应用型本科院校开放性实验的改革与探索——以电化学方向为例

丁莉峰， 程雪松， 李松栋， 程 军

(太原工业学院 化学与化工系， 太原 030008)

0 引 言

应用型本科院校的教学需要以服务地方区域的行业的发展为重任，培养专业技术强和综合素质高的创新性人才，而新型电化学人才在将来的发展中将占有重要的作用。为了培养和提高学生的应用创新能力，在电化学实验中需要引入新的教学方式。开放性电化学实验教学既指基础的电化学实验之间的相互综合，也可以是指电化学实验和其他学科的实验综合[1]。电催化、电合成、生物电化学和电化学分析等一些新兴的交叉性学科，已不适用于旧的教学体制。开放性实验教学方式的开展和改革才能保障上述学科的良好发展[2-3]。开放性电化学实验的开展，不仅能极大地激发出学生对电化学实验的学习兴趣和激情，还可以加强理论知识，提高学生的科学素养，使学生将理论知识用于生产实践的科学问题中，为以后的继续学习或者科研工作打下牢固的基础。结合应用型本科院校研究生缺乏的问题，设立与科研课题对接的创新性的开放实验项目[4]，通过让本科生积极参与，实现两者互动，将是一种有益的教学探索[5]。这样不但可以提高学生在解决实际工作中遇到的问题的动手能力，将理论知识学以致用，而且能够促进教师教学质量的提高，提升院校试验教学水平，培养应用电化学方向创新人才[6-7]。

1 电化学实验教学中存在的问题

目前电化学实验教学中，教师多采用传统的基础性、综合性实验教学方式，这极大地限制了学生独立思考和自由发挥的创新思维[8]。因此，教师需要有与时俱进的专业教学理念，较少陈旧的脱节实验，增设热点科研项目的开放性实验，培养学生的创新能力[9-10]。电化学实验教学改革中存在诸多问题。

(1) 传统的电化学实验教学方式单一、内容陈旧，缺乏实用性。传统的电化学实验教学过程都是教师讲授、学生被动接受，甚至实验结束后，学生都不一定能将理论知识和实验联系起来；电化学实验主要考核实际动手操作能力，而传统的教学实验只考查学生的实验准确度。传统实验中学生可以根据明确的预期结果编造出实验结果的现象，不利于激发学生的主观能动性和创造力；电化学实验在应用型本科院校中主要是开设给大三和大四的学生，这不利于培养低年级的学生的动手能力、综合分析和解决问题的能力。

(2) 应用电化学方向教学实验设备材料要求高。比如电极的新鲜性，如银-氯化银电极材料、负载型铂黑电极，电极不用易于氧化，难以保管，且电极氧化后超过一定时间段就不能使用，最终将导致电分析实验的失败；实验首次投入费用相对其他专业实验高得多，比如购置昂贵的电化学工作站及其相关配套的铂、饱和甘汞、氧化汞、金等电极。

(3) 电化学实验涉及的大型仪器的安排有待改进。这些大型的实验设备比较昂贵，实验室管理也严格。学生对实验室没有使用权限，只能在教师指定的实验室中，在教师或者研究生全程指导下进行实验，不能独自完成自己所感兴趣的实验，这就使学生失去了实验的兴趣，也失去了主动参与实验的积极性。

(4) 教师能力要求高。开展开放性实验，教师要有牢固的基础理论，也需要不断查阅外国书籍和最新的文献，提升自身的教学水平。这是目前应用电化学方向教学亟待解决的问题。

(5) 学生欠缺专业知识的综合应用能力。很多学生对基本的查阅文献、设计方案、处理数据和排版文档的能力都有所欠缺，大都还把简单的数据展示应用在撰写论文或者计算整理中，没有主观的分析和深入的探讨。此外，目前学生普遍存在工程实践能力较差的问题，对基本概念缺乏直观认识，不能较快胜任工作岗位。同时，这也是行业发展的需要，学生参与应用型的本科院校开展的科学研究，有利于为行业培养专业技术高、科学素养好的人才。

