎(chǔ)技能訓(xùn)練實驗和知識轉(zhuǎn)化綜合實驗的相關(guān)知識靈活運(yùn)用起來。比如為了探究TiO2的不同晶型結(jié)構(gòu)，可以采用XRD對粉末樣品進(jìn)行分析；為了探究染料等污染物的降解速率，可以采用紫外分光光度計對吸光度進(jìn)行測試；為了探究光催化劑的穩(wěn)定性，設(shè)計穩(wěn)定性實驗方案等。這些課題中一個個小的組成部分都是基礎(chǔ)和綜合實驗的內(nèi)容，而在科研應(yīng)用創(chuàng)新實驗中可以讓學(xué)生真正地融會貫通。此外，學(xué)生可以在研究生師兄師姐的指導(dǎo)下，了解如何從文獻(xiàn)中提煉研究課題，如何自主設(shè)計實驗方案，碰到實驗難題如何設(shè)計實驗進(jìn)行解決等（在此過程中教師只起輔助作用），這些科研實踐對于學(xué)生順利進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計大有益處，也能夠為日后研究生學(xué)習(xí)或者工作打下良好的基礎(chǔ)，同時也有助于學(xué)生開拓自己的創(chuàng)新思維。科研實踐課和RTCAP不拘泥于傳統(tǒng)的授課形式，解放了學(xué)生的學(xué)習(xí)天性，真正將學(xué)與研結(jié)合起來，是實驗教學(xué)中一種嶄新的模式。這種方式有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，并且課程通過論文的形式對學(xué)生進(jìn)行考核，能夠全面考察學(xué)生的科研素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等。

四、實驗教學(xué)改革成效

通過“三層次實驗教學(xué)法”的實踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和實驗技能得到了明顯提高，其科技創(chuàng)新意識和能力也顯著提升。實驗教學(xué)中學(xué)習(xí)與科研的有機(jī)結(jié)合激發(fā)了學(xué)生的科研興趣。學(xué)院每年參加各項實驗訓(xùn)練項目的學(xué)生人數(shù)高達(dá)60余人，這些學(xué)生都普遍表現(xiàn)出較強(qiáng)的科研素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力。學(xué)生的科技立項數(shù)逐年增加，據(jù)統(tǒng)計，2013年至今，獲獎的省級以上的大學(xué)生創(chuàng)新項目就有20余項。同時，本科學(xué)生通過創(chuàng)新實驗，先后在國內(nèi)外各類學(xué)術(shù)期刊上如Scientific Reports、Materials Letters發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。本科學(xué)生有5人在國際大賽中斬獲名次。另外，由于學(xué)生表現(xiàn)出較強(qiáng)的基礎(chǔ)知識應(yīng)用能力以及動手實踐能力，受到了用人單位的青睞。目前，已有10余家企業(yè)主動與我院建立了長期的實習(xí)基地，畢業(yè)生在相關(guān)行業(yè)也受到了充分的認(rèn)可與贊揚(yáng)。

五、結(jié)語

從基礎(chǔ)技能訓(xùn)練、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗到科研應(yīng)用創(chuàng)新實驗，這種層層遞進(jìn)的實驗教學(xué)方法，一步一步地將科學(xué)研究融入到實驗教學(xué)中。通過“學(xué)研結(jié)合”式的新型實驗教學(xué)改革與實踐，學(xué)生的基本實驗操作能力、知識綜合應(yīng)用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”得到了很好的鍛煉，學(xué)習(xí)的積極性、主動性也有了大幅提升，改變了以往應(yīng)付、機(jī)械性的實驗態(tài)度，提高了就業(yè)競爭力。為了進(jìn)一步優(yōu)化“學(xué)研結(jié)合”式的新型實驗教學(xué)法，在今后的實驗教學(xué)中，我們還應(yīng)該學(xué)習(xí)和借鑒其他新興的、有益的實驗課程設(shè)計思路，不斷完善目前的“學(xué)研結(jié)合”體系，使之更加科學(xué)與合理。

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