基于科研成果轉(zhuǎn)化的開放性創(chuàng)新化學實驗教學探索

蔣德敏 , 李順梅 , 李青青 , 陳雨欣

(重慶三峽學院 環(huán)境與化學工程學院 , 重慶 404100)

傳統(tǒng)化學實驗課程的教學實施主要以驗證性實驗為主,在教學實施過程中指導教師講解操作方法與注意事項,學生按照實驗步驟照方抓藥式操作均可以完成實驗。但學生在學習過程中自主探索的興趣較低,不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)。

科學研究具有創(chuàng)新性和探索性特點,將科研成果引入到實驗教學過程中,以科研題材設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗題目可有效提高實驗教學的創(chuàng)新性、探索性和研究性[1-2]。教師的科研主要以前沿科學探索和解決企業(yè)實際問題為導向,其研究成果具有前沿性和實用性,其實驗方案有多種方法可供學生自由選擇,學生可通過查閱文獻資料、選擇實驗方案完成實驗教學實踐。開放性實驗方案的設(shè)計過程中促進了學生自主學習的能動性。因此,選擇以科研成果為題材設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗可提高實驗教學的質(zhì)量與效果。

1 開放性創(chuàng)新實驗題目的收集原則

學院專任教師的科研主要涉及到資源與環(huán)境、新能源開發(fā)與存儲、新材料制備與應用等領(lǐng)域,可選擇的開放性創(chuàng)新實驗題目有“新型球狀氫氧化鎂凈化印染廢水”“鎳鈷基電極材料的制備及電化學性能”“微生物燃料電池在廢水處理及產(chǎn)能方面的應用”“親水性電極材料的制備及電化學性能”“石墨烯材料的制備及在電池中的應用”等。由于不同教師所從事的研究領(lǐng)域、難易程度等存在較大差異,為了便于本科學生自主獨立地完成開放性創(chuàng)新實驗,從中培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力,在收集題目時應遵循以下幾點原則。

1.1 可行性原則

教師科研成果所涉及的研究領(lǐng)域、研究內(nèi)容均較多,部分科研成果涉及較高的理論深度。在收集開放性創(chuàng)新實驗題目時應考慮其難易程度和工作量等是否適于本科學生,篩選收集適合于本科學生獨立完成的實驗題目。同時,由于有的科研實驗耗時較長,如果需要以年為周期的時間才能完成的實驗,學生利用課余時間難以完成開放性實驗的相關(guān)工作任務(wù)。因此,在收集開放性創(chuàng)新實驗題目時要考慮本科學生的基礎(chǔ)、時間等問題,篩選收集利于本科學生獨立、按期完成的可行性題目。

1.2 低成本原則

本科教學在收集開放性創(chuàng)新實驗題目時還應考慮教學運行的成本問題。如果專任教師提供的實驗題目,在教學實施過程中會出現(xiàn)原料試劑、表征手段等成本過高,這類科研成果題材所設(shè)計的實驗題目則不適于作為開放性創(chuàng)新實驗。在篩選收集實驗題目時應注意其運行成本,以保障所收集的實驗題目在教學運行實施過程中能夠順利完成。

1.3 安全性原則

實驗運行安全是實驗教學的基礎(chǔ)保障?？茖W研究實驗本身具有較高的探索性、創(chuàng)新性,使得部分科研實驗存在潛在的不安全因素。例如,“石墨烯材料的制備及在電池中的應用”這一題目,在運行過程中會涉及石墨烯材料的制備,由于石墨烯材料的制備通常采用高錳酸鉀-濃硫酸氧化剝離法,其制備過程具有極高的安全隱患,像這類具有明顯安全隱患的題目不宜選擇作為開放性創(chuàng)新實驗題目。同時,在篩選收集題目時,應關(guān)注相關(guān)題目所使用的化學試劑,若需要使用劇毒、高毒、易燃、易爆的藥品時,也不適宜作為開放性創(chuàng)新實驗題目。

2 開放性創(chuàng)新實驗的教學實施

開放性創(chuàng)新實驗開設(shè)的目的是培養(yǎng)學生的自主探索和創(chuàng)新能力,因此在實施過程中以學生為主體,并賦予學生自主能動性。指導老師起輔助作用,配合學生完成實驗。學生根據(jù)自己的興趣自由組隊選擇實驗題目,協(xié)作完成設(shè)計實驗方案和實驗實施過程,共同撰寫學術(shù)論文。

