化学专业免费师范生开展创新性实验初探

温丽丽 胡宗球 万坚

(华中师范大学化学学院 湖北武汉430079)

大学生创新性实验项目是本科学生个人或创新团队，在导师的指导下，自主选题设计、独立组织实施并进行信息分析处理和撰写总结报告等工作，以培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。该项目的开展有助于提高本科教育质量，培养创新型人才。

2007年，华中师范大学开始推行本科师范生免费教育。目前，华中师范大学化学学院除了办有免费“化学-师范”班，还办有“化学-生物学”和“化学-物理学”、“化学-英才班”等本科实验班，构建了从化学教育人才、交叉复合型人才到拔尖创新型人才的本科人才培养完整格局。相对于本科实验班，免费师范生的职业方向已基本确定，一方面要对他们进行专业技能培养，从而促进免费师范生提高职业技能和素养，坚定职业理想，实现自我价值。另一方面，不容忽视的是，化学作为一门发展比较成熟的学科，对创新能力的要求很高。免费师范生政策的实施旨在培养优秀教师和教育家，因此，培养免费师范生具备一定的创新能力是实现这一培养目标的基本要求。但是目前普遍存在的问题是，对于免费师范生的创新能力的培养和发展并没有得到充分的重视。

本文第一作者于2013年9月起担任2012级化学师范班级的班主任，积极鼓励2012级免费师范生申请大学生创新性实验计划项目。初始，学生并没有表现出很高的兴趣和热情，可能是由于他们内心深处认定自己将来的职业是中学教师，参加这种科研项目对提高自身的专业技能并没有帮助。经过教师动员，年级专业第一名暨国家奖学金一等奖获得者和其他4位学有余力的学生表示愿意成立一个科研团队，积极尝试参与大学生创新性实验计划项目的申请。在教师的指导下，项目组成员经过查阅相关文献，反复推敲、探究与论证，确定了项目的研究内容。该项目《可高效捕集二氧化碳的金属-有机框架的构建》(A2014068)已被批准为华中师范大学2014年大学生创新创业训练计划A类项目(国家级)并加以实施。本文从教师的角度总结了化学专业免费师范生开展国家级大学生创新性实验的意义，并谈几点体会。

(1)有助于形成宽广深厚的专业知识，激发创新思维，拓宽知识视野，提高文献调研能力。

作为新世纪的中学教师，不仅要有渊博的知识和足够的专业学科知识，也需要关注本学科的最新研究成果和研究动态，只有这样才能更好地施教。2012级化学专业的5位免费师范生已经修完了普通化学原理、无机化学、分析化学、仪器分析、物理化学和有机化学等基础理论和实验课程，掌握了相关的基本专业知识和原理，对化合物的制备和表征也有一定的了解。结合目前正在实施的国家自然科学基金项目，教师向团队中的学生介绍了金属-有机框架的基本概念和发展历程后，建议他们可以考虑以目前无机化学和材料化学的热点领域——金属-有机框架捕集温室气体二氧化碳作为研究课题。同时教会学生使用ACS、John Wiley、RSC、SciFinder、Web of Science等电子期刊和工具查阅相关论文，提高文献调研能力。随后，要求5位学生带着如下问题进行文献调研:①课题背景;②归纳总结文献中提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量的策略。站得高才能看得远，5位学生查找了约20篇最新的权威文献，认真研读，对于精华部分做了适当的记录、归纳和总结。一个月后，教师召集5位学生开会，就提出的两个问题进行了全面的探讨。虽然5位学生以前对金属-有机框架的了解几乎为空白，但通过文献调研与分析，对这一研究热点已有一定的认识。团队成员认为全球变暖的问题使得人们把目光投向CO2气体的排放，利用多孔材料对CO2的吸附来捕获CO2引起了越来越多的关注，而金属-有机框架具有大的表面积以及可修饰的孔表面的特点使其成为这一研究的热点［1］。显然，利用便捷丰富的电子期刊资源，团队成员已初步了解了国内外学者的研究动态，拓宽了知识视野，对课题研究背景有了较好的理解，并对该课题表现出浓厚的兴趣。对于文献中提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量的策略，团队成员也进行了较为全面的总结，分别是:①分子筛效应;②主客体间的相互作用力。此时，教师结合学生已学过专业知识，进一步发问，请学生举例说明哪些主客体间的相互作用力可提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量。学生结合普通化学原理的基本知识和文献追踪，经过思考，回答到由于CO2是酸性气体，如果在金属-有机框架的表面有碱性基团(如氨基、酰胺基、未配位的氮原子等)，可利用酸性气体和碱性基团之间较强的相互作用，达到提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量的目的。此外，有位细心的学生在阅读文献时，注意到文献中提到CO2具有较大的四极矩(quadrupole moment，13.4×10-40C·m2)，如果在金属-有机框架的表面有极性基团，利用主客体间的相互极化，也可以实现提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量的目的。该学生对此表示有些困惑:在《普通化学原理》课本中指出CO2是没有极性的，文献上为何说CO2具有较大的四极矩?能提出这样的问题，说明团队中的学生确实是发挥了能动性，积极地发现问题。笔者鼓励学生再去查阅相关资料弄清这个疑问。很快，学生就自己解决了问题:CO2没有偶极矩，但是却拥有方向指向氧的一对方向相反的四极矩，没有净的偶极不代表不能发生偶极分子那样的静电作用。另外，还有一位学生提到，基于普通化学原理的基本知识，带正电荷的金属离子是极性中心，也可以通过构建在表面具有不饱和金属配位位点的金属-有机框架提高对二氧化碳的吸附量。这也正是目前文献中报道的提高金属-有机框架对二氧化碳吸附量的一种有效策略。显然，创新性实验有利于学生在实践中运用知识、验证知识、巩固知识，使学生体会到了理论知识的重要性，更体验到了理论联系实际的重要性。创新性实验激发了学生的创新意识和创新思维，激励了学生面对未知的问题、未知的领域有勇于尝试的热情和勇气，鼓励了学生不断探索、善于发现并提出问题，以及求新、求异的兴趣和欲望。

