“學研結(jié)合”型化學實驗課程的研究與實踐

劉娟娟

摘要：本文以培養(yǎng)大學生基本實驗操作能力、知識綜合應用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”為目標，對本科化學實驗教學的課程體系、內(nèi)容方法等進行了改革，提出三層次“學研結(jié)合”實驗教學法：基本技能訓練實驗、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗、科研應用創(chuàng)新型實驗。該實驗教學體系既有利于較為全面地培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力，又可有效地提升實驗教學水平。

關(guān)鍵詞：化學實驗；學研結(jié)合；三層次實驗教學法；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）19-0121-03

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，貫穿于整個大學化學本科教育。從實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、總結(jié)規(guī)律，并提出相應的理論是化學學科建立和不斷發(fā)展完善的根本途徑。從教學的角度來考慮，如何讓學生學到“活”的知識，而不是“死”的理論，如何突出化學的實踐性，讓學生理解化學理論而不是機械地記住這些理論對于培養(yǎng)學生的學習興趣以及綜合學習能力至關(guān)重要。而其中核心的一個環(huán)節(jié)就是實驗教學。傳統(tǒng)的實驗教學為了加強學生對理論知識的理解，大多是一些驗證理論知識的實驗，且整個課程以老師教授為主，學生只是臨摹重復，不利于培養(yǎng)學生的學習興趣、主動性和創(chuàng)新思維。而探究型實驗雖然能夠極大地調(diào)動學生的興趣以及積極性，利于學生學以致用，但是一個完整的探究型實驗往往耗費的時間成本和金錢成本都比較高，因此目前也很難全面推廣。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人才培養(yǎng)目標的要求越來越高，社會需要更多知識技能全面、應用創(chuàng)新能力強的大學本科畢業(yè)生，這就更加凸顯了本科實驗教學的重要性。針對實驗教學的問題，國內(nèi)外高校在實驗教學內(nèi)容和方法上已經(jīng)進行了很多有益的探索和改革，以期培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強的專業(yè)人才。芝加哥州立大學的Van Duzor提出了一種DEOI實驗教學法（Decision/Explanation/Observation/Inference），在傳統(tǒng)的驗證型實驗的基礎上，改變學生撰寫實驗報告的模式，從而促使他們進行思考，仔細琢磨實驗中的操作和現(xiàn)象以及對每一個步驟和現(xiàn)象提出合理的解釋。這種“以寫促學”的實驗教學模式強調(diào)了實驗中思考的重要性，促進了學生將學到的理論知識和實驗結(jié)合起來，加深了學生對理論知識的理解。臥龍崗大學的Jolley等人則利用分析化學實驗課前的可視化演示和理論考核來加強學生對實驗所涉及的基礎知識的掌握，鼓勵學生進行批判性思維，讓學生在做實驗前知道自己要做什么，從而自發(fā)地進行實驗而不是現(xiàn)場臨摹老師的行為。國內(nèi)各高校也積極推進實驗教學示范中心的建設，提出了循序漸進的實驗教學模式等。我校以培養(yǎng)大學生基本實驗操作能力、知識綜合應用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”為目標，根據(jù)學生對知識內(nèi)容的掌握程度，對化學實驗教學的課程體系、實驗內(nèi)容、實驗方法等進行了改革，提出了三層次實驗教學法（圖1）：基本技能訓練實驗、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗、科研應用創(chuàng)新型實驗，學研結(jié)合、由淺入深、循序漸進地對學生的各項能力進行培養(yǎng)。特別是創(chuàng)新性地將科學研究融入到實驗教學中，讓本科學生真正參與到研究生的科研項目中去，在科研項目中將理論知識和科研技能融會貫通，進而全面地提高各項能力。

