以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向的基礎(chǔ)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與應(yīng)用

董立軍，王薇，呂東煜，蘭景鳳

蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，蘭州 730000

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革亦是我國(guó)高校教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[1]。21世紀(jì)高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力、獨(dú)立思維與研究能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[2,3]。而自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)是開(kāi)發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、增強(qiáng)獨(dú)立研究能力、培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)能力的基礎(chǔ)。因此，隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)人才綜合素質(zhì)要求的提高，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的革新勢(shì)在必行[4–6]。

1 創(chuàng)新教學(xué)理念

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)I是由化學(xué)創(chuàng)新國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))面向一、二年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，包括無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)和有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中，分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程共126學(xué)時(shí)，在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)I課程中占比32%。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，其目的是通過(guò)基本操作、經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)等形式的訓(xùn)練，使學(xué)生進(jìn)一步熟練掌握分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作。并且，通過(guò)學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)，使學(xué)生加深對(duì)分析化學(xué)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作和獨(dú)立思考的能力，培養(yǎng)正確歸納和綜合處理數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)用客觀簡(jiǎn)練的語(yǔ)言表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力以及一定的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、研究實(shí)驗(yàn)的能力。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，使學(xué)生形成良好的科學(xué)習(xí)慣及科學(xué)的思維方法，從而逐步掌握科學(xué)研究的方法。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式中，教師按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟認(rèn)真地講解，學(xué)生按教師的講解“照方抓藥”[7]，學(xué)生即使不理解自己所做的實(shí)驗(yàn)，也可以“成功”完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)教師過(guò)分依賴，自主學(xué)習(xí)意識(shí)較差，學(xué)而不思、機(jī)械隨眾的學(xué)習(xí)態(tài)度較為普遍，對(duì)于大學(xué)一年級(jí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)更是如此。長(zhǎng)此以往，學(xué)生的創(chuàng)造性被扼殺，不僅達(dá)不到對(duì)分析化學(xué)基本原理和概念深層次的認(rèn)識(shí)和理解，更不能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、解決實(shí)際問(wèn)題能力的教學(xué)目的。

在創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的研究型教學(xué)模式中，應(yīng)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，教師引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、自行解決問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生個(gè)性發(fā)展。因此，教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，只有教師充分意識(shí)到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的重要意義，才能把研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貫穿于日常的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中。

2 改革教學(xué)方法

2.1 以問(wèn)題為導(dǎo)向、線上線下相結(jié)合的預(yù)習(xí)方式

課前預(yù)習(xí)是實(shí)驗(yàn)課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，充分全面地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)基本操作等，才能加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。當(dāng)學(xué)生做到知其然且知其所以然之后，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室就不會(huì)手忙腳亂，就不僅只是“照方抓藥”了。教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)有的放矢地提出問(wèn)題，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)階段通過(guò)解決問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。表1是基礎(chǔ)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配[8]，以典型的分光光度實(shí)驗(yàn)“磺基水楊酸鐵配位數(shù)和穩(wěn)定常數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)”為例，教師從實(shí)驗(yàn)的不同角度設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)思考題(表2)，學(xué)生預(yù)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)后可以在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中書(shū)面回答全部或部分預(yù)習(xí)思考題(圖1)。

圖1 學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中回答的預(yù)習(xí)思考題

表1 基礎(chǔ)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配

表2 磺基水楊酸鐵配位數(shù)和穩(wěn)定常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)思考題

預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)除了以問(wèn)題為導(dǎo)向，深入透徹地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、梳理實(shí)驗(yàn)步驟，還需預(yù)習(xí)相關(guān)的基本實(shí)驗(yàn)操作，為進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室夯實(shí)基礎(chǔ)。教師可通過(guò)超星的一平三端等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)給學(xué)生提供各種資料(圖2)及網(wǎng)絡(luò)資源。對(duì)于一些簡(jiǎn)單儀器的操作，教師可以提供文字版或圖片版操作指南，也可以提供相關(guān)操作視頻的鏈接和虛擬仿真操作練習(xí)的鏈接。

