化學專業(yè)免費師范生開展創(chuàng)新性實驗初探

溫麗麗 胡宗球 萬堅

(華中師范大學化學學院 湖北武漢430079)

大學生創(chuàng)新性實驗項目是本科學生個人或創(chuàng)新團隊，在導師的指導下，自主選題設計、獨立組織實施并進行信息分析處理和撰寫總結報告等工作，以培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。該項目的開展有助于提高本科教育質量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

2007年，華中師范大學開始推行本科師范生免費教育。目前，華中師范大學化學學院除了辦有免費“化學-師范”班，還辦有“化學-生物學”和“化學-物理學”、“化學-英才班”等本科實驗班，構建了從化學教育人才、交叉復合型人才到拔尖創(chuàng)新型人才的本科人才培養(yǎng)完整格局。相對于本科實驗班，免費師范生的職業(yè)方向已基本確定，一方面要對他們進行專業(yè)技能培養(yǎng)，從而促進免費師范生提高職業(yè)技能和素養(yǎng)，堅定職業(yè)理想，實現(xiàn)自我價值。另一方面，不容忽視的是，化學作為一門發(fā)展比較成熟的學科，對創(chuàng)新能力的要求很高。免費師范生政策的實施旨在培養(yǎng)優(yōu)秀教師和教育家，因此，培養(yǎng)免費師范生具備一定的創(chuàng)新能力是實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標的基本要求。但是目前普遍存在的問題是，對于免費師范生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)展并沒有得到充分的重視。

本文第一作者于2013年9月起擔任2012級化學師范班級的班主任，積極鼓勵2012級免費師范生申請大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目。初始，學生并沒有表現(xiàn)出很高的興趣和熱情，可能是由于他們內心深處認定自己將來的職業(yè)是中學教師，參加這種科研項目對提高自身的專業(yè)技能并沒有幫助。經過教師動員，年級專業(yè)第一名暨國家獎學金一等獎獲得者和其他4位學有余力的學生表示愿意成立一個科研團隊，積極嘗試參與大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目的申請。在教師的指導下，項目組成員經過查閱相關文獻，反復推敲、探究與論證，確定了項目的研究內容。該項目《可高效捕集二氧化碳的金屬-有機框架的構建》(A2014068)已被批準為華中師范大學2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃A類項目(國家級)并加以實施。本文從教師的角度總結了化學專業(yè)免費師范生開展國家級大學生創(chuàng)新性實驗的意義，并談幾點體會。

(1)有助于形成寬廣深厚的專業(yè)知識，激發(fā)創(chuàng)新思維，拓寬知識視野，提高文獻調研能力。

作為新世紀的中學教師，不僅要有淵博的知識和足夠的專業(yè)學科知識，也需要關注本學科的最新研究成果和研究動態(tài)，只有這樣才能更好地施教。2012級化學專業(yè)的5位免費師范生已經修完了普通化學原理、無機化學、分析化學、儀器分析、物理化學和有機化學等基礎理論和實驗課程，掌握了相關的基本專業(yè)知識和原理，對化合物的制備和表征也有一定的了解。結合目前正在實施的國家自然科學基金項目，教師向團隊中的學生介紹了金屬-有機框架的基本概念和發(fā)展歷程后，建議他們可以考慮以目前無機化學和材料化學的熱點領域——金屬-有機框架捕集溫室氣體二氧化碳作為研究課題。同時教會學生使用ACS、John Wiley、RSC、SciFinder、Web of Science等電子期刊和工具查閱相關論文，提高文獻調研能力。隨后，要求5位學生帶著如下問題進行文獻調研:①課題背景;②歸納總結文獻中提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量的策略。站得高才能看得遠，5位學生查找了約20篇最新的權威文獻，認真研讀，對于精華部分做了適當?shù)挠涗洝w納和總結。一個月后，教師召集5位學生開會，就提出的兩個問題進行了全面的探討。雖然5位學生以前對金屬-有機框架的了解幾乎為空白，但通過文獻調研與分析，對這一研究熱點已有一定的認識。團隊成員認為全球變暖的問題使得人們把目光投向CO2氣體的排放，利用多孔材料對CO2的吸附來捕獲CO2引起了越來越多的關注，而金屬-有機框架具有大的表面積以及可修飾的孔表面的特點使其成為這一研究的熱點［1］。顯然，利用便捷豐富的電子期刊資源，團隊成員已初步了解了國內外學者的研究動態(tài)，拓寬了知識視野，對課題研究背景有了較好的理解，并對該課題表現(xiàn)出濃厚的興趣。對于文獻中提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量的策略，團隊成員也進行了較為全面的總結，分別是:①分子篩效應;②主客體間的相互作用力。此時，教師結合學生已學過專業(yè)知識，進一步發(fā)問，請學生舉例說明哪些主客體間的相互作用力可提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量。學生結合普通化學原理的基本知識和文獻追蹤，經過思考，回答到由于CO2是酸性氣體，如果在金屬-有機框架的表面有堿性基團(如氨基、酰胺基、未配位的氮原子等)，可利用酸性氣體和堿性基團之間較強的相互作用，達到提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量的目的。此外，有位細心的學生在閱讀文獻時，注意到文獻中提到CO2具有較大的四極矩(quadrupole moment，13.4×10-40C·m2)，如果在金屬-有機框架的表面有極性基團，利用主客體間的相互極化，也可以實現(xiàn)提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量的目的。該學生對此表示有些困惑:在《普通化學原理》課本中指出CO2是沒有極性的，文獻上為何說CO2具有較大的四極矩?能提出這樣的問題，說明團隊中的學生確實是發(fā)揮了能動性，積極地發(fā)現(xiàn)問題。筆者鼓勵學生再去查閱相關資料弄清這個疑問。很快，學生就自己解決了問題:CO2沒有偶極矩，但是卻擁有方向指向氧的一對方向相反的四極矩，沒有凈的偶極不代表不能發(fā)生偶極分子那樣的靜電作用。另外，還有一位學生提到，基于普通化學原理的基本知識，帶正電荷的金屬離子是極性中心，也可以通過構建在表面具有不飽和金屬配位位點的金屬-有機框架提高對二氧化碳的吸附量。這也正是目前文獻中報道的提高金屬-有機框架對二氧化碳吸附量的一種有效策略。顯然，創(chuàng)新性實驗有利于學生在實踐中運用知識、驗證知識、鞏固知識，使學生體會到了理論知識的重要性，更體驗到了理論聯(lián)系實際的重要性。創(chuàng)新性實驗激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，激勵了學生面對未知的問題、未知的領域有勇于嘗試的熱情和勇氣，鼓勵了學生不斷探索、善于發(fā)現(xiàn)并提出問題，以及求新、求異的興趣和欲望。

