在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐

何紅運(yùn) 胡瑞祥 何震

(1湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙410081;2中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙410006)

近年來(lái)，我國(guó)高校教師對(duì)于如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力做了大量探索，例如將單一的基本操作訓(xùn)練更改為訓(xùn)練內(nèi)容與小綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，增加綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例，構(gòu)建“一體化、多層次，開(kāi)放式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系［1］;將科研項(xiàng)目向教學(xué)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化，著力開(kāi)設(shè)研究型與設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，建立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或基地［2-5］;利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和多媒體技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)［6-7］等。本文從基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方法的角度出發(fā)，談?wù)勎覀儗?duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的幾點(diǎn)做法。

(1)釆用設(shè)問(wèn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過(guò)科學(xué)設(shè)問(wèn)讓學(xué)生逐步理解每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的道理，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維能力。發(fā)散性思維是對(duì)同一問(wèn)題探索用不同方式思維的過(guò)程和方法。例如大多數(shù)化工產(chǎn)品的制備與提純離不開(kāi)濃縮結(jié)晶步驟，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中就多次出現(xiàn)這一操作，但不同的實(shí)驗(yàn)要求也不同。如氯化鈉的提純實(shí)驗(yàn)，在濃縮結(jié)晶時(shí)，用小火加熱濃縮至稀粥狀為止;在硫酸亞鐵銨的制備實(shí)驗(yàn)中，水浴加熱蒸發(fā)至表面出現(xiàn)一層晶膜;而明礬的制備實(shí)驗(yàn)則要求在事先制得的酸性硫酸鋁溶液中加入硫酸鉀后加熱至硫酸鉀溶解為止。對(duì)于這樣一類簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，其中卻蘊(yùn)藏著很多可引導(dǎo)學(xué)生深層次思考的問(wèn)題。對(duì)于氯化鈉的提純實(shí)驗(yàn)，稀粥狀是什么狀態(tài)?其實(shí)誰(shuí)也不能做出準(zhǔn)確的描述，因?yàn)橄庵g沒(méi)有明確的分界線。我們便設(shè)問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生思考，如果用8g氯化鈉原料，為什么要用30mL水來(lái)溶解?氯化鈉溶液經(jīng)過(guò)除雜處理后還存在什么雜質(zhì)?這些雜質(zhì)的含量大致為多少?雜質(zhì)的溶解度為多少?氯化鈉的溶解度隨溫度如何變化等等。經(jīng)過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的討論，學(xué)生便明確了采用重結(jié)晶方法分離提純物質(zhì)時(shí)，溶劑的量是根據(jù)提純物的溶解度來(lái)確定的，濃縮結(jié)晶時(shí)應(yīng)留下母液的量也要根據(jù)物質(zhì)的溶解度來(lái)判斷。氯化鈉溶液經(jīng)過(guò)除雜處理后，只留下極少量溶解度相對(duì)較大的氯化鉀雜質(zhì)，再根據(jù)氯化鈉本身的溶解度隨溫度變化很小，加熱時(shí)有多少結(jié)晶，冷卻后其量基本不變的特點(diǎn)，學(xué)生便能從理論上估算濃縮結(jié)晶時(shí)應(yīng)大致留下多少母液來(lái)確定“稀粥狀”狀態(tài)。這樣既保證了氯化鈉產(chǎn)品的收率，又保證了質(zhì)量。同時(shí)，根據(jù)硫酸亞鐵銨的溶解度隨溫度變化較大，明礬的溶解度隨溫度變化很大的特點(diǎn)，濃縮結(jié)晶步驟的控制就很容易掌握了。在教學(xué)過(guò)程中，我們有意將這3個(gè)實(shí)驗(yàn)安排在3周內(nèi)讓學(xué)生連續(xù)來(lái)做，以便讓學(xué)生系統(tǒng)掌握物質(zhì)制備與分離提純的基本原理以及針對(duì)不同物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)上的差別。實(shí)踐表明，當(dāng)學(xué)生在做后續(xù)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“從硼鎂泥中提取七水硫酸鎂”時(shí)，都能編寫出可行的實(shí)驗(yàn)方案。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，雖然沒(méi)有創(chuàng)新的內(nèi)容，但只要教師用心去教，同樣可促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高他們的實(shí)際工作能力，實(shí)現(xiàn)傳承與創(chuàng)新的有機(jī)結(jié)合。

