自主式教學模式在物理化學創(chuàng)新性實驗教學中的探索

訾學紅， 陳永寶， 張紅光， 劉淑珍， 王小逸

(北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院基礎化學實驗中心，北京100124)

0 引言

在大學教育改革日益深化的形勢下，化學課程改革也取得了很大的發(fā)展［1］。其中，物理化學是化工類各專業(yè)課中理論性很強的一門基礎課程，其通過物理學的方法、手段的運用，研究化學物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、性能及相互轉(zhuǎn)化。對于這樣一門理論性和技術性很強的課程的學習，應學會科學的分析處理數(shù)據(jù)，更重要的是要培養(yǎng)和提高分析問題和解決問題的能力［2-4］。物理化學實驗是課堂教學的延伸，是課堂教學的有力補充，是學生實踐能力、科研能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)［5-7］，也在由傳統(tǒng)的單一模式朝學科內(nèi)外的交叉和融合中轉(zhuǎn)變。

在當前科技水平迅猛發(fā)展的21世紀，要求大學培養(yǎng)知識型、復合型、創(chuàng)新型人才，物理化學創(chuàng)新性實驗是物理化學基礎實驗的綜合與提高，依據(jù)國家教委拓寬專業(yè)面、增強適應性、提高學生綜合能力的精神，加大綜合性、設計性、研究性實驗的比例［8-10］，在創(chuàng)新型實驗教學的設計和實施過程中，堅持以學生興趣為出發(fā)點，培養(yǎng)學生的實驗設計能力和創(chuàng)新實踐能力［11］，在設計開發(fā)和實踐創(chuàng)新性實驗項目的基礎上，嘗試建立一種以學生為主導、師生互動的實驗教學模式和相應的科學考核方法，推進物理化學實驗教學改革，提高實驗教學質(zhì)量和水平。因此我們在總結(jié)實驗教學中經(jīng)驗基礎上，結(jié)合本校實驗條件，對自主式物理化學創(chuàng)新性實驗教學進行探索和實踐。

1 物理化學實驗教學中存在的問題

實驗教學作為高等學校教學工作的重要組成部分，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，全面提高學生綜合素質(zhì)等方面有著非常重要的作用。很多高校為了培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力，在教學內(nèi)容、教學理念、教學方法和手段等方面做了很多改革措施，在課程設置方面更加注重對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在教學理念方面，致力于改變注入式的教學方式，調(diào)動學生的主動性和培養(yǎng)善于鉆研的精神。鼓勵開設技術創(chuàng)新實踐課程，培養(yǎng)學生的思考問題、綜合分析問題能力和創(chuàng)新能力。注重加強實踐教學環(huán)節(jié)，如開放實驗室、創(chuàng)辦實踐教學基地以及開展實習與聯(lián)合辦學基地建設等來促進學生的實踐教學活動，提高學生的動手能力和實際工作能力。近年來，我校為進一步拓寬學生知識面、完善學生知識結(jié)構(gòu)、加強學生素質(zhì)教育和個性化培養(yǎng)開設了大量實驗和實踐課程，如物理化學實驗教學已嘗試開設了1個綜合實驗和1個設計實驗，受到了學生的好評。但是總體來說，物理化學實驗教學內(nèi)容基本上還是對課堂理論知識的補充和驗證，實驗講義將實驗目的、原理和操作步驟等都做了詳盡的說明，實驗課上教師還會對實驗中的難點和注意事項做反復的強調(diào)，學生只要按照講義和教師的要求照做就可以順利完成實驗［12］，而實驗教學考核主要是以對實驗結(jié)果的描述為主的書面材料，如實驗報告進行評價考核，學生完成后就可以獲得相應的學分，這種程式化的、被動式的教學方式難以積極的調(diào)動學生參與實驗的主動性，缺乏對學生獨立操作和獨立思考的培養(yǎng)，更談不上對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了改變這種現(xiàn)狀，根據(jù)選課學生的實際情況制定一個科學的、系統(tǒng)的本科教學且同時兼顧科研要求的實踐教學模式，是一個當務之急的問題［13-14］。