(2)培養(yǎng)獨立思考的能力，提高學術鑒賞力。

具備獨立思考的能力是一個人形成創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力的基礎。中學教師的作用對于培養(yǎng)中學生獨立思考的能力至關重要。中學教師在有限的課堂教學中，應該利用各種教育、教學方法，激發(fā)學生的思維，引導學生獨立思考，讓他們逐漸養(yǎng)成獨立思考的習慣。這就要求免費師范生——未來的中學教師自身要具備很強的獨立思考的能力。

在創(chuàng)新性實驗執(zhí)行期間，根據(jù)前期反復討論的結果，學生選定了一個可通過去除配位溶劑分子獲得不飽和配位位點的金屬-有機框架為研究對象。對于具體的實驗方案，學生通過查閱資料、調研思考、反復論證，漸漸學會了如何全面、多角度地考慮問題，如何從別人的設計中提煉精華，使分析問題和解決問題的能力得到了質的飛躍。既培養(yǎng)了獨立思考的能力，同時也提高了學術鑒賞力。例如分析室溫條件下CO2/N2和CO2/CH4的分離比。在歸納總結文獻后，學生發(fā)現(xiàn)目前有3種計算方法［2］，分別是:①通過金屬-有機框架分別對CO2、N2和CH4的最大吸附量之比計算;②通過低壓段(小于1×104Pa，金屬-有機框架對相關氣體的吸附量與壓力成線性關系)氣體吸附量對壓力的斜率之比計算;③運用理想溶液吸附理論(ideal adsorbed solution theory，IAST)計算。面對大量的文獻，令學生感到困惑和不解的是，哪種計算方法是合適的。作為指導教師，筆者給出了一篇最新的關于計算氣體分離比的權威綜述文獻，要求學生仔細閱讀文獻后再做分析。通過閱讀文獻，學生一致認為第一種計算方法過高地估算了氣體分離比，科學性欠妥，已逐步被其他兩種方法取代。隨后，將學生分為兩組，分別采用第二種和第三種方法計算氣體分離比，并比較分析了這兩種方法的差異性。雖然這兩種方法在結果上有所不同，但目前都被科學界認可。第二種方法計算過程簡單，對數(shù)據(jù)點的要求不是非常高;第三種方法計算過程較為復雜，利用雙位Langmuir-Freundlich方程(dual-site Langmuir-Freundlich equation)對吸附數(shù)據(jù)進行擬合，對數(shù)據(jù)點的要求較高，但被認為準確度和精確性也相對較高。顯然，創(chuàng)新性實驗要求學生面對新事物具有發(fā)散思維和聚合思維相結合的能力，即具有積極的求異性、敏銳的觀察力、創(chuàng)造性想象、獨特的知識結構以及活躍的靈感。

(3)增強承受挫折的能力和自信心，培養(yǎng)耐心、細致、注意把握細節(jié)的科研素質。

提高免費師范生的抗挫折能力和對挫折的適應和化解能力，讓未來的中學教師能在挫折面前保持樂觀自信精神，是適應現(xiàn)代生活和時代發(fā)展的需要。在新課程改革的形式下，“教師成為研究者”已是必然的要求，教師的教育科研素質已被認為是教師素質的一個重要方面。然而，中學教師科研素質普遍不高，使他們對教育科研的熱情不高，這嚴重制約了他們的教育科研成果的質量。

