立足“基礎(chǔ)實驗”放眼“創(chuàng)新思維”型開放設(shè)計實驗的探索
——有效增強(qiáng)高校本科生實驗創(chuàng)新能力

＊周華偉 尹杰 崔繼春 張憲璽 龔樹考

(1.聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山東 252000 2.聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東 252000）

引言

化學(xué)實驗是一門領(lǐng)域涉及面廣，實驗性、專業(yè)性及應(yīng)用性很強(qiáng)的操作技能，對于學(xué)生掌握化學(xué)的基礎(chǔ)知識、基本技能，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新思維能力起著非常重要的作用。但是剛接觸實驗的本科生往往循規(guī)蹈矩，缺乏適度的靈活性、創(chuàng)新性以及懷疑精神和創(chuàng)新精神。這在一定程度上造成學(xué)生獨(dú)立設(shè)計實驗?zāi)芰Φ娜笔АＪ紫任覀円曰A(chǔ)實驗為根基，牢牢立足于基礎(chǔ)實驗，扎根基礎(chǔ)理論知識，其次以學(xué)生為主體并由教師加以引導(dǎo)為輔，發(fā)散思維進(jìn)行開放設(shè)計實驗，通過查閱文獻(xiàn)、閱讀相關(guān)內(nèi)容來汲取養(yǎng)分，放眼創(chuàng)新思維，向外延伸發(fā)展，從而使學(xué)生的探究能力不斷提高。為此，我們在本科生自主設(shè)計實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)計劃中有意安排了兩次開放設(shè)計實驗，該種開放設(shè)計實驗是在學(xué)生的常規(guī)或綜合性實驗訓(xùn)練的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，學(xué)生可自行確立實驗題目、選擇實驗對象和所需藥品等做出合理的實驗設(shè)計，尋找實驗的創(chuàng)新點。學(xué)生通過自主查閱資料，加深對實驗原理的理解；在設(shè)計實驗步驟時，則要求學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)、創(chuàng)新的態(tài)度。與此同時，老師要做好學(xué)生的思想牽引工作，學(xué)生的思路范圍過大，要進(jìn)行適宜的引導(dǎo)，通過這一過程不但提高了本科生的實驗創(chuàng)新能力，也彌補(bǔ)了課堂基礎(chǔ)實驗的不足之處，使高校本科生的實驗創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。

1.立足“基礎(chǔ)實驗”放眼“創(chuàng)新思維”型開放設(shè)計實驗的實驗課堂實施

我們選用了大學(xué)化學(xué)中“非金屬表面處理技術(shù)”[1]“三草酸合鐵酸鉀的性質(zhì)”[2-5]這兩個基礎(chǔ)實驗作為教學(xué)案例。

(1)案例1——立足“非金屬處理技術(shù)”放眼“創(chuàng)新思維”開放設(shè)計實驗

基礎(chǔ)實驗原理如下：

塑料電鍍：首先化學(xué)鍍→電鍍形成金屬層（具有塑料和金屬的雙層優(yōu)點）。

化學(xué)鍍：脫脂→粗化→敏化→活化→還原→化學(xué)鍍金屬層（如銅）→電鍍（陰極）。脫脂，除去塑料片表面的油污；粗化，使塑料片表面變得粗糙，容易附著物質(zhì)；敏化，在塑料表面吸附一層還原性的二價錫離子；活化，以便在隨后的處理中在塑料表面形成一層具有催化作用的原子；還原，把離子還原為原子吸附在塑料片表面。

開放設(shè)計實驗整個課堂的實施過程如下：

①學(xué)生初次提出的開放設(shè)計實驗

對“非金屬表面處理技術(shù)”實驗成功率低的原因進(jìn)行探究。

A組正常處理，每步處理后都要烘干（仔細(xì)處理）；

B組只在“還原”后烘干；

C組每步都不烘干；

D組加長還原時間到5min，每步都做烘干處理；

E組把“還原”中甲醛：水比例增加到1:18；

F組還原液甲醛：水比例減小到1:1；

H組分別只不烘干“敏化”“活化”后的塑料片。

②實驗教師引導(dǎo)

