分層次、跨學(xué)科開放實驗教學(xué)實踐

王曉崗， 趙 超， 許新華， 樊雅娟

(同濟大學(xué)化學(xué)系，上海 200092)

0 引言

作為部屬“985”高校，同濟大學(xué)具有兩大辦學(xué)特色，一是國際化辦學(xué)，二是實踐教學(xué)。在人才培養(yǎng)過程中，同濟大學(xué)在實踐教學(xué)上形成了諸多有自身特點的東西[1-5]，開放實驗教學(xué)就是其中之一，化學(xué)系則是同濟較早開展此項工作的單位[6]。近年來，圍繞學(xué)校的整體辦學(xué)思路，結(jié)合院系的具體情況，化學(xué)系提出了“分層次、跨學(xué)科開放實驗教學(xué)”模式，經(jīng)過數(shù)年的教學(xué)實踐，該模式獲得了專家和同學(xué)的認可，并在教學(xué)中取得了良好效果。

1 開放實驗教學(xué)的理念及內(nèi)涵

開放實驗教學(xué)指由教師或?qū)W生提出實驗?zāi)繕嘶騽?chuàng)設(shè)問題情景，學(xué)生經(jīng)自主性學(xué)習(xí)研究、自行設(shè)計實驗方案并獨立完成實驗的一種教學(xué)方式[7-8]。傳統(tǒng)觀點認為課堂教學(xué)是實驗教學(xué)的主體，開放式教學(xué)是課堂教學(xué)的補充和拓展，兩者是一種主次關(guān)系、從屬關(guān)系。但仔細分析推敲，“課堂實驗教學(xué)”和“開放實驗教學(xué)”的主要差異在于教學(xué)理念和方式的不同，前者突出老師的“教”和老師的引導(dǎo)作用;后者則是一種開放式教育，提倡以“學(xué)生為主體”的“自主性學(xué)習(xí)”，通常以問題為主線展開自由探討，在對問題的層層剖析中，達到傳授知識的目的。因此，在現(xiàn)代教學(xué)體系中，“課堂實驗教學(xué)”和“開放實驗教學(xué)”均不可或缺，它們是相輔相成、相互促進的平等關(guān)系?！罢n堂實驗教學(xué)”的教學(xué)體系已非常成熟，而“開放實驗教學(xué)”尚缺乏系統(tǒng)研究，比如教學(xué)的內(nèi)容和常規(guī)教學(xué)有什么區(qū)別，開放方式有哪幾種，教學(xué)效果如何評判，怎樣進行教學(xué)的過程管理、質(zhì)量監(jiān)控等，這些都有待進一步探討和總結(jié)。

“分層次、跨學(xué)科開放”是我們在此背景下提出的一種新的開放實驗教學(xué)方式。這里說的“分層次”，指開放實驗的教學(xué)內(nèi)容豐富多彩、多種多樣，有研究性、綜合性，也有基礎(chǔ)性、驗證性、演示性等，具有不同的層次，教學(xué)中應(yīng)針對不同的對象，選擇合適的教學(xué)內(nèi)容;“跨學(xué)科”指教學(xué)不單單集中在本專業(yè)、本學(xué)科，而是要延伸和拓展，形成跨學(xué)科、跨院系的開放實驗教學(xué)。

2 分層次、跨學(xué)科開放實驗教學(xué)的實施

2.1 實驗內(nèi)容的開發(fā)

就教學(xué)內(nèi)容而言，開放實驗和課堂實驗是有差別的。常規(guī)教學(xué)所用教材比較規(guī)范，尤其是實驗步驟描述得非常詳細，學(xué)生按書本要求亦步亦趨進行操作，盡量不要出差錯，在規(guī)定學(xué)時內(nèi)完成指定內(nèi)容并獲得成功是取得好成績的重要因素。而開放實驗則不然，注重過程而淡化結(jié)果，教材提綱挈領(lǐng)，沒有實驗細節(jié)的條條杠杠，留有足夠的空間讓學(xué)生自由發(fā)揮，實驗也不強求一定成功，允許失敗，實驗?zāi)康闹荚诩ぐl(fā)學(xué)生研究興趣、培養(yǎng)自主性學(xué)習(xí)能力[9]?；谝陨峡紤]，我們將開放實驗教學(xué)內(nèi)容歸納為三大類:

