創(chuàng)新教學方法，助力本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)
——“扶-牽-引-放”四步教學法

姚奇志，金谷，朱平平，李玲玲,2，李嬌,2，劉紅瑜,2

1中國科學技術大學化學與材料科學學院，合肥 230026

2化學國家級實驗教學示范中心(中國科學技術大學)，合肥 230026

隨著我國科教興國理念的普及和科研事業(yè)的迅速發(fā)展，作為高素質(zhì)人才生力軍的本科生，其綜合科研素質(zhì)的培養(yǎng)已經(jīng)引起了社會各界的高度重視和廣泛關注。國務院在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010–2020)》中強調(diào)指出，要促進高校內(nèi)部科技教育資源的共享，實現(xiàn)科研與教學互動和科研與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結合[1]?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006–2020年)也明確提出充分發(fā)揮教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要作用，加強科學創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的有機結合，鼓勵本科生投入科研工作，在創(chuàng)新實踐中培養(yǎng)他們的探索興趣和科學精神[2]。基于對創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求，國內(nèi)高校從20世紀90年代就開展了SRTP (Student Research Training Program)計劃項目，通過設立創(chuàng)新基金和本科生自主申報方式確定立項并給予資金支持，鼓勵學生在導師指導下獨立完成項目研究。隨后實行的“雙導師制”，各種級別的“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)青春”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和學科競賽，以及各高校不同程度的教學改革，都旨在引導學生進入科學前沿，了解社會發(fā)展動態(tài)和國家需求，激發(fā)創(chuàng)新思維，積極主動地探索新的知識領域，從而培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才。這些項目的實施，的確為自主學習能力強的本科生提供了極好的科研能力鍛煉平臺。但大多數(shù)處于本科階段的學生，自主學習能力不夠、知識儲備不足、學術理論體系不健全、邏輯思維和獨立解決問題能力缺乏的現(xiàn)象普遍存在。因此，如何把本科生綜合科研素質(zhì)和能力的培養(yǎng)融入到日常教學中，使更多的學生都能收益，一直是高等教育改革探索的一個重要目標。為此，我校分析化學實驗教學經(jīng)過二十多年不斷的教學改革，構建了“基礎型-綜合型-探究型-設計型”多層次、遞進式教學體系。在實驗教學實踐中，運用“扶-牽-引-放”四步教學法，不僅培養(yǎng)本科生基本實驗方法和技能，而且培養(yǎng)他們分析、解決問題的綜合實驗能力，同時，鼓勵學生大膽進行求異思維、嘗試創(chuàng)新。教學效果顯著，深受歷屆學生歡迎。

1 多層次、遞進式創(chuàng)新性實驗教學體系的構建

分析化學實驗是一門經(jīng)典的化學基礎課，不僅能培養(yǎng)學生對分析化學理論知識的應用和實踐，提高學生的實驗操作能力，而且在樹立嚴格的“量”的概念和培養(yǎng)嚴謹科學作風方面起著不可替代的作用。傳統(tǒng)分析化學實驗內(nèi)容以四大滴定實驗為主，大多是對所學理論知識的簡單驗證，缺少探索性、研究性和創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容，顯然已經(jīng)不能適應新形勢下建設國家創(chuàng)新體系對人才培養(yǎng)的要求。我校自20世紀90年代引入新的教學理念，改革教學模式，更新教學內(nèi)容，經(jīng)過二十年不斷優(yōu)化，形成了“基礎型-綜合型-探究型-設計型”多層次教學體系(見表1)[3]。該課程體系建設過程中，堅持以培養(yǎng)學生學以致用的實踐能力、科研和創(chuàng)新能力為主線，結合學科自身特點，以專業(yè)知識體系為依據(jù)，注重教學內(nèi)容的整體優(yōu)化和學科之間的相互交叉滲透，建立與科學研究熱點緊密相關的層次化實驗課程體系。第一層次基礎型實驗占30%，以驗證性實驗為主，著重培養(yǎng)學生基本實驗技能，加深對理論知識的理解；第二層次綜合型實驗占20%，著重培養(yǎng)學生對所學理論知識的綜合運用和拓展能力；第三層次探究型實驗占30%，著重培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的創(chuàng)新實踐能力；第四層次設計型實驗占20%，重點培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作精神等基本科研素質(zhì)。四個層次由淺入深、循序漸進，各層次間既相互獨立，又互為補充。這種“一條主線，多個層次”的實驗教學體系教學內(nèi)容呈現(xiàn)立體的螺旋式、漸進式上升，在我?；瘜W類本科生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，達到了夯實基礎和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)并重的目的。

表1 “基礎型-綜合型-探究型-設計型”多層次教學體系(160學時)

