創新性人才培養中研究型綜合化學實驗課程的建設

林樹坤

摘要：研究型《綜合化學實驗》是一門為化學專業本科生開設的開放式研究型實踐課程。為了培養學生的創新思維，提高實踐能力，課程教學綜合了化學、生物學和材料學等學科的知識內容，以及應用了現代研究手段和實驗技術。學生通過本課程的學習和訓練，達到鞏固和提高對基礎理論知識的加深理解，全面提高了科學思維、創新意識及創新能力。

關鍵詞：創新思維；創新能力；研究型實踐課程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0074-03

一、研究型綜合化學實驗課程建設的思考

實驗課是培養和提升學生創新意識和科研能力的有效方法，實驗課將理論知識和實際問題聯系到一起，是理論知識的綜合訓練過程。近年來國內高等院校開始重視本科生的教育質量，特別注重提升學生綜合素質與創新能力的培養，鼓勵教師進行教學改革，加強創建各類實踐平臺，創造各種途徑開展本科生創新綜合實踐能力培養。然而有些學校往往會把實驗課和理論課合并設課，課程學時數少，所對應的課程學分少甚至不計學分，為此出現師生都不重視實驗課的現象。導致本科生畢業后在人文素質、動手能力、科學思維、創新意識等方面略顯不足，特別是令人期望的大學生科研能力更不令人滿意，這與目前培養創新性人才的教育思想與培養目標相悖。針對這個問題，我們必須重視人才培養環節中提升本科生實驗課的地位，首先，要保證實驗課獨立設課，創造條件加大實驗課的學時學分以及開設研究型實驗課所占的比重。其次，要循序漸進，在開設基礎實驗課后，要進一步設計一些創新性綜合型實驗課程。另外，可能的話應該引導學生尋找自己感興趣的開放性研究型實驗，這樣真正意義上學生的實踐能力才能得到培養提高。我國許多研究型大學本科人才培養方案中都非常重視本科生實踐能力的培養，這些研究型大學在制定人才培養措施時都有共同的舉措，就是推進跨學科的通識教育、開設學生研討課、強化實踐教學、設置科研訓練。這些舉措有利于打破學生的慣性思維，擴大創新思維的廣度，為科研能力的培養奠定堅實、寬廣的知識基礎。同時也培養了學生的探究性學習能力，使其更好地掌握科學研究的方法，養成良好的學習態度和求知精神，強化對實踐動手能力的培養。然而我國許多大學在實踐教學中，由于還存在觀念認識、制度建設、管理機構、資源配置方面不到位等問題而導致這些培養措施并沒有達到應有的效果。針對培養措施在教育實踐中存在的問題而找到相應的解決辦法，當務之急就是要創造條件重視提高本科生的創新實踐能力。目前許多高校對創新性人才培養基本選用了以下幾種有效的實踐培養措施：

1.研究型綜合化學實驗課程訓練。對綜合化學實驗項目進行創新設計，課程考慮涉及跨二個或二個以上二級學科知識的綜合和設計研究型實驗。鼓勵學生獨立設計實驗方案進行實驗，包括實驗步驟、所需儀器設備及產物的表征手段等。

當學生完成基礎課程學習后，可根據自己的興趣選定教師給出的綜合性的實驗項目，然后通過查閱文獻、準備試劑與儀器、完成實驗方案設計與操作、進行數據處理和結果總結，最后按照科學論文格式的要求撰寫綜合實驗總結報告。在研究型綜合化學實驗的實施過程中，教師應采取“場外指導”的方式，有意識將學生推到實驗教學的主體位置。學生通過這種實踐鍛煉，既培養了學生發現問題的思路，同時也學會了探索解決問題的方法，而且其積極寫作的心理、科技論文的寫作技巧與寫作能力也得到明顯提高。可以說，研究性綜合化學實驗課程能有效地培養學生的科學意識和創新精神，有利于發展學生的個性和特長，提高學生的綜合實踐能力。

2.創新性實驗計劃項目訓練。大學生創新性實驗計劃可分為國家級、省級、校級等分類資助項目。創新性實驗計劃給了學生一個實踐與科研的機會，學生通過交流組內討論、查閱文獻、調研思考，逐漸學會了如何全面地考慮問題、如何從別人的設計與實驗結果中去提煉精華，使之分析問題和解決問題的能力達到質的飛躍，從而極大提高創新思維與實踐能力。學生在教師指導下參與到教師的科研項目中，大大開闊了學生的視野，知識面被拓寬，在實踐中真正體驗到科學研究的過程，增強了現代實踐的內涵意識。同時在實踐中鍛煉了克服困難的意志，培養了敢于創新的科研精神和嚴謹的科學態度，初步具備了科學研究的本能。

3.實驗技能大賽訓練。通過開展化學實驗技能大賽（比如全國大學生化學實驗競賽），激發大學生崇尚科學、追求真理的主動性，激發他們的學習動力。學生參加化學實驗技能大賽首先必須要通過筆試，在規定選題下查閱資料，自行設計實驗方案，并按規定時間內獨立完成操作，寫出規范的實驗報告。實驗技能大賽使學生將所學的理論知識與實際操作相結合，應用理論知識解決實際操作問題，因此技能大賽既培養了學生實驗過程的設計能力、動手能力，同時也會大大提高了學生的科研能力。

