應用型本科院校開放性實驗的改革與探索
——以電化學方向為例

丁莉峰， 程雪松， 李松棟， 程 軍

(太原工業學院 化學與化工系， 太原 030008)

0 引 言

應用型本科院校的教學需要以服務地方區域的行業的發展為重任，培養專業技術強和綜合素質高的創新性人才，而新型電化學人才在將來的發展中將占有重要的作用。為了培養和提高學生的應用創新能力，在電化學實驗中需要引入新的教學方式。開放性電化學實驗教學既指基礎的電化學實驗之間的相互綜合，也可以是指電化學實驗和其他學科的實驗綜合[1]。電催化、電合成、生物電化學和電化學分析等一些新興的交叉性學科，已不適用于舊的教學體制。開放性實驗教學方式的開展和改革才能保障上述學科的良好發展[2-3]。開放性電化學實驗的開展，不僅能極大地激發出學生對電化學實驗的學習興趣和激情，還可以加強理論知識，提高學生的科學素養，使學生將理論知識用于生產實踐的科學問題中，為以后的繼續學習或者科研工作打下牢固的基礎。結合應用型本科院校研究生缺乏的問題，設立與科研課題對接的創新性的開放實驗項目[4]，通過讓本科生積極參與，實現兩者互動，將是一種有益的教學探索[5]。這樣不但可以提高學生在解決實際工作中遇到的問題的動手能力，將理論知識學以致用，而且能夠促進教師教學質量的提高，提升院校試驗教學水平，培養應用電化學方向創新人才[6-7]。

1 電化學實驗教學中存在的問題

目前電化學實驗教學中，教師多采用傳統的基礎性、綜合性實驗教學方式，這極大地限制了學生獨立思考和自由發揮的創新思維[8]。因此，教師需要有與時俱進的專業教學理念，較少陳舊的脫節實驗，增設熱點科研項目的開放性實驗，培養學生的創新能力[9-10]。電化學實驗教學改革中存在諸多問題。

(1) 傳統的電化學實驗教學方式單一、內容陳舊，缺乏實用性。傳統的電化學實驗教學過程都是教師講授、學生被動接受，甚至實驗結束后，學生都不一定能將理論知識和實驗聯系起來；電化學實驗主要考核實際動手操作能力，而傳統的教學實驗只考查學生的實驗準確度。傳統實驗中學生可以根據明確的預期結果編造出實驗結果的現象，不利于激發學生的主觀能動性和創造力；電化學實驗在應用型本科院校中主要是開設給大三和大四的學生，這不利于培養低年級的學生的動手能力、綜合分析和解決問題的能力。

(2) 應用電化學方向教學實驗設備材料要求高。比如電極的新鮮性，如銀-氯化銀電極材料、負載型鉑黑電極，電極不用易于氧化，難以保管，且電極氧化后超過一定時間段就不能使用，最終將導致電分析實驗的失敗；實驗首次投入費用相對其他專業實驗高得多，比如購置昂貴的電化學工作站及其相關配套的鉑、飽和甘汞、氧化汞、金等電極。

(3) 電化學實驗涉及的大型儀器的安排有待改進。這些大型的實驗設備比較昂貴，實驗室管理也嚴格。學生對實驗室沒有使用權限，只能在教師指定的實驗室中，在教師或者研究生全程指導下進行實驗，不能獨自完成自己所感興趣的實驗，這就使學生失去了實驗的興趣，也失去了主動參與實驗的積極性。

(4) 教師能力要求高。開展開放性實驗，教師要有牢固的基礎理論，也需要不斷查閱外國書籍和最新的文獻，提升自身的教學水平。這是目前應用電化學方向教學亟待解決的問題。

(5) 學生欠缺專業知識的綜合應用能力。很多學生對基本的查閱文獻、設計方案、處理數據和排版文檔的能力都有所欠缺，大都還把簡單的數據展示應用在撰寫論文或者計算整理中，沒有主觀的分析和深入的探討。此外，目前學生普遍存在工程實踐能力較差的問題，對基本概念缺乏直觀認識，不能較快勝任工作崗位。同時，這也是行業發展的需要，學生參與應用型的本科院校開展的科學研究，有利于為行業培養專業技術高、科學素養好的人才。

應用型本科院校研究生資源嚴重缺乏，必須通過改革以解決青年教師缺少學生參與科研項目的問題。因此，開放性電化學實驗項目旨在開發新的電化學教學體系課程，讓學生有更多機會與教師互動，為培養應用型創新型電化學人才提供一個平臺[11-12]。通過依托于實驗室的工程科研項目，帶動學生積極參與，一方面豐富實驗內容，提高學生的專業素養，增強培養工程科研項目的人才的能力；另一方面也可以優化配置實驗室空間、人員和設備資源，進一步提高實驗的先進性，充分發揮實驗室的規模效應，從而構建科學有效的實驗教學管理體系。以此促進院校應用電化學學科的建設，提高本科生的創新能力和素質，使之更好適應市場競爭[13-14]。

