立足“基礎實驗”放眼“創新思維”型開放設計實驗的探索
——有效增強高校本科生實驗創新能力

＊周華偉 尹杰 崔繼春 張憲璽 龔樹考

(1.聊城大學化學化工學院 山東 252000 2.聊城大學材料科學與工程學院 山東 252000）

引言

化學實驗是一門領域涉及面廣，實驗性、專業性及應用性很強的操作技能，對于學生掌握化學的基礎知識、基本技能，培養學生動手能力、創新思維能力起著非常重要的作用。但是剛接觸實驗的本科生往往循規蹈矩，缺乏適度的靈活性、創新性以及懷疑精神和創新精神。這在一定程度上造成學生獨立設計實驗能力的缺失。首先我們要以基礎實驗為根基，牢牢立足于基礎實驗，扎根基礎理論知識，其次以學生為主體并由教師加以引導為輔，發散思維進行開放設計實驗，通過查閱文獻、閱讀相關內容來汲取養分，放眼創新思維，向外延伸發展，從而使學生的探究能力不斷提高。為此，我們在本科生自主設計實驗能力培養計劃中有意安排了兩次開放設計實驗，該種開放設計實驗是在學生的常規或綜合性實驗訓練的基礎上進行的，學生可自行確立實驗題目、選擇實驗對象和所需藥品等做出合理的實驗設計，尋找實驗的創新點。學生通過自主查閱資料，加深對實驗原理的理解；在設計實驗步驟時，則要求學生具有嚴謹、創新的態度。與此同時，老師要做好學生的思想牽引工作，學生的思路范圍過大，要進行適宜的引導，通過這一過程不但提高了本科生的實驗創新能力，也彌補了課堂基礎實驗的不足之處，使高校本科生的實驗創新能力得到進一步的增強。

1.立足“基礎實驗”放眼“創新思維”型開放設計實驗的實驗課堂實施

我們選用了大學化學中“非金屬表面處理技術”[1]“三草酸合鐵酸鉀的性質”[2-5]這兩個基礎實驗作為教學案例。

(1)案例1——立足“非金屬處理技術”放眼“創新思維”開放設計實驗

基礎實驗原理如下：

塑料電鍍：首先化學鍍→電鍍形成金屬層（具有塑料和金屬的雙層優點）。

化學鍍：脫脂→粗化→敏化→活化→還原→化學鍍金屬層（如銅）→電鍍（陰極）。脫脂，除去塑料片表面的油污；粗化，使塑料片表面變得粗糙，容易附著物質；敏化，在塑料表面吸附一層還原性的二價錫離子；活化，以便在隨后的處理中在塑料表面形成一層具有催化作用的原子；還原，把離子還原為原子吸附在塑料片表面。

開放設計實驗整個課堂的實施過程如下：

①學生初次提出的開放設計實驗

對“非金屬表面處理技術”實驗成功率低的原因進行探究。

A組正常處理，每步處理后都要烘干（仔細處理）；

B組只在“還原”后烘干；

C組每步都不烘干；

D組加長還原時間到5min，每步都做烘干處理；

E組把“還原”中甲醛：水比例增加到1:18；

F組還原液甲醛：水比例減小到1:1；

H組分別只不烘干“敏化”“活化”后的塑料片。

②實驗教師引導

上述開放設計實驗的創新性不高，只是對實驗條件細枝末節的簡單優化，并且實驗設計步驟過于繁雜，且對比性不強。開放設計實驗需要的是對非金屬表面處理的擴展和延伸，并且挖掘里面的關鍵的科學技術問題（如圖1）。縱觀整個非金屬表面處理，活化步驟之后金屬銀作為催化劑對下一步化學鍍銅具有很重要的催化作用。于是引導學生善于學以致用，利用在非金屬表面處理基礎實驗中所學到的脫脂、粗化、敏化等實驗技能，在活化這一步進行創新，通過改變塑料表面吸附的金屬催化劑，然后進一步在非金屬表面催化出其他功能層。例如可以通過選擇合適的試劑把催化劑鐵、鉑、鈀三種催化劑分別制備到非金屬表面，鐵可以催化碳納米管的形成，Pt可以催化很多反應的進行，Pd可以在有氫氣的情況下將氧化石墨烯還原為導電性更好的還原氧化石墨烯。這樣就將單一的實驗轉化為更高層次科研上的應用。

圖1 立足“非金屬處理技術”放眼“創新思維”開放設計實驗的思維導圖

③學生再次改進的開放設計實驗

經過初次開放設計實驗的不成熟方案并結合實驗教師的引導，每位同學基本掌握了實驗原理，并預先、主動的通過查閱文獻和相關資料，明確了改變塑料表面吸附金屬的實驗過程。

首先，三位同學作為一個實驗小組。三位同學通過有意識地改變活化液的成分，獲得不同金屬附著的塑料片。對于選擇附著何種金屬催化劑、附著液的濃度及還原試劑，三位同學進行了討論。在這種分析討論的辯證模式中[6]，既可以對各物質影響因素有較深入的認識，還可以激發學生的學習興趣，增進學生的交流，提高團隊意識。

