在基礎化學實驗教學中培養學生創新能力的認識與實踐

何紅運 胡瑞祥 何震

(1湖南師范大學化學化工學院 湖南長沙410081;2中南大學化學化工學院 湖南長沙410006)

近年來，我國高校教師對于如何在實驗教學中培養大學生的創新素質、創新意識和創業能力做了大量探索，例如將單一的基本操作訓練更改為訓練內容與小綜合實驗相結合，增加綜合實驗項目比例，構建“一體化、多層次，開放式”的實驗教學新體系［1］;將科研項目向教學項目轉化，著力開設研究型與設計型實驗，建立創新實驗平臺或基地［2-5］;利用網絡教學平臺和多媒體技術開展實驗教學［6-7］等。本文從基礎化學實驗教學內容與方法的角度出發，談談我們對培養學生實踐能力與創新能力的幾點做法。

(1)釆用設問教學，培養學生的創造性思維能力。

在基礎化學實驗教學中，可以通過科學設問讓學生逐步理解每個實驗操作的道理，有意識地培養學生的發散性思維能力。發散性思維是對同一問題探索用不同方式思維的過程和方法。例如大多數化工產品的制備與提純離不開濃縮結晶步驟，在傳統的基礎化學實驗中就多次出現這一操作，但不同的實驗要求也不同。如氯化鈉的提純實驗，在濃縮結晶時，用小火加熱濃縮至稀粥狀為止;在硫酸亞鐵銨的制備實驗中，水浴加熱蒸發至表面出現一層晶膜;而明礬的制備實驗則要求在事先制得的酸性硫酸鋁溶液中加入硫酸鉀后加熱至硫酸鉀溶解為止。對于這樣一類簡單的實驗，其中卻蘊藏著很多可引導學生深層次思考的問題。對于氯化鈉的提純實驗，稀粥狀是什么狀態?其實誰也不能做出準確的描述，因為稀濃之間沒有明確的分界線。我們便設問引導學生思考，如果用8g氯化鈉原料，為什么要用30mL水來溶解?氯化鈉溶液經過除雜處理后還存在什么雜質?這些雜質的含量大致為多少?雜質的溶解度為多少?氯化鈉的溶解度隨溫度如何變化等等。經過對上述問題的討論，學生便明確了采用重結晶方法分離提純物質時，溶劑的量是根據提純物的溶解度來確定的，濃縮結晶時應留下母液的量也要根據物質的溶解度來判斷。氯化鈉溶液經過除雜處理后，只留下極少量溶解度相對較大的氯化鉀雜質，再根據氯化鈉本身的溶解度隨溫度變化很小，加熱時有多少結晶，冷卻后其量基本不變的特點，學生便能從理論上估算濃縮結晶時應大致留下多少母液來確定“稀粥狀”狀態。這樣既保證了氯化鈉產品的收率，又保證了質量。同時，根據硫酸亞鐵銨的溶解度隨溫度變化較大，明礬的溶解度隨溫度變化很大的特點，濃縮結晶步驟的控制就很容易掌握了。在教學過程中，我們有意將這3個實驗安排在3周內讓學生連續來做，以便讓學生系統掌握物質制備與分離提純的基本原理以及針對不同物質在實驗方案設計上的差別。實踐表明，當學生在做后續的設計性實驗“從硼鎂泥中提取七水硫酸鎂”時，都能編寫出可行的實驗方案。經驗告訴我們，一些傳統的實驗項目，雖然沒有創新的內容，但只要教師用心去教，同樣可促進學生的創新思維，提高他們的實際工作能力，實現傳承與創新的有機結合。