2 實踐教學模式的開發(fā)和實踐

2.1 設計開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目——書本之內(nèi)，課堂之外

物理化學創(chuàng)新性實驗可有效的補充課堂教學內(nèi)容，是學生學習、理解、消化和驗證物理化學原理的必要認知手段，是進行綜合性、研究型實驗的前提。在實驗內(nèi)容的設置上，針對不同專業(yè)特點制定相應的實驗內(nèi)容。學生在選擇實驗題目時，引導學生根據(jù)自身專業(yè)特點，充分發(fā)揮他們的主動性和能動性，教師不明確確定某一實驗內(nèi)容，僅提供幾個備選方案，同時著重考慮兩個方面:一是從生活問題著手，并可在物理化學教材中找到實驗原理，學生可以通過教材、圖書館、網(wǎng)絡等多種渠道找到相關材料;例如，開設了墨水、豆?jié){和氫氧化鐵等膠體特性的研究、食品熱量的測定、食用醋種類的鑒別、液體沸騰現(xiàn)象的研究以及洗衣粉去污能力的實驗分析等小課題，這些課題使同學們了解了目前市場上所售幾種食用醋營養(yǎng)成分的區(qū)別及其各自的優(yōu)缺點，例如，經(jīng)過實驗測知釀造醋比配置醋更有食用價值，也了解了如何測定米飯、饅頭和面包等的熱量，還了解了我們使用的不同品牌洗衣粉和不同濃度洗衣粉的去污能力，這樣以后他們在生活中就可以知道如何根據(jù)需要來選擇食用醋、食物和洗衣粉等，縮短了日常生活與物理化學的距離。二是從科研課題出發(fā)，通過實驗可以解決生活中某一現(xiàn)象或者學生感興趣的某個問題，比如可以從關注當前的環(huán)境保護、節(jié)能減排、污染防治等熱點話題入手，結(jié)合實驗室條件等確定試驗小課題，例如，我們開設了活性物質(zhì)吸附性能的評價、用溶液還原法制備Rh納米粒子、雙金屬Rh-Au/γ-Al2O3催化劑的制備及三效催化活性的研究等課題。這些課題使同學們了解了目前汽車尾氣的治理方案，并對三效催化劑有了基本的認識，例如，由不同比例的金(Au)和銠(Rh)作為活性組分制備的三效催化劑，在不降低催化活性的基礎上，加入成本相對較低的Au降低貴金屬Rh的用量，從而在保證活性的前提下來降低成本。通過這些小課題的設置，一方面可以使學生學到的理論知識轉(zhuǎn)化為解決生活問題，另一方面也可以使學生有機會了解本學科的前沿，這對于他們體會創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力提供了可能的途徑。

2.2 實驗教學模式——學生主體，師生互動

在實驗方案選擇和制定階段，學生根據(jù)自己的興趣點入手，開展研究項目的選擇。在選取實驗方向基礎上，組內(nèi)學生需要分工協(xié)作，在一定時間內(nèi)，通過自主查詢資料、參閱相關資料，并對文獻資料進行分析歸納，開展小組討論提出一個完整的實驗思路，在這個過程中培養(yǎng)學生的自學能力和綜合分析能力。然后開展師生間的討論，就實驗中可能出現(xiàn)的問題等與教師溝通，提出實驗所需的各項條件，并對實驗中可能出現(xiàn)的問題進行分析和判定解決方案。在實驗實施過程階段，要求學生自己完成實驗材料的準備、實驗用儀器的校準和測試，也可讓學生自己動手設計實驗裝置，培養(yǎng)鍛煉學生的獨立思考能力和勤于、勇于動手的能力，充分調(diào)動學生思維和想象力，將實驗現(xiàn)象同理論知識及疑惑或興趣點結(jié)合起來，促進其積極思考。由學生自己完成實驗的準備工作，打破了傳統(tǒng)教學模式中學生來上課即開始做實驗，做完實驗轉(zhuǎn)身就走的局面，另外這個過程也充分的加強了師生間的溝通，同時也鍛煉了學生對于實驗過程中對于突發(fā)問題的處理能力，而這些都是傳統(tǒng)實驗模式所不能給予的。在實驗完成后的總結(jié)階段，讓學生獨立對實驗過程進行總結(jié)與思考，找到其中的關鍵點，總結(jié)是否解決了之前的疑惑，興趣是否在此過程中得以滿足。在整個實施過程中，學生從最初的準備實驗，到實施實驗，到總結(jié)實驗，這種三步式逐步遞進的過程更好的鍛煉了學生的創(chuàng)新能力。

