無機化學實驗培養學生科研能力的探索

李子峰， 劉 絮， 孟祥茹

（鄭州大學化學學院綠色催化中心，鄭州 450001）

0 引言

化學是一門以實驗為基礎的學科。化學實驗課是培養學生動手、獨立思考、發現及解決問題等綜合能力的最有效方法［1-2］。目前，我校針對化學專業的學生開設了無機化學實驗、分析化學實驗、儀器分析實驗、物理化學實驗、有機化學實驗、綜合化學實驗（I）、綜合化學實驗（II）7 門基礎實驗課程。其中，無機化學實驗作為先導課程，是其他6 門實驗課的基礎，目的是訓練、規范學生的基本操作，提升學生的操作技能，培養學生觀察實驗現象的能力，學會正確記錄和分析實驗數據，樹立正確的科學觀、世界觀和方法論［3-5］。但由于我校本科生來自全國各地，高中階段化學學習狀況參差不齊：大部分學生只動手做過為數不多的化學實驗，少部分學生只看過老師做演示實驗，還有一些學生壓根沒接觸過實驗，只能死記硬背實驗現象和結論。總的來看，大部分學生受到的實驗訓練十分有限，基本實驗技能缺失，導致常規的實驗課教學效果很不理想［6-8］，更談不上對科研能力的訓練。

2020 年，我校確立了從教學型向綜合科研型大學轉變的辦學定位。最近，化學學科入選教育部基礎學科拔尖學生培養計劃2.0 基地，對本科生的培養提出了提高科研能力的新要求。為了適應新時代本科生培養要求，我們學院會安排學生在大二的第一學期，根據個人興趣，以“導師制”或者“大學生創新創業訓練項目”等形式，提前進入教師科研團隊開展科研訓練。再考慮到我院大部分本科生畢業后走上了“讀研”道路或者其他科研崗位。凡此種種，都對本科生的科研能力提出了新要求。如何通過實驗課教學尤其是從無機化學實驗課教學開始，除了使學生掌握基本的實驗技能，還能使學生盡快地熟悉基本的科研流程，培養良好的科研習慣，使學生盡早進入科研狀態顯得十分迫切和重要。鑒于此，我們希望通過對無機化學實驗課的改進和優化，來達到上述培養目的。

本文探討如何在傳統的“基本操作+預習報告+實驗操作與實驗記錄+實驗報告”的實驗教學環節中附加學生科研能力培養元素，訓練和培養學生的科研能力。

1 采用“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學模式，訓練學生的基本操作

化學科學研究植根于實驗，因此，扎實的實驗操作功底尤為重要［9-10］。無機化學實驗課作為大學生入學后第一門實驗課，首要使命是訓練、規范學生的基本操作和提高實驗技能［11-12］。但是，受實驗課時的制約，該培養目標的完成受到了限制。近年來，結合網絡時代的到來，尤其是受到小視頻受到年輕人追捧的啟發，我們將無機化學實驗所涉及的基本操作全部拍成了小視頻，放置于實驗中心網站供學生自主下載或提前一周把相關基本操作的短視頻通過網絡發給學生，寓教于樂，達到提前預習的目的，建立了“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學模式，提高了實驗課的教學效率以及學習效果。例如，硫酸亞鐵銨的制備實驗前，就把固體試劑的取用、傾析法洗滌、液體試劑的取用、水浴加熱方法、蒸發濃縮、結晶、常壓過濾、減壓過濾、目視比色等一系列基本操作的短視頻發布到實驗中心平臺。學生在觀看了這些短視頻之后，就會直觀地了解這些基本操作，激發動手實驗的興趣，使學生真正實現了按需學習，培養了學習的主動性。另外，學生還可以登錄我院的虛擬仿真實驗平臺，完成一些虛擬仿真實驗。實踐證明，這種依托于“互聯網+”的教學模式極大地豐富了實驗課教學的手段和內容，拓寬了授課渠道，延伸了實驗課教學的時間與空間，激發了學生的學習興趣，為實際操作奠定了基礎，節省了課堂教學的時間，大大提升了實驗課的教學效果。

2 以設計實驗方案的模式撰寫預習報告

撰寫“預習報告”是實驗教學的一個重要環節，可以鍛煉學生的實驗設計能力，提升學生自主學習的能力，是學生順利安全完成實驗的前提與保障［13-15］。

傳統的預習報告主要包括實驗名稱、實驗目的、主要儀器和試劑、實驗原理、實驗步驟和注意事項等。由于和實驗教材基本一致，導致學生大多照抄照搬教材，敷衍了事。為了培養學生的科研能力，嘗試讓學生把每次實驗課當成一個小的科研課題，把預習報告當作實驗設計方案來寫。教師根據教學計劃，提前告知學生實驗課的題目和目的，提出需要解決的問題，引導學生帶著問題查閱文獻資料并設計出合理的實驗方案，然后師生共同探討設計方案是否可行，最后進行實踐操作。以硫酸亞鐵銨的制備為例，事先提出如表1 所示的一系列問題，給學生思考。

表1 硫酸亞鐵銨制備實驗中的常見問題

要搞清楚表1 中的這些問題，學生就必須線下、線上廣泛查閱文獻。開始時可以讓學生先查閱中文文獻，再慢慢適應查閱外文文獻，逐步熟悉與化學相關的各類文獻資源，培養文獻查閱能力，為今后的科研選題做準備。學生通過查閱文獻，對整個實驗項目了然于胸后，開始設計撰寫預習報告。實驗步驟就是在理解實驗原理的基礎上，精心設計的實驗方案，要做到具體、詳實。如表2 所示，實驗步驟與實驗現象要一一對應，在充分預習的基礎上，寫出每一步操作過程，包括何時準備水浴、何時加熱漏斗、何時制備無氧水等。在右欄要預留足夠的空間，記錄實驗現象和數據以及每步實驗所消耗的時間。