应用型本科院校研究生资源严重缺乏，必须通过改革以解决青年教师缺少学生参与科研项目的问题。因此，开放性电化学实验项目旨在开发新的电化学教学体系课程，让学生有更多机会与教师互动，为培养应用型创新型电化学人才提供一个平台[11-12]。通过依托于实验室的工程科研项目，带动学生积极参与，一方面丰富实验内容，提高学生的专业素养，增强培养工程科研项目的人才的能力；另一方面也可以优化配置实验室空间、人员和设备资源，进一步提高实验的先进性，充分发挥实验室的规模效应，从而构建科学有效的实验教学管理体系。以此促进院校应用电化学学科的建设，提高本科生的创新能力和素质，使之更好适应市场竞争[13-14]。

2 电化学方向开放性实验内容的教学改革

2.1 电化学方向开放性实验教学改革方法步骤

电化学实验改革应先从基础的实验渗入，逐步过渡到综合性、设计性实验，最后发展为开放性实验[15]。从低年级的实验课程中进行改革，增加实验的灵活性，激发学生的学习兴趣；在高年级中，深入改革和探索专业实践课程，提高学生自主创新能力。学校应当密切与行业有关的企业和政府部门等合作，凝练生产实践中存在的科学问题，进而将其改革为开放性的教学实验内容，不断优化教学试验环节。相同研究方向的教师可以相互合作，联合探索和改革开放性实验教学内容，为后续毕业设计的开展和科研课题的延伸提供基础[16]。

而科学、有效、合理地引导学生开展开放性实验是关键[17]，其具体步骤如下：

(1) 教师定题。指导教师结合自己的企业横向项目和省部级课题，拟定实验目的，制定适合本科生特点的实验内容，提供实验仪器、药品和材料的范围。

(2) 学生自己设计实验方案。学生根据实验题目和目的，分析实验基本原理，查阅资料、归纳整体后提出解决方案和详细的实验步骤。

(3) 教师审查方案并进行修订。教师根据学生对实验方案原理、目的和解决办法的阐述，分类归纳并进行引导。对于设计不完善或不当的环节，通过提问的方式引导学生思考其内在原因，并引导他们提出可行的实施方案；对设计较为完善的方案，鼓励并引导学生思考实验中注意事项。经过学生与教师反复讨论后，制定的方案渐趋完整。

(4) 学生开展实验。根据实验方案、实验时间和设备材料，在教师给予必要指导、启发以及研究生全程辅导的前提下，搭建实验装置、制作材料、配置溶液、安装调试仪器、开始实验并进行试验原始数据和现象的记录描述，充分发挥自主探索精神。

(5) 撰写试验报告。学生运用理论知识分析在实验中的测试数据、现象和结果，并撰写一篇开放性实验研究报告。

(6) 教师批阅汇总结果。在开放性实验项目结束后，指导教师考察每位学生实验过程中的优缺点，整理并记录好参与实验的学生的成绩，进行对比研究，归纳实验中遇到的问题和改进方法。总结本次实验教学经验，为后期开展长期的科学研究做铺垫。

(7) 完善教学体系。建立学时分配、答辩考核标准等实验考核运行机制以及逐步完善实验指导教学体系。

2.2 开放性实验方案的设计

开放性实验设计方案包括的内容较多[18]，主要如下：

(1) 实验目的。逐条列出实验的任务目标，可以视具体情况适当调整。

(2) 实验主要仪器设备及材料。学生可以根据实验需要，列出所需的全部仪器设备(注明型号含配件数量)或材料(材料规格和数量)的表格，便于实验老师提前充分准备。

(3) 理论依据。简明扼要归纳整理文献中提及的实验方案的理论依据。可用实验原理公式、建立的问题模型和图例等方式，在实验中各阶段所主要涉及的原理和原理适用的条件。主要考察学生对理论知识的掌握能力，以及初步归纳整理文献的能力。

(4) 实验方法和步骤。先拟定基础实验方案，简要写出实验方法和操作步骤。然后改进方案内容并分多个阶段实施。如分为实验阶段1、实验阶段2等，各阶段应包括仪器设备的调试或样品、溶液制备的具体步骤。如本阶段的实施拟采用多种方法，则详细写出拟用方法及操作步骤。