4.實習與社會實踐過程訓練。目前有些高校大學生的實習、社會實踐活動環節安排較少，所以對于大學生的實習、社會實踐應該加大投入。社會實習和社會實踐能使學生更多地接觸了解社會，拓寬知識面，做到理論聯系實際，多方面、多層次地培養實踐能力和科研能力。學生還可以利用假期時間在企業或校外其他實習基地進行生產工藝和技術裝備以及經營管理實踐，從中發現實際過程中的難題。從而對生產工藝、技術開發、產品研發等方面提出自己的想法，達到提高分析問題和解決實際問題的能力，為畢業后更好地勝任工作打下良好的基礎。

二、本科生研究型綜合化學實踐課程的建立

我校化學學院作為高水平研究型學院建設，為提高大學生創新意識和實踐能力，自2000年起化學專業本科生就開始獨立開設“綜合化學實驗”課程，其目的就是要擴大學生的視野，培養學生綜合實驗技能和獨立的科學研究能力以及創新意識。基于上述指導思想，我院對化學專業本科人才培養模式和化學實驗課程也相應進行了較大力度的調整和改革。在人才培養模式方面提出本科生“階梯培養計劃”，并制定相應的學生不同階段課程學習內容和課程體系，整合并加強了學生實踐課程學習。新整合的實驗課程完全打破了原來按照無機化學、有機化學、分析化學、物理化學四大基礎化學課程設立的實驗課和中級專業實驗，重新整合推出六大模塊實驗體系。其中研究型綜合化學實驗是在原來中級化學實驗基礎上通過課程內容與研究成果、生產實際的整合與提升建立起來的。至目前為止可開出實驗項目數30項，實驗時數達到120學時。研究型綜合化學實驗課程教學與相關實驗室管理都隸屬于化學國家實驗教學示范中心。目前課程專兼職教師共21人，課程授課全由教授、副教授和博士學位人員承擔。實驗室大型儀器設備利用“211”工程、“重點學科立項”、“國家理科人才培養基地”、“國家實驗教學示范中心”、“國家人才培養基金能力提高”等建設項目和學校投入的建設經費，為研究型綜合化學實驗課程的開設配置了許多大型的儀器設備。其中有：單晶衍射儀、X射線粉末衍射儀、綜合熱分析儀、氣相色譜儀、高效液相色譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀、毛細管電泳、紫外可見分光光度計、分子熒光光譜儀、激光拉曼光譜儀、原子吸收分光光度計、電化學分析系統、極譜分析儀、圓二色CD光譜儀、核磁共振譜儀、無水無氧系統、高低溫晶體生長設備和激光系統等。現代大型儀器設備由學院實驗中心統一管理，以充分保證儀器設備優先用于實驗教學。這些大型儀器設備投入使用使我校研究型綜合化學實驗課程配置的儀器設備基本上達到國內一流高校實驗教學的水平。

三、研究型綜合化學實驗項目的設置與內容的整合

綜合化學實驗課程的項目全部設置為研究型的綜合化學實驗，目前所開設主要項目有三種類型，具體實驗案例為：

1.研究型綜合實驗。

實例一：ZSM-5分子篩的合成與性能表證。該實驗涉及的步驟主要有：原料液的配制→混合→晶化→晶化產物處理→物相分析與表征（X-射線衍射儀，熱分析儀，紅外光譜儀等）→性質表征（催化性能，吸附性等）。在實驗過程中，主要能使學生對無機化合物的合成與表征等基本研究手段有了總體的認識。

實例二：含有機模板劑的過渡金屬磷酸鹽微孔晶體的合成。選擇鈷、鋅、錳、鈦等過渡金屬，有機胺為模板劑，完成“乙二醇溶劑中合成（H3NCH2CH2NH3）[Zn2（HPO4）3]晶體”、“正丁醇溶劑中合成層狀磷酸鈦（H3NCH2CH2NH2）[TiOPO4]單晶”、“水熱體系中合成磷酸鈷晶體”等。實驗操作要點有設計實驗方案，探索介質酸度、過渡金屬濃度、晶化溫度、晶化時間等因素對合成的影響，進一步要對合成產物進行物相分析（X-射線衍射儀）、組成分析（容量分析，等離子元素分析儀、原子吸收法等儀器方法等）、差熱-熱重分析（熱分析儀）、紅外光譜法（紅外光譜儀，判斷骨架結構特征吸收、模板劑特征基團的吸收）等。

實例三：苯妥英（一種抗痙攣藥物）的合成及表征。該實驗為多步合成，即苯甲醛在輔酶VB1催化下進行安息香縮合生成安息香、硝酸氧化安息香生成二苯基乙二酮、二苯基乙二酮與尿素縮合生成苯妥英（二苯基乙內酰脲）。利用紅外光譜和核磁共振譜辨析產物中的特征有機基團及其環境。通過有機元素分析、產物的物理化學性質鑒定，進一步判定所合成產物是否為目標產物。

