創(chuàng)新教學(xué)方法，助力本科生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)
——“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法

姚奇志，金谷，朱平平，李玲玲,2，李嬌,2，劉紅瑜,2

1中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

隨著我國科教興國理念的普及和科研事業(yè)的迅速發(fā)展，作為高素質(zhì)人才生力軍的本科生，其綜合科研素質(zhì)的培養(yǎng)已經(jīng)引起了社會各界的高度重視和廣泛關(guān)注。國務(wù)院在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010–2020)》中強調(diào)指出，要促進高校內(nèi)部科技教育資源的共享，實現(xiàn)科研與教學(xué)互動和科研與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結(jié)合[1]?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006–2020年)也明確提出充分發(fā)揮教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要作用，加強科學(xué)創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的有機結(jié)合，鼓勵本科生投入科研工作，在創(chuàng)新實踐中培養(yǎng)他們的探索興趣和科學(xué)精神[2]?；趯?chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求，國內(nèi)高校從20世紀90年代就開展了SRTP (Student Research Training Program)計劃項目，通過設(shè)立創(chuàng)新基金和本科生自主申報方式確定立項并給予資金支持，鼓勵學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成項目研究。隨后實行的“雙導(dǎo)師制”，各種級別的“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”“創(chuàng)青春”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和學(xué)科競賽，以及各高校不同程度的教學(xué)改革，都旨在引導(dǎo)學(xué)生進入科學(xué)前沿，了解社會發(fā)展動態(tài)和國家需求，激發(fā)創(chuàng)新思維，積極主動地探索新的知識領(lǐng)域，從而培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才。這些項目的實施，的確為自主學(xué)習(xí)能力強的本科生提供了極好的科研能力鍛煉平臺。但大多數(shù)處于本科階段的學(xué)生，自主學(xué)習(xí)能力不夠、知識儲備不足、學(xué)術(shù)理論體系不健全、邏輯思維和獨立解決問題能力缺乏的現(xiàn)象普遍存在。因此，如何把本科生綜合科研素質(zhì)和能力的培養(yǎng)融入到日常教學(xué)中，使更多的學(xué)生都能收益，一直是高等教育改革探索的一個重要目標。為此，我校分析化學(xué)實驗教學(xué)經(jīng)過二十多年不斷的教學(xué)改革，構(gòu)建了“基礎(chǔ)型-綜合型-探究型-設(shè)計型”多層次、遞進式教學(xué)體系。在實驗教學(xué)實踐中，運用“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法，不僅培養(yǎng)本科生基本實驗方法和技能，而且培養(yǎng)他們分析、解決問題的綜合實驗?zāi)芰?，同時，鼓勵學(xué)生大膽進行求異思維、嘗試創(chuàng)新。教學(xué)效果顯著，深受歷屆學(xué)生歡迎。

1 多層次、遞進式創(chuàng)新性實驗教學(xué)體系的構(gòu)建

分析化學(xué)實驗是一門經(jīng)典的化學(xué)基礎(chǔ)課，不僅能培養(yǎng)學(xué)生對分析化學(xué)理論知識的應(yīng)用和實踐，提高學(xué)生的實驗操作能力，而且在樹立嚴格的“量”的概念和培養(yǎng)嚴謹科學(xué)作風方面起著不可替代的作用。傳統(tǒng)分析化學(xué)實驗內(nèi)容以四大滴定實驗為主，大多是對所學(xué)理論知識的簡單驗證，缺少探索性、研究性和創(chuàng)新性的實驗內(nèi)容，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢下建設(shè)國家創(chuàng)新體系對人才培養(yǎng)的要求。我校自20世紀90年代引入新的教學(xué)理念，改革教學(xué)模式，更新教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過二十年不斷優(yōu)化，形成了“基礎(chǔ)型-綜合型-探究型-設(shè)計型”多層次教學(xué)體系(見表1)[3]。該課程體系建設(shè)過程中，堅持以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的實踐能力、科研和創(chuàng)新能力為主線，結(jié)合學(xué)科自身特點，以專業(yè)知識體系為依據(jù)，注重教學(xué)內(nèi)容的整體優(yōu)化和學(xué)科之間的相互交叉滲透，建立與科學(xué)研究熱點緊密相關(guān)的層次化實驗課程體系。第一層次基礎(chǔ)型實驗占30%，以驗證性實驗為主，著重培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能，加深對理論知識的理解；第二層次綜合型實驗占20%，著重培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)理論知識的綜合運用和拓展能力；第三層次探究型實驗占30%，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的創(chuàng)新實踐能力；第四層次設(shè)計型實驗占20%，重點培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作精神等基本科研素質(zhì)。四個層次由淺入深、循序漸進，各層次間既相互獨立，又互為補充。這種“一條主線，多個層次”的實驗教學(xué)體系教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)立體的螺旋式、漸進式上升，在我?；瘜W(xué)類本科生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，達到了夯實基礎(chǔ)和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)并重的目的。