2 創(chuàng)建“扶-牽-引-放”四步教學法，取得事半功倍的教學效果

在大學化學實驗教學中，課程體系和教學方法的創(chuàng)新與完善，對提高大學化學教育成效至關重要。為了改革傳統(tǒng)“照方抓藥”“依樣畫葫蘆”的教學方式，以學生為主體的啟發(fā)式、互動式、“翻轉課堂”等教學模式應運而生；同時，“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃”“雙導師制”“以賽促教”等科研與教學互動培養(yǎng)模式在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中也獲得很好的成效。我們在確保完成“三基”教學目的基礎上，在多層次、遞進式分析化學實驗課程體系構架下，運用“扶-牽-引-放”四步教學法，實現(xiàn)對學生綜合科研素質(zhì)和能力的全過程培養(yǎng)。

2.1 基礎型實驗——扶著走，扶中有牽

分析化學基礎型驗證實驗在培養(yǎng)學生系統(tǒng)掌握實驗基礎知識和實驗基本操作技能以及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度等方面具有獨到之處，是其他實驗教學無法替代的。教師應正確把握傳承與創(chuàng)新的關系，對經(jīng)典驗證實驗中蘊含的可開發(fā)科研能力培養(yǎng)的內(nèi)容進行挖掘，從而做到既夯實學生基礎又培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在這部分教學過程中，采用Small Private Online Course (SPOC)教學模式，首先把基礎實驗關鍵操作步驟和難點設計為思考題，并與實驗視頻一起上傳到教學班級微信群，供學生預習與思考，讓學生從知道“怎么做”中弄清楚“為什么要這樣做”，知其然，更要知其所以然。課堂講解時，進一步運用“翻轉課堂”模式，組織學生對問題進行討論，熟悉實驗思路和具體操作的目的。例如，“返滴定法測定鋁”中(表1)，配制0.02 mol·L-1鉛標準溶液時，為什么要先加入一滴HNO3溶液？假如不加會出現(xiàn)什么情況？用HNO3把溶液調(diào)至亮黃色的目的是什么？試樣分析中，用氨水把溶液調(diào)至紫紅色，再用HNO3調(diào)至亮黃色，并過量2滴氨水的目的？等等。通過這種“扶中有牽”的教學方法，學生不僅掌握了分析化學實驗的基本技能，而且在實驗中學會獨立思考，起到潤物細無聲的教學效果。

基礎型實驗成績評定包括預習情況、操作技能和數(shù)據(jù)誤差大小。預習討論占10%，操作技能占20%，實驗數(shù)據(jù)占70%。而數(shù)據(jù)誤差大小評判則依據(jù)對教師提供的兩份未知樣品的測定結果進行評分，因此，每次實驗相當于實驗考試，并根據(jù)評分細則進行嚴格評判[4]。實驗結果分析討論有獨到見解的，給予成績上的獎勵，鼓勵學生積極思考和求異思維。

2.2 綜合型實驗——牽著走，牽中有引

關注學科最新研究成果和動態(tài)，并把相關內(nèi)容設計成本科生綜合實驗，同時側重學科交叉，如材料制備和表面改性、分析應用和測定等。利用綜合型實驗過程和現(xiàn)象復雜的特點，在教學中引導學生發(fā)現(xiàn)實驗過程或現(xiàn)象中的問題，并開展系統(tǒng)分析、深入討論，進而設計實驗進行驗證，做到“牽中有引”。例如“十二烷基硫酸鈉(SDS)在Al2O3表面的自組裝及分離、富集銅離子”綜合型實驗中(表1)，用SDS修飾Al2O3表面清洗過程中，總會有漂浮在液面的白色顆粒，引導學生推測白色顆粒為何物。經(jīng)過討論，學生推測三種可能：① 未溶解的SDS，② 小的Al2O3顆粒，③ 被SDS修飾的小Al2O3顆粒。針對可能的推測，引導學生設計簡單實驗驗證各自的推測，該教學模式激發(fā)了學生極大的實驗熱情，體驗到通過用所學知識解決實際問題的快樂，也鍛煉了學生發(fā)現(xiàn)和分析問題的能力。

綜合型實驗成績的評定由基礎型實驗數(shù)據(jù)占成績70%下降為30%，而對實驗結果的分析和討論占成績的40%，這樣的評價標準激發(fā)了學生創(chuàng)新思考的積極性。

