开设无机化学研究性实验的实践和总结

胡锴 刘欲文 陶海燕 龚淑玲 程功臻

(武汉大学化学与分子科学学院 湖北武汉430072)

研究性实验作为实验教学体系的重要组成部分，与基础实验、综合实验共同构成了多层次的实验教学体系。它是研究性学习的一种模式，是以学生为主体的实验自主学习过程。其旨在通过学生自主解决实际问题来培养学生的探究能力，使他们像科学家一样学习、思考和发现。无论是美国还是中国都将探究能力的培养纳入化学人才培养的目标中［1-2］。

武汉大学自1991年在全国率先将研究性实验引入化学专业低年级学生的实验教学以来，一直在这方面进行积极的尝试和改革。20多年来，无论是在实验开设的流程系统，还是在实验内容的选择、教学方法的采用亦或是教学的形式等诸多方面都有所涉及，总结出了一套相对成熟的研究性实验开设模式和一些可供参考的经验。目前我们的研究性实验已覆盖所有化学及近化学专业的一年级学生，根据学生所在专业的特点合理安排实验内容和课时。本文主要介绍化学专业一年级学生无机化学研究性实验的开设情况，将从实验开设概况、实验实施体系、特色及经验和展望4个方面展开。

1 研究性实验开设概况

武汉大学低年级化学研究性实验的开设首先是在无机化学实验组进行试点。因此，研究性实验教学一直是无机实验教学的重要组成部分和特色之一。

在实验开设之初，其授课对象仅为化学基地班学生。随着教学的不断深入，目前授课对象已经扩展到所有化学和近化学专业。除了授课对象的变化外，学时数也逐年增加，由最初的6学时发展到目前计划内的30学时，约占无机化学实验计划内总学时的20%。2009年以前，研究性实验开设时间为一年级下学期的后半段，即在学生已初步掌握一些基本操作、技能和无机物制备方法后，作为提高训练。但对开设效果和学生反馈进行分析总结后，自2010年起，我们将研究性实验分为研究性实验Ⅰ和研究性实验Ⅱ两部分。研究性实验Ⅰ在一年级上学期末开设，计划内6学时。此实验旨在通过一个短期训练，让学生初步了解研究性实验的特点、基本的方法和流程，进而学会如何着手做研究性实验，并为下学期的研究性实验Ⅱ做必要的准备。研究性实验Ⅱ在大一下学期开设，共24学时。相较于实验Ⅰ而言，实验Ⅱ的时间有较大幅度的增加。其目的是希望通过一个相对长时间的自主学习过程进一步培养学生分析、解决问题的能力，知识应用的能力和创新意识。此外，还希望通过探究性实验的平台初步培养学生团队协助精神、科学论文写作能力以及科学表达能力等。除了计划内的30学时外，学生还可以利用周末的开放实验时间进行实验工作，累计学时数最多可达60。

研究性实验开设20多年来，一直都是最受学生欢迎、学生参与度最高、反馈收获最丰富的实验项目。

2 研究性实验实施体系

目前，我们的研究性实验已经形成了一套完整的、有自我特色的模式。具体实验教学实施包含选题、文献调研、开题、实验、论文书写及答辩5个环节。实验开设过程遵循了科学研究的一般流程。在整个教学活动中，学生始终是学习的主体，教师仅作为引导者，在适当的时候给予一定的帮助，如提供部分选题、给出建议、组织讨论等。

考虑到一年级学生的实际动手能力，在课题选择上，以教师提供为主，辅以部分学生自主选题。我们鼓励学生提出自己感兴趣的课题，但课题需经过教师评估通过后方可开题。教师在提供课题时会从学生实验能力和兴趣点、实验室基本条件、科学发展方向及所在学院科研特点等多方面综合考虑，充分发挥实验教学中心和学院科研的优势。实验Ⅰ的课题选择主要考虑学生入门问题和课时限制，一般不会太复杂。课题通常分为两类，一类为学生根据自己的兴趣，选择一个课程内实验进行改进或者某一感兴趣的实验点进行探究;另一类由教师提供，一般为简单物质的合成及分析，如碱式盐的合成及分析、简单无机化合物的设计制备等。如表1为2013年我们结合学生本学期所学实验开设了4个研究性实验Ⅰ的课题。这4个课题均是学时内实验内容的拓展和延伸，旨在通过这一过程，一方面让学生了解研究性实验的特点，为实验Ⅱ打基础;另一方面让学生能够体会到学以致用的意义，巩固他们对实验的兴趣。实验Ⅱ课题相较实验Ⅰ会更贴近科学发展的前沿和学科特点，课题通常由实验指导教师共同给出，一般为6～8个。如2013年我们提出了8个课题供学生选择，具体如下:天然染料制备燃料敏化太阳能电池DSSC、溶胶-凝胶法制备纳米TiO2及光催化性质研究、CdS量子点的水相合成及表征、Dawson结构杂多酸制备及缓蚀性研究、碘的提取及其相关性质的研究、纳米羟基磷灰石的制备与表征、反胶束微反应器制备CdS量子点及表征和铜配合物的制备及其晶体场分裂能的测定。选题通常会在正式实验开始前2～3周公布，目的是让学生利用课余时间进行文献调研和实验方案设计。一般在学生选题前，课程负责教师会就每一个题目给学生做初步介绍，并对如何更好地查阅相关资料及论文写作方面的问题进行说明。此外，学生也可以通过我们发放的《研究性实验指导手册》了解相关实验内容。其后，学生可根据自己的兴趣，组成2～3人的研究小组，选择参加某一课题的研究。由于每个实验课题存在人数限制，为了选到心仪的课题，有些学生甚至会提前1小时到达选课地点排队。

