開設無機化學研究性實驗的實踐和總結

胡鍇 劉欲文 陶海燕 龔淑玲 程功臻

(武漢大學化學與分子科學學院 湖北武漢430072)

研究性實驗作為實驗教學體系的重要組成部分，與基礎實驗、綜合實驗共同構成了多層次的實驗教學體系。它是研究性學習的一種模式，是以學生為主體的實驗自主學習過程。其旨在通過學生自主解決實際問題來培養學生的探究能力，使他們像科學家一樣學習、思考和發現。無論是美國還是中國都將探究能力的培養納入化學人才培養的目標中［1-2］。

武漢大學自1991年在全國率先將研究性實驗引入化學專業低年級學生的實驗教學以來，一直在這方面進行積極的嘗試和改革。20多年來，無論是在實驗開設的流程系統，還是在實驗內容的選擇、教學方法的采用亦或是教學的形式等諸多方面都有所涉及，總結出了一套相對成熟的研究性實驗開設模式和一些可供參考的經驗。目前我們的研究性實驗已覆蓋所有化學及近化學專業的一年級學生，根據學生所在專業的特點合理安排實驗內容和課時。本文主要介紹化學專業一年級學生無機化學研究性實驗的開設情況，將從實驗開設概況、實驗實施體系、特色及經驗和展望4個方面展開。

1 研究性實驗開設概況

武漢大學低年級化學研究性實驗的開設首先是在無機化學實驗組進行試點。因此，研究性實驗教學一直是無機實驗教學的重要組成部分和特色之一。

在實驗開設之初，其授課對象僅為化學基地班學生。隨著教學的不斷深入，目前授課對象已經擴展到所有化學和近化學專業。除了授課對象的變化外，學時數也逐年增加，由最初的6學時發展到目前計劃內的30學時，約占無機化學實驗計劃內總學時的20%。2009年以前，研究性實驗開設時間為一年級下學期的后半段，即在學生已初步掌握一些基本操作、技能和無機物制備方法后，作為提高訓練。但對開設效果和學生反饋進行分析總結后，自2010年起，我們將研究性實驗分為研究性實驗Ⅰ和研究性實驗Ⅱ兩部分。研究性實驗Ⅰ在一年級上學期末開設，計劃內6學時。此實驗旨在通過一個短期訓練，讓學生初步了解研究性實驗的特點、基本的方法和流程，進而學會如何著手做研究性實驗，并為下學期的研究性實驗Ⅱ做必要的準備。研究性實驗Ⅱ在大一下學期開設，共24學時。相較于實驗Ⅰ而言，實驗Ⅱ的時間有較大幅度的增加。其目的是希望通過一個相對長時間的自主學習過程進一步培養學生分析、解決問題的能力，知識應用的能力和創新意識。此外，還希望通過探究性實驗的平臺初步培養學生團隊協助精神、科學論文寫作能力以及科學表達能力等。除了計劃內的30學時外，學生還可以利用周末的開放實驗時間進行實驗工作，累計學時數最多可達60。

研究性實驗開設20多年來，一直都是最受學生歡迎、學生參與度最高、反饋收獲最豐富的實驗項目。

2 研究性實驗實施體系

目前，我們的研究性實驗已經形成了一套完整的、有自我特色的模式。具體實驗教學實施包含選題、文獻調研、開題、實驗、論文書寫及答辯5個環節。實驗開設過程遵循了科學研究的一般流程。在整個教學活動中，學生始終是學習的主體，教師僅作為引導者，在適當的時候給予一定的幫助，如提供部分選題、給出建議、組織討論等。