(1)基礎(chǔ)驗證性實驗。這類實驗以傳統(tǒng)實驗項目為主，但作為開放式教學(xué)時則增加了難度，一是教材僅給出實驗提綱和儀器使用說明，不提供詳盡的操作步驟;二是改變原教材中的部分實驗內(nèi)容，比如試劑、儀器、實驗方法等。以“凝固點降低法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量”實驗為例，這是個經(jīng)典的物化實驗。傳統(tǒng)教學(xué)中以環(huán)己烷為溶劑來測定萘的摩爾質(zhì)量[10]，我們對該實驗裝置進行了改進，在冷卻系統(tǒng)上連接一個低溫恒溫槽，使循環(huán)冷卻劑直接進入空氣夾套中，大幅度提高熱交換效率，改進后的裝置可以測定凝固點更低的系統(tǒng)，我們由此開發(fā)了水-尿素、水-蔗糖等體系[11]，并將它們用于開放實驗教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

(2)大型儀器的講座、觀摩和操作。首先開設(shè)大型儀器相關(guān)方面的講座，重點講解實驗技術(shù)所依賴的物理學(xué)原理以及根據(jù)這些原理所進行的巧妙的實驗儀器設(shè)計，學(xué)生經(jīng)講座培訓(xùn)及觀摩后再參與開放實驗。目前，我系大型儀器類的開放實驗項目累積有20多個。其中，色譜類有“手動頂空-GC-MS檢測方便面包裝袋中的有機揮發(fā)物”、“頂空進樣GC-FID/MS檢測花瓣中的香氣成分”、“HPLC測定多種可樂中的咖啡因含量”等;光譜類有“積分球漫反射光譜儀檢測A4紙張”、“大米中是否含有熒光物質(zhì)”、“不同pH條件下苯乙酰胺的紫外光譜分析”、“紅外光譜法測定銀鍍膜及氣凝膠成分”等;表征類有“神奇的碳納米管”、“SnO2納米粒子的合成及形貌表征”等。這些實驗素材貼近生活實際，集知識性和趣味性為一體，讓同學(xué)輕松快樂地學(xué)習(xí)儀器的操作。

(3)探究型開放實驗。實驗帶有研究性質(zhì)，課題由教師提出或?qū)W生自選，學(xué)生以小組形式參與實驗。一個較為成功的例子是三元相圖實驗。國內(nèi)教材中三元相圖的研究體系主要有苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、環(huán)己烷-乙醇-水等，這類體系用于本科教學(xué)存在試劑毒性大、分析過程繁瑣等弊端(采用氣相色譜分析含量)。為此，我們設(shè)計了“正戊醇-乙酸-水”、“己烷-乙酸-水”、“乙醇-乙酸-水”3個新體系作為開放實驗課題交由同學(xué)進行探索，經(jīng)一個多學(xué)期的實驗，同學(xué)最終采用濁點滴定法獲得了完整的“正戊醇-乙酸-水”三元相圖[12]，而后兩個體系因溶解度及酯化反應(yīng)問題未取得成功。由于“正戊醇-乙酸-水”體系所用試劑無污染，實驗方法簡便、直觀，經(jīng)數(shù)輪開放實驗教學(xué)的完善，目前已作為新的實驗項目納入到實驗教學(xué)大綱中。

2.2 實驗教學(xué)方式

教學(xué)中遵循“學(xué)科交叉、分層教育”原則。其中，第一類實驗(基礎(chǔ)驗證性)對參與常規(guī)化學(xué)實驗課程的全體同學(xué)開放，由此來磨練學(xué)生的基本實驗技能，提高自主實驗意識;第二類實驗則面向化學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的同學(xué)，通過大型儀器的培訓(xùn)，使同學(xué)了解并熟悉現(xiàn)代測量技術(shù)及表征手段，拓寬科學(xué)視野;在此基礎(chǔ)上，我們對學(xué)有余力、有參與科學(xué)研究熱情的部分同學(xué)開放第三類實驗，以進一步提高實驗水平。在教學(xué)中，我們非常注重學(xué)科的交叉滲透，開放的范圍不單局限在化學(xué)專業(yè)，還延伸覆蓋了材料、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、生物、土木、機械、海洋、物理等院系，甚至文科專業(yè)的同學(xué)也被吸引參加(采用趣味實驗)，這種人人參與、分層提高的教學(xué)方式，符合從廣而博到少而精的教育規(guī)律。

在具體實施上，包括教學(xué)硬件和教學(xué)軟件的開放，主要有如下幾種開放方式:

(1)常規(guī)開放。將開放實驗教學(xué)融入到常態(tài)實驗教學(xué)中。比如物化、分析、化工實驗課程因儀器復(fù)套數(shù)所限，教學(xué)中常采用循環(huán)輪轉(zhuǎn)制，我們就合理安排輪空的同學(xué)進行第一類實驗的開放式教學(xué)。這時，同一間實驗室里既有做規(guī)定實驗的，又有做自主性實驗的，實驗教學(xué)氣氛相當(dāng)活躍。