表2 操作步驟與記錄表

3 規范實驗操作，引導學生正確觀察和如實記錄實驗現象和數據

“授人以魚不如授人以漁”，為了培養學生的動手能力，避免一些有依賴性的學生旁觀實驗，一律實行單人單組，獨立操作。盡管學生通過預習、觀看基本操作小視頻以及虛擬仿真訓練對即將進行的實驗操作有所了解，但由于基礎薄弱，實驗操作難免“慌腔走板”。在實驗過程中，教師要及時糾正學生的不規范操作。作為從事科研工作的必備要求，正確觀察實驗現象和如實記錄實驗數據非常重要，教師要督促學生及時、如實地記錄實驗現象和數據。實驗結束時，教師要仔細檢查學生的實驗記錄，發現記錄有誤必須重做，培養基本的科學素養。此外，對于學生在實驗過程中出現的異常情況，教師要引導學生查找原因，盡可能讓學生自己解決問題。以氯化鈉的提純實驗為例，有學生會遇到已經加過混合堿且經檢驗Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子已經除凈，但是過濾之后得到的濾液并不澄清的現象。此時，可以從為什么需要在溶液沸騰的情況下滴加沉淀劑，為什么在Ca2+、Mg2+、Ba2+除凈后需要煮沸幾分鐘再過濾等，來引導學生分析濾液渾濁的原因。使學生領悟到采取以上措施是為了防止膠體的生成，濾液之所以渾濁可能是操作失誤造成的，隨即把濾液加熱煮沸幾分鐘后再次過濾，這次得到了清澈的濾液。另外，課堂教學中，還發現一部分同學不知道怎么記錄實驗現象和數據，就及時提醒大家。

總之，由于預習到位、實驗方案設計合理，學生都能在規定的時間內完成實驗內容。隨著時間推移，實驗技能穩步提高。半學期之后，大多數學生都獲得了良好的實驗技能并養成了良好的實驗習慣，培養了分析問題、解決問題的基本能力，同時還培養了如何觀察實驗現象、正確記錄實驗現象的能力。

4 提交科研論文式實驗報告，提高學生的綜合素質和科研能力

撰寫實驗報告也是一個很重要的培養環節。通過實驗報告的書寫，可以使學生回顧整個實驗過程。為了解釋實驗現象，學生需要再次查閱相關的文獻、了解實驗背景和研究現狀、明確實驗目的和意義。書寫實驗報告還可以培養學生嚴謹的科學態度，提升學生分析問題和解決問題的能力，有助于學生將理論知識和實驗實踐緊密聯系起來，也有助于提高學生的邏輯推理歸納能力、綜合分析能力、文字表達能力，為今后撰寫科研論文或者畢業論文奠定基礎［16-17］。

常規的教育模式下，學生都會拿到一本具有固定格式的實驗報告冊，其中列出了每個實驗需要填寫的內容，包括：實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗結果、問題與討論等幾個部分。實驗完畢之后學生按照預設的實驗報告模板進行填寫，基本上是照抄老師的課件或者實驗講義，然后填上自己的實驗結果，而問題與討論部分也只是簡單回答一下實驗講義中相應實驗后面的思考題，實驗報告的書寫流于形式，缺乏理性的分析和思考，導致學生對實驗內容的印象不深，教學效果欠佳。

這啟發我們，必須規范實驗報告的撰寫形式，才能達到培養科研能力的目的。因此，無機化學實驗課要求學生按照科技期刊論文常見的格式書寫實驗報告。內容包括論文題目、作者、摘要、關鍵詞、前言（緒論）、實驗部分（包括儀器、試劑、具體的實驗步驟）、結果與討論、結論和參考文獻。一開始，先利用課余時間開辟第二課堂，給學生介紹科技論文的寫作方法、寫作要點以及注意事項。再給學生推薦一些已經發表的相關實驗論文以及往屆學生的科研論文式實驗報告樣板供學生參考。隨后，引導學生自主撰寫實驗報告。教師從提交的實驗報告中，發現問題，分類指導，加以改進。如從摘要中可以看出學生缺乏對整個實驗方法、實驗現象、實驗結果的總結概括能力。從前言部分可以看出學生的文獻調研不夠充分，對實驗的歷史背景與研究現狀把握不夠全面，缺乏提出問題、分析問題、解決問題的能力。結果討論部分缺乏對實驗結果、實驗現象的分析，特別是缺乏對實驗過程中出現的異常情況的分析。針對以上不足進行逐一進行講解，使學生逐漸掌握論文式實驗報告的寫作方法。半學期之后，大多數學生都能交出合格的科研論文式實驗報告。

從實踐的結果來看，經過一年的訓練，大二本科生在進入科研實驗室的時候，能夠很快適應實驗室的科研工作，大創實驗的總結報告以及畢業論文的寫作水平也普遍有所提高。

5 結語

使化學專業的學生盡快熟悉科研過程并培養良好的科研習慣，縮短從基礎實驗室到科研實驗室的過渡期，是從事無機化學實驗教學教師義不容辭的責任。從第一節無機化學實驗課開始，就采用“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學模式，引導學生把每一次的實驗課當作一個小的科研課題來完成，并在整個實驗教學實踐中不斷總結和改進。實踐證明這樣的教學模式使學生的科研能力得到了扎扎實實的訓練和提高，為今后的科研活動奠定了良好的基礎。