無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生科研能力的探索

李子峰， 劉 絮， 孟祥茹

（鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院綠色催化中心，鄭州 450001）

0 引言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。化學(xué)實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)及解決問題等綜合能力的最有效方法［1-2］。目前，我校針對(duì)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、儀器分析實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)（I）、綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)（II）7 門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。其中，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為先導(dǎo)課程，是其他6 門實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)，目的是訓(xùn)練、規(guī)范學(xué)生的基本操作，提升學(xué)生的操作技能，培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，學(xué)會(huì)正確記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，樹立正確的科學(xué)觀、世界觀和方法論［3-5］。但由于我校本科生來自全國(guó)各地，高中階段化學(xué)學(xué)習(xí)狀況參差不齊：大部分學(xué)生只動(dòng)手做過為數(shù)不多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，少部分學(xué)生只看過老師做演示實(shí)驗(yàn)，還有一些學(xué)生壓根沒接觸過實(shí)驗(yàn)，只能死記硬背實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論。總的來看，大部分學(xué)生受到的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練十分有限，基本實(shí)驗(yàn)技能缺失，導(dǎo)致常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果很不理想［6-8］，更談不上對(duì)科研能力的訓(xùn)練。

2020 年，我校確立了從教學(xué)型向綜合科研型大學(xué)轉(zhuǎn)變的辦學(xué)定位。最近，化學(xué)學(xué)科入選教育部基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃2.0 基地，對(duì)本科生的培養(yǎng)提出了提高科研能力的新要求。為了適應(yīng)新時(shí)代本科生培養(yǎng)要求，我們學(xué)院會(huì)安排學(xué)生在大二的第一學(xué)期，根據(jù)個(gè)人興趣，以“導(dǎo)師制”或者“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目”等形式，提前進(jìn)入教師科研團(tuán)隊(duì)開展科研訓(xùn)練。再考慮到我院大部分本科生畢業(yè)后走上了“讀研”道路或者其他科研崗位。凡此種種，都對(duì)本科生的科研能力提出了新要求。如何通過實(shí)驗(yàn)課教學(xué)尤其是從無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)開始，除了使學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，還能使學(xué)生盡快地熟悉基本的科研流程，培養(yǎng)良好的科研習(xí)慣，使學(xué)生盡早進(jìn)入科研狀態(tài)顯得十分迫切和重要。鑒于此，我們希望通過對(duì)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的改進(jìn)和優(yōu)化，來達(dá)到上述培養(yǎng)目的。

本文探討如何在傳統(tǒng)的“基本操作+預(yù)習(xí)報(bào)告+實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)記錄+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中附加學(xué)生科研能力培養(yǎng)元素，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

1 采用“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學(xué)模式，訓(xùn)練學(xué)生的基本操作

化學(xué)科學(xué)研究植根于實(shí)驗(yàn)，因此，扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作功底尤為重要［9-10］。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課作為大學(xué)生入學(xué)后第一門實(shí)驗(yàn)課，首要使命是訓(xùn)練、規(guī)范學(xué)生的基本操作和提高實(shí)驗(yàn)技能［11-12］。但是，受實(shí)驗(yàn)課時(shí)的制約，該培養(yǎng)目標(biāo)的完成受到了限制。近年來，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，尤其是受到小視頻受到年輕人追捧的啟發(fā)，我們將無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及的基本操作全部拍成了小視頻，放置于實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站供學(xué)生自主下載或提前一周把相關(guān)基本操作的短視頻通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給學(xué)生，寓教于樂，達(dá)到提前預(yù)習(xí)的目的，建立了“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學(xué)模式，提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效率以及學(xué)習(xí)效果。例如，硫酸亞鐵銨的制備實(shí)驗(yàn)前，就把固體試劑的取用、傾析法洗滌、液體試劑的取用、水浴加熱方法、蒸發(fā)濃縮、結(jié)晶、常壓過濾、減壓過濾、目視比色等一系列基本操作的短視頻發(fā)布到實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)。學(xué)生在觀看了這些短視頻之后，就會(huì)直觀地了解這些基本操作，激發(fā)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的興趣，使學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)了按需學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。另外，學(xué)生還可以登錄我院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，這種依托于“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學(xué)模式極大地豐富了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的手段和內(nèi)容，拓寬了授課渠道，延伸了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的時(shí)間與空間，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為實(shí)際操作奠定了基礎(chǔ)，節(jié)省了課堂教學(xué)的時(shí)間，大大提升了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