(2)周末開放。針對大型儀器的開放。大型儀器在學(xué)校內(nèi)屬稀缺資源，通常承擔(dān)有繁重的科研任務(wù)，我們就利用周末或節(jié)假日安排第二類開放實驗的教學(xué)。這種做法不會影響實驗中心的正常工作秩序，反而提高了儀器的使用率。更重要的是，同學(xué)由此獲得了更多的操作儀器的機會，有不少同學(xué)還通過開放實驗學(xué)習(xí)拿到了大型儀器的“上崗證”。

(3)短期開放。圍繞“學(xué)科競賽”及“化學(xué)嘉年華”活動進行的臨時開放。同濟每年都組織校內(nèi)化學(xué)實驗競賽，選拔優(yōu)秀選手代表學(xué)校參加上海市大學(xué)生化學(xué)實驗競賽，競賽前1周各實驗室對同學(xué)全面開放，并配以老師給予指導(dǎo)和答疑?！盎瘜W(xué)周”、“化學(xué)嘉年華”則是面向全校的化學(xué)知識普及宣傳活動，通過開放實驗室，展示各種趣味性化學(xué)實驗，吸引非化學(xué)專業(yè)的同學(xué)走進化學(xué)、了解化學(xué)并學(xué)習(xí)化學(xué)，目前，該項活動已連續(xù)辦了七屆，成了同濟大學(xué)的科普品牌。

(4)長期開放。確立課題之后，同學(xué)自愿組成研究小組，查閱資料、設(shè)計方案并完成實驗，實驗教學(xué)中心對這部分同學(xué)實施長期開放。

教學(xué)軟件指教學(xué)資料，軟件的開放通過在實驗中心網(wǎng)站上建立一個BBS交流平臺來實施(http://chemcenter.#edu.cn/BBS/index.aspx)，該平臺具有三大功能:① 資料儲存。將實驗講義、大型儀器使用軟件、教學(xué)視頻、題庫等上傳到BBS上，對于一些尚不能開出的實驗項目，以虛擬實驗的形式展示。學(xué)生可隨時進入論壇查閱資料，進行自主性學(xué)習(xí);② 答疑解惑。教師擔(dān)任版主，引導(dǎo)學(xué)生就各類問題展開交流探討，如實驗方案設(shè)計、實驗的總結(jié)、原理的拓展應(yīng)用、進一步實驗的設(shè)想和建議等，通過交流，學(xué)生不但熟悉了儀器操作，鞏固了理論基礎(chǔ)知識，部分同學(xué)甚至還能舉一反三，產(chǎn)生新的思路和想法，進而實施更深層次的實驗探索;③管理功能。用于發(fā)布教學(xué)信息、協(xié)調(diào)開放實驗人員安排、登記儀器的使用情況、收集學(xué)生的實驗報告及統(tǒng)計教學(xué)工作量等。由于網(wǎng)絡(luò)交流平臺不受時間、地點的限制，因而深受同學(xué)歡迎，成為實施開放實驗教學(xué)的有效途徑之一。

2.3 教學(xué)管理和考核體系建立

開放實驗教學(xué)開展的歷史不長，教學(xué)體系遠談不上成熟，尤其在過程控制、質(zhì)量監(jiān)督及考核標準方面存在較多空白點[13-14]，為此，我們借鑒常規(guī)課堂教學(xué)的體制模式，在系層面上規(guī)范兩個方面的管理:實驗項目管理和大型儀器管理。

(1)項目管理。開放實驗教學(xué)嚴格按照申審批程序進行。首先由學(xué)生提出申請，實驗中心主任審核后，將結(jié)果公布在網(wǎng)上，學(xué)生在給定的時間到實驗室進行實驗，操作過程中應(yīng)有教師(或?qū)嶒瀱T或高年級同學(xué))在場，完成實驗后要及時登記，在實驗室日志上詳細填寫教學(xué)情況，包括實驗名稱、內(nèi)容、開放時間、儀器使用、學(xué)生人數(shù)等，并讓學(xué)生逐個簽名。此外，教師還要盡快將實驗情況上傳到BBS交流論壇上，以便學(xué)期末對開放實驗教學(xué)工作量進行統(tǒng)計。