圖2 蘭州大學(xué)“一平三端”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)布通知及資料的界面

化學(xué)創(chuàng)新國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))網(wǎng)絡(luò)資源涵蓋了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)、基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻教學(xué)庫(kù)等教學(xué)資源，中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的化學(xué)實(shí)驗(yàn)flash動(dòng)畫(huà)資源庫(kù)(圖3)涵蓋了基礎(chǔ)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)操作單元，使教學(xué)內(nèi)容動(dòng)態(tài)化、具體化，有利于學(xué)生提前預(yù)習(xí)，為學(xué)生進(jìn)行即時(shí)自主預(yù)習(xí)提供了線上平臺(tái)。同時(shí)可加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的了解和掌握，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

圖3 化學(xué)創(chuàng)新國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué)) flash動(dòng)畫(huà)資源庫(kù)界面

2.2 實(shí)驗(yàn)講授采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法

經(jīng)過(guò)全面、深入的預(yù)習(xí)，學(xué)生已具備一定的理論知識(shí)，基本掌握實(shí)驗(yàn)的相關(guān)操作，此時(shí)的實(shí)驗(yàn)講授可采用“翻轉(zhuǎn)式”課堂教學(xué)，讓學(xué)生變身為“小老師”，將課堂交給學(xué)生，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)講授、操作演示，并對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)思考題組織討論，讓同學(xué)們自由、大膽地表達(dá)自己的見(jiàn)解，營(yíng)造出一個(gè)民主平等的學(xué)習(xí)氛圍。此時(shí)教師的作用只是引導(dǎo)，最后對(duì)學(xué)生的講授和討論進(jìn)行補(bǔ)充和總結(jié)。學(xué)生在講堂上獲得自信，掌握較大的自主權(quán)，能有效促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)一步自主探索、思考，做到既“樂(lè)學(xué)”又“善學(xué)”。通過(guò)PBL (Problem-Based Learning)教學(xué)法[9]，還可以加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性；通過(guò)查閱資料、討論交流的合作學(xué)習(xí)等方式鞏固重難點(diǎn)內(nèi)容，從而讓學(xué)生通過(guò)主動(dòng)的探究學(xué)習(xí)獲得知識(shí)。

2.3 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中的討論總結(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)

學(xué)生全面的預(yù)習(xí)能有效加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師可及時(shí)組織學(xué)生對(duì)當(dāng)天的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行討論分析，討論的內(nèi)容包括預(yù)習(xí)中不能充分理解的難點(diǎn)、學(xué)生得到不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因探究以及操作中的細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)的處理等等。通過(guò)及時(shí)、“新鮮”的回顧，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的理論依據(jù)，加深對(duì)化學(xué)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握。組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中的問(wèn)題及時(shí)討論總結(jié)，有利于學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)不足并改正，快速提升實(shí)驗(yàn)技能。對(duì)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)的討論，能有效培養(yǎng)學(xué)生正確歸納和綜合處理數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)用科學(xué)的語(yǔ)言表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。

2.4 增加實(shí)驗(yàn)拓展、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的趣味性

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生大膽思考，在安全前提下大膽嘗試。為此，我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了實(shí)驗(yàn)拓展及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。師生互動(dòng)，加強(qiáng)啟發(fā)，這是立足于學(xué)生的探究性、主動(dòng)性、拓展性的開(kāi)放型學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)拓展能夠引導(dǎo)學(xué)生去更深層聯(lián)想，鍛煉學(xué)生的想象力及發(fā)散思維。例如磺基水楊酸鐵配合物穩(wěn)定常數(shù)的光度法測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以引入光度法測(cè)定解離平衡常數(shù)的拓展內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生探究什么樣的弱酸解離體系可以用光度法測(cè)定解離平衡常數(shù)，如何測(cè)定？學(xué)生自主查閱資料，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師審核通過(guò)后，可允許學(xué)生在后期相關(guān)實(shí)驗(yàn)中按照自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)為增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，教師可以設(shè)法將經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)貼近生活，增加學(xué)生的自主參與性。例如天然水硬度測(cè)定和天然水高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定，這是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生按照自己的喜好取樣，可以取宿舍的自來(lái)水、噴泉的景觀水、翠英山腳下的渠水，甚至也可以取市場(chǎng)上養(yǎng)魚(yú)的水。當(dāng)然不同的樣品有不同的前處理方法，實(shí)驗(yàn)步驟也會(huì)略有差異，這恰好可以引導(dǎo)學(xué)生自主預(yù)習(xí)、自行設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的形成。