表1 “基礎(chǔ)型-綜合型-探究型-設(shè)計型”多層次教學(xué)體系(160學(xué)時)

2 創(chuàng)建“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法，取得事半功倍的教學(xué)效果

在大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，課程體系和教學(xué)方法的創(chuàng)新與完善，對提高大學(xué)化學(xué)教育成效至關(guān)重要。為了改革傳統(tǒng)“照方抓藥”“依樣畫葫蘆”的教學(xué)方式，以學(xué)生為主體的啟發(fā)式、互動式、“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學(xué)模式應(yīng)運而生；同時，“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃”“雙導(dǎo)師制”“以賽促教”等科研與教學(xué)互動培養(yǎng)模式在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中也獲得很好的成效。我們在確保完成“三基”教學(xué)目的基礎(chǔ)上，在多層次、遞進式分析化學(xué)實驗課程體系構(gòu)架下，運用“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法，實現(xiàn)對學(xué)生綜合科研素質(zhì)和能力的全過程培養(yǎng)。

2.1 基礎(chǔ)型實驗——扶著走，扶中有牽

分析化學(xué)基礎(chǔ)型驗證實驗在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握實驗基礎(chǔ)知識和實驗基本操作技能以及嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度等方面具有獨到之處，是其他實驗教學(xué)無法替代的。教師應(yīng)正確把握傳承與創(chuàng)新的關(guān)系，對經(jīng)典驗證實驗中蘊含的可開發(fā)科研能力培養(yǎng)的內(nèi)容進行挖掘，從而做到既夯實學(xué)生基礎(chǔ)又培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在這部分教學(xué)過程中，采用Small Private Online Course (SPOC)教學(xué)模式，首先把基礎(chǔ)實驗關(guān)鍵操作步驟和難點設(shè)計為思考題，并與實驗視頻一起上傳到教學(xué)班級微信群，供學(xué)生預(yù)習(xí)與思考，讓學(xué)生從知道“怎么做”中弄清楚“為什么要這樣做”，知其然，更要知其所以然。課堂講解時，進一步運用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式，組織學(xué)生對問題進行討論，熟悉實驗思路和具體操作的目的。例如，“返滴定法測定鋁”中(表1)，配制0.02 mol·L-1鉛標準溶液時，為什么要先加入一滴HNO3溶液？假如不加會出現(xiàn)什么情況？用HNO3把溶液調(diào)至亮黃色的目的是什么？試樣分析中，用氨水把溶液調(diào)至紫紅色，再用HNO3調(diào)至亮黃色，并過量2滴氨水的目的？等等。通過這種“扶中有牽”的教學(xué)方法，學(xué)生不僅掌握了分析化學(xué)實驗的基本技能，而且在實驗中學(xué)會獨立思考，起到潤物細無聲的教學(xué)效果。

基礎(chǔ)型實驗成績評定包括預(yù)習(xí)情況、操作技能和數(shù)據(jù)誤差大小。預(yù)習(xí)討論占10%，操作技能占20%，實驗數(shù)據(jù)占70%。而數(shù)據(jù)誤差大小評判則依據(jù)對教師提供的兩份未知樣品的測定結(jié)果進行評分，因此，每次實驗相當于實驗考試，并根據(jù)評分細則進行嚴格評判[4]。實驗結(jié)果分析討論有獨到見解的，給予成績上的獎勵，鼓勵學(xué)生積極思考和求異思維。

