姚奇志，金谷，朱平平，李玲玲,2，李嬌,2，劉紅瑜,2

1中國(guó)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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

隨著我國(guó)科教興國(guó)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(huì)各界的高度重視和廣泛關(guān)注。國(guó)務(wù)院在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010–2020)》中強(qiáng)調(diào)指出，要促進(jìn)高校內(nèi)部科技教育資源的共享，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)互動(dòng)和科研與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結(jié)合[1]。《國(guó)家中長(zhǎng)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(qiáng)科學(xué)創(chuàng)新與人才培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合，鼓勵(lì)本科生投入科研工作，在創(chuàng)新實(shí)踐中培養(yǎng)他們的探索興趣和科學(xué)精神[2]?；趯?duì)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的要求，國(guó)內(nèi)高校從20世紀(jì)90年代就開展了SRTP (Student Research Training Program)計(jì)劃項(xiàng)目，通過(guò)設(shè)立創(chuàng)新基金和本科生自主申報(bào)方式確定立項(xiàng)并給予資金支持，鼓勵(lì)學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成項(xiàng)目研究。隨后實(shí)行的“雙導(dǎo)師制”，各種級(jí)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(jìng)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(jìn)入科學(xué)前沿，了解社會(huì)發(fā)展動(dòng)態(tài)和國(guó)家需求，激發(fā)創(chuàng)新思維，積極主動(dòng)地探索新的知識(shí)領(lǐng)域，從而培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才。這些項(xiàng)目的實(shí)施，的確為自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的本科生提供了極好的科研能力鍛煉平臺(tái)。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(shí)儲(chǔ)備不足、學(xué)術(shù)理論體系不健全、邏輯思維和獨(dú)立解決問(wèn)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(gè)重要目標(biāo)。為此，我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過(guò)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(jì)型”多層次、遞進(jìn)式教學(xué)體系。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，運(yùn)用“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法，不僅培養(yǎng)本科生基本實(shí)驗(yàn)方法和技能，而且培養(yǎng)他們分析、解決問(wèn)題的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)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(jìn)式創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門經(jīng)典的化學(xué)基礎(chǔ)課，不僅能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)分析化學(xué)理論知識(shí)的應(yīng)用和實(shí)踐，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，而且在樹立嚴(yán)格的“量”的概念和培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作風(fēng)方面起著不可替代的作用。傳統(tǒng)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以四大滴定實(shí)驗(yàn)為主，大多是對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，缺少探索性、研究性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢(shì)下建設(shè)國(guó)家創(chuàng)新體系對(duì)人才培養(yǎng)的要求。我校自20世紀(jì)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(guò)二十年不斷優(yōu)化，形成了“基礎(chǔ)型-綜合型-探究型-設(shè)計(jì)型”多層次教學(xué)體系(見(jiàn)表1)[3]。該課程體系建設(shè)過(guò)程中，堅(jiān)持以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的實(shí)踐能力、科研和創(chuàng)新能力為主線，結(jié)合學(xué)科自身特點(diǎn)，以專業(yè)知識(shí)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(diǎn)緊密相關(guān)的層次化實(shí)驗(yàn)課程體系。第一層次基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)占30%，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，著重培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能，加深對(duì)理論知識(shí)的理解；第二層次綜合型實(shí)驗(yàn)占20%，著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用和拓展能力；第三層次探究型實(shí)驗(yàn)占30%，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的創(chuàng)新實(shí)踐能力；第四層次設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)占20%，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等基本科研素質(zhì)。四個(gè)層次由淺入深、循序漸進(jìn)，各層次間既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充。這種“一條主線，多個(gè)層次”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)立體的螺旋式、漸進(jìn)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(dá)到了夯實(shí)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(jì)型”多層次教學(xué)體系(160學(xué)時(shí))