2 以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的模式撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告

撰寫“預(yù)習(xí)報(bào)告”是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，是學(xué)生順利安全完成實(shí)驗(yàn)的前提與保障［13-15］。

傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)報(bào)告主要包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒅饕獌x器和試劑、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等。由于和實(shí)驗(yàn)教材基本一致，導(dǎo)致學(xué)生大多照抄照搬教材，敷衍了事。為了培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，嘗試讓學(xué)生把每次實(shí)驗(yàn)課當(dāng)成一個(gè)小的科研課題，把預(yù)習(xí)報(bào)告當(dāng)作實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案來寫。教師根據(jù)教學(xué)計(jì)劃，提前告知學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的題目和目的，提出需要解決的問題，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題查閱文獻(xiàn)資料并設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案，然后師生共同探討設(shè)計(jì)方案是否可行，最后進(jìn)行實(shí)踐操作。以硫酸亞鐵銨的制備為例，事先提出如表1 所示的一系列問題，給學(xué)生思考。

表1 硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)中的常見問題

要搞清楚表1 中的這些問題，學(xué)生就必須線下、線上廣泛查閱文獻(xiàn)。開始時(shí)可以讓學(xué)生先查閱中文文獻(xiàn)，再慢慢適應(yīng)查閱外文文獻(xiàn)，逐步熟悉與化學(xué)相關(guān)的各類文獻(xiàn)資源，培養(yǎng)文獻(xiàn)查閱能力，為今后的科研選題做準(zhǔn)備。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目了然于胸后，開始設(shè)計(jì)撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)步驟就是在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，要做到具體、詳實(shí)。如表2 所示，實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要一一對(duì)應(yīng)，在充分預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，寫出每一步操作過程，包括何時(shí)準(zhǔn)備水浴、何時(shí)加熱漏斗、何時(shí)制備無氧水等。在右欄要預(yù)留足夠的空間，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)以及每步實(shí)驗(yàn)所消耗的時(shí)間。

表2 操作步驟與記錄表

3 規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，引導(dǎo)學(xué)生正確觀察和如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)

“授人以魚不如授人以漁”，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，避免一些有依賴性的學(xué)生旁觀實(shí)驗(yàn)，一律實(shí)行單人單組，獨(dú)立操作。盡管學(xué)生通過預(yù)習(xí)、觀看基本操作小視頻以及虛擬仿真訓(xùn)練對(duì)即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作有所了解，但由于基礎(chǔ)薄弱，實(shí)驗(yàn)操作難免“慌腔走板”。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要及時(shí)糾正學(xué)生的不規(guī)范操作。作為從事科研工作的必備要求，正確觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常重要，教師要督促學(xué)生及時(shí)、如實(shí)地記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，教師要仔細(xì)檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)記錄有誤必須重做，培養(yǎng)基本的科學(xué)素養(yǎng)。此外，對(duì)于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異常情況，教師要引導(dǎo)學(xué)生查找原因，盡可能讓學(xué)生自己解決問題。以氯化鈉的提純實(shí)驗(yàn)為例，有學(xué)生會(huì)遇到已經(jīng)加過混合堿且經(jīng)檢驗(yàn)Ca2+、Mg2+、Ba2+等離子已經(jīng)除凈，但是過濾之后得到的濾液并不澄清的現(xiàn)象。此時(shí)，可以從為什么需要在溶液沸騰的情況下滴加沉淀劑，為什么在Ca2+、Mg2+、Ba2+除凈后需要煮沸幾分鐘再過濾等，來引導(dǎo)學(xué)生分析濾液渾濁的原因。使學(xué)生領(lǐng)悟到采取以上措施是為了防止膠體的生成，濾液之所以渾濁可能是操作失誤造成的，隨即把濾液加熱煮沸幾分鐘后再次過濾，這次得到了清澈的濾液。另外，課堂教學(xué)中，還發(fā)現(xiàn)一部分同學(xué)不知道怎么記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，就及時(shí)提醒大家。