2.2 綜合型實驗——牽著走，牽中有引

關(guān)注學(xué)科最新研究成果和動態(tài)，并把相關(guān)內(nèi)容設(shè)計成本科生綜合實驗，同時側(cè)重學(xué)科交叉，如材料制備和表面改性、分析應(yīng)用和測定等。利用綜合型實驗過程和現(xiàn)象復(fù)雜的特點，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗過程或現(xiàn)象中的問題，并開展系統(tǒng)分析、深入討論，進而設(shè)計實驗進行驗證，做到“牽中有引”。例如“十二烷基硫酸鈉(SDS)在Al2O3表面的自組裝及分離、富集銅離子”綜合型實驗中(表1)，用SDS修飾Al2O3表面清洗過程中，總會有漂浮在液面的白色顆粒，引導(dǎo)學(xué)生推測白色顆粒為何物。經(jīng)過討論，學(xué)生推測三種可能：① 未溶解的SDS，② 小的Al2O3顆粒，③ 被SDS修飾的小Al2O3顆粒。針對可能的推測，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計簡單實驗驗證各自的推測，該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生極大的實驗熱情，體驗到通過用所學(xué)知識解決實際問題的快樂，也鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和分析問題的能力。

綜合型實驗成績的評定由基礎(chǔ)型實驗數(shù)據(jù)占成績70%下降為30%，而對實驗結(jié)果的分析和討論占成績的40%，這樣的評價標準激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新思考的積極性。

2.3 探究型實驗——引著走，引中有放

如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性一直是教育工作中的挑戰(zhàn)，在長期實驗教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對自己思考的實驗方案結(jié)果會怎么樣，總是有強烈的好奇心，甚至急不可待想通過實驗進行驗證。我們受綜合型實驗教學(xué)成效的啟發(fā)，在探究實驗中，針對性地把實驗內(nèi)容中部分模塊改由學(xué)生設(shè)計，從而調(diào)動學(xué)生的實驗熱情，提升綜合能力。例如：“納米羥基磷灰石的材料制備及成分分析”的探究實驗中包括樣品制備和成分測定兩部分(表1)。其中成分測定方案為：用過量的已知準確濃度硝酸鉍溶液沉淀分離，分別滴定濾液中Ca2+、Bi3+濃度，間接測定Ca2+和濃度。教師給出Ca2+和Bi3+濃度測定的具體步驟，但硝酸鉍分離模塊由學(xué)生設(shè)計。分離所用硝酸鉍濃度多大合適？溶液中沉淀完全所需要pH是多少？硝酸鉍溶液和羥基磷灰石溶液的pH分別控制還是混合后再調(diào)節(jié)pH？過濾后滴定濾液和帶著沉淀直接滴定會有什么差別，哪個誤差更大？用遞進式的問題，拋磚引玉，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，每位同學(xué)根據(jù)自己意愿認領(lǐng)設(shè)計內(nèi)容，實現(xiàn)“引中有放”的教學(xué)目的。同學(xué)們經(jīng)過理論計算、方案設(shè)計、班級答辯完善后，各自實施實驗。不同條件探究實驗數(shù)據(jù)全班共享，并對實驗結(jié)果分析和討論，獨立撰寫實驗報告。讓每一位同學(xué)都能接受獨立分析問題和解決問題能力的基本訓(xùn)練。

探究型實驗成績的評定與綜合型實驗分值比例相同。經(jīng)過大約10個綜合型、探究型實驗的系統(tǒng)訓(xùn)練，極大提高了學(xué)生綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