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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，課程體系和教學(xué)方法的創(chuàng)新與完善，對(duì)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(dòng)式、“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生；同時(shí)，“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃”“雙導(dǎo)師制”“以賽促教”等科研與教學(xué)互動(dòng)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?cè)诖_保完成“三基”教學(xué)目的基礎(chǔ)上，在多層次、遞進(jìn)式分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系構(gòu)架下，運(yùn)用“扶-牽-引-放”四步教學(xué)法，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合科研素質(zhì)和能力的全過(guò)程培養(yǎng)。

2.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)——扶著走，扶中有牽

分析化學(xué)基礎(chǔ)型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)基本操作技能以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等方面具有獨(dú)到之處，是其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法替代的。教師應(yīng)正確把握傳承與創(chuàng)新的關(guān)系，對(duì)經(jīng)典驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的可開發(fā)科研能力培養(yǎng)的內(nèi)容進(jìn)行挖掘，從而做到既夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)又培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在這部分教學(xué)過(guò)程中，采用Small Private Online Course (SPOC)教學(xué)模式，首先把基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作步驟和難點(diǎn)設(shè)計(jì)為思考題，并與實(shí)驗(yàn)視頻一起上傳到教學(xué)班級(jí)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(shí)，進(jìn)一步運(yùn)用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式，組織學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行討論，熟悉實(shí)驗(yàn)思路和具體操作的目的。例如，“返滴定法測(cè)定鋁”中(表1)，配制0.02 mol·L-1鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，為什么要先加入一滴HNO3溶液？假如不加會(huì)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(guò)量2滴氨水的目的？等等。通過(guò)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(shí)驗(yàn)的基本技能，而且在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，起到潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的教學(xué)效果。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)占70%。而數(shù)據(jù)誤差大小評(píng)判則依據(jù)對(duì)教師提供的兩份未知樣品的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，因此，每次實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)考試，并根據(jù)評(píng)分細(xì)則進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)判[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論有獨(dú)到見(jiàn)解的，給予成績(jī)上的獎(jiǎng)勵(lì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考和求異思維。

2.2 綜合型實(shí)驗(yàn)——牽著走，牽中有引

關(guān)注學(xué)科最新研究成果和動(dòng)態(tài)，并把相關(guān)內(nèi)容設(shè)計(jì)成本科生綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)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(cè)定等。利用綜合型實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象復(fù)雜的特點(diǎn)，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程或現(xiàn)象中的問(wèn)題，并開展系統(tǒng)分析、深入討論，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中(表1)，用SDS修飾Al2O3表面清洗過(guò)程中，總會(huì)有漂浮在液面的白色顆粒，引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)白色顆粒為何物。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生推測(cè)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(duì)可能的推測(cè)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各自的推測(cè)，該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生極大的實(shí)驗(yàn)熱情，體驗(yàn)到通過(guò)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的快樂(lè)，也鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和分析問(wèn)題的能力。

綜合型實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定由基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)占成績(jī)70%下降為30%，而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論占成績(jī)的40%，這樣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新思考的積極性。

2.3 探究型實(shí)驗(yàn)——引著走，引中有放

如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性一直是教育工作中的挑戰(zhàn)，在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)自己思考的實(shí)驗(yàn)方案結(jié)果會(huì)怎么樣，總是有強(qiáng)烈的好奇心，甚至急不可待想通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。我們受綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效的啟發(fā)，在探究實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)性地把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中部分模塊改由學(xué)生設(shè)計(jì)，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中包括樣品制備和成分測(cè)定兩部分(表1)。其中成分測(cè)定方案為：用過(guò)量的已知準(zhǔn)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(cè)定Ca2+和濃度。教師給出Ca2+和Bi3+濃度測(cè)定的具體步驟，但硝酸鉍分離模塊由學(xué)生設(shè)計(jì)。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(guò)濾后滴定濾液和帶著沉淀直接滴定會(huì)有什么差別，哪個(gè)誤差更大？用遞進(jìn)式的問(wèn)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(rèn)領(lǐng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)“引中有放”的教學(xué)目的。同學(xué)們經(jīng)過(guò)理論計(jì)算、方案設(shè)計(jì)、班級(jí)答辯完善后，各自實(shí)施實(shí)驗(yàn)。不同條件探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全班共享，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論，獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。讓每一位同學(xué)都能接受獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的基本訓(xùn)練。