(2)培养独立思考的能力，提高学术鉴赏力。

具备独立思考的能力是一个人形成创新意识及创新能力的基础。中学教师的作用对于培养中学生独立思考的能力至关重要。中学教师在有限的课堂教学中，应该利用各种教育、教学方法，激发学生的思维，引导学生独立思考，让他们逐渐养成独立思考的习惯。这就要求免费师范生——未来的中学教师自身要具备很强的独立思考的能力。

在创新性实验执行期间，根据前期反复讨论的结果，学生选定了一个可通过去除配位溶剂分子获得不饱和配位位点的金属-有机框架为研究对象。对于具体的实验方案，学生通过查阅资料、调研思考、反复论证，渐渐学会了如何全面、多角度地考虑问题，如何从别人的设计中提炼精华，使分析问题和解决问题的能力得到了质的飞跃。既培养了独立思考的能力，同时也提高了学术鉴赏力。例如分析室温条件下CO2/N2和CO2/CH4的分离比。在归纳总结文献后，学生发现目前有3种计算方法［2］，分别是:①通过金属-有机框架分别对CO2、N2和CH4的最大吸附量之比计算;②通过低压段(小于1×104Pa，金属-有机框架对相关气体的吸附量与压力成线性关系)气体吸附量对压力的斜率之比计算;③运用理想溶液吸附理论(ideal adsorbed solution theory，IAST)计算。面对大量的文献，令学生感到困惑和不解的是，哪种计算方法是合适的。作为指导教师，笔者给出了一篇最新的关于计算气体分离比的权威综述文献，要求学生仔细阅读文献后再做分析。通过阅读文献，学生一致认为第一种计算方法过高地估算了气体分离比，科学性欠妥，已逐步被其他两种方法取代。随后，将学生分为两组，分别采用第二种和第三种方法计算气体分离比，并比较分析了这两种方法的差异性。虽然这两种方法在结果上有所不同，但目前都被科学界认可。第二种方法计算过程简单，对数据点的要求不是非常高;第三种方法计算过程较为复杂，利用双位Langmuir-Freundlich方程(dual-site Langmuir-Freundlich equation)对吸附数据进行拟合，对数据点的要求较高，但被认为准确度和精确性也相对较高。显然，创新性实验要求学生面对新事物具有发散思维和聚合思维相结合的能力，即具有积极的求异性、敏锐的观察力、创造性想象、独特的知识结构以及活跃的灵感。

(3)增强承受挫折的能力和自信心，培养耐心、细致、注意把握细节的科研素质。

提高免费师范生的抗挫折能力和对挫折的适应和化解能力，让未来的中学教师能在挫折面前保持乐观自信精神，是适应现代生活和时代发展的需要。在新课程改革的形式下，“教师成为研究者”已是必然的要求，教师的教育科研素质已被认为是教师素质的一个重要方面。然而，中学教师科研素质普遍不高，使他们对教育科研的热情不高，这严重制约了他们的教育科研成果的质量。

