化學實驗中的科學研究方法訓練和實踐

摘 要介紹了以實驗教學改革為先導，以培養創新型人才為目標，樹立以學生為本，知識、能力、思維、素質全面協調發展的教育理念和以能力培養為核心的實驗教學體系，并結合光催化降解環境污染物的實驗實例，闡述了對學生進行科學研究訓練的一般方法。

關鍵詞 實驗中心；教學體系；科研訓練

中圖分類號：O6-3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2008）02－0035-03

培養具有創新能力的人才是當前本科教學改革的重要內容之一。化學是一門實驗學科，實驗教學在整個化學教學環節中占有十分特殊的地位，不僅要使學生加深對化學基本理論和基本概念的理解，訓練學生熟練的實驗技能，更重要的是，培養學生的創新能力和創新素質。

強調化學類創新型人才的培養，要更加重視實驗教學。創新不能憑空而來，而是來自于實踐和實驗。在教學改革中，教學體系和教學內容的改革是教學改革的重點和難點。教學內容必須服從人才培養規律，而教學方式的改革同樣也非常重要，改革教學方式首先要轉變教學觀念，即由教學向教育轉變，由傳授知識向傳授學習知識的方法轉變，由主導學生向服務學生轉變。

1 探索新的教育理念

著名化學家戴安邦教授指出“化學教育既傳授化學知識和技術，更訓練科學方法和思維，還培養科學精神和品德”，“化學實驗課是實施全面化學教育的最有效的教學方式”，這充分體現了化學實驗在培養人才方面的重要性。

實驗中心是大學的心臟，是培養學生實踐能力和創新能力的重要場所，是培養學生創新能力的主戰場。化學學科實驗中心是高校改革的產物，順應了高等教育改革和發展，其建設必須樹立以學生為本，建立知識傳授、能力培養、素質提高、協調發展的教育理念和以能力培養為核心的實驗教學理念。為此，實驗教學的目標不是簡單地驗證理論，而是提高學生的實踐能力和培養創新精神，全面提高學生素質。在課程體系和內容上，增設化學與化工、材料、生物以及環境科學等學科交叉的內容，注重學生學科綜合知識和綜合能力的培養，建立“厚基礎、大綜合、寬口徑”現代教育理念。

1.1 實驗中心的建設定位以實驗教學改革為先導，融實驗教學、科學研究和社會服務為一體，建設一個面向全校化學、化工、材料等學科的實驗教學人才培養基地。樹立以學生為本，知識、能力、思維、素質全面協調發展的教育理念和以能力培養為核心的實驗教學體系，建設滿足現代實驗教學的高素質實驗教學隊伍，建設儀器設備先進、資源共享、開放服務的實驗教學環境，建立現代化高效可行的管理體制，全面提高實驗教學水平，為實驗教學、科學研究、培養人才和學科建設服務。

1.2 實驗教學體系 明確學科實驗中心的建設目標，高標準構建科學的實驗教學體系，規劃了學科實驗中心的整體建設方案。

以實驗教學改革為先導，實驗教學要從過去的知識技能型轉變為能力培養型，以能力培養為核心。筆者修改了實驗教學大綱，整體優化了課程設計，增加了綜合性和研究型實驗，改革實驗教學方法，建立了化學實驗教學平臺和完善的化學學科實驗教學新體系（圖1）。制定化學實驗及各專業實驗課程人才培養計劃，改革教學內容和教學方法，形成適合實踐能力和創新能力培養的教學體系。

在教學計劃和課程大綱制定中，首先增加實驗學時數，基礎化學實驗、儀器分析實驗、綜合化學實驗和化學專業實驗分別獨立設課。其次在實驗內容和項目上，提高了綜合和設計性實驗比例，增加了能反應學科前沿的最新研究成果。結合專業課程建設，面向化學專業高年級學生開設綜合化學實驗和化學專業實驗，開設反映學科綜合和學科前沿的研究成果，實現了實驗教學內容的整體規劃，多層次結合，學科交叉，逐層推高，有利地提高了學生綜合能力的養成，使其更符合培養人才的目標。綜合實驗和專業實驗，按照加強基礎、淡化專業、分類教學、通才培養的方針，以能力培養為核心，取消了以二級學科為主，實驗內容過窄，實驗技術單一的實驗，在化學一級學科上建立了內容交叉，涵蓋2個二級以上學科知識的綜合，將基本理論、基本實驗技能、合成與制備、測試方法、結構表征、性能測試等方面融為一體，全面提高學生實踐能力，培養創新精神。

加強化學學科實驗中心內涵建設，建設儀器設備先進、資源共享、開放服務的實驗教學基地。建設一批設備先進、管理科學、有一定規模效應和持續發展能力、能滿足各個層次教學需要的標準化實驗室，為化學相關專業實驗教學和實踐創新人才培養提供重要支撐。