考慮到一年級學生的實際動手能力，在課題選擇上，以教師提供為主，輔以部分學生自主選題。我們鼓勵學生提出自己感興趣的課題，但課題需經過教師評估通過后方可開題。教師在提供課題時會從學生實驗能力和興趣點、實驗室基本條件、科學發展方向及所在學院科研特點等多方面綜合考慮，充分發揮實驗教學中心和學院科研的優勢。實驗Ⅰ的課題選擇主要考慮學生入門問題和課時限制，一般不會太復雜。課題通常分為兩類，一類為學生根據自己的興趣，選擇一個課程內實驗進行改進或者某一感興趣的實驗點進行探究;另一類由教師提供，一般為簡單物質的合成及分析，如堿式鹽的合成及分析、簡單無機化合物的設計制備等。如表1為2013年我們結合學生本學期所學實驗開設了4個研究性實驗Ⅰ的課題。這4個課題均是學時內實驗內容的拓展和延伸，旨在通過這一過程，一方面讓學生了解研究性實驗的特點，為實驗Ⅱ打基礎;另一方面讓學生能夠體會到學以致用的意義，鞏固他們對實驗的興趣。實驗Ⅱ課題相較實驗Ⅰ會更貼近科學發展的前沿和學科特點，課題通常由實驗指導教師共同給出，一般為6～8個。如2013年我們提出了8個課題供學生選擇，具體如下:天然染料制備燃料敏化太陽能電池DSSC、溶膠-凝膠法制備納米TiO2及光催化性質研究、CdS量子點的水相合成及表征、Dawson結構雜多酸制備及緩蝕性研究、碘的提取及其相關性質的研究、納米羥基磷灰石的制備與表征、反膠束微反應器制備CdS量子點及表征和銅配合物的制備及其晶體場分裂能的測定。選題通常會在正式實驗開始前2～3周公布，目的是讓學生利用課余時間進行文獻調研和實驗方案設計。一般在學生選題前，課程負責教師會就每一個題目給學生做初步介紹，并對如何更好地查閱相關資料及論文寫作方面的問題進行說明。此外，學生也可以通過我們發放的《研究性實驗指導手冊》了解相關實驗內容。其后，學生可根據自己的興趣，組成2～3人的研究小組，選擇參加某一課題的研究。由于每個實驗課題存在人數限制，為了選到心儀的課題，有些學生甚至會提前1小時到達選課地點排隊。

表1 2013年武漢大學無機化學實驗的研究性實驗課題Ⅰ的內容及比較

在確定選題后，學生利用課余時間進行文獻調研。針對學生查閱文獻能力不足的問題，我們學院曾將化學信息學課程調整到大一下學期，以提高學生文獻調研的能力。此外，實驗指導教師也會根據實際情況提供0～2篇參考文獻，以便學生對課題有初步的了解。學生在文獻調研過程中遇到問題也會及時與教師溝通。

我們要求學生在完成文獻調研后至少提前一周將實驗方案交給實驗指導教師，以便教師針對方案與學生進行討論并督促其進行修訂。實驗方案一經確定后，學生應及時提交實驗儀器和藥品清單，以方便實驗技術人員做好實驗前的準備工作。清單上要求注明儀器型號、個數，藥品的規格和用量等信息。

在實驗教學期間，學生根據自己修訂后的實驗方案進行實驗。在此過程中，教師原則上不干預學生的研究工作，但可以要求學生及時報告實驗進展狀況，敦促學生對實驗數據及現象進行分析總結，積極對實驗方案進行改進。在此過程中，我們一直強調實驗是一個不斷改進的過程，一定要重視現象和數據分析，根據實際過程及時調整實驗方案。在實驗過程中，教師也會根據實際情況組織學生就課題進行討論。如反膠束微反應器制備CdS量子點的課題組在3周實驗過程中，就組織學生就共性問題討論了2次。此外，教師還要求學生每周就實驗情況寫一個小總結，以便及時對數據進行分析并對方案進行修訂。

在實驗結束后，我們要求每一個學生以科學論文的形式提交一份課題研究論文，此外每一組選派一名學生對所參與的實驗輔以PowerPoint幻燈片的形式進行口頭匯報并接受同學和教師的互動提問。我們會從每個課題中選派表現突出的小組進行年級總匯報，一方面給同學一個展示自己研究成果的機會，另一方面也能培養學生口頭表達的能力。對于好的論文，我們推薦選登在我院創辦的《大學生化學學報》上。