3 優(yōu)化考核方式

化學(xué)化工學(xué)院每年招收全日制本科生220人左右，實(shí)驗(yàn)平行班級(jí)8個(gè)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)平行班安排2位實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師和1位研究生助教。為保證平行班級(jí)成績(jī)?cè)u(píng)定的公平合理性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心制定了實(shí)驗(yàn)成績(jī)給分標(biāo)準(zhǔn)。單次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的給分比例是預(yù)習(xí)與記錄10%、實(shí)驗(yàn)操作40%、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào)告40%和紀(jì)律與衛(wèi)生10%。實(shí)驗(yàn)課程考核實(shí)行多元化考核方式，平行實(shí)驗(yàn)班期末統(tǒng)一安排實(shí)驗(yàn)考試和實(shí)驗(yàn)筆試考試，平時(shí)實(shí)驗(yàn)、小組討論和期末實(shí)驗(yàn)考試為過(guò)程性考核，學(xué)生總評(píng)成績(jī)中過(guò)程性考核占比75%–80%，期末實(shí)驗(yàn)筆試考試成績(jī)占比20%–25%。

2020年由于疫情的影響，學(xué)生返校后需在6周時(shí)間內(nèi)完成分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，故沒(méi)有組織聚集性的實(shí)驗(yàn)筆試考試?，F(xiàn)對(duì)2018和2019年學(xué)生成績(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，圖4是2016、2017兩個(gè)年級(jí)16個(gè)平行實(shí)驗(yàn)班級(jí)的過(guò)程性考核成績(jī)和筆試成績(jī)的班級(jí)平均成績(jī)分布圖。從圖中可以看出，學(xué)生的過(guò)程性考核成績(jī)分布較均勻，并且實(shí)驗(yàn)筆試考試成績(jī)總體低于過(guò)程性考核成績(jī)。說(shuō)明學(xué)生在老師的引導(dǎo)下都能積極自主地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)操作，能夠合理記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。盡管學(xué)生動(dòng)手能力較強(qiáng)，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的實(shí)驗(yàn)原理和理論知識(shí)掌握還略有欠缺，而且學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度差異較大。圖4中兩個(gè)年級(jí)的化學(xué)基地班實(shí)驗(yàn)筆試考試平均成績(jī)明顯高于同年級(jí)其他化學(xué)班，說(shuō)明基地班學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度要優(yōu)于普通化學(xué)班學(xué)生?？己朔绞降膬?yōu)化改革能清晰反映出學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，同時(shí)也能有效激勵(lì)學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)實(shí)踐與理論的結(jié)合并深度挖掘、掌握自身欠缺的理論知識(shí)。

圖4 2018、2019年分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)班級(jí)平均成績(jī)分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是傳授化學(xué)知識(shí)和基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、訓(xùn)練科學(xué)的思想和實(shí)驗(yàn)方法、培養(yǎng)科學(xué)的精神和工作能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)和自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，需要我們認(rèn)真研究。蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院近3年分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法改革可以總結(jié)如下：首先，教師應(yīng)樹(shù)立“以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向”的新的教學(xué)理念；其次，教學(xué)方法改革為以學(xué)生為主體、教師為引導(dǎo)的多元化教學(xué)方式；最后，優(yōu)化考核方式，增加學(xué)期末的實(shí)驗(yàn)筆試考試。新的教學(xué)方法實(shí)施三年來(lái)，在引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、積極性、進(jìn)取性和創(chuàng)造性上都取得了一定的效果。