探究型實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定與綜合型實(shí)驗(yàn)分值比例相同。經(jīng)過(guò)大約10個(gè)綜合型、探究型實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)訓(xùn)練，極大提高了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.4 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)——放手走，放而不亂

經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)型、綜合型、探究型實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)訓(xùn)練，在開放設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，我們只給出實(shí)驗(yàn)命題和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以提供的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試條件，放手讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。命題內(nèi)容涉及科研前沿和社會(huì)熱點(diǎn)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(xiàn)調(diào)研能力。例如：設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)“實(shí)驗(yàn)室含鉻廢液回收、價(jià)態(tài)分析及評(píng)價(jià)”(表1)，提前一個(gè)月告知學(xué)生要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室回收的鉻酸廢液進(jìn)行回收再利用，測(cè)定儀器為分光光度計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具體教學(xué)流程如圖1所示。學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案在教師指導(dǎo)下經(jīng)過(guò)多次討論和完善，放而不亂。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與方案實(shí)施分開評(píng)定成績(jī)。設(shè)計(jì)方案不能僅滿足于完成設(shè)計(jì)，還應(yīng)力求新穎，有獨(dú)到之處和可行性分析。方案設(shè)計(jì)占該次成績(jī)60%，班級(jí)質(zhì)疑和討論環(huán)節(jié)占該次成績(jī)40%，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與討論。通過(guò)集體交流完善和豐富知識(shí)結(jié)構(gòu)，拓展思維，學(xué)會(huì)創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施時(shí)，盡量用自己設(shè)計(jì)的方案，也可參考班級(jí)討論中的“最佳”方案，各自獨(dú)立展開實(shí)驗(yàn)探究，按照統(tǒng)一模板撰寫實(shí)驗(yàn)論文，該部分實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定同樣側(cè)重對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論。

圖1 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程示意圖

探究型實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程不會(huì)一帆風(fēng)順，一定會(huì)出現(xiàn)各種意外、失敗和挫折，對(duì)該類實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核不能局限于是否取得預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而應(yīng)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果的分析與討論以及改進(jìn)方案的合理性等綜合能力的考量。在此過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)調(diào)研思考、反復(fù)論證，逐漸學(xué)會(huì)從不同視角思考和分析問(wèn)題，從參考文獻(xiàn)中汲取精華，使自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和創(chuàng)新能力得到質(zhì)的飛躍，對(duì)所遇到問(wèn)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(yǔ)

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理工科院校本科生教育的重要實(shí)踐教學(xué)之一，是本科生全面掌握理論知識(shí)、鍛煉科學(xué)思維、培養(yǎng)應(yīng)用能力和孕育創(chuàng)新意識(shí)的重要環(huán)節(jié)。本文在多層次、遞進(jìn)式分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)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(duì)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新意識(shí)和科研能力的系統(tǒng)培養(yǎng)融入到日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，堅(jiān)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(shí)驗(yàn)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(huì)反饋：同學(xué)們非常喜歡分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提高了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力；探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程類似科研，終身收益；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中感覺(jué)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(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程結(jié)束后，越來(lái)越多的同學(xué)利用課余時(shí)間對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行深入探究，例如：大二范同學(xué)對(duì)“實(shí)驗(yàn)室含鉻廢液回收、價(jià)態(tài)分析及評(píng)價(jià)”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(duì)“白云石中鈣的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)異常現(xiàn)象進(jìn)行了深入探究，相關(guān)成果也發(fā)表在《大學(xué)化學(xué)》上[6]。