通過這樣一個相對完整的科學研究體驗過程，學生不僅了解了科學研究的基本流程，更重要的是通過這樣的親身實踐過程，學生能體會到實驗并不是簡單地重復操作，而是一項需要手腦并用的工程。此外，學生提出問題、分析問題和解決問題的能力及創新意識也能得到進一步提高。

3 研究性實驗的開設特色及經驗

3.1 相對完善的開設流程

前面已經對實驗開設的基本流程做了介紹，目前的教學活動基本遵循這一流程。但在實際操作過程中，會遇到一些細節問題，如選題的發放預約、師生如何互動協作制定實驗方案、課題的具體實施、論文的書寫格式及提交、口頭匯報的要求等。這些細節問題如果處理不好，會對整體實驗效果產生影響。為此我們編寫了《研究性實驗指導手冊》，以方便學生順利進行研究性實驗。指導手冊的內容大致包括:①研究性實驗的簡介及要求;② 選題(包括課題簡介、重難點、要求，指導教師聯系方式等);③實驗注意事項(為一些常見問題，如選題預約，實驗過程要求、方案及論文提交時間及方式等);④論文書寫范例及模板。從我們實際開設實驗的經驗來看，指導手冊一方面能輔助學生遵循基本要求順利地進行課題研究，另一方面也避免了實驗中可能出現的混亂問題，使整個過程能夠有條不紊的進行。

3.2 多層次的教學體系

首先，從形式上，將研究性實驗分為上下學期兩部分，上學期實驗為下學期實驗做鋪墊，以保證下學期的實驗達到預期目的。其次，在選題上，注重教師選題和學生自主選題相結合，鼓勵學生自主選題。如有的學生提出希望能做固體酒精，在與教師協商后，給學生提供了這樣的機會。再次，做到課堂與開放相結合，以開放實驗來彌補課堂教學學時不足的問題，更好地調動和保護學生學習的積極性和對實驗的興趣。武漢大學針對大一學生的開放實驗是在周末進行的。在研究性實驗時間段，每周基本上有50%～80%的學生會參加開放實驗，足見學生對于研究性實驗的興趣。最后，做與講相結合，不僅培養學生實際動手能力，更注重培養學生的科學思維方法、對知識的應用能力和表達能力。前面已經提到，研究性實驗的成績評定不是單純看學生的實驗結果，還要看學生在這個實驗過程中是否有自己的思考和想法，是否積極解決問題、對問題的表述如何。還有一點值得提出的是，在實驗過程中我們確保學生學習的主體地位，提倡學生自主學習;教師則根據實際情況調整自己在各個環節中的作用。

3.3 將學院科研優勢應用于教學

確保研究性實驗達到預期效果的一個關鍵性問題是選題。課題的選擇一方面要充分考慮學生能力，另一方面也要能體現學科的發展。

在以往的教學過程中，我們的選題多來自對一些經典實驗的改進、國外一些新編寫的實驗、科研論文和學生感興趣的與實際生活相關的課題等。每年課題更新率可達到30%～50%。這些選題雖在培養提高學生分析解決問題能力上有幫助，但在培養學生創新意識和體現學科發展上存在欠缺。因此，近年來我們充分利用學院科研優勢，請科研教師幫我們對一些實際科研課題進行修編，然后引入到基礎研究性實驗教學中;同時，也請參與此課題相關研究的教師參與到教學中進行有針對性的實驗指導。如2011和2012年，我們根據我院彭天右教授課題組所研究的二氧化鈦染料敏化太陽能電池的研究項目，開出了“以天然染料制備染料敏化太陽能電池DSSC”的研究性實驗課題。再如2012年，我們所開設的“溶膠-凝膠法制備納米TiO2及其光催化性質的研究”，“CdS量子點的水相合成及表征”，“納米羥基磷灰石的制備與表征”，“反膠束微反應器制備CdS量子點及表征”等課題都直接或者間接來源于我院教師的科研項目。