一、基礎技能訓練實驗

基礎技能培訓實驗主要針對第一、二學年的學生，其核心課程包括大學化學實驗、無機及分析化學實驗、物理化學實驗和有機化學實驗。每門課程的授課平均為10節(jié)課，一節(jié)課通常為4個課時，總包含40個實驗項目。實驗課程結(jié)合理論課程的基本要求，對內(nèi)容進行了不斷優(yōu)化，盡可能全面地涵蓋了最核心的基礎化學理論以及化學實驗基本操作。課程以驗證性實驗為主，主要培養(yǎng)學生最基本的實驗素養(yǎng)和能力，要求學生掌握基本的實驗操作技能，如正確使用實驗儀器，認真觀察、準確記錄實驗現(xiàn)象，利用理論知識解釋實驗現(xiàn)象，分析處理實驗數(shù)據(jù)，針對結(jié)果撰寫實驗報告以及提出進一步實驗假想?；A技能訓練實驗主要采用“老師教學，學生模仿”的形式，同時借鑒Van Duzor提出的“以寫促學”的方法，設計了新型的實驗報告問答模板（圖2），能夠充分調(diào)動學生課前學習的積極性，促進他們思考以及利用理論知識，將理論、實驗和現(xiàn)實生活有機結(jié)合起來，進而在理解理論知識的基礎上更好地掌握實驗操作技能。其次，在實驗課程中，非常重視學生的動手能力，要求每個學生必須掌握基本的實驗操作要領(lǐng)，并將實驗技能納入課程考核之中，讓學生重視實驗技能，最終熟練掌握基礎實驗技能，為后續(xù)的學習和科研打好基礎，促使學生全面提高綜合素質(zhì)。

二、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗

知識轉(zhuǎn)化綜合實驗建立在基礎技能培訓實驗的基礎上，主要針對二、三年級的學生，其核心課程包括綜合化學實驗課程I和Ⅱ。課程以半開放性實驗為主，重點培養(yǎng)學生設計實驗方案，綜合運用各種基礎知識、各類實驗儀器以及發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。這種半開放性實驗中老師主要起引導學生進行科研思考的作用，而不是傳統(tǒng)的手把手教授，充分調(diào)動學生的主觀能動性，讓學生自我發(fā)現(xiàn)解決問題的途徑和方法。為了讓學生能夠順利完成實驗方案的設計以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，采用組隊實驗的形式，加強學生之間的交流討論，形成良好的團隊協(xié)作精神。綜合化學實驗一節(jié)課為4個課時，二節(jié)課完成一個實驗（具有固定的實驗課題），一門課總共8個半開放性實驗，64個課時。每個實驗的時間安排都很充足，充分模仿科研訓練，給學生試錯的機會。為了不損害學生的學習積極性，課程按照由易到難的形式進行排課，讓學生逐步理解真實的科學研究流程。同時，在兩次課程中間增加答疑時間，幫助學生完善實驗方案的設計（圖3）。此外，這種半開放性實驗不以實驗結(jié)果為唯一考核標準，主要注重學生解決問題以及綜合運用理論知識的能力。以SiO2納米微球的制備實驗為例，我們將課程相關(guān)的閱讀材料和PPT提前上傳到實驗教學中心網(wǎng)站，要求學生進行預習。課堂上，老師簡單介紹Stober法制備SiO2納米微球的原理以及相關(guān)的影響因素，并給出一個常規(guī)的合成路徑，然后要求學生自行選擇三個實驗條件進行考察。學生根據(jù)自己的研究興趣，自行設計實驗方案，可以考察不同合成溫度、不同氨水濃度、不同醇的種類、不同正硅酸乙酯的濃度對制備樣品的影響等。學生根據(jù)自行選擇的條件進行實驗，然后分析得到的實驗結(jié)果，并結(jié)合理論知識進行解釋。