上述開放設(shè)計實驗的創(chuàng)新性不高，只是對實驗條件細(xì)枝末節(jié)的簡單優(yōu)化，并且實驗設(shè)計步驟過于繁雜，且對比性不強(qiáng)。開放設(shè)計實驗需要的是對非金屬表面處理的擴(kuò)展和延伸，并且挖掘里面的關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題（如圖1）。縱觀整個非金屬表面處理，活化步驟之后金屬銀作為催化劑對下一步化學(xué)鍍銅具有很重要的催化作用。于是引導(dǎo)學(xué)生善于學(xué)以致用，利用在非金屬表面處理基礎(chǔ)實驗中所學(xué)到的脫脂、粗化、敏化等實驗技能，在活化這一步進(jìn)行創(chuàng)新，通過改變塑料表面吸附的金屬催化劑，然后進(jìn)一步在非金屬表面催化出其他功能層。例如可以通過選擇合適的試劑把催化劑鐵、鉑、鈀三種催化劑分別制備到非金屬表面，鐵可以催化碳納米管的形成，Pt可以催化很多反應(yīng)的進(jìn)行，Pd可以在有氫氣的情況下將氧化石墨烯還原為導(dǎo)電性更好的還原氧化石墨烯。這樣就將單一的實驗轉(zhuǎn)化為更高層次科研上的應(yīng)用。

圖1 立足“非金屬處理技術(shù)”放眼“創(chuàng)新思維”開放設(shè)計實驗的思維導(dǎo)圖

③學(xué)生再次改進(jìn)的開放設(shè)計實驗

經(jīng)過初次開放設(shè)計實驗的不成熟方案并結(jié)合實驗教師的引導(dǎo)，每位同學(xué)基本掌握了實驗原理，并預(yù)先、主動的通過查閱文獻(xiàn)和相關(guān)資料，明確了改變塑料表面吸附金屬的實驗過程。

首先，三位同學(xué)作為一個實驗小組。三位同學(xué)通過有意識地改變活化液的成分，獲得不同金屬附著的塑料片。對于選擇附著何種金屬催化劑、附著液的濃度及還原試劑，三位同學(xué)進(jìn)行了討論。在這種分析討論的辯證模式中[6]，既可以對各物質(zhì)影響因素有較深入的認(rèn)識，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增進(jìn)學(xué)生的交流，提高團(tuán)隊意識。

三組實驗現(xiàn)象的差異不免引發(fā)學(xué)生去思考、探索。它們之所以出現(xiàn)差別，實質(zhì)上是由什么引起的呢？這極大地調(diào)動了學(xué)生思考的積極性，開拓了學(xué)生的思維，使得學(xué)生能夠整體地看待問題，辯證地看待問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，增強(qiáng)團(tuán)隊意識，提高合作能力。與此同時，教師對學(xué)生進(jìn)行適度的引導(dǎo)。如何引導(dǎo)應(yīng)該結(jié)合學(xué)生的實際情況。對于層次較高的學(xué)生，點到為止，或者是拋出問題啟發(fā)即可；對層次低一點的學(xué)生則需要多一些的鋪墊，但是也要防止大包大攬，不能出現(xiàn)“導(dǎo)”出過多、過細(xì)的問題。不論教師如何引導(dǎo)，一定要把思維的主體留給學(xué)生。三組學(xué)生進(jìn)行充分討論、分析、總結(jié)。

(2)案例2——立足“三草酸合鐵酸鉀的性質(zhì)”放眼“創(chuàng)新思維”開放設(shè)計實驗

基礎(chǔ)實驗原理：三草酸合鐵（Ⅲ）酸鉀K3[Fe(C2O4)3]·3H2O為亮綠色單斜晶體，易溶于水而難溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑。受熱時，在110℃失去結(jié)晶水，到230℃即分解。該配合物為光敏物質(zhì)，光照下易分解為FeC2O4（如方程式1所示），草酸亞鐵分解生成氧化亞鐵（如方程式2所示）。

開放設(shè)計實驗整個課堂的實施過程如下：

三組學(xué)生進(jìn)行充分討論、分析并查閱資料，得知三草酸合鐵酸鉀易溶于水、見光分解等特點。此時實驗指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生將三草酸合鐵酸鉀作為初始材料合成氧化亞鐵，并將其應(yīng)用于水氧化催化劑。然后學(xué)生進(jìn)一步通過查閱相關(guān)的科研論文和文獻(xiàn)，自主設(shè)計整個制備和測試方案。