表1 2013年武汉大学无机化学实验的研究性实验课题Ⅰ的内容及比较

在确定选题后，学生利用课余时间进行文献调研。针对学生查阅文献能力不足的问题，我们学院曾将化学信息学课程调整到大一下学期，以提高学生文献调研的能力。此外，实验指导教师也会根据实际情况提供0～2篇参考文献，以便学生对课题有初步的了解。学生在文献调研过程中遇到问题也会及时与教师沟通。

我们要求学生在完成文献调研后至少提前一周将实验方案交给实验指导教师，以便教师针对方案与学生进行讨论并督促其进行修订。实验方案一经确定后，学生应及时提交实验仪器和药品清单，以方便实验技术人员做好实验前的准备工作。清单上要求注明仪器型号、个数，药品的规格和用量等信息。

在实验教学期间，学生根据自己修订后的实验方案进行实验。在此过程中，教师原则上不干预学生的研究工作，但可以要求学生及时报告实验进展状况，敦促学生对实验数据及现象进行分析总结，积极对实验方案进行改进。在此过程中，我们一直强调实验是一个不断改进的过程，一定要重视现象和数据分析，根据实际过程及时调整实验方案。在实验过程中，教师也会根据实际情况组织学生就课题进行讨论。如反胶束微反应器制备CdS量子点的课题组在3周实验过程中，就组织学生就共性问题讨论了2次。此外，教师还要求学生每周就实验情况写一个小总结，以便及时对数据进行分析并对方案进行修订。

在实验结束后，我们要求每一个学生以科学论文的形式提交一份课题研究论文，此外每一组选派一名学生对所参与的实验辅以PowerPoint幻灯片的形式进行口头汇报并接受同学和教师的互动提问。我们会从每个课题中选派表现突出的小组进行年级总汇报，一方面给同学一个展示自己研究成果的机会，另一方面也能培养学生口头表达的能力。对于好的论文，我们推荐选登在我院创办的《大学生化学学报》上。

通过这样一个相对完整的科学研究体验过程，学生不仅了解了科学研究的基本流程，更重要的是通过这样的亲身实践过程，学生能体会到实验并不是简单地重复操作，而是一项需要手脑并用的工程。此外，学生提出问题、分析问题和解决问题的能力及创新意识也能得到进一步提高。

3 研究性实验的开设特色及经验

3.1 相对完善的开设流程

前面已经对实验开设的基本流程做了介绍，目前的教学活动基本遵循这一流程。但在实际操作过程中，会遇到一些细节问题，如选题的发放预约、师生如何互动协作制定实验方案、课题的具体实施、论文的书写格式及提交、口头汇报的要求等。这些细节问题如果处理不好，会对整体实验效果产生影响。为此我们编写了《研究性实验指导手册》，以方便学生顺利进行研究性实验。指导手册的内容大致包括:①研究性实验的简介及要求;② 选题(包括课题简介、重难点、要求，指导教师联系方式等);③实验注意事项(为一些常见问题，如选题预约，实验过程要求、方案及论文提交时间及方式等);④论文书写范例及模板。从我们实际开设实验的经验来看，指导手册一方面能辅助学生遵循基本要求顺利地进行课题研究，另一方面也避免了实验中可能出现的混乱问题，使整个过程能够有条不紊的进行。

3.2 多层次的教学体系

首先，从形式上，将研究性实验分为上下学期两部分，上学期实验为下学期实验做铺垫，以保证下学期的实验达到预期目的。其次，在选题上，注重教师选题和学生自主选题相结合，鼓励学生自主选题。如有的学生提出希望能做固体酒精，在与教师协商后，给学生提供了这样的机会。再次，做到课堂与开放相结合，以开放实验来弥补课堂教学学时不足的问题，更好地调动和保护学生学习的积极性和对实验的兴趣。武汉大学针对大一学生的开放实验是在周末进行的。在研究性实验时间段，每周基本上有50%～80%的学生会参加开放实验，足见学生对于研究性实验的兴趣。最后，做与讲相结合，不仅培养学生实际动手能力，更注重培养学生的科学思维方法、对知识的应用能力和表达能力。前面已经提到，研究性实验的成绩评定不是单纯看学生的实验结果，还要看学生在这个实验过程中是否有自己的思考和想法，是否积极解决问题、对问题的表述如何。还有一点值得提出的是，在实验过程中我们确保学生学习的主体地位，提倡学生自主学习;教师则根据实际情况调整自己在各个环节中的作用。