三組實驗現象的差異不免引發學生去思考、探索。它們之所以出現差別，實質上是由什么引起的呢？這極大地調動了學生思考的積極性，開拓了學生的思維，使得學生能夠整體地看待問題，辯證地看待問題，有利于培養學生獨立思考的能力，增強團隊意識，提高合作能力。與此同時，教師對學生進行適度的引導。如何引導應該結合學生的實際情況。對于層次較高的學生，點到為止，或者是拋出問題啟發即可；對層次低一點的學生則需要多一些的鋪墊，但是也要防止大包大攬，不能出現“導”出過多、過細的問題。不論教師如何引導，一定要把思維的主體留給學生。三組學生進行充分討論、分析、總結。

(2)案例2——立足“三草酸合鐵酸鉀的性質”放眼“創新思維”開放設計實驗

基礎實驗原理：三草酸合鐵（Ⅲ）酸鉀K3[Fe(C2O4)3]·3H2O為亮綠色單斜晶體，易溶于水而難溶于乙醇、丙酮等有機溶劑。受熱時，在110℃失去結晶水，到230℃即分解。該配合物為光敏物質，光照下易分解為FeC2O4（如方程式1所示），草酸亞鐵分解生成氧化亞鐵（如方程式2所示）。

開放設計實驗整個課堂的實施過程如下：

三組學生進行充分討論、分析并查閱資料，得知三草酸合鐵酸鉀易溶于水、見光分解等特點。此時實驗指導教師引導學生將三草酸合鐵酸鉀作為初始材料合成氧化亞鐵，并將其應用于水氧化催化劑。然后學生進一步通過查閱相關的科研論文和文獻，自主設計整個制備和測試方案。

首先將鎳網剪成合適大小，再用三草酸合鐵酸鉀的飽和溶液浸泡，浸泡后再對它進行光照，使翠綠色的三草酸合鐵酸鉀分解成黃色的草酸亞鐵。光照合適的時間后，用熱吹風機加熱使草酸亞鐵分解生成氧化亞鐵，此時鎳網的顏色稍稍加深。緊接其后，就是對處理好的鎳網進行電催化析氧性能的測試，用電化學工作站中的線性掃描伏安法表征其催化性能，實驗結果如圖2所示。線性掃描伏安法的測試條件（三電極體系）如下：參比電極為Ag/AgCl（1M KCl），輔助電極為鎳網，工作電極為氧化亞鐵負載的鎳網（FeO@Ni網），電解液為1mol/L的NaOH溶液，電壓范圍2～0V，掃描速度為0.001V/s。從圖2的測試結果可以看出，電流密度為10mA·cm-2時，FeO@Ni網的相對標準氫電極電位為1.439V，Ni網的相對標準氫電極電位為1.541V。故FeO的過電位為0.21V，Ni的過電位為0.31V。過電位越小，電催化性能越好。因此氧化亞鐵負載后的鎳網表現出較好的析氧催化活性。

圖2 水氧化催化劑的線性掃描伏安：FeO@Ni網，Ni網

2.“創新思維如何從基礎實驗過渡”實驗課堂效果評價

在這次實驗課堂中，學生由只看課本轉變為自主創新的“小科學家”，激發了學生對實驗極大的熱情，他們與老師進行熱烈的討論，對未知的知識表示出極大的渴望。通過這次實驗（如圖3），學生能夠主動發現問題，然后思考問題，討論問題，并能通過設計實驗，驗證自己的想法；還能夠通過各大數據庫（ACS，RSC，Wiley等）查閱相關的文獻，能夠主動發現實驗中的問題和不同的實驗現象；接觸到了更加精密的儀器；了解了納米材料或者薄膜的各種分析和表征手段（SEM、TEM、XPS、XRD等），學會使用了一些科研實驗中的專業軟件。學生對于掌握了更多的知識而感到自豪，并且在老師的引導下接觸到老師所研究的科研方向，對于老師的科研方向有了一定的了解。立足“基礎實驗”放眼“創新思維”型開放設計實驗對于以后學生更高層次地發展具有啟蒙作用，將學生引入科研的大門。

圖3 立足“基礎實驗”放眼“創新思維”型開放設計實驗的效果圖

3.結語

總的來說，創新思維的培養對于學生創新性的培養以及思路的打開具有積極意義，學生不僅可以獲取到從傳統的課堂中得不到的知識，具有更好的科研能力，對于以后進一步的發展具有指導作用，而且可以樹立自主意識，增加對科研的興趣,在繼承優秀科學和技術的基礎上，能夠辯證的、批判性的看待問題，敢于創新，勇于創新，善于創新，學會團隊合作，優勢互補，加速創新。這種立足“基礎實驗”放眼“創新思維”型開放設計實驗模式,可以做到守正創新，推廣到無機、有機、分析、物理化學專論實驗或者化學綜合實驗，對本科學生的科研創新能力有著很大的提高。