首先將鎳網(wǎng)剪成合適大小，再用三草酸合鐵酸鉀的飽和溶液浸泡，浸泡后再對它進(jìn)行光照，使翠綠色的三草酸合鐵酸鉀分解成黃色的草酸亞鐵。光照合適的時間后，用熱吹風(fēng)機(jī)加熱使草酸亞鐵分解生成氧化亞鐵，此時鎳網(wǎng)的顏色稍稍加深。緊接其后，就是對處理好的鎳網(wǎng)進(jìn)行電催化析氧性能的測試，用電化學(xué)工作站中的線性掃描伏安法表征其催化性能，實驗結(jié)果如圖2所示。線性掃描伏安法的測試條件（三電極體系）如下：參比電極為Ag/AgCl（1M KCl），輔助電極為鎳網(wǎng)，工作電極為氧化亞鐵負(fù)載的鎳網(wǎng)（FeO@Ni網(wǎng)），電解液為1mol/L的NaOH溶液，電壓范圍2～0V，掃描速度為0.001V/s。從圖2的測試結(jié)果可以看出，電流密度為10mA·cm-2時，F(xiàn)eO@Ni網(wǎng)的相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位為1.439V，Ni網(wǎng)的相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位為1.541V。故FeO的過電位為0.21V，Ni的過電位為0.31V。過電位越小，電催化性能越好。因此氧化亞鐵負(fù)載后的鎳網(wǎng)表現(xiàn)出較好的析氧催化活性。

圖2 水氧化催化劑的線性掃描伏安：FeO@Ni網(wǎng)，Ni網(wǎng)

2.“創(chuàng)新思維如何從基礎(chǔ)實驗過渡”實驗課堂效果評價

在這次實驗課堂中，學(xué)生由只看課本轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)新的“小科學(xué)家”，激發(fā)了學(xué)生對實驗極大的熱情，他們與老師進(jìn)行熱烈的討論，對未知的知識表示出極大的渴望。通過這次實驗（如圖3），學(xué)生能夠主動發(fā)現(xiàn)問題，然后思考問題，討論問題，并能通過設(shè)計實驗，驗證自己的想法；還能夠通過各大數(shù)據(jù)庫（ACS，RSC，Wiley等）查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，能夠主動發(fā)現(xiàn)實驗中的問題和不同的實驗現(xiàn)象；接觸到了更加精密的儀器；了解了納米材料或者薄膜的各種分析和表征手段（SEM、TEM、XPS、XRD等），學(xué)會使用了一些科研實驗中的專業(yè)軟件。學(xué)生對于掌握了更多的知識而感到自豪，并且在老師的引導(dǎo)下接觸到老師所研究的科研方向，對于老師的科研方向有了一定的了解。立足“基礎(chǔ)實驗”放眼“創(chuàng)新思維”型開放設(shè)計實驗對于以后學(xué)生更高層次地發(fā)展具有啟蒙作用，將學(xué)生引入科研的大門。

圖3 立足“基礎(chǔ)實驗”放眼“創(chuàng)新思維”型開放設(shè)計實驗的效果圖

3.結(jié)語

總的來說，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)對于學(xué)生創(chuàng)新性的培養(yǎng)以及思路的打開具有積極意義，學(xué)生不僅可以獲取到從傳統(tǒng)的課堂中得不到的知識，具有更好的科研能力，對于以后進(jìn)一步的發(fā)展具有指導(dǎo)作用，而且可以樹立自主意識，增加對科研的興趣,在繼承優(yōu)秀科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠辯證的、批判性的看待問題，敢于創(chuàng)新，勇于創(chuàng)新，善于創(chuàng)新，學(xué)會團(tuán)隊合作，優(yōu)勢互補(bǔ)，加速創(chuàng)新。這種立足“基礎(chǔ)實驗”放眼“創(chuàng)新思維”型開放設(shè)計實驗?zāi)Ｊ?可以做到守正創(chuàng)新，推廣到無機(jī)、有機(jī)、分析、物理化學(xué)專論實驗或者化學(xué)綜合實驗，對本科學(xué)生的科研創(chuàng)新能力有著很大的提高。