原创《学研结合型化学实验课程和实践》
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化学是一门以实验为基础的自然科学,贯穿于整个大学化学本科教育.从实验中发现问题、分析问题、解决问题、总结规律,并提出相应的理论是化学学科建立和不断发展完善的根本途径.从教学的角度来考虑,如何让学生学到“活”的知识,而不是“死”的理论,如何突出化学的实践性,让学生理解化学理论而不是机械地记住这些理论对于培养学生的学习兴趣以及综合学习能力至关重要.而其中核心的一个环节就是实验教学.传统的实验教学为了加强学生对理论知识的理解,大多是一些验证理论知识的实验,且整个课程以老师教授为主,学生只是临摹重复,不利于培养学生的学习兴趣、主动性和创新思维.而探究型实验虽然能够极大地调动学生的兴趣以及积极性,利于学生学以致用,但是一个完整的探究型实验往往耗费的时间成本和金钱成本都比较高,因此目前也很难全面推广.随着社会经济的发展,人才培养目标的要求越来越高,社会需要更多知识技能全面、应用创新能力强的大学本科毕业生,这就更加凸显了本科实验教学的重要性.针对实验教学的问题,国内外高校在实验教学内容和方法上已经进行了很多有益的探索和改革,以期培养素质高、能力强的专业人才.芝加哥州立大学的Van Duzor提出了一种DEOI实验教学法（Decision/Explanation/Observation/Inference）,在传统的验证型实验的基础上,改变学生撰写实验报告的模式,从而促使他们进行思考,仔细琢磨实验中的操作和现象以及对每一个步骤和现象提出合理的解释.这种“以写促学”的实验教学模式强调了实验中思考的重要性,促进了学生将学到的理论知识和实验结合起来,加深了学生对理论知识的理解.卧龙岗大学的Jolley等人则利用分析化学实验课前的可视化演示和理论考核来加强学生对实验所涉及的基础知识的掌握,鼓励学生进行批判性思维,让学生在做实验前知道自己要做什么,从而自发地进行实验而不是现场临摹老师的行为.国内各高校也积极推进实验教学示范中心的建设,提出了循序渐进的实验教学模式等.我校以培养大学生基本实验操作能力、知识综合应用能力、发现与解决问题能力、创新能力等“四项能力”为目标,根据学生对知识内容的掌握程度,对化学实验教学的课程体系、实验内容、实验方法等进行了改革,提出了三层次实验教学法（图1）：基本技能训练实验、知识转化综合实验、科研应用创新型实验,学研结合、由浅入深、循序渐进地对学生的各项能力进行培养.特别是创新性地将科学研究融入到实验教学中,让本科学生真正参与到研究生的科研项目中去,在科研项目中将理论知识和科研技能融会贯通,进而全面地提高各项能力.
一、基础技能训练实验
基础技能培训实验主要针对第一、二学年的学生,其核心课程包括大学化学实验、无机及分析化学实验、物理化学实验和有机化学实验.每门课程的授课平均为10节课,一节课通常为4个课时,总包含40个实验项目.实验课程结合理论课程的基本要求,对内容进行了不断优化,尽可能全面地涵盖了最核心的基础化学理论以及化学实验基本操作.课程以验证性实验为主,主要培养学生最基本的实验素养和能力,要求学生掌握基本的实验操作技能,如正确使用实验仪器,认真观察、准确记录实验现象,利用理论知识解释实验现象,分析处理实验数据,针对结果撰写实验报告以及提出进一步实验假想.基础技能训练实验主要采用“老师教学,学生模仿”的形式,同时借鉴VanDuzor提出的“以写促学”的方法,设计了新型的实验报告问答模板（图2）,能够充分调动学生课前学习的积极性,促进他们思考以及利用理论知识,将理论、实验和现实生活有机结合起来,进而在理解理论知识的基础上更好地掌握实验操作技能.其次,在实验课程中,非常重视学生的动手能力,要求每个学生必须掌握基本的实验操作要领,并将实验技能纳入课程考核之中,让学生重视实验技能,最终熟练掌握基础实验技能,为后续的学习和科研打好基础,促使学生全面提高综合素质.