2.4 設(shè)計型實驗——放手走，放而不亂

經(jīng)過基礎(chǔ)型、綜合型、探究型實驗的系統(tǒng)訓(xùn)練，在開放設(shè)計型實驗中，我們只給出實驗命題和實驗教學(xué)平臺可以提供的實驗和測試條件，放手讓學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并進行實驗。命題內(nèi)容涉及科研前沿和社會熱點或自命題。指導(dǎo)學(xué)生使用American Chemical Society (ACS)、John Wiley、Royal Society of Chemistry (RSC)、SciFinder、Web of Science等電子期刊和工具查閱相關(guān)論文，培養(yǎng)文獻調(diào)研能力。例如：設(shè)計型實驗“實驗室含鉻廢液回收、價態(tài)分析及評價”(表1)，提前一個月告知學(xué)生要求，對實驗室回收的鉻酸廢液進行回收再利用，測定儀器為分光光度計。設(shè)計實驗具體教學(xué)流程如圖1所示。學(xué)生實驗方案在教師指導(dǎo)下經(jīng)過多次討論和完善，放而不亂。實驗方案設(shè)計與方案實施分開評定成績。設(shè)計方案不能僅滿足于完成設(shè)計，還應(yīng)力求新穎，有獨到之處和可行性分析。方案設(shè)計占該次成績60%，班級質(zhì)疑和討論環(huán)節(jié)占該次成績40%，鼓勵學(xué)生積極參與討論。通過集體交流完善和豐富知識結(jié)構(gòu)，拓展思維，學(xué)會創(chuàng)新。實驗方案實施時，盡量用自己設(shè)計的方案，也可參考班級討論中的“最佳”方案，各自獨立展開實驗探究，按照統(tǒng)一模板撰寫實驗論文，該部分實驗成績評定同樣側(cè)重對實驗過程和實驗結(jié)果的分析討論。

圖1 設(shè)計型實驗教學(xué)流程示意圖

探究型實驗和自主設(shè)計型實驗實施過程不會一帆風順，一定會出現(xiàn)各種意外、失敗和挫折，對該類實驗成績考核不能局限于是否取得預(yù)期實驗結(jié)果，而應(yīng)注重對實驗過程和結(jié)果的分析與討論以及改進方案的合理性等綜合能力的考量。在此過程中，學(xué)生通過調(diào)研思考、反復(fù)論證，逐漸學(xué)會從不同視角思考和分析問題，從參考文獻中汲取精華，使自己分析問題、解決問題和創(chuàng)新能力得到質(zhì)的飛躍，對所遇到問題具備發(fā)散思維和聚合思維相結(jié)合的能力，從而逐漸培養(yǎng)學(xué)生積極的求異性、敏銳的觀察力、創(chuàng)造性想象以及活躍的靈感等科研創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

分析化學(xué)實驗教學(xué)是理工科院校本科生教育的重要實踐教學(xué)之一，是本科生全面掌握理論知識、鍛煉科學(xué)思維、培養(yǎng)應(yīng)用能力和孕育創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)。本文在多層次、遞進式分析化學(xué)實驗課堂教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了“扶-牽-引-放”四步教學(xué)方法，把對學(xué)生綜合實驗?zāi)芰?、?chuàng)新意識和科研能力的系統(tǒng)培養(yǎng)融入到日常實驗教學(xué)中，堅持以本為本的教學(xué)理念，為學(xué)生提供了更大的自主空間，激發(fā)了學(xué)生的實驗潛能和興趣，取得了很好教學(xué)效果。歷年學(xué)生教學(xué)座談會反饋：同學(xué)們非常喜歡分析化學(xué)實驗課，基礎(chǔ)實驗提高了實驗動手能力；探究實驗過程類似科研，終身收益；設(shè)計實驗中感覺到了理論學(xué)習(xí)的重要性，課堂質(zhì)疑和討論環(huán)節(jié)收獲很大……。近年來，實驗教學(xué)課程結(jié)束后，越來越多的同學(xué)利用課余時間對自己的實驗方案進行深入探究，例如：大二范同學(xué)對“實驗室含鉻廢液回收、價態(tài)分析及評價”的系統(tǒng)研究結(jié)果發(fā)表在《大學(xué)化學(xué)》[5]；大二向同學(xué)對“白云石中鈣的測定”實驗異常現(xiàn)象進行了深入探究，相關(guān)成果也發(fā)表在《大學(xué)化學(xué)》上[6]。