(5) 参考文献。逐一列举实验方案主要参考的与电化学研究相关联的期刊论文、会议论文、学术论文、专著、报告、专利、国家或者行业标准等，一般10篇左右即可。

(6) 指导教师对实验方案的意见。指导教师应当评价学生所设计方案是否合理、可行以及风险高低，并对是否同意该方案提出结论。如果该实验方案合理可行，则同意按该实验方案实施，并对操作细节、注意事项等实验方案实施时应注意的问题提出自己的建议；如果实验的方案不合理可行，在存在不当或者不完善需修改的地方，指导教师应当提出自己对实验方案的“改进后实施”的意见，并给出改进建议；若实验方案不合理或存在无法实施的情形，不同意该实验方案，并说明不合理或者无法实施的原因。

2.3 开放性实验的结果与分析

开放性实验结果与分析部分的内容主要有：

(1) 实验操作过程。本部分主要由学生自己具体实施实验的过程，如果具体实施步骤与原制定方案相同，则可以用流程图等形式简要概括实验的方法和操作流程；如果不一致，则需详细记录改变后的步骤。

(2) 原始记录。根据实验的进程，尽量以表格的形式呈现各阶段实验过程中出现的实验现象和收集到的实验数据。应根据不同阶段实验现象和实验数据记录要求设计出符合要求的规范化的表格。

(3) 结果讨论。基于实验原理、公式、建立的模型，并利用行业专业软件等工具，结合计算、作图等方法分析实验数据的规律特点，推测实验过程中出现该现象的原因。完整地列出分析的方法和步骤，如果与实验预期相符合，利用原有的理论知识进行解释；如果实验现象与实验预期不相符，结合实验现象，应分析哪些环节的操作不当导致了此现象的发生，并给出改进意见。在分析实验现象时，应做到充分、具体、合理三个要点。应当层次清楚、条理清晰地分析试验数据。

(4) 实验总结。实验得出的结论是否达成实验目标。如果实际操作符合预期实验结果，则简要说明实验方案的合理性及优缺点；如果不相符合，则分析实验中出错或者不合理的环节，并提出改进的提议。总结在实验中的收获和不足，以及改进方法等。实验总结应科学合理，条理清楚，应符合实际。

(5) 成绩评定。教师应当对学生的报告进行概括和评论其优缺点，并用百分制的方式在实验成绩中记载。对于问题较少或无明显错误的报告，教师应到给予肯定，指出改进意见；对于存在较多问题的报告，教师应当提出主要的问题和及其解决方法。

3 电化学方向开放性实验改革的特色与目标

(1) 提升学生综合应用创新能力。开放性实验教学目的明确，但是实验方案、实施参数和实验材料都是在可操作的范围内由学生自己设定，这样可以激发学生的思考能力；实验由学生自己设计，实验内容丰富，既避免了千篇一律的抄袭现象又鼓励学生积极创新；根据实验目的不一样，则采用的工艺过程也有区别性，提高学生分析判断能力；在整个开放性实验中，学生以小组为单位，成员各自分工，共同分析讨论，这样不仅提升学生分析和解决问题的能力，还可以培养学生的团队合作能力和良好的沟通能力。

(2) 开放性实验的内容丰富灵活。内容主要涉及前期的物化、无机、有机、分析、文献检索等基础课程，学生可将前期在电化学科学和电化学测量方法技术等课程中学到的知识，灵活地应用到各实验中，电化学知识以这样的方式教授也更为全面。传统实验涉及几十年前的研究内容，开放性实验结合近10年研究热点趋势开设。

(3) 教学和科研相结合。在科研方面，任课教师将科研课题中较成熟的子课题独立出来，设置为开放性实验内容。探索教学与科研实验密切结合的教学方式和管理模式，使得教学和科研相辅相成。教师的科研项目很多都是企业委托的研究课题，科研项目中部分研究内容和实验教学内容结合密切。开展开放性实验，不仅缩小了从理论到实践的差距，还提升了本科生的工程意识和工程实践能力。与学生沟通交流过程中，可以培养吸纳优秀本科生参与科研课题，建立配置合理和优化的科研型电化学实验团队。