三、科研應用創(chuàng)新實驗

科研應用創(chuàng)新實驗建立在知識轉(zhuǎn)化綜合實驗的基礎之上，主要針對三、四年級的學生，其核心課程為科研實踐課，此外還包括大學生科研訓練和創(chuàng)新性實驗項目（RTCAP，Research Training and Creative Activity Program）。在這個課程中，老師不再承擔授課的任務，而是將學生加入到各個研究生實驗室中，讓他們聽取相關(guān)研究小組的組會報告，參與研究生的真實科研項目（無固定的實驗課題），為畢業(yè)設計以及研究生學習打下基礎?？蒲袘脛?chuàng)新實驗將實驗教學與科研訓練融合起來，培養(yǎng)學生的科研思維與創(chuàng)新能力，讓他們能夠針對實驗需求選擇實驗儀器和方法，真正熟悉科學研究，發(fā)掘自身的創(chuàng)新潛力。例如，環(huán)境科學與工程系有光催化污染物降解實驗室，學生通過加入該實驗室可以了解光催化的研究進展，與研究生一起學習文獻閱讀、文獻檢索，然后了解光催化實驗的一些基礎表征手段，將基礎技能訓練實驗和知識轉(zhuǎn)化綜合實驗的相關(guān)知識靈活運用起來。比如為了探究TiO2的不同晶型結(jié)構(gòu)，可以采用XRD對粉末樣品進行分析；為了探究染料等污染物的降解速率，可以采用紫外分光光度計對吸光度進行測試；為了探究光催化劑的穩(wěn)定性，設計穩(wěn)定性實驗方案等。這些課題中一個個小的組成部分都是基礎和綜合實驗的內(nèi)容，而在科研應用創(chuàng)新實驗中可以讓學生真正地融會貫通。此外，學生可以在研究生師兄師姐的指導下，了解如何從文獻中提煉研究課題，如何自主設計實驗方案，碰到實驗難題如何設計實驗進行解決等（在此過程中教師只起輔助作用），這些科研實踐對于學生順利進行畢業(yè)設計大有益處，也能夠為日后研究生學習或者工作打下良好的基礎，同時也有助于學生開拓自己的創(chuàng)新思維?？蒲袑嵺`課和RTCAP不拘泥于傳統(tǒng)的授課形式，解放了學生的學習天性，真正將學與研結(jié)合起來，是實驗教學中一種嶄新的模式。這種方式有助于激發(fā)學生學習的主動性和積極性，提高學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，并且課程通過論文的形式對學生進行考核，能夠全面考察學生的科研素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等。

四、實驗教學改革成效

通過“三層次實驗教學法”的實踐，學生的學習積極性、主動性和實驗技能得到了明顯提高，其科技創(chuàng)新意識和能力也顯著提升。實驗教學中學習與科研的有機結(jié)合激發(fā)了學生的科研興趣。學院每年參加各項實驗訓練項目的學生人數(shù)高達60余人，這些學生都普遍表現(xiàn)出較強的科研素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力。學生的科技立項數(shù)逐年增加，據(jù)統(tǒng)計，2013年至今，獲獎的省級以上的大學生創(chuàng)新項目就有20余項。同時，本科學生通過創(chuàng)新實驗，先后在國內(nèi)外各類學術(shù)期刊上如Scientific Reports、Materials Letters發(fā)表學術(shù)論文30余篇。本科學生有5人在國際大賽中斬獲名次。另外，由于學生表現(xiàn)出較強的基礎知識應用能力以及動手實踐能力，受到了用人單位的青睞。目前，已有10余家企業(yè)主動與我院建立了長期的實習基地，畢業(yè)生在相關(guān)行業(yè)也受到了充分的認可與贊揚。

五、結(jié)語

從基礎技能訓練、知識轉(zhuǎn)化綜合實驗到科研應用創(chuàng)新實驗，這種層層遞進的實驗教學方法，一步一步地將科學研究融入到實驗教學中。通過“學研結(jié)合”式的新型實驗教學改革與實踐，學生的基本實驗操作能力、知識綜合應用能力、發(fā)現(xiàn)與解決問題能力、創(chuàng)新能力等“四項能力”得到了很好的鍛煉，學習的積極性、主動性也有了大幅提升，改變了以往應付、機械性的實驗態(tài)度，提高了就業(yè)競爭力。為了進一步優(yōu)化“學研結(jié)合”式的新型實驗教學法，在今后的實驗教學中，我們還應該學習和借鑒其他新興的、有益的實驗課程設計思路，不斷完善目前的“學研結(jié)合”體系，使之更加科學與合理。

參考文獻：

[1]何曉燕.本科化學專業(yè)實驗教學模式的改革與實踐[J].化學教育，2016，（16）：27-30.

[2]汪捷.英國高校實驗教學的分析與啟示[J].實驗技術(shù)與管理，2008，（25）：110-111.

[3]蘇育志.化學化工專業(yè)“學、研、創(chuàng)”實驗教學模式的研究與實踐[J].化學教育，2016，（8）：25-28.

[4]黃馳.大學化學實驗教學體系改革[J].大學化學，2006，（6）：20-24.