(2)通過引導解決問題，增強學生的實踐能力。

學生在實驗過程中會出現各種各樣的問題或錯誤，作為指導教師，應因勢利導地去引導學生分析思考，最終自主解決問題。筆者在一次指導學生做最簡單的酸堿滴定實驗時，用已知濃度的堿(裝在滴定管中)去滴未知濃度的酸(固定用量，裝在錐形瓶中滴定)，其中一名學生在做完3次平行測定后，發現用堿量兩兩之間相差10～20mL，且一次比一次多，均遠多于其他同學的用堿量。他思考了很久，找不到問題出在哪里，便去問指導教師。指導教師在對他出現問題的原因心中有數后，沒有立刻向他指出問題的根源，而是提醒他，請他仔細回顧一下做3次平行實驗時的實驗用品和操作上有什么差別或不同的地方。他思考了一下回答，除了每次滴定到接近終點時，用來沖洗錐形瓶壁的純水用量不同外，其他沒有什么不同，而純水的多少是不會影響滴定結果的。指導教師這時向他指出，問題就應該出在純水的用量不同上，純水瓶中裝的可能不是純水，而是酸。當這位學生看到他在實驗前誤以為是裝純水的大試劑瓶上的標簽醒目地寫著0.2mol·L-1HCl時，他既高興，又慚愧。高興的是問題得到了解決，慚愧的是他在取純水時沒有看標簽(因平時這個位置大試劑瓶中裝的就是純水)。類似的教學事例很多，只要教師因勢利導地去引導學生，就可以有效地培養學生分析和解決實際問題的能力。

(3)改進實驗內容，激活學生的創新意識。

愛因斯坦在《物理學的進化》一書中指出:“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數學上的或實驗的技能而已。而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步”。在基礎化學實驗教學過程中，我們注重教師同學生一起對傳統實驗內容進行改進，使內容單一的實驗成為綜合性實驗，使對環境污染較大的實驗成為綠色環保的實驗，使現象不夠明顯的實驗成為直觀性較強的實驗，等等。例如“天然水總硬度的測定”實驗，將過去同題實驗內容中的一個水樣改為含不同雜質離子的4個水樣供學生實驗，在實驗前，由學生到湘江不同河段和岳麓山不同泉水點取水。讓學生自查參考資料，設計實驗方案，在實驗前一周收齊學生的方案，教師批閱后，對存在明顯錯誤的，指導學生更正，最后讓學生獨立實驗，寫出報告。從收集的學生實驗方案來看，許多學生查閱了不少參考資料，測定方法多種多樣，大多合理可行。這樣就有效地培養了學生運用所學知識解決實際問題的能力和創新精神。在化學教學論實驗課中，為了讓學生充分了解中學化學實驗的特點與教學要求，掌握向中學生講解和演示實驗的教學技能，學會選擇、設計或改進中學化學實驗教學內容，具備從事中學化學實驗教學的良好能力，適應中學化學課程及教學改革的新環境，實驗教學中心近年來對該門實驗課的教學內容與方法進行了全面的改進，將學生分成小組，首先小組內學生分別做同一實驗，獨立寫出實驗總結和改進方法，編寫指導中學生實驗的教案，再由全組學生與指導教師一起進行講解，集體評課，在總結出一個好的教案后，到附近中學指導學生實驗，既當學生，又當老師。這樣既能激發學生的實驗積極性，增加他們的興趣，又有助于提高創新精神與教學技能。再如CuCl的制備，這是一個經典實驗，傳統的實驗方法是在10mL 0.2mol·L-1CuCl2溶液中，加入3mL濃鹽酸后加熱，直到溶液變成深棕色后，迅速將溶液傾入100mL蒸餾水中，觀察產物的顏色和狀態。這樣學生就必須在實驗時將溶液加熱煮沸10分鐘以上，若幾十名學生同時實驗，實驗室將充滿有毒的鹽酸蒸氣，刺鼻難聞，嚴重危害學生身體健康。我們在與學生一道分析這一實驗方法的弊端后，將實驗方法改為在一支大試管中加入2g左右NaCl(s)和0.3g左右銅粉，再加入3mL 6mol·L-1鹽酸和5mL 1.0mol·L-1CuCl2溶液，充分振搖試管，當溶液的顏色由深棕色變為淺色或近無色時，靜置試管，將上層清液小心傾入事先準備好的100mL去離子水中，觀察沉淀的顏色。改進后的方法，銅粉顆粒比銅屑細得多，可與液相反應物充分接觸，大大提高了反應速度;加入NaCl能提高溶液中Cl-濃度，有利于形成［CuCl2］-離子。學生在實驗時，只需要在室溫下振蕩試管1～2分鐘，便可完成實驗，既提高了反應速度，又消除了加熱產生鹽酸蒸氣對環境的污染。我們通過與學生一起對傳統實驗內容及方法進行改進，使學生充分認識到，在目前教學實驗中及人們生活生產諸方面存在的問題仍然很多，只要善于觀察、積極思考，改進創新的題材到處可取，創新不局限在尖端科技問題上。這樣就激活了學生的創新意識，對大學生創新實驗的開展起到了促進作用。