2.3 探究型實驗——引著走，引中有放

如何調(diào)動學生學習積極性和主動性一直是教育工作中的挑戰(zhàn)，在長期實驗教學過程中，發(fā)現(xiàn)學生對自己思考的實驗方案結果會怎么樣，總是有強烈的好奇心，甚至急不可待想通過實驗進行驗證。我們受綜合型實驗教學成效的啟發(fā)，在探究實驗中，針對性地把實驗內(nèi)容中部分模塊改由學生設計，從而調(diào)動學生的實驗熱情，提升綜合能力。例如：“納米羥基磷灰石的材料制備及成分分析”的探究實驗中包括樣品制備和成分測定兩部分(表1)。其中成分測定方案為：用過量的已知準確濃度硝酸鉍溶液沉淀分離，分別滴定濾液中Ca2+、Bi3+濃度，間接測定Ca2+和濃度。教師給出Ca2+和Bi3+濃度測定的具體步驟，但硝酸鉍分離模塊由學生設計。分離所用硝酸鉍濃度多大合適？溶液中沉淀完全所需要pH是多少？硝酸鉍溶液和羥基磷灰石溶液的pH分別控制還是混合后再調(diào)節(jié)pH？過濾后滴定濾液和帶著沉淀直接滴定會有什么差別，哪個誤差更大？用遞進式的問題，拋磚引玉，引導學生思考和討論，每位同學根據(jù)自己意愿認領設計內(nèi)容，實現(xiàn)“引中有放”的教學目的。同學們經(jīng)過理論計算、方案設計、班級答辯完善后，各自實施實驗。不同條件探究實驗數(shù)據(jù)全班共享，并對實驗結果分析和討論，獨立撰寫實驗報告。讓每一位同學都能接受獨立分析問題和解決問題能力的基本訓練。

探究型實驗成績的評定與綜合型實驗分值比例相同。經(jīng)過大約10個綜合型、探究型實驗的系統(tǒng)訓練，極大提高了學生綜合實驗能力。

2.4 設計型實驗——放手走，放而不亂

經(jīng)過基礎型、綜合型、探究型實驗的系統(tǒng)訓練，在開放設計型實驗中，我們只給出實驗命題和實驗教學平臺可以提供的實驗和測試條件，放手讓學生自行設計實驗方案并進行實驗。命題內(nèi)容涉及科研前沿和社會熱點或自命題。指導學生使用American Chemical Society (ACS)、John Wiley、Royal Society of Chemistry (RSC)、SciFinder、Web of Science等電子期刊和工具查閱相關論文，培養(yǎng)文獻調(diào)研能力。例如：設計型實驗“實驗室含鉻廢液回收、價態(tài)分析及評價”(表1)，提前一個月告知學生要求，對實驗室回收的鉻酸廢液進行回收再利用，測定儀器為分光光度計。設計實驗具體教學流程如圖1所示。學生實驗方案在教師指導下經(jīng)過多次討論和完善，放而不亂。實驗方案設計與方案實施分開評定成績。設計方案不能僅滿足于完成設計，還應力求新穎，有獨到之處和可行性分析。方案設計占該次成績60%，班級質(zhì)疑和討論環(huán)節(jié)占該次成績40%，鼓勵學生積極參與討論。通過集體交流完善和豐富知識結構，拓展思維，學會創(chuàng)新。實驗方案實施時，盡量用自己設計的方案，也可參考班級討論中的“最佳”方案，各自獨立展開實驗探究，按照統(tǒng)一模板撰寫實驗論文，該部分實驗成績評定同樣側重對實驗過程和實驗結果的分析討論。

圖1 設計型實驗教學流程示意圖

探究型實驗和自主設計型實驗實施過程不會一帆風順，一定會出現(xiàn)各種意外、失敗和挫折，對該類實驗成績考核不能局限于是否取得預期實驗結果，而應注重對實驗過程和結果的分析與討論以及改進方案的合理性等綜合能力的考量。在此過程中，學生通過調(diào)研思考、反復論證，逐漸學會從不同視角思考和分析問題，從參考文獻中汲取精華，使自己分析問題、解決問題和創(chuàng)新能力得到質(zhì)的飛躍，對所遇到問題具備發(fā)散思維和聚合思維相結合的能力，從而逐漸培養(yǎng)學生積極的求異性、敏銳的觀察力、創(chuàng)造性想象以及活躍的靈感等科研創(chuàng)新能力。

3 結語

分析化學實驗教學是理工科院校本科生教育的重要實踐教學之一，是本科生全面掌握理論知識、鍛煉科學思維、培養(yǎng)應用能力和孕育創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)。本文在多層次、遞進式分析化學實驗課堂教學經(jīng)驗總結分析的基礎上，提出了“扶-牽-引-放”四步教學方法，把對學生綜合實驗能力、創(chuàng)新意識和科研能力的系統(tǒng)培養(yǎng)融入到日常實驗教學中，堅持以本為本的教學理念，為學生提供了更大的自主空間，激發(fā)了學生的實驗潛能和興趣，取得了很好教學效果。歷年學生教學座談會反饋：同學們非常喜歡分析化學實驗課，基礎實驗提高了實驗動手能力；探究實驗過程類似科研，終身收益；設計實驗中感覺到了理論學習的重要性，課堂質(zhì)疑和討論環(huán)節(jié)收獲很大……。近年來，實驗教學課程結束后，越來越多的同學利用課余時間對自己的實驗方案進行深入探究，例如：大二范同學對“實驗室含鉻廢液回收、價態(tài)分析及評價”的系統(tǒng)研究結果發(fā)表在《大學化學》[5]；大二向同學對“白云石中鈣的測定”實驗異?，F(xiàn)象進行了深入探究，相關成果也發(fā)表在《大學化學》上[6]。