二、知识转化综合实验
知识转化综合实验建立在基础技能培训实验的基础上,主要针对二、三年级的学生,其核心课程包括综合化学实验课程I和Ⅱ.课程以半开放性实验为主,重点培养学生设计实验方案,综合运用各种基础知识、各类实验仪器以及发现和解决问题的能力.这种半开放性实验中老师主要起引导学生进行科研思考的作用,而不是传统的手把手教授,充分调动学生的主观能动性,让学生自我发现解决问题的途径和方法.为了让学生能够顺利完成实验方案的设计以及相关数据的采集,采用组队实验的形式,加强学生之间的交流讨论,形成良好的团队协作精神.综合化学实验一节课为4个课时,二节课完成一个实验（具有固定的实验课题）,一门课总共8个半开放性实验,64个课时.每个实验的时间安排都很充足,充分模仿科研训练,给学生试错的机会.为了不损害学生的学习积极性,课程按照由易到难的形式进行排课,让学生逐步理解真实的科学研究流程.同时,在两次课程中间增加答疑时间,帮助学生完善实验方案的设计（图3）.此外,这种半开放性实验不以实验结果为唯一考核标准,主要注重学生解决问题以及综合运用理论知识的能力.以SiO2纳米微球的制备实验为例,我们将课程相关的阅读材料和PPT提前上传到实验教学中心网站,要求学生进行预习.课堂上,老师简单介绍Stober法制备SiO2纳米微球的原理以及相关的影响因素,并给出一个常规的合成路径,然后要求学生自行选择三个实验条件进行考察.学生根据自己的研究兴趣,自行设计实验方案,可以考察不同合成温度、不同氨水浓度、不同醇的种类、不同正硅酸乙酯的浓度对制备样品的影响等.学生根据自行选择的条件进行实验,然后分析得到的实验结果,并结合理论知识进行解释.
三、科研应用创新实验
科研应用创新实验建立在知识转化综合实验的基础之上,主要针对三、四年级的学生,其核心课程为科研实践课,此外还包括大学生科研训练和创新性实验项目（RTCAP,Research Training and Creative ActivityProgram）.在这个课程中,老师不再承担授课的任务,而是将学生加入到各个研究生实验室中,让他们听取相关研究小组的组会报告,参与研究生的真实科研项目（无固定的实验课题）,为毕业设计以及研究生学习打下基础.科研应用创新实验将实验教学与科研训练融合起来,培养学生的科研思维与创新能力,让他们能够针对实验需求选择实验仪器和方法,真正熟悉科学研究,发掘自身的创新潜力.例如,环境科学与工程系有光催化污染物降解实验室,学生通过加入该实验室可以了解光催化的研究进展,与研究生一起学习文献阅读、文献检索,然后了解光催化实验的一些基础表征手段,将基础技能训练实验和知识转化综合实验的相关知识灵活运用起来.比如为了探究TiO2的不同晶型结构,可以采用XRD对粉末样品进行分析；为了探究染料等污染物的降解速率,可以采用紫外分光光度计对吸光度进行测试；为了探究光催化剂的稳定性,设计稳定性实验方案等.这些课题中一个个小的组成部分都是基础和综合实验的内容,而在科研应用创新实验中可以让学生真正地融会贯通.此外,学生可以在研究生师兄师姐的指导下,了解如何从文献中提炼研究课题,如何自主设计实验方案,碰到实验难题如何设计实验进行解决等（在此过程中教师只起辅助作用）,这些科研实践对于学生顺利进行毕业设计大有益处,也能够为日后研究生学习或者工作打下良好的基础,同时也有助于学生开拓自己的创新思维.科研实践课和RTCAP不拘泥于传统的授课形式,解放了学生的学习天性,真正将学与研结合起来,是实验教学中一种崭新的模式.这种方式有助于激发学生学习的主动性和积极性,提高学生独立思考、分析问题和解决问题的能力,并且课程通过论文的形式对学生进行考核,能够全面考察学生的科研素养、创新能力等.
四、实验教学改革成效
通过“三层次实验教学法”的实践,学生的学习积极性、主动性和实验技能得到了明显提高,其科技创新意识和能力也显著提升.实验教学中学习与科研的有机结合激发了学生的科研兴趣.学院每年参加各项实验训练项目的学生人数高达60余人,这些学生都普遍表现出较强的科研素养以及创新能力.学生的科技立项数逐年增加,据统计,2013年至今,获奖的省级以上的大学生创新项目就有20余项.同时,本科学生通过创新实验,先后在国内外各类学术期刊上如ScientificReports、Materials Letters发表学术论文30余篇.本科学生有5人在国际大赛中斩获名次.另外,由于学生表现出较强的基础知识应用能力以及动手实践能力,受到了用人单位的青睐.目前,已有10余家企业主动与我院建立了长期的实习基地,毕业生在相关行业也受到了充分的认可与赞扬.
五、结语
从基础技能训练、知识转化综合实验到科研应用创新实验,这种层层递进的实验教学方法,一步一步地将科学研究融入到实验教学中.通过“学研结合”式的新型实验教学改革与实践,学生的基本实验操作能力、知识综合应用能力、发现与解决问题能力、创新能力等“四项能力”得到了很好的锻炼,学习的积极性、主动性也有了大幅提升,改变了以往应付、机械性的实验态度,提高了就业竞争力.为了进一步优化“学研结合”式的新型实验教学法,在今后的实验教学中,我们还应该学习和借鉴其他新兴的、有益的实验课程设计思路,不断完善目前的“学研结合”体系,使之更加科学与合理.
化学实验论文参考资料：
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