從立項之初的無從下手，到后期的成竹在胸、輕車熟路，學生增長的不只是專業(yè)知識，還有承受挫折的能力、信心與韌性。在創(chuàng)新實驗過程中，許多學生都曾遇到過困難，甚至在一籌莫展時考慮過放棄，但他們沒有被一次次的失敗與挫折嚇倒，繼續(xù)保持著高度的熱情，共同奮斗，找出錯誤，一一改正，不斷提高，最終一步步解決問題，克服一個個困難。例如，在金屬-有機框架樣品制備的初期，學生得到的樣品產率很低，難以收集足量的樣品進行后續(xù)的氣體吸附實驗。從實驗一開始就遇到“攔路虎”，這使學生感到沮喪、懊惱。筆者結合自身科研經歷，鼓勵學生考慮微調反應條件或加入適當?shù)哪０鍎?。學生據(jù)此進行了大量的正交實驗，一周后，通過改變反應的溶劑，顯著提高了樣品的產率?；瘜W反應是很奧妙的，小小的成功大大地鼓舞了學生。在獲得足夠的樣品后，開始樣品活化?；罨瘻囟鹊倪x擇也是影響吸附量高低的一個重要因素。在實驗開始時，有的學生急于求成，認為活化溫度越高，樣品內的溶劑分子去除的越完全，就可以得到理想的吸附數(shù)據(jù)。第一次樣品的活化溫度被設定為200℃，在77K測定樣品對N2的吸附曲線，結果學生失望地發(fā)現(xiàn)吸附曲線為Ⅳ型線，而且吸附量很低。這次，學生通過仔細觀察活化后的樣品，發(fā)現(xiàn)樣品的顏色已經變黑，顯然活化溫度過高易造成樣品碳化分解。怎樣選擇合適的溫度呢?學生通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)要先做樣品的熱分析，由失重平臺確定樣品的活化溫度。根據(jù)熱重曲線，第二次樣品的活化溫度被設定為150℃，學生信心滿滿地認為這次一定會成功。意外的是，77K測定樣品對N2的吸附曲線仍是Ⅳ型線，這使學生有些失望。由于缺少這一領域的研究經驗，他們求助于教師。筆者給了學生一些啟發(fā)，N2的半徑相對于CO2較大，同時N2分子是沒有極性的，而CO2是有四極矩的。理論上樣品的孔道并不是很大，既然樣品在77K時對N2沒有吸附，就可以考慮通過測定195K時對CO2的吸附曲線計算樣品的比表面積。這也是目前科學界認可的一種途徑。學生通過實驗，驚喜地發(fā)現(xiàn)在195K時樣品對CO2的吸附曲線是典型的Ⅰ型線，說明CO2進入到微孔孔道中，該樣品確實具有微孔孔道。當完成了這部分的工作，學生不僅體會到了成功的快樂，更重要的是增強了信心，培養(yǎng)了耐心、細致、注意把握細節(jié)的科研素質。

(4)培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，提高人際溝通能力。

教學的本質就是教師與學生之間的溝通，是教師與學生之間的交流與對話。學生文化知識的提升、身心素質的健康發(fā)展都需要教師具備較高水平的溝通能力。而師生溝通的效果在很大程度上取決于教師的溝通能力的高低?，F(xiàn)代教育和新形式下的課程教育改革對教師的人際溝通能力提出了更高的要求。

在創(chuàng)新實驗項目中，面對這種知識面要求廣、較為復雜的任務，單靠個人的能力是很難圓滿完成的，需要小組成員相互協(xié)作，發(fā)揮各自特長，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。這對許多學生來說是一個挑戰(zhàn)。在完成課題任務的過程中，小組成員能夠明確分工、密切合作、定期討論、互提建議，在討論中相互學習，在失意中相互鼓勵，在協(xié)作中加深理解、增強友誼，在把創(chuàng)新項目做好、做精、做出水平的共同目標下，形成了團隊的凝聚力。在遇到難以解決的問題時，他們請教老師、拜訪學長，有時還進行跨院系合作、尋求跨學科指導，這些也使他們的溝通和交流能力得到了鍛煉。

大學生創(chuàng)新性實驗是高等學校教學改革工程的重要組成部分，是提高本科教學質量和大學生綜合素質的重要手段［3］。作為未來的中學化學教師，化學專業(yè)免費師范生開展該實驗更具有重要的意義:有助于形成寬廣深厚的專業(yè)知識，激發(fā)創(chuàng)新思維，拓寬知識視野，提高文獻調研能力;培養(yǎng)獨立思考的能力，提高學術鑒賞力;增強承受挫折的能力和自信心，養(yǎng)成耐心、細致、注意把握細節(jié)的科研素質;培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，提高人際溝通能力。

［1］Zhang Z J，Zhao Y G，Gong Q H，et al.Chem Commun，2013，49:653

［2］Li J R，Sculley J，Zhou H C.Chem Rev，2012，112:869

［3］王祖源，毛駿健，吳於人.中國大學教學，2007，9:26