2 電化學方向開放性實驗內容的教學改革

2.1 電化學方向開放性實驗教學改革方法步驟

電化學實驗改革應先從基礎的實驗滲入，逐步過渡到綜合性、設計性實驗，最后發展為開放性實驗[15]。從低年級的實驗課程中進行改革，增加實驗的靈活性，激發學生的學習興趣；在高年級中，深入改革和探索專業實踐課程，提高學生自主創新能力。學校應當密切與行業有關的企業和政府部門等合作，凝練生產實踐中存在的科學問題，進而將其改革為開放性的教學實驗內容，不斷優化教學試驗環節。相同研究方向的教師可以相互合作，聯合探索和改革開放性實驗教學內容，為后續畢業設計的開展和科研課題的延伸提供基礎[16]。

而科學、有效、合理地引導學生開展開放性實驗是關鍵[17]，其具體步驟如下：

(1) 教師定題。指導教師結合自己的企業橫向項目和省部級課題，擬定實驗目的，制定適合本科生特點的實驗內容，提供實驗儀器、藥品和材料的范圍。

(2) 學生自己設計實驗方案。學生根據實驗題目和目的，分析實驗基本原理，查閱資料、歸納整體后提出解決方案和詳細的實驗步驟。

(3) 教師審查方案并進行修訂。教師根據學生對實驗方案原理、目的和解決辦法的闡述，分類歸納并進行引導。對于設計不完善或不當的環節，通過提問的方式引導學生思考其內在原因，并引導他們提出可行的實施方案；對設計較為完善的方案，鼓勵并引導學生思考實驗中注意事項。經過學生與教師反復討論后，制定的方案漸趨完整。

(4) 學生開展實驗。根據實驗方案、實驗時間和設備材料，在教師給予必要指導、啟發以及研究生全程輔導的前提下，搭建實驗裝置、制作材料、配置溶液、安裝調試儀器、開始實驗并進行試驗原始數據和現象的記錄描述，充分發揮自主探索精神。

(5) 撰寫試驗報告。學生運用理論知識分析在實驗中的測試數據、現象和結果，并撰寫一篇開放性實驗研究報告。

(6) 教師批閱匯總結果。在開放性實驗項目結束后，指導教師考察每位學生實驗過程中的優缺點，整理并記錄好參與實驗的學生的成績，進行對比研究，歸納實驗中遇到的問題和改進方法。總結本次實驗教學經驗，為后期開展長期的科學研究做鋪墊。

(7) 完善教學體系。建立學時分配、答辯考核標準等實驗考核運行機制以及逐步完善實驗指導教學體系。

2.2 開放性實驗方案的設計

開放性實驗設計方案包括的內容較多[18]，主要如下：

(1) 實驗目的。逐條列出實驗的任務目標，可以視具體情況適當調整。

(2) 實驗主要儀器設備及材料。學生可以根據實驗需要，列出所需的全部儀器設備(注明型號含配件數量)或材料(材料規格和數量)的表格，便于實驗老師提前充分準備。

(3) 理論依據。簡明扼要歸納整理文獻中提及的實驗方案的理論依據。可用實驗原理公式、建立的問題模型和圖例等方式，在實驗中各階段所主要涉及的原理和原理適用的條件。主要考察學生對理論知識的掌握能力，以及初步歸納整理文獻的能力。

(4) 實驗方法和步驟。先擬定基礎實驗方案，簡要寫出實驗方法和操作步驟。然后改進方案內容并分多個階段實施。如分為實驗階段1、實驗階段2等，各階段應包括儀器設備的調試或樣品、溶液制備的具體步驟。如本階段的實施擬采用多種方法，則詳細寫出擬用方法及操作步驟。

(5) 參考文獻。逐一列舉實驗方案主要參考的與電化學研究相關聯的期刊論文、會議論文、學術論文、專著、報告、專利、國家或者行業標準等，一般10篇左右即可。

(6) 指導教師對實驗方案的意見。指導教師應當評價學生所設計方案是否合理、可行以及風險高低，并對是否同意該方案提出結論。如果該實驗方案合理可行，則同意按該實驗方案實施，并對操作細節、注意事項等實驗方案實施時應注意的問題提出自己的建議；如果實驗的方案不合理可行，在存在不當或者不完善需修改的地方，指導教師應當提出自己對實驗方案的“改進后實施”的意見，并給出改進建議；若實驗方案不合理或存在無法實施的情形，不同意該實驗方案，并說明不合理或者無法實施的原因。