建立開放實驗室網上預約平臺，逐步完善實驗室開放機制，建立健全開放項目庫建設。面向全校化學及相關專業本科學生開放實驗室。

2 科學研究方法的訓練

在科學研究一般方法的訓練階段，教師主要傳授科學研究的基本過程及方法，引導學生通過研究獲得最佳實驗條件，同時培養學生嚴謹和實事求是的科學態度。

在綜合設計型實驗階段，學生獨立運用所學知識和實驗技術解決實際問題，可以提高他們分析問題和解決問題的能力，在實驗設計的思想、實驗方法的形成、實驗技能的培養、實驗論文的撰寫等多方面得到全面的系統訓練。綜合設計型實驗一方面是對學生基礎技能的全面訓練，另一方面也能培養學生的創新能力。

筆者以綜合設計性實驗“光催化降解環境中的有機污染物”為例，闡述科學研究方法的訓練。光催化氧化技術是一種高級氧化技術[1]。該技術是利用光催化劑在光照的條件下能夠產生強氧化性的自由基，該自由基能將幾乎所有的有機物徹底降解，并最終生成H2O、CO2等無機小分子，加上光催化反應還具有反應條件溫和，反應設備簡單，二次污染小，操作易于控制，催化材料易得，運行成本低，可望用太陽光為反應光源等優點[2]。近年來，人們圍繞光催化劑活性的提高以及降低反應成本等方面進行了大量的研究，相關文獻每年都有百篇以上[3]。

TiO2光催化反應過程可概括為以下幾個步驟[4]:

目前，制備納米TiO2的方法可歸納為氣相法和液相法兩大類。合成納米TiO2的液相方法主要有液相沉淀法、溶膠—凝膠法、醇鹽水解（沉淀）法、微乳液法以及水熱法等。液相法具有合成溫度低、設備簡單、易操作、成本低等優點，是目前被廣泛采用的制備納米TiO2的方法。

光催化降解環境中的污染物是近年研究熱點，據查詢，近兩年中關于該課題研究的國家自然科學基金就有100多項。本實驗選擇環境中的有機污染物為研究對象，以自制納米TiO2為催化劑和小功率紫外燈為光源，在自制光反應器上考察光催化劑投加量、溶液初始pH值、溫度和H2O2濃度等幾個因素對光催化氧化降解剛果紅速率的影響，可確定了光催化降解的最佳實驗條件，可采用了正交試驗設計方案對光催化降解反應的影響因素及反應條件進行優化。

學生可通過本實驗了解光催化的基本原理，掌握環境有機污染物降解的實驗方法和光催化降解的動力學參數測定，掌握光催化中紫外光源的使用及有機物的光譜分析法。從學科跨度上講，該實驗中的納米光催化劑的合成涉及無機納米材料合成；光催化劑合成方法學以及改性實驗涉及實驗設計和高分子化學；光催化劑降解效能、檢測涉及到分析化學的檢測方法以及實驗條件的優化；光催化降解動力學涉及化學建模方法和物理化學的基本理論研究；光催化反應器設計還包括工程設計方面的研究內容。選擇這樣的實驗內容有助于開闊學生的思路，在化學一級學科層面上培養厚基礎、寬口徑、視野開闊的社會所需要人才；培養學生的科學思維方法和分析問題、解決問題的實踐能力；該實驗的設計為學生的創新能力訓練提供了一個非常好的平臺。

該實驗的另一個重要特點就是探索性和創造性的統一，要求學生大膽假設，多方求異、突破束縛、創造性的提出解決問題的方法和途徑，無論是從實驗思想、實驗方法、實驗原理的應用還是實驗儀器的選擇、實驗步驟的進行都要求學生具有一定的創造性，要求學生學會選擇與重組實驗信息，尋求變異。

令人欣慰的是，不少學生在查閱文獻的基礎上，提出了一些新的想法，例如，有些學生提出了采用過硫酸鉀、溴酸鉀代替雙氧水為氧化劑，有些同學提出了納米二氧化鈦的水熱合成方法，有些學生就光催化反應器的設計及高效運行提出了一些有效的建議，實驗結果令人滿意。

本次綜合設計性實驗參試學生為化學院的4個班級，共計120人次。調查結果顯示， 96%以上的同學對綜合設計型實驗表現出極大的興趣，并且投入大量的時間和精力完成了這項工作。

3 結論

實施創新教育，必須以實驗教學改革為先導，實驗教學要從過去的知識技能型轉變為能力培養型，構建以能力培養為核心的實驗教學平臺。通過該平臺，能充分發揮學生的聰明才智和主觀能動性，提高其發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力，使學生在實驗設計的思想、實驗方法的形成、實驗技能的培養、實驗論文的撰寫等多方面得到全面的系統訓練，進而全面提高學生的創新能力和創新素質。

參考文獻：

[1]L.C.Macedoa， D.A.M.Zaia， G.J.Mooreb， et al..Degradation of leather dye on TiO2: A study of applied experi

mental parameters on photoelectrocatalysis[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry，2007，185:

86-93

[2]Chun-Hsing Wu， Jia-Ming Chern. Kinetics of Photocatalytic Decomposition of Methylene Blue[J].Ind.Eng.Chem.

Res.2006，45:6450-6457

[3]戴樹桂.環境化學進展[M].北京：化學工業出版社，2005，8:487-515

[4]T. Aarthi， Giridhar Madras. Photocatalytic Degradation of Rhodamine Dyes with Nano-TiO2[J].Ind. Eng.Chem.Res.

2007，46:7-14