(4)強化基本操作，夯實學生的研究基礎。

新材料或新物質的制備離不開實驗，好的實驗方案依賴于一個個的實驗操作步驟來實現。一個微小的錯誤操作，就有可能導致整個實驗失敗。良好的實驗操作是學生未來從事創新研究的基礎。學生要掌握良好的實驗操作技能，除自身要刻苦練習外，還需要有教師的正確指導。對學生進行化學實驗基本操作技能訓練，是化學化工實驗教學的重要環節，在實驗教學過程中，我們主要采取了以下措施:①組織各門實驗課負責人及院內其他專家討論，進一步明確在各門實驗課中學生應掌握的實驗基本操作，按課程編寫化學實驗操作要點并印發給學生，每人一冊，使學生充分明確應掌握的實驗基本操作。②將學生應掌握的各門實驗課中的基本操作分解在具體的實驗項目中進行重點訓練，列出在各個實驗項目中對學生進行操作技能訓練的具體計劃。③強化實驗指導教師的責任，強調指導教師要在實驗中對學生加強指導，嚴格要求，并注意因材施教。為有效訓練學生的基本操作技能，對學生提出的一般問題只給予提示，引導學生獨立解決問題;必要時，也可做示范指導。對于學生應掌握的實驗基本操作，首次指導實驗的教師是第一責任人，后續實驗課程中有同樣的操作出現時，后續指導的全體教師是第二責任人。學生畢業時，對應掌握的實驗基本操作未掌握到位的，由學院教學委員會組織查明原因，必要時將追究相關教師的責任。在學生實驗時，指導教師除了要認真引導學生掌握實驗原理、弄清實驗方法、正確觀察與記錄實驗現象、獲取實驗數據并處理外，還要對學生的實驗基本操作進行具體指導，以便及時發現學生在實驗基本操作上存在的問題并進行糾正。④加強對學生實驗基本操作技能的考核。按課程制訂實驗操作技能考核辦法，按照實驗基本操作要求，在各門實驗課程結束前，對學生應掌握的基本操作逐一進行考核，指導教師有考核記錄，考核成績計入學生實驗總成績。

總之，對于基礎化學實驗的教學，我們經過多年的改革與探索，逐漸認識到，要培養高質量人才，一方面要從全局考慮，構建先進的實驗課程體系，改進實驗教學內容，創建良好的實驗教學環境，提高師資隊伍的水平［8］;另一方面，從低年級學生的基礎實驗教學開始，就要特別注重引導式教學，引導學生用腦去做實驗，而不是告訴學生只用手去完成教科書上的實驗任務，更不能只依賴在高年級學生中開幾個大綜合或研究性實驗來培養學生的創新能力;必須正確處理好傳承與創新的關系，努力挖掘學生的創新潛能，在著力建設創新實驗項目的同時，必須高度重視優秀傳統實驗項目的教學，這些項目除了在培養學生系統掌握實驗基礎知識和實驗基本操作技能等方面具有獨到之處外，同樣有許多可開發學生的智力、培養學生創新能力的內容，更是學生未來創新的基礎。如果只是過分強調創新，不注重學生的基礎與條件，則創新只能停留在喊口號上，導致學生只知道要創新，卻不知道如何去創新。以上是筆者從事基礎化學實驗教學的一點體會，希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］付穎，葉非.大學化學，2013，28(2):25

［2］樊冰，吳立群，林海旦，等.實驗室研究與探索，2011，30(6):80

［3］鄧克儉，陳棟華，伍明，等.大學化學，2013，28(2):22

［4］賈志謙.大學化學，2012，27(5):21

［5］楊丹.實驗室研究與探索，2011，30(7):1

［6］牛國興，高翔，徐華龍.大學化學，2012，27(4):27

［7］李愛峰，孫愛玲，柳仁民.大學化學，2012，27(5):26

［8］何紅運.實驗室研究與探索，2009，28(3):243