(2)通過(guò)引導(dǎo)解決問(wèn)題，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題或錯(cuò)誤，作為指導(dǎo)教師，應(yīng)因勢(shì)利導(dǎo)地去引導(dǎo)學(xué)生分析思考，最終自主解決問(wèn)題。筆者在一次指導(dǎo)學(xué)生做最簡(jiǎn)單的酸堿滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)，用已知濃度的堿(裝在滴定管中)去滴未知濃度的酸(固定用量，裝在錐形瓶中滴定)，其中一名學(xué)生在做完3次平行測(cè)定后，發(fā)現(xiàn)用堿量?jī)蓛芍g相差10～20mL，且一次比一次多，均遠(yuǎn)多于其他同學(xué)的用堿量。他思考了很久，找不到問(wèn)題出在哪里，便去問(wèn)指導(dǎo)教師。指導(dǎo)教師在對(duì)他出現(xiàn)問(wèn)題的原因心中有數(shù)后，沒(méi)有立刻向他指出問(wèn)題的根源，而是提醒他，請(qǐng)他仔細(xì)回顧一下做3次平行實(shí)驗(yàn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)用品和操作上有什么差別或不同的地方。他思考了一下回答，除了每次滴定到接近終點(diǎn)時(shí)，用來(lái)沖洗錐形瓶壁的純水用量不同外，其他沒(méi)有什么不同，而純水的多少是不會(huì)影響滴定結(jié)果的。指導(dǎo)教師這時(shí)向他指出，問(wèn)題就應(yīng)該出在純水的用量不同上，純水瓶中裝的可能不是純水，而是酸。當(dāng)這位學(xué)生看到他在實(shí)驗(yàn)前誤以為是裝純水的大試劑瓶上的標(biāo)簽醒目地寫著0.2mol·L-1HCl時(shí)，他既高興，又慚愧。高興的是問(wèn)題得到了解決，慚愧的是他在取純水時(shí)沒(méi)有看標(biāo)簽(因平時(shí)這個(gè)位置大試劑瓶中裝的就是純水)。類似的教學(xué)事例很多，只要教師因勢(shì)利導(dǎo)地去引導(dǎo)學(xué)生，就可以有效地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(3)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激活學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中指出:“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)的技能而已。而提出新的問(wèn)題，新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”。在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們注重教師同學(xué)生一起對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，使內(nèi)容單一的實(shí)驗(yàn)成為綜合性實(shí)驗(yàn)，使對(duì)環(huán)境污染較大的實(shí)驗(yàn)成為綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)，使現(xiàn)象不夠明顯的實(shí)驗(yàn)成為直觀性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，等等。例如“天然水總硬度的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，將過(guò)去同題實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的一個(gè)水樣改為含不同雜質(zhì)離子的4個(gè)水樣供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前，由學(xué)生到湘江不同河段和岳麓山不同泉水點(diǎn)取水。讓學(xué)生自查參考資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)前一周收齊學(xué)生的方案，教師批閱后，對(duì)存在明顯錯(cuò)誤的，指導(dǎo)學(xué)生更正，最后讓學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，寫出報(bào)告。從收集的學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案來(lái)看，許多學(xué)生查閱了不少參考資料，測(cè)定方法多種多樣，大多合理可行。