學生通過以上綜合化學實驗的設計與訓練，必須掌握各種類型的合成方法，實驗過程的設計，實驗問題的提出與解決辦法，物質的表征與性能的測試，各種現代儀器的使用，實驗結果的歸納總結與整理撰寫。實踐證明：通過課程的學習和訓練，提高、鞏固和加深了學生對基礎理論的理解和基本實踐技能的掌握，為全面培養學生的科學思維和創新意識，提高學生的科學研究能力和科學素養達到預期的效果。

2.開放式創新設計實驗。

實例四：大豆中鈣、鎂、鐵含量的測定。學生通過實驗掌握試樣的粉碎、灼燒處理、提取等，然后采用配合滴定法測定樣品中鈣、鎂的含量，用分光光度法測定鐵的含量。學生也可以根據自己的興趣，設計方案分析蔬菜（菠菜、白菜、青椒）、海產品（海帶、蝦皮）等食用樣品中某些元素的含量。這類實驗貼近生活實際，能夠解決生活中遇到的實際問題，很受學生的歡迎。

實例五：海帶中碘的提取研究。從海帶中提取碘，在很多實驗教材上都有介紹，本實驗的目的在于研究海帶提取碘的方法比較。由學生設計實驗方案，通過提取方法的研究，探討不同提取方法在實驗條件、收率、成本核算、實驗的綠色化設計等方面進行系統評價，培養學生獨立的思維能力和創新研究能力。

在開放性實驗教學環節中，學生可根據自己的興趣選擇實驗項目進行實驗。學生可自由選擇時間和實驗項目，既可以選擇實驗室提供的實驗題目進行實驗，也可自帶實驗題目在實驗室完成實驗。因此，實驗室應為學生提供豐富多彩的創新實驗項目，利用學生感興趣的實驗吸引學生積極投入到開放實驗過程中來，促進學生能力的提升。以及可鼓勵學生獨立設計實驗方案，解決生產、生活中遇到的實際問題，在實驗中將性質表征與現代儀器方法結合起來，如“高效液相色譜-質譜聯用儀對中藥中有效成分的分析”，“高效液相色譜法測定糧食中氨基甲酸酯農藥殘留量”等。

3.科研成果轉化為創新研究實驗。

實例六：香蘭素（即香草醛，3-甲氧基-4-羥基苯甲醛）的合成。香蘭素是一種重要的香料，有多種合成方法。香蘭素的合成是吉林大學已進行技術轉讓并投產的項目，將其設計成學生創新研究實驗，也可以由學生設計實驗方案再進行實驗。根據合成路線不同，涉及的基本操作步驟和提純方法也不同。學生可以利用熔點的測定和儀器方法對產物進行鑒定。

將科研成果轉化為學生綜合創新型實驗項目，既可調動教師科研課題組參與創新實驗項目設計，也可以由學生通過查閱文獻將感興趣的研究成果設計成創新實驗項目，鼓勵學生將具有本校學科科研特色的研究成果設計或移植轉化為創新研究實驗的項目。

許多綜合實驗項目如“乙二醇溶劑中合成（H3NCH2CH2NH3）[Zn2（HPO4）3]晶體”等都是由科研成果轉化而成。通過科研成果的轉化，不僅增加了創新型綜合和設計實驗項目，更重要的是使學生接觸現代化學的研究思路、方法和手段，培養學生獨立研究和創新能力。

四、結束語

我院研究型綜合化學實驗課程已成為本科生創新教育的一個不可缺少的組成部分，課程教學經過十多年的改革不斷得到重視和完善。同時對提高學生創新意識、科研能力的培養將發生重要的作用，為學生日后進入化學專業乃至其他專業科研工作奠定堅實基礎。課程在今后的深化改革中還要進一步加強實驗室建設，發揮實驗室在培養學生專業技能和動手能力方面的巨大作用，有計劃地針對本科生開放實驗室，提升設計性、創新性、開放性等研究型綜合實驗層次；要鼓勵教師重視實踐教學，注重在實驗中培養學生的創新意識和實踐能力，積極指導本科生參與自己的課題研究；要健全學生創新性實踐活動的管理機制，出臺評價、激勵政策，從制度保障、經費支持和政策鼓勵上保證學生的創新性實踐活動的進行；要完善課程建設也必須對課程體系、課程內容、教學隊伍、教學硬件進行不斷的修改、完善和提升，才能使課程教學水平不斷得以提高。只有這樣才會促使更多的學生重視創新性實踐能力的培養，激勵學生參與更多的科研活動。因此我們考慮下一步要將研究型《綜合化學實驗》課程立項為資源課程建設，使課程建設水平更上一個臺階。

總之，要構建一個系統科學的本科生創新性實踐能力早期培養模式，培養本科生的創新意識和創新能力，就必須注重研究型綜合實驗課程建設和教學，只有這樣才能真正有效地激發化學專業學生的科研興趣，培養學生的實踐創新能力，這將有助于為新世紀培養出更多的優秀化學人才。

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