大型儀器開放式實驗教學與學生創新能力培養的探索與實踐

林興桃，王小逸，客慧明，劉淑珍，任海榮

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

學生創新能力的培養是目前高等教育的重要使命。學生創新能力的培養貫穿于教學的各個環節，其中最重要的、最現實的、最有效的方法就是重視、加強和改進實驗教學［1］。實驗教學是學生獲得知識和能力訓練的重要途徑，是創新教育的重要環節，在創新人才培養中起著其他教學環節不可替代的作用［2］。大型儀器是高校的寶貴資源，代表著先進的專業測試水平和發展方向，是創新人才培養的重要工具。熟練掌握大型儀器將為創新人才的培養發揮重要作用。

1 大型儀器實驗教學現狀分析

近年來，雖然學校添置了一些大型儀器，但大型儀器的總量仍相對較少，開設實驗時無法滿足所有學生都動手操作的需求，而在實驗周外，又出現大型儀器閑置的現象。大型儀器由于價格昂貴、結構復雜、操作規范性要求較高，有些儀器完成一個樣品的完整測試所需時間較長，也使實驗教學受到了一定的限制。目前大型儀器實驗教學主要以演示教學、軟件操作的虛擬教學和限定時間、內容的多人一組大輪轉的現場實驗教學為主，學生缺乏思考的空間，只是按照教師規定的動作進行操作，學習主動性差。

2 開放式實驗教學的優勢

開放式實驗教學打破了傳統實驗教學的束縛，在實驗課程內容、教學方法、教學管理等方面進行了大膽改革和創新，強調學生在實驗教學中的主體地位。在實驗教學中教師只提出要研究的問題，不提供具體的實驗方法，讓學生自己查閱資料、設計實驗方案，經教師審閱后由學生獨立進行實驗，記錄分析數據，最后提出實驗結果和報告［3］。開放式實驗教學要求在“實驗時間、實驗空間、實驗項目、儀器設備”等方面對學生開放，使學生真正成為實驗教學的主體。這種開放式實驗教學模式提高了學生的學習興趣及學習自主性，鍛煉了學生獨立分析問題、處理問題的能力［4］。

目前，大型儀器實驗教學由于設備套數較少，難以在同一時間內滿足眾多學生的實驗需求，使得學生在實驗時間、實驗內容等方面均受到一定的限制。而開放式實驗教學在“實驗時間、實驗空間、實驗項目、儀器設備”4個層面開放的教學模式，使得學生能夠在不同的實驗時間選擇不同的儀器進行不同實驗項目的實驗，這種教學模式，能很好地解決大型儀器數量少和學生實驗需求量大之間的矛盾［5］。因此，開放式教學模式在大型儀器實驗教學中的應用，不僅能使實驗型儀器得到充分利用，更重要的是能夠激發和培養學生的實驗興趣，提高他們的創新能力。

3 大型儀器開放式實驗教學的探索

開放式實驗教學模式已在多所高校和多個學科中開展，并取得了較好的成效。1994年，中山大學在國內率先提出并實行“開放式”實驗教學［6］，之后，全國各省市大學也根據自身特點紛紛開展開放式實驗教學研究［7－9］，但是研究對象主要是一些涉及面廣的基礎實驗課，對于大型儀器的開放式實驗教學研究較少［10］。我校在借鑒外校開放式實驗教學的基礎上，進行了大型儀器開放式實驗教學的探索。

3.1 在不同實驗課程中開展開放式實驗教學

開放式教學要求以學生為主體，賦予學生自主權，讓學生對學習產生興趣，形成對問題探索的自主性。開展大型儀器開放式實驗教學，首先要使學生對儀器產生濃厚的興趣，有學習研究的欲望，且能讓學生在利用儀器解決實際問題的過程中體會研究的艱辛與快樂，提高創新思維能力。因此，我們通過在“創新綜合實驗”、“儀器分析實驗”和“創新實驗課程”這3門相關實驗課程中開展大型儀器開放式教學，使不同的課程滿足不同的教學目標，如圖1所示。

圖1 不同實驗課程的教學目標

“創新綜合實驗”是我院大二學生小學期課程，屬于綜合設計類實驗，學生可以自主選擇4 個實驗項目，在2周時間內完成所有實驗并提交實驗報告。每個實驗項目要求學生自己設計實驗方案，配備所需的實驗溶液，自主進行實驗。如“阿司匹林（乙酰水楊酸）的制備和鑒定”這個實驗項目，不僅要求學生制備出阿司匹林，還要求學生對制備出的樣品利用紅外光譜確認結構，以及利用色譜進行純度測試。這是學生首次接觸大型儀器，學生對儀器的功能和用途表現出很大的興趣，激發了學生進一步學習儀器結構和原理的欲望。