2.3 開放性實驗的結果與分析

開放性實驗結果與分析部分的內容主要有：

(1) 實驗操作過程。本部分主要由學生自己具體實施實驗的過程，如果具體實施步驟與原制定方案相同，則可以用流程圖等形式簡要概括實驗的方法和操作流程；如果不一致，則需詳細記錄改變后的步驟。

(2) 原始記錄。根據實驗的進程，盡量以表格的形式呈現各階段實驗過程中出現的實驗現象和收集到的實驗數據。應根據不同階段實驗現象和實驗數據記錄要求設計出符合要求的規范化的表格。

(3) 結果討論。基于實驗原理、公式、建立的模型，并利用行業專業軟件等工具，結合計算、作圖等方法分析實驗數據的規律特點，推測實驗過程中出現該現象的原因。完整地列出分析的方法和步驟，如果與實驗預期相符合，利用原有的理論知識進行解釋；如果實驗現象與實驗預期不相符，結合實驗現象，應分析哪些環節的操作不當導致了此現象的發生，并給出改進意見。在分析實驗現象時，應做到充分、具體、合理三個要點。應當層次清楚、條理清晰地分析試驗數據。

(4) 實驗總結。實驗得出的結論是否達成實驗目標。如果實際操作符合預期實驗結果，則簡要說明實驗方案的合理性及優缺點；如果不相符合，則分析實驗中出錯或者不合理的環節，并提出改進的提議。總結在實驗中的收獲和不足，以及改進方法等。實驗總結應科學合理，條理清楚，應符合實際。

(5) 成績評定。教師應當對學生的報告進行概括和評論其優缺點，并用百分制的方式在實驗成績中記載。對于問題較少或無明顯錯誤的報告，教師應到給予肯定，指出改進意見；對于存在較多問題的報告，教師應當提出主要的問題和及其解決方法。

3 電化學方向開放性實驗改革的特色與目標

(1) 提升學生綜合應用創新能力。開放性實驗教學目的明確，但是實驗方案、實施參數和實驗材料都是在可操作的范圍內由學生自己設定，這樣可以激發學生的思考能力；實驗由學生自己設計，實驗內容豐富，既避免了千篇一律的抄襲現象又鼓勵學生積極創新；根據實驗目的不一樣，則采用的工藝過程也有區別性，提高學生分析判斷能力；在整個開放性實驗中，學生以小組為單位，成員各自分工，共同分析討論，這樣不僅提升學生分析和解決問題的能力，還可以培養學生的團隊合作能力和良好的溝通能力。

(2) 開放性實驗的內容豐富靈活。內容主要涉及前期的物化、無機、有機、分析、文獻檢索等基礎課程，學生可將前期在電化學科學和電化學測量方法技術等課程中學到的知識，靈活地應用到各實驗中，電化學知識以這樣的方式教授也更為全面。傳統實驗涉及幾十年前的研究內容，開放性實驗結合近10年研究熱點趨勢開設。

(3) 教學和科研相結合。在科研方面，任課教師將科研課題中較成熟的子課題獨立出來，設置為開放性實驗內容。探索教學與科研實驗密切結合的教學方式和管理模式，使得教學和科研相輔相成。教師的科研項目很多都是企業委托的研究課題，科研項目中部分研究內容和實驗教學內容結合密切。開展開放性實驗，不僅縮小了從理論到實踐的差距，還提升了本科生的工程意識和工程實踐能力。與學生溝通交流過程中，可以培養吸納優秀本科生參與科研課題，建立配置合理和優化的科研型電化學實驗團隊。

總而言之，開放性實驗教學的開展，教授實驗的老師當把教學任務和工程科研項目相結合，進行實驗教學和科研實驗的互動實踐，經過應用電化學教學體系改革與探索，能夠有效地提高實驗教學的質量，使學生將理論知識運用到科研或者實際生產中，從而形成系統的有利的改革方案[19-20]。

4 結 語

在應用型本科院校開展電化學方向的開放性實驗過程中，學生通過參與科研項目，加深對專業課程的理解，引導學生進行獨立思考，培養學生敢于創新的求知精神，為學生將來深造參加科研項目或是參加工作鋪下牢固的基礎。實行科研課題的改革試驗教學，依托教學中的豐富內容，總結實驗教學改革內容的利弊之處，汲取有益的經驗，去其糟粕，借此提高學校的教學質量。改革實驗教學方式，應當在傳統的專業實驗教學基礎上，因具體科研問題而設計開放性實驗教學方式，建立教師科研項目和教學內容相互結合的培養體系。開放性實驗教學改革后，可在應用型本科院校進行推廣，也可作為其他應用型本科專業的參考。

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