2.3 實驗項目的開展和實踐——自主學習、綜合鍛煉

整個實驗課題在課余時間進行，包含實驗方案的選取與確定、實驗開展，到實驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)總結(jié)處理等，學生根據(jù)自身情況，協(xié)調(diào)相互間的工作。在實驗教學方式上，注意培養(yǎng)學生查閱資料、綜合解決日常生活和科研實際問題的能力，例如通過食品熱量的測定這個課題，學生可以了解我們?nèi)粘Ｉ钪谐３缘拿罪埡宛z頭、面包等所含的熱量如何測定，另外，當代大學生可以很方便的使用電腦等工具，他們在實驗數(shù)據(jù)處理過程中可以通過學習很快掌握公式計算、以及各種數(shù)據(jù)作圖軟件，如Excel和Origin等，例如在食品熱量的測定實驗中，學生可以通過雷諾圖的校正這部分實驗數(shù)據(jù)的處理掌握Excel軟件的應用，另外在活性物質(zhì)吸附性能的評價、雙金屬Rh-Au/γ-Al2O3催化劑的制備及三效催化活性的研究等這些實驗中，通過對催化劑活性的測定使學生掌握Excel和Origin作圖軟件并在實驗總結(jié)中予以應用。通過這樣的鍛煉，可以有效的激發(fā)學生興趣，提高學生做實驗的積極性和主動性，培養(yǎng)他們的進取心、創(chuàng)造力以及綜合素質(zhì)，如文獻調(diào)研能力、軟件使用能力、分析問題和解決問題的能力。例如，完成雙金屬Rh-Au/γ-Al2O3催化劑的制備及三效催化活性的研究這個課題的同學在文獻調(diào)研基礎上了解到Ce-Zr固溶體具有良好的儲放氧能力，因此提出是否可部分替代Al2O3載體，從而獲得更好的三效催化活性?經(jīng)過實驗驗證，此方法可行。

2.4 實驗項目的效果——教學相長，樂在其中

該模式營造一種教師與學生一起創(chuàng)設“樂于探究，勤于思考”的學習情景，教師要引導學生開展實驗活動，引導學生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、并采取手段去解決問題［15］，注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，開發(fā)他們的創(chuàng)新思維能力，給學生提供一個從想象到創(chuàng)造的空間以及施展創(chuàng)新能力的平臺。通過以上教學模式的鍛煉，可以有效的激發(fā)學生的興趣，提高其學習的主動性和積極性。在整個實驗過程中，學生不再停留在只是重復別人的實驗過程，而是其實現(xiàn)自我價值的過程。同時在實驗開展過程中，教師也需要在實驗中與學生討論，共同分析實驗中遇見的問題，因為課題是開放的，學生遇到的問題不是常規(guī)教學實驗遇到的，所以要求教師需具有廣泛的理論知識，豐富的實踐經(jīng)驗、較強的動手能力和交流合作的精神［16］，這就需要教師不斷的提高自身素質(zhì)和修養(yǎng)，從而促進教師的發(fā)展，有利于教師教學質(zhì)量的提高。

3 考核方法的建立

創(chuàng)新性物理化學實驗項目考核評價主要分為如下4個部分:①在項目實施前，要求學生上交一份關于自己所選實驗項目整體設計的報告，指導教師會給出相應的成績，此部分考核學生的整體實驗設計思維;②在項目實施過程中指導教師會全程跟蹤學生的具體實驗情況，并對實驗過程做出評價，并給出相應的成績，此部分考核學生對實驗的整體把握，實驗過程的應變能力和學生的分工協(xié)作能力;③實驗完成后，每位學生要寫一篇關于整個項目的總結(jié)報告，指導教師給出相應的成績，此部分考核學生的總結(jié)歸納能力，尤其反思和探究能力;④最后要求學生做PPT，并現(xiàn)場答辯，教師和參與整個項目的同學都分別對答辯情況給出自己的分數(shù)，此部分考核學生的表達能力、綜合能力以及學生對現(xiàn)場提問的思辨能力。綜合上述成績作為整個實驗項目的考核成績。而上述考核成績只是硬性考核成績，而從學生的長遠發(fā)展來看，一些軟性考核結(jié)果也會有所顯現(xiàn)。經(jīng)過近兩年對兩屆60名學生的實踐，一些參與過這種教學模式的學生已經(jīng)有兩位同學評為我校的科技之星，有4位同學參加了我校的北工大杰出學子計劃，有六位同學參加了北京市大學生化學實驗競賽，另外還有兩位同學被保送為我校的研究生。

4 結(jié)語

在師生雙方的共同努力下，物理化學創(chuàng)新性實驗取得了良好的效果，對于師生都學有所得。在項目實施過程以及項目考核過程中，實現(xiàn)了一種自主開放式的實驗教學模式，加強了學生對理論與應用的認識，充分調(diào)動了學生的學習積極性和主動性，培養(yǎng)了學生的實踐動手能力、協(xié)同合作能力、分析問題和解決問題等全方位綜合能力，使學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到了很好的提升。真正做到學生在整個實踐教學環(huán)節(jié)中獲得各方面綜合能力的提高。作為教師，要隨時面對學生提出的非常規(guī)問題，所以需要不斷提高自己的業(yè)務水平，提升自己可持續(xù)發(fā)展的能力，當然在項目實施過程中，需要很多的經(jīng)費投入，這對于教師也是一種壓力，所以需要加大實踐教學經(jīng)費的投入力度，不斷完善實踐教學體系，為學生提供更好的科技創(chuàng)新平臺。

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