总而言之，开放性实验教学的开展，教授实验的老师当把教学任务和工程科研项目相结合，进行实验教学和科研实验的互动实践，经过应用电化学教学体系改革与探索，能够有效地提高实验教学的质量，使学生将理论知识运用到科研或者实际生产中，从而形成系统的有利的改革方案[19-20]。

4 结 语

在应用型本科院校开展电化学方向的开放性实验过程中，学生通过参与科研项目，加深对专业课程的理解，引导学生进行独立思考，培养学生敢于创新的求知精神，为学生将来深造参加科研项目或是参加工作铺下牢固的基础。实行科研课题的改革试验教学，依托教学中的丰富内容，总结实验教学改革内容的利弊之处，汲取有益的经验，去其糟粕，借此提高学校的教学质量。改革实验教学方式，应当在传统的专业实验教学基础上，因具体科研问题而设计开放性实验教学方式，建立教师科研项目和教学内容相互结合的培养体系。开放性实验教学改革后，可在应用型本科院校进行推广，也可作为其他应用型本科专业的参考。

参考文献(References)：

[1] 仇 丹, 房江华, 贾志舰, 等. "科教融合、三位一体"基础化学实验改革[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(11): 159-161.

[2] 刘梅川, 赵国华, 吴梅芬, 等. 分层次电化学实验教学改革[J]. 大学化学, 2009, 24(2): 30-33.

[3] 俞远志, 张立庆, 傅晓航. 开放性实验教学模式的实践与思考[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(3): 153-155.

[4] 白靖文,徐雅琴,邹月利, 等. 化学实验教学示范中心的建设与实践[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(4): 155-157.

[5] 程 涛. 新型课程教学模式的管理与分析[J]. 中国教育学刊, 2015(S1): 10-11.

[6] 姜 宇, 辛 涛, 刘 霞, 等. 基于核心素养的教育改革实践途径与策略[J]. 中国教育学刊,2016(6): 29-32.

[7] 周志平, 郭素珍, 张明轩, 等. 高校学生科研与创新实践能力的培养[J]. 教育理论与实践,2010, 30(8): 12-14.

[8] 刘献君. 大学课程建设的发展趋势[J]. 高等教育研究, 2014, 35(2): 62-69.

[9] 周智华, 李国斌, 唐安平, 等. 化工与材料类专业创新型实验教学体系的构建[J]. 当代教育理论与实践, 2016(8): 59-61.

[10] 曾 浩, 钟文锐, 沈 娟. 试论教师教育创新实验区建设[J]. 高等教育研究, 2012, 33(10): 45-48.

[11] 衡涛,范文芹. 全开放性实验教学在高等教育中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(8): 336-338.

[12] 王秀红. 加快研究型大学农科实践教学基地的建设[J]. 实验室研究与探索, 2007, 26(2): 113-115.

[13] 罗频捷. 应用型本科院校实验管理中心建设与探索[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(6):254-257.

[14] 盖功琪, 宋国利. 开放式实验教学管理模式的研究与实践[J]. 黑龙江高教研究, 2009(5): 162-164.

[15] 陈语林. 创新型“三性”实验教学模式的探索与实践[J]. 黑龙江高教研究,2005(1): 154-155.

[16] 赵国栋,姜中皎. 高校“开放教育资源”建设模式与发展趋势[J]. 北京大学教育评论, 2009(3): 123-134.

[17] 陆国栋, 李 飞, 赵津婷, 等. 探究型实验的思路、模式与路径——基于浙江大学的探索与实践[J]. 高等工程教育研究, 2015(3): 86-93.

[18] 张 波, 贯会明. 开放性实验在实验教学体系构建中的作用[J]. 实验室研究与探索,2010, 29(9): 135-137.

[19] 陈 鹏, 李 亚, 纪 婧. 依托实验课程的大学生创新性实验计划的实践与探索[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(4): 32-34.

[20] 安 勇, 陈建名. 基于国家大学生创新性实验计划的思考[J]. 黑龙江高教研究, 2010(6): 136-138.