“學(xué)研結(jié)合”型化學(xué)實驗課程的研究與實踐

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)進行了很多有益的探索和改革，以期培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強的專業(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)模式強調(diào)了實驗中思考的重要性，促進了學(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學(xué)生對實驗所涉及的基礎(chǔ)知識的掌握，鼓勵學(xué)生進行批判性思維，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)各高校也積極推進實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)，提出了循序漸進的實驗教學(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、循序漸進地對學(xué)生的各項能力進行培養(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、無機及分析化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗和有機化學(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一步實驗假想。基礎(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)實生活有機結(jié)合起來，進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，重點培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗方案，綜合運用各種基礎(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，加強學(xué)生之間的交流討論，形成良好的團隊協(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)自行選擇的條件進行實驗，然后分析得到的實驗結(jié)果，并結(jié)合理論知識進行解釋。

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)。科研應(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展，與研究生一起學(xué)習(xí)文獻閱讀、文獻檢索，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60余人，這些學(xué)生都普遍表現(xiàn)出較強的科研素養(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。

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、機械性的實驗態(tài)度，提高了就業(yè)競爭力。為了進一步優(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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