(2)大型儀器管理。早在2005年，實驗中心就將大型儀器進行了聯(lián)網(wǎng)，并開發(fā)了儀器預(yù)約系統(tǒng)。本系教師、研究生及畢業(yè)班同學(xué)可在線進行儀器預(yù)定。由于參與開放實驗的主要是本系低年級本科生和外系學(xué)生，他們?nèi)藬?shù)眾多，每個人都建立賬號不太現(xiàn)實。為協(xié)調(diào)儀器的使用，我們采取了兩項措施:一是有指導(dǎo)教師參與的教學(xué)活動(如常規(guī)開放、大型儀器周末開放等)，采用教師的賬號在網(wǎng)上預(yù)約儀器;二是給每一個課題小組(參與第三類實驗項目的同學(xué))設(shè)立一個臨時賬號，學(xué)生用此賬號上網(wǎng)預(yù)約儀器。不管是何種身份進行預(yù)訂，具體使用者需在實驗結(jié)束后詳細記錄儀器的運行狀況，以便儀器一旦出現(xiàn)問題時可追根溯源、查明原因。如果操作者有違規(guī)行為，實驗中心則終止傳送其實驗數(shù)據(jù)或暫停其儀器使用資格。

在開放實驗教學(xué)質(zhì)量考核上，系里有一些具體指標和要求:①每次教學(xué)活動應(yīng)有詳細記錄，包括教學(xué)內(nèi)容、實驗時間、學(xué)生人數(shù)等，指導(dǎo)老師、實驗員和同學(xué)均需簽名，學(xué)期結(jié)束時上交完整的開放實驗教學(xué)日志;②參與開放實驗的學(xué)生要提交實驗報告，其表現(xiàn)和實驗課程成績掛鉤。參與長期開放教學(xué)的同學(xué)(研究小組)，除遞交總結(jié)報告外，還要參加每年12月份的開放實驗及SITP活動公開答辯，對于獲得一、二、三等獎的同學(xué)，將獲得下學(xué)期實驗中心的儀器使用優(yōu)先權(quán);③每學(xué)期末核算開放實驗教學(xué)工作量。課堂實驗教學(xué)通常按6 000人時作為一個教學(xué)工作量，考慮到開放實驗教學(xué)的特殊性[15]，工作量將在原基礎(chǔ)上乘1.2～1.5的系數(shù)。此外，教師在教學(xué)過程中開發(fā)了新的實驗、發(fā)表高水準的論文或指導(dǎo)學(xué)生獲得各類獎項等，均可得到一定的經(jīng)費補貼。

由于管理措施得當(dāng)，獎罰條例分明，老師和同學(xué)參與開放實驗的熱情很高。近年來，化學(xué)系開出的開放實驗項目數(shù)30余個/年，參與學(xué)生超過3 000人次/年(來自9個院系)，開放總量達10 000人時/年，在學(xué)校各院系中名列前茅。

3 教學(xué)效果分析

開放實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生自主實驗意識及動手能力上成效顯著，表現(xiàn)在以下兩個方面:

(1)學(xué)生的主動性加強。常規(guī)課堂實驗一般要保證成功，學(xué)生承擔(dān)較大的壓力，操作過程中一旦碰到問題，就習(xí)慣性地尋求老師的幫助，久而久之，產(chǎn)生了思維上的惰性。開放實驗則鼓勵學(xué)生進行新的嘗試，不行再重來，遇到困難時學(xué)生會自己動腦筋想點子，即使實驗失敗了，在和老師交流討論中也更加自覺和坦誠，這種主動性學(xué)習(xí)能力的獲得使他終身受益。

(2)綜合技能提高。以參加學(xué)科競賽為例，以前學(xué)生碰到不太熟悉的儀器和陌生的內(nèi)容就慌慌張張，覺得無從下手。經(jīng)過開放實驗的訓(xùn)練，其心理素質(zhì)和應(yīng)變能力得到加強，遇事不再那么緊張，通過閱讀說明結(jié)合向老師的提問，最終總能較完整地完成實驗。在近兩屆上海市大學(xué)生化學(xué)實驗競賽中，我校學(xué)生進步明顯，取得了3個一等獎、3個二等獎，尤其在2012年度競賽中，來自應(yīng)化專業(yè)的寧超同學(xué)還獲得了個人全場第一名。同濟也連續(xù)多年舉辦校內(nèi)化學(xué)實驗競賽，我們做過統(tǒng)計，參與開放實驗培訓(xùn)學(xué)生的獲獎比例遠超過入學(xué)成績更高專業(yè)的學(xué)生。

4 結(jié)語

經(jīng)數(shù)年的教學(xué)實踐，化學(xué)系倡導(dǎo)的“分層次、跨學(xué)科開放實驗教學(xué)模式”逐步獲得了學(xué)校的認可，成為同濟實驗教學(xué)改革的一個亮點，校長及教務(wù)部門領(lǐng)導(dǎo)也多次來化學(xué)系考察。接下來，我們將把開放實驗平臺的建設(shè)作為下階段的工作重點，積極配合學(xué)校的“卓越工程師計劃”和“卓越生源計劃”，進一步加大開放的力度，將開放的范圍從校內(nèi)拓展到校外，和兄弟高校甚至中學(xué)形成聯(lián)動，使更多的學(xué)子能從中受益。

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