這樣就有效地培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新精神。在化學(xué)教學(xué)論實(shí)驗(yàn)課中，為了讓學(xué)生充分了解中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與教學(xué)要求，掌握向中學(xué)生講解和演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)技能，學(xué)會(huì)選擇、設(shè)計(jì)或改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，具備從事中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好能力，適應(yīng)中學(xué)化學(xué)課程及教學(xué)改革的新環(huán)境，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心近年來(lái)對(duì)該門實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行了全面的改進(jìn)，將學(xué)生分成小組，首先小組內(nèi)學(xué)生分別做同一實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)和改進(jìn)方法，編寫指導(dǎo)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)的教案，再由全組學(xué)生與指導(dǎo)教師一起進(jìn)行講解，集體評(píng)課，在總結(jié)出一個(gè)好的教案后，到附近中學(xué)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，既當(dāng)學(xué)生，又當(dāng)老師。這樣既能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，增加他們的興趣，又有助于提高創(chuàng)新精神與教學(xué)技能。再如CuCl的制備，這是一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是在10mL 0.2mol·L-1CuCl2溶液中，加入3mL濃鹽酸后加熱，直到溶液變成深棕色后，迅速將溶液傾入100mL蒸餾水中，觀察產(chǎn)物的顏色和狀態(tài)。這樣學(xué)生就必須在實(shí)驗(yàn)時(shí)將溶液加熱煮沸10分鐘以上，若幾十名學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室將充滿有毒的鹽酸蒸氣，刺鼻難聞，嚴(yán)重危害學(xué)生身體健康。我們?cè)谂c學(xué)生一道分析這一實(shí)驗(yàn)方法的弊端后，將實(shí)驗(yàn)方法改為在一支大試管中加入2g左右NaCl(s)和0.3g左右銅粉，再加入3mL 6mol·L-1鹽酸和5mL 1.0mol·L-1CuCl2溶液，充分振搖試管，當(dāng)溶液的顏色由深棕色變?yōu)闇\色或近無(wú)色時(shí)，靜置試管，將上層清液小心傾入事先準(zhǔn)備好的100mL去離子水中，觀察沉淀的顏色。改進(jìn)后的方法，銅粉顆粒比銅屑細(xì)得多，可與液相反應(yīng)物充分接觸，大大提高了反應(yīng)速度;加入NaCl能提高溶液中Cl-濃度，有利于形成［CuCl2］-離子。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需要在室溫下振蕩試管1～2分鐘，便可完成實(shí)驗(yàn)，既提高了反應(yīng)速度，又消除了加熱產(chǎn)生鹽酸蒸氣對(duì)環(huán)境的污染。我們通過(guò)與學(xué)生一起對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法進(jìn)行改進(jìn)，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到，在目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)中及人們生活生產(chǎn)諸方面存在的問(wèn)題仍然很多，只要善于觀察、積極思考，改進(jìn)創(chuàng)新的題材到處可取，創(chuàng)新不局限在尖端科技問(wèn)題上。這樣就激活了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展起到了促進(jìn)作用。