3.3 将学院科研优势应用于教学

确保研究性实验达到预期效果的一个关键性问题是选题。课题的选择一方面要充分考虑学生能力，另一方面也要能体现学科的发展。

在以往的教学过程中，我们的选题多来自对一些经典实验的改进、国外一些新编写的实验、科研论文和学生感兴趣的与实际生活相关的课题等。每年课题更新率可达到30%～50%。这些选题虽在培养提高学生分析解决问题能力上有帮助，但在培养学生创新意识和体现学科发展上存在欠缺。因此，近年来我们充分利用学院科研优势，请科研教师帮我们对一些实际科研课题进行修编，然后引入到基础研究性实验教学中;同时，也请参与此课题相关研究的教师参与到教学中进行有针对性的实验指导。如2011和2012年，我们根据我院彭天右教授课题组所研究的二氧化钛染料敏化太阳能电池的研究项目，开出了“以天然染料制备染料敏化太阳能电池DSSC”的研究性实验课题。再如2012年，我们所开设的“溶胶-凝胶法制备纳米TiO2及其光催化性质的研究”，“CdS量子点的水相合成及表征”，“纳米羟基磷灰石的制备与表征”，“反胶束微反应器制备CdS量子点及表征”等课题都直接或者间接来源于我院教师的科研项目。

3.4 有针对性的实验指导

虽说学生是研究性实验教学的主体，但教师的指导作用也是非常重要的。教师对课题的了解程度直接决定其指导效果。以往，我们的做法是无论学生选择什么课题都在原实验室进行实验，指导教师不变。这就使指导教师需要同时指导多个实验，而这势必会造成指导不到位。

针对这一问题，我们进行了相应改革。因为实验指导教师均有自己的科研工作，因此我们要求教师给出与自己科研相关或者科研中的实际问题作为研究性实验的项目。当然给出的课题并不是都适合作为学生实验，这时实验责任教师就需要与指导教师沟通，共同对内容进行修改，以切合学生的知识水平和实验室条件。如染料敏化太阳能电池实验，科研中用到的TiO2浆料是直接购买的;考虑到浆料价格比较高，学生实验消耗大，我们将此部分改为学生利用纳米TiO2粉体自制浆料，然后再与市售浆料进行性能对比。同样的问题也见于染料，在学生实验中则设计成从天然植物中提取染料。在指导教师给出的课题立项后，选择此课题的学生将进入指导教师所在学生实验室进行实验，每位教师仅指导自己给出的一个实验课题。这一做法就如同学生进入科研实验室，学生可以就课题的方方面面，如立意、样品处理、合成方法、表征手段的选择以及实验中遇到的各种问题等与教师做更加深入和广泛的交流，教师的相应指导也能更加专业和细致。在实验过程中，我们鼓励学生多与教师讨论，但也注重充分发挥学生学习的主观能动性。当学生遇到问题时，教师在第一时间要做的不是提供解决方案，而是在一定条件下协助学生找出出现问题的原因，帮助学生自己寻找解决方案。因为在一个实验室的学生都进行同样的研究，因此我们也鼓励学生进行小组内部和小组之间的讨论。必要时，教师会就实验中的一些问题组织学生进行讨论，以促进思维的交流和共同学习。此外，一些在教学实验室无法完成的实验工作，也可借助指导教师科研实验条件进一步完成。如太阳能电池的实验，学生实验室仅能完成简单的电池组装，此时实验指导教师会提供科研实验室的电池组装设备，供部分学生进一步完成电池的组装。2011年，一部分参与水浴法制备蝴蝶状CuO微结构课题的学生在指导教师的带领下，了解了电镜的原理和用法。从这方面看，这一举措大大拓展了实验项目的可选择面。

在实际指导过程中，指导教师也能从学生的想法或实验过程中获得一些灵感，将其融入到实际科研工作中，真正达到教学相长。有部分学生因进行了研究性实验项目，而选择进入该指导教师的科研课题组进行业余科研;此外，还有学生因在研究性实验项目中表现突出而被教师吸纳到科研课题组。

3.5 充分利用实验中心资源

在一年级开设研究性实验的一个比较普遍的问题是学生对于表征手段了解甚少，单纯的合成实验并不能很好地体现科学研究的实际情况和调动学生学习的积极性。因此我们充分利用化学实验教学中心的优势，在实验中心领导的支持下，将部分仪器分析方法如红外、紫外、电镜、XRD等引入一年级的研究性实验教学中。学生在进行相关理论和仪器的培训后，可以自行操作，对所制备的样品进行相关的检测和表征工作。

4 展望

通过多年的教学实践，我们在研究性实验的开设方面总结出了一些经验也走出了自己的特色。在开设过程中，我们注重开设过程的各个环节，保证实施效果，避免研究性实验流于形式，让学生真正在每一个环节都有所收益。当然，我们的工作还有一些方面是需要进一步优化和改进的，例如如何选出更契合学生发展的实验课题，开设过程中的师生管理、论文的修改以及成绩评定标准等。

［1］教育部高等学校化学类专业教学指导分委员会.高等学校化学类专业指导性专业规范.北京:高等教育出版社，2011

［2］Chemistry in the National Science Education Standards. Washington DC:American Chemical Society，1997