从立项之初的无从下手，到后期的成竹在胸、轻车熟路，学生增长的不只是专业知识，还有承受挫折的能力、信心与韧性。在创新实验过程中，许多学生都曾遇到过困难，甚至在一筹莫展时考虑过放弃，但他们没有被一次次的失败与挫折吓倒，继续保持着高度的热情，共同奋斗，找出错误，一一改正，不断提高，最终一步步解决问题，克服一个个困难。例如，在金属-有机框架样品制备的初期，学生得到的样品产率很低，难以收集足量的样品进行后续的气体吸附实验。从实验一开始就遇到“拦路虎”，这使学生感到沮丧、懊恼。笔者结合自身科研经历，鼓励学生考虑微调反应条件或加入适当的模板剂。学生据此进行了大量的正交实验，一周后，通过改变反应的溶剂，显著提高了样品的产率。化学反应是很奥妙的，小小的成功大大地鼓舞了学生。在获得足够的样品后，开始样品活化。活化温度的选择也是影响吸附量高低的一个重要因素。在实验开始时，有的学生急于求成，认为活化温度越高，样品内的溶剂分子去除的越完全，就可以得到理想的吸附数据。第一次样品的活化温度被设定为200℃，在77K测定样品对N2的吸附曲线，结果学生失望地发现吸附曲线为Ⅳ型线，而且吸附量很低。这次，学生通过仔细观察活化后的样品，发现样品的颜色已经变黑，显然活化温度过高易造成样品碳化分解。怎样选择合适的温度呢?学生通过查阅文献，发现要先做样品的热分析，由失重平台确定样品的活化温度。根据热重曲线，第二次样品的活化温度被设定为150℃，学生信心满满地认为这次一定会成功。意外的是，77K测定样品对N2的吸附曲线仍是Ⅳ型线，这使学生有些失望。由于缺少这一领域的研究经验，他们求助于教师。笔者给了学生一些启发，N2的半径相对于CO2较大，同时N2分子是没有极性的，而CO2是有四极矩的。理论上样品的孔道并不是很大，既然样品在77K时对N2没有吸附，就可以考虑通过测定195K时对CO2的吸附曲线计算样品的比表面积。这也是目前科学界认可的一种途径。学生通过实验，惊喜地发现在195K时样品对CO2的吸附曲线是典型的Ⅰ型线，说明CO2进入到微孔孔道中，该样品确实具有微孔孔道。当完成了这部分的工作，学生不仅体会到了成功的快乐，更重要的是增强了信心，培养了耐心、细致、注意把握细节的科研素质。

(4)培养团队协作精神，提高人际沟通能力。

教学的本质就是教师与学生之间的沟通，是教师与学生之间的交流与对话。学生文化知识的提升、身心素质的健康发展都需要教师具备较高水平的沟通能力。而师生沟通的效果在很大程度上取决于教师的沟通能力的高低。现代教育和新形式下的课程教育改革对教师的人际沟通能力提出了更高的要求。

在创新实验项目中，面对这种知识面要求广、较为复杂的任务，单靠个人的能力是很难圆满完成的，需要小组成员相互协作，发挥各自特长，实现优势互补。这对许多学生来说是一个挑战。在完成课题任务的过程中，小组成员能够明确分工、密切合作、定期讨论、互提建议，在讨论中相互学习，在失意中相互鼓励，在协作中加深理解、增强友谊，在把创新项目做好、做精、做出水平的共同目标下，形成了团队的凝聚力。在遇到难以解决的问题时，他们请教老师、拜访学长，有时还进行跨院系合作、寻求跨学科指导，这些也使他们的沟通和交流能力得到了锻炼。

大学生创新性实验是高等学校教学改革工程的重要组成部分，是提高本科教学质量和大学生综合素质的重要手段［3］。作为未来的中学化学教师，化学专业免费师范生开展该实验更具有重要的意义:有助于形成宽广深厚的专业知识，激发创新思维，拓宽知识视野，提高文献调研能力;培养独立思考的能力，提高学术鉴赏力;增强承受挫折的能力和自信心，养成耐心、细致、注意把握细节的科研素质;培养团队协作精神，提高人际沟通能力。

［1］Zhang Z J，Zhao Y G，Gong Q H，et al.Chem Commun，2013，49:653

［2］Li J R，Sculley J，Zhou H C.Chem Rev，2012，112:869

［3］王祖源，毛骏健，吴於人.中国大学教学，2007，9:26