總之，由于預(yù)習(xí)到位、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理，學(xué)生都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。隨著時(shí)間推移，實(shí)驗(yàn)技能穩(wěn)步提高。半學(xué)期之后，大多數(shù)學(xué)生都獲得了良好的實(shí)驗(yàn)技能并養(yǎng)成了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，培養(yǎng)了分析問題、解決問題的基本能力，同時(shí)還培養(yǎng)了如何觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、正確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。

4 提交科研論文式實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研能力

撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是一個(gè)很重要的培養(yǎng)環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫，可以使學(xué)生回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。為了解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生需要再次查閱相關(guān)的文獻(xiàn)、了解實(shí)驗(yàn)背景和研究現(xiàn)狀、明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x。書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告還可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，有助于學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐緊密聯(lián)系起來，也有助于提高學(xué)生的邏輯推理歸納能力、綜合分析能力、文字表達(dá)能力，為今后撰寫科研論文或者畢業(yè)論文奠定基礎(chǔ)［16-17］。

常規(guī)的教育模式下，學(xué)生都會(huì)拿到一本具有固定格式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊(cè)，其中列出了每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要填寫的內(nèi)容，包括：實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、問題與討論等幾個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)完畢之后學(xué)生按照預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板進(jìn)行填寫，基本上是照抄老師的課件或者實(shí)驗(yàn)講義，然后填上自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而問題與討論部分也只是簡(jiǎn)單回答一下實(shí)驗(yàn)講義中相應(yīng)實(shí)驗(yàn)后面的思考題，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫流于形式，缺乏理性的分析和思考，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的印象不深，教學(xué)效果欠佳。

這啟發(fā)我們，必須規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫形式，才能達(dá)到培養(yǎng)科研能力的目的。因此，無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)生按照科技期刊論文常見的格式書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。內(nèi)容包括論文題目、作者、摘要、關(guān)鍵詞、前言（緒論）、實(shí)驗(yàn)部分（包括儀器、試劑、具體的實(shí)驗(yàn)步驟）、結(jié)果與討論、結(jié)論和參考文獻(xiàn)。一開始，先利用課余時(shí)間開辟第二課堂，給學(xué)生介紹科技論文的寫作方法、寫作要點(diǎn)以及注意事項(xiàng)。再給學(xué)生推薦一些已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)實(shí)驗(yàn)論文以及往屆學(xué)生的科研論文式實(shí)驗(yàn)報(bào)告樣板供學(xué)生參考。隨后，引導(dǎo)學(xué)生自主撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師從提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，發(fā)現(xiàn)問題，分類指導(dǎo)，加以改進(jìn)。如從摘要中可以看出學(xué)生缺乏對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)概括能力。從前言部分可以看出學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研不夠充分，對(duì)實(shí)驗(yàn)的歷史背景與研究現(xiàn)狀把握不夠全面，缺乏提出問題、分析問題、解決問題的能力。結(jié)果討論部分缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，特別是缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的異常情況的分析。針對(duì)以上不足進(jìn)行逐一進(jìn)行講解，使學(xué)生逐漸掌握論文式實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作方法。半學(xué)期之后，大多數(shù)學(xué)生都能交出合格的科研論文式實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

從實(shí)踐的結(jié)果來看，經(jīng)過一年的訓(xùn)練，大二本科生在進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，能夠很快適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的科研工作，大創(chuàng)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)報(bào)告以及畢業(yè)論文的寫作水平也普遍有所提高。

5 結(jié)語

使化學(xué)專業(yè)的學(xué)生盡快熟悉科研過程并培養(yǎng)良好的科研習(xí)慣，縮短從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室到科研實(shí)驗(yàn)室的過渡期，是從事無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師義不容辭的責(zé)任。從第一節(jié)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課開始，就采用“線上+線下+虛擬仿真”多元化的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生把每一次的實(shí)驗(yàn)課當(dāng)作一個(gè)小的科研課題來完成，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中不斷總結(jié)和改進(jìn)。實(shí)踐證明這樣的教學(xué)模式使學(xué)生的科研能力得到了扎扎實(shí)實(shí)的訓(xùn)練和提高，為今后的科研活動(dòng)奠定了良好的基礎(chǔ)。