(4)強(qiáng)化基本操作，夯實(shí)學(xué)生的研究基礎(chǔ)。

新材料或新物質(zhì)的制備離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，好的實(shí)驗(yàn)方案依賴于一個(gè)個(gè)的實(shí)驗(yàn)操作步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)微小的錯(cuò)誤操作，就有可能導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗。良好的實(shí)驗(yàn)操作是學(xué)生未來(lái)從事創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)。學(xué)生要掌握良好的實(shí)驗(yàn)操作技能，除自身要刻苦練習(xí)外，還需要有教師的正確指導(dǎo)。對(duì)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作技能訓(xùn)練，是化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們主要采取了以下措施:①組織各門實(shí)驗(yàn)課負(fù)責(zé)人及院內(nèi)其他專家討論，進(jìn)一步明確在各門實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生應(yīng)掌握的實(shí)驗(yàn)基本操作，按課程編寫化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)并印發(fā)給學(xué)生，每人一冊(cè)，使學(xué)生充分明確應(yīng)掌握的實(shí)驗(yàn)基本操作。②將學(xué)生應(yīng)掌握的各門實(shí)驗(yàn)課中的基本操作分解在具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中進(jìn)行重點(diǎn)訓(xùn)練，列出在各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中對(duì)學(xué)生進(jìn)行操作技能訓(xùn)練的具體計(jì)劃。③強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的責(zé)任，強(qiáng)調(diào)指導(dǎo)教師要在實(shí)驗(yàn)中對(duì)學(xué)生加強(qiáng)指導(dǎo)，嚴(yán)格要求，并注意因材施教。為有效訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能，對(duì)學(xué)生提出的一般問(wèn)題只給予提示，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題;必要時(shí)，也可做示范指導(dǎo)。對(duì)于學(xué)生應(yīng)掌握的實(shí)驗(yàn)基本操作，首次指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的教師是第一責(zé)任人，后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程中有同樣的操作出現(xiàn)時(shí)，后續(xù)指導(dǎo)的全體教師是第二責(zé)任人。學(xué)生畢業(yè)時(shí)，對(duì)應(yīng)掌握的實(shí)驗(yàn)基本操作未掌握到位的，由學(xué)院教學(xué)委員會(huì)組織查明原因，必要時(shí)將追究相關(guān)教師的責(zé)任。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，指導(dǎo)教師除了要認(rèn)真引導(dǎo)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理、弄清實(shí)驗(yàn)方法、正確觀察與記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理外，還要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本操作進(jìn)行具體指導(dǎo)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)基本操作上存在的問(wèn)題并進(jìn)行糾正。④加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本操作技能的考核。按課程制訂實(shí)驗(yàn)操作技能考核辦法，按照實(shí)驗(yàn)基本操作要求，在各門實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束前，對(duì)學(xué)生應(yīng)掌握的基本操作逐一進(jìn)行考核，指導(dǎo)教師有考核記錄，考核成績(jī)計(jì)入學(xué)生實(shí)驗(yàn)總成績(jī)。

總之，對(duì)于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，我們經(jīng)過(guò)多年的改革與探索，逐漸認(rèn)識(shí)到，要培養(yǎng)高質(zhì)量人才，一方面要從全局考慮，構(gòu)建先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)課程體系，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)建良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提高師資隊(duì)伍的水平［8］;另一方面，從低年級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)始，就要特別注重引導(dǎo)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生用腦去做實(shí)驗(yàn)，而不是告訴學(xué)生只用手去完成教科書上的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，更不能只依賴在高年級(jí)學(xué)生中開(kāi)幾個(gè)大綜合或研究性實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;必須正確處理好傳承與創(chuàng)新的關(guān)系，努力挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能，在著力建設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的同時(shí)，必須高度重視優(yōu)秀傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，這些項(xiàng)目除了在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)基本操作技能等方面具有獨(dú)到之處外，同樣有許多可開(kāi)發(fā)學(xué)生的智力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的內(nèi)容，更是學(xué)生未來(lái)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。如果只是過(guò)分強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，不注重學(xué)生的基礎(chǔ)與條件，則創(chuàng)新只能停留在喊口號(hào)上，導(dǎo)致學(xué)生只知道要?jiǎng)?chuàng)新，卻不知道如何去創(chuàng)新。以上是筆者從事基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一點(diǎn)體會(huì)，希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］付穎，葉非.大學(xué)化學(xué)，2013，28(2):25

［2］樊冰，吳立群，林海旦，等.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(6):80

［3］鄧克儉，陳棟華，伍明，等.大學(xué)化學(xué)，2013，28(2):22

［4］賈志謙.大學(xué)化學(xué)，2012，27(5):21

［5］楊丹.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(7):1

［6］牛國(guó)興，高翔，徐華龍.大學(xué)化學(xué)，2012，27(4):27

［7］李愛(ài)峰，孫愛(ài)玲，柳仁民.大學(xué)化學(xué)，2012，27(5):26

［8］何紅運(yùn).實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(3):243