3.4 有針對性的實驗指導

雖說學生是研究性實驗教學的主體，但教師的指導作用也是非常重要的。教師對課題的了解程度直接決定其指導效果。以往，我們的做法是無論學生選擇什么課題都在原實驗室進行實驗，指導教師不變。這就使指導教師需要同時指導多個實驗，而這勢必會造成指導不到位。

針對這一問題，我們進行了相應改革。因為實驗指導教師均有自己的科研工作，因此我們要求教師給出與自己科研相關或者科研中的實際問題作為研究性實驗的項目。當然給出的課題并不是都適合作為學生實驗，這時實驗責任教師就需要與指導教師溝通，共同對內容進行修改，以切合學生的知識水平和實驗室條件。如染料敏化太陽能電池實驗，科研中用到的TiO2漿料是直接購買的;考慮到漿料價格比較高，學生實驗消耗大，我們將此部分改為學生利用納米TiO2粉體自制漿料，然后再與市售漿料進行性能對比。同樣的問題也見于染料，在學生實驗中則設計成從天然植物中提取染料。在指導教師給出的課題立項后，選擇此課題的學生將進入指導教師所在學生實驗室進行實驗，每位教師僅指導自己給出的一個實驗課題。這一做法就如同學生進入科研實驗室，學生可以就課題的方方面面，如立意、樣品處理、合成方法、表征手段的選擇以及實驗中遇到的各種問題等與教師做更加深入和廣泛的交流，教師的相應指導也能更加專業和細致。在實驗過程中，我們鼓勵學生多與教師討論，但也注重充分發揮學生學習的主觀能動性。當學生遇到問題時，教師在第一時間要做的不是提供解決方案，而是在一定條件下協助學生找出出現問題的原因，幫助學生自己尋找解決方案。因為在一個實驗室的學生都進行同樣的研究，因此我們也鼓勵學生進行小組內部和小組之間的討論。必要時，教師會就實驗中的一些問題組織學生進行討論，以促進思維的交流和共同學習。此外，一些在教學實驗室無法完成的實驗工作，也可借助指導教師科研實驗條件進一步完成。如太陽能電池的實驗，學生實驗室僅能完成簡單的電池組裝，此時實驗指導教師會提供科研實驗室的電池組裝設備，供部分學生進一步完成電池的組裝。2011年，一部分參與水浴法制備蝴蝶狀CuO微結構課題的學生在指導教師的帶領下，了解了電鏡的原理和用法。從這方面看，這一舉措大大拓展了實驗項目的可選擇面。

在實際指導過程中，指導教師也能從學生的想法或實驗過程中獲得一些靈感，將其融入到實際科研工作中，真正達到教學相長。有部分學生因進行了研究性實驗項目，而選擇進入該指導教師的科研課題組進行業余科研;此外，還有學生因在研究性實驗項目中表現突出而被教師吸納到科研課題組。

3.5 充分利用實驗中心資源

在一年級開設研究性實驗的一個比較普遍的問題是學生對于表征手段了解甚少，單純的合成實驗并不能很好地體現科學研究的實際情況和調動學生學習的積極性。因此我們充分利用化學實驗教學中心的優勢，在實驗中心領導的支持下，將部分儀器分析方法如紅外、紫外、電鏡、XRD等引入一年級的研究性實驗教學中。學生在進行相關理論和儀器的培訓后，可以自行操作，對所制備的樣品進行相關的檢測和表征工作。

4 展望

通過多年的教學實踐，我們在研究性實驗的開設方面總結出了一些經驗也走出了自己的特色。在開設過程中，我們注重開設過程的各個環節，保證實施效果，避免研究性實驗流于形式，讓學生真正在每一個環節都有所收益。當然，我們的工作還有一些方面是需要進一步優化和改進的，例如如何選出更契合學生發展的實驗課題，開設過程中的師生管理、論文的修改以及成績評定標準等。

［1］教育部高等學?；瘜W類專業教學指導分委員會.高等學?；瘜W類專業指導性專業規范.北京:高等教育出版社，2011

［2］Chemistry in the National Science Education Standards. Washington DC:American Chemical Society，1997