“儀器分析實驗”是我院環境科學、環境工程和應用化學專業學生的專業實驗課，在這門實驗課中我們注重加強學生對儀器原理、結構的學習，進一步規范儀器的操作方法，熟悉儀器的應用領域。課程對學生進行實驗時間、實驗內容的開放，學生可以自由選擇6種儀器在規定的時間段內預約實驗，解決了由于實驗設備少導致的學生動手機會少的問題。

在學生掌握了儀器的基本原理和操作技術后，我們通過“創新實驗課程”進一步提高學生的創新能力。“創新實驗課程”是我院針對高年級學生開設的實驗選修課，課程主要以小課題的形式出現，課題的結果具有未知性。實驗課題可以是學生自主提出，也可由教師提供。學生在找到自己感興趣的研究課題后，組成課題研究小組（一般2～3人1組），獨立查閱資料、設計實驗方案，經教師進行可行性審查后，由學生獨立實施課題的研究方案和內容。在整個課題研究階段（一個學期），實驗室對學生實行“實驗時間、實驗空間、實驗試劑、儀器設備”的全方位開放，學生可在與指導教師商定好的課余時間內在實驗室進行課題研究，可根據課題需要列出所需的試劑和儀器設備，并在課題階段預約使用大型儀器。課題研究過程中，學生遇到問題可與指導教師討論，共同探討解決辦法。實驗完成之后需將研究結果整理成論文，并進行答辯，教師將根據實驗設計、實驗論文寫作水平和答辯的結果給予評分。這門課程讓學生在利用儀器解決實際問題的過程中提高了創新能力。

通過以上3門實驗課程的開放式教學，學生基本可以掌握大型儀器的原理和使用方法，并且在利用大型儀器設備完成實驗項目的過程中鍛煉創新能力。

3.2 與學科競賽、星火基金等學生科技活動相結合

對于沒有選修“創新實驗課程”的學生，可以通過參與學校的星火基金項目和化學實驗競賽等科技活動獲得創新學分，培養創新能力。我們結合本科生的星火基金項目和大學生化學實驗競賽等活動開展大型儀器開放式實驗教學，對于參與本科生星火基金項目課題研究的學生，在課題研究期間，可以根據課題需要預約使用大型儀器。另外，我們結合近年來北京市大學生化學實驗競賽及學校的大學生化學實驗競賽，為感興趣的學生提供更多的機會進行大型儀器的相關實驗，進一步鍛煉和提高學生的創新能力。

3.3 開展儀器短期培訓

將大型儀器設備的開放式教學與本科生和研究生畢業論文環節相結合，對有需求的研究生和畢業班本科生進行短期培訓，取得儀器的上崗資格后，學生可以利用大型儀器完成畢業論文，提高科研創新能力。

4 效果與展望

在實驗學時普遍減少的情況下，通過大型儀器設備的開放式實驗教學，切實培養了學生的創新能力。

開放式實驗教學以學生為主體，強調探索研究性學習，取得了較好的教學效果，提高了學生的創新能力。但是，由于開放式教學引起的實驗教師及實驗室工作人員工作負擔加重、實驗室管理難度加大等問題，還需要進一步思考和解決。

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［1］武高輝，楊韜，趙希文，等.本科生創新精神與實踐能力培養體系的構建與實踐［J］.高等工程教育研究，2002（3）:21－23.

［2］汪雅棋，趙虹，沈超明.實驗教學與培養創新人才［J］.實驗技術與管理，2009，26（12）:127－129.

［3］梁桂英，王春曉.開放實驗教學提高學生創新能力［J］.高師理科學刊，2007，27（1）:91－93.

［4］劉志軍.實驗改革和實施開放實驗模式的創新實踐［J］.實驗技術與管理，2006，23（1）:17－19.

［5］盧艷軍.開放式實驗教學模式的探討［J］.實驗室科學，2009（1）:23－26.

［6］王金發，何炎明，戚康標，等.“開放式、研究性”實驗教學模式的創立與實踐［J］.高等理科教育，2007（6）:97－100.

［7］沈超明，黃海燕，汪雅棋.工程力學實驗開放式教學探索［J］.實驗技術與管理，2007，24（10）:355－357.

［8］陳安瓊，劉虹.關于電大物理實驗課開放式教學的幾點思考［J］.云南電大學報，2002，4（2）:59－60.

［9］龔福忠，童張法，蔡民廷.對我院開放性創新實驗教學改革的幾點思考［J］.廣西大學學報:哲學社會生活版，2006，28（10）:113.

［10］張峻松，張文葉，王建民，等.利用儀器分析開放實驗提高學生創新能力的研究［J］.安徽農學通報，2009，15（18）:176－177.