2.1 組隊選題

在教學實施過程中為了充分發(fā)揮學生的自主性,引導學生自主完成實驗的實施過程。在選題前由學生根據(jù)自己的興趣愛好自由組隊,每組成員一般為3～5人。指導教師提前2個星期通過“超星學習通”平臺將所收集的題目下發(fā)給學生。學生根據(jù)題目的內(nèi)容簡介,自主查閱文獻后選擇感興趣的題目。在組員中選取一位學生擔任組長,主要負責實驗進度的匯報和工作總結(jié)。

2.2 設(shè)計實驗方案

各學習小組在選取實驗題目后,根據(jù)實驗的內(nèi)容協(xié)作分工,在老師的指導下自主查閱文獻、設(shè)計實驗方案。例如學生所選題目為“新型球狀氫氧化鎂凈化印染廢水”,學生通過查閱球狀氫氧化鎂的制備方法及其在染料廢水處理方面的文獻,設(shè)計出新型球狀氫氧化鎂凈化印染廢水的實驗方案。指導教師根據(jù)實驗方案的初稿給出修改建議,學生反復完善修改后定稿作為實驗方案。為保障開放性創(chuàng)新實驗能夠順利實施,學生在方案設(shè)計過程中須列出所使用的設(shè)備儀器、藥品試劑等,指導教師根據(jù)實驗方案提前準備好相應的儀器和試劑。如果學生所列的藥品涉及到易燃、易爆、高度、劇毒等安全隱患時,指導教師及時與學生溝通交流,給出替代試劑,以保障實驗安全高效實施。

2.3 實驗實施

開放性創(chuàng)新實驗的教學實施過程相對較為復雜,由實驗室提供開放時間,學生自主完成實驗。學生在選擇實驗題目后進入開放實驗室了解所需設(shè)備的使用方法,熟悉開放實驗室的管理規(guī)章制度。開放性創(chuàng)新實驗由科研成果轉(zhuǎn)化而來,在實施過程中對實驗操作技能具有較高要求,指導教師需要現(xiàn)場監(jiān)督與指導。

2.4 學術(shù)論文寫作

實驗完成后,小組成員間協(xié)作分工,在指導教師的協(xié)助下完成數(shù)據(jù)分析。根據(jù)球狀氫氧化鎂對染料分子的等溫吸附數(shù)據(jù),利用Langmuir和Freundlich方程對吸附過程進行擬合,分析球狀氫氧化鎂對染料的吸附機制。根據(jù)指導老師下發(fā)的論文格式要求,小組成員共同完成學術(shù)論文寫作。

3 開放性創(chuàng)新實驗的考核評價

開放性創(chuàng)新實驗的教學目的是激發(fā)學生的學習興趣,促進學生自主探索與創(chuàng)新,從中培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。由于開放性實驗在運行過程中有別于傳統(tǒng)四大基礎(chǔ)化學實驗,因此開放性實驗的考核評價指標見表1。

表1 開放性創(chuàng)新實驗的考核評價指標

4 開放性創(chuàng)新實驗的教學反思

由于開放性創(chuàng)新實驗題目源于不同科研成果題材,其形式與內(nèi)容具有多樣性,相對于傳統(tǒng)化學實驗,又具有復雜性和特殊性,因此,在教學實施過程中遇到了很多困難和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)行的實驗室管理與儀器試劑領(lǐng)用制度給開放性創(chuàng)新實驗的教學實施帶來不便,比如學生有空時,然而開放實驗室未開放。建議在后期的開放性創(chuàng)新實驗運行實施過程中,周末兩天時間內(nèi)實驗室均開放,學生可以自主安排時間完成實驗。同時,學生的自主探索積極性還有待加強訓練,學生仍有較大的畏難情緒,當實驗實施過程中出現(xiàn)問題時不能自主查閱文獻資料解決,對指導教師的依賴性很大。在實驗運行實施過程中也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)實驗室衛(wèi)生未打掃,甚至有使用過的器皿未清洗、玻璃儀器擺放混亂的現(xiàn)象。因此,在后期的運行中需要進一步加強對學生的管理,嚴格落實各項規(guī)章制度。

5 結(jié)語

開放性創(chuàng)新實驗是對傳統(tǒng)化學實驗教學內(nèi)容的補充,給學生提供了一個自主創(chuàng)新與探索的實踐機會。以科研成果為題材設(shè)計開放性創(chuàng)新實驗,豐富了實驗教學的內(nèi)容和形式。通過開放性創(chuàng)新實驗的教學實施,不僅培養(yǎng)了學生的科學探索和創(chuàng)新精神,還培養(yǎng)了學生的團隊合作能力。