学生自主设计仪器分析实验的思考

种瑞峰，常志显，冯彩霞，张 凌,李德亮

(河南大学 化学化工学院，河南 开封 475004)

仪器分析是基于物质的物理和化学性质建立起来的一种分析方法。通过仪器分析实验可以提高学生对分析方法理论知识的认识、理解、掌握和应用，关系到学生实践能力和综合素质的培养。仪器分析实验是高等教育化学实验的基础课程，具有学科交叉、知识点繁多和实用性较强等特点，是化学、生物、化工、材料、环境、医药、食品等科学研究和工业控制的一双明亮的“眼睛”。与其他基础实验不同，仪器分析实验中，学生利用各种大型精密仪器，通过测量物质的物理化学参数及变化规律，来获取物质的化学组成、含量和结构信息[1]。然而，目前仪器分析实验仍存在诸多不足，如硬件设施不足、实验课时少、教学内容陈旧、综合性和创新性差、师资队伍薄弱等问题[2]，导致对学生的培养质量偏低，不能满足未来科技发展的能力需求。为此，本文以“学生自主设计实验”为突破口，对仪器分析实验课程的教学进行探索，以期提升仪器分析实验教学质量，培养学生的创新能力和综合素质。

1 学生自主设计仪器分析实验的必要性

随着高等院校扩招，高等教育资源的投入不足，特别是由此引发的实验教学资源不足的状况更为明显。虽然近几年实验资源有所改善，但学生实验技术综合训练不足和动手能力差等问题也日益浮现出来，而且已经影响到他们毕业后的就业和深造[3]。同时，随着科技的进步和社会的发展，传统“讲授-验证”的实验教学模式、固定的实验项目、“照方抓药”的实验流程，大部分学生忽视对实验内容和过程的全面掌握，导致仪器操作水平较差，学生既没有思考空间也没有发现问题、分析问题和解决问题的机会。另外，实验内容也多依附于理论教学，内容陈旧、脱离实际，学生难以产生兴趣，影响了学生创新思维和综合能力的培养。自主设计实验的教学方法，与传统实验教学方法相比具有更灵活的特点，更能锻炼学生查阅资料能力、独立思考能力、实验操作能力、协调公关能力、发现和解决问题能力等，从而使学生产生更浓厚的学习兴趣，加深学生对基础理论的理解和认识，促进学生综合素质的提升。

2 自主设计型教学模式的构建

自主设计实验是根据讲解知识，理论联系实际，启发学生根据现有的实验条件，从实验方案设计到实施，最后分析处理结果都由学生完成的实验教学模式[4]。它是以学生为主体，注重学生的创造性、灵活性和实践性的培养，提高学生的学习积极性、独立思考能力和综合素质，培养学生创新意识。因此，探索以学生为主体、以能力培养为中心的自主设计仪器分析实验教学模式，需要在实验内容、教学方法、实验成绩的考核等方面进行实践探索。

2.1 实验内容的改革

传统的仪器分析实验教学内容大多是围绕理论课教材，实验内容比较陈旧，且大多为验证性实验，只注重实验内容与理论知识的衔接，内容和仪器设备更新缓慢，与实际科学的进步不同步，导致学生对实验课很难产生学习兴趣和主动性。为此，要打破传统理论课和实验课教材的束缚，根据仪器分析实验的课程教学目标和仪器发展现状，有针对性地开展学生自主设计实验，丰富实验内容。自主设计实验应主要围绕自主性、专业性、综合性和挑战性四个特点开展。

自主性：既然是自主设计实验，那么实验的内容就应充分体现出“自主设计”这一主线。要求学生根据实验的目的和实验室工作条件，自主设定实验题目和实验方案。实验内容要求在实验室条件下能够正常完成。实验方案要求包括样品的制备、预处理、检测和表征、结果与讨论、三废处理等。

专业性：仪器分析实验是大部分理工科专业的必修课程。自主性实验项目的开展在内容上要充分结合学生的专业特点，只有这样才能激发学生的学习兴趣，以适应未来职业岗位要求的需要。

综合性：仪器分析实验一般在第三、四学期开设，此时学生的初步化学知识和实验技能已经具备。因此，自主性实验一定要有一定的综合性，使整个实验过程中的每一步都体现学生参与的重要性，这样才能真正地调动学生实验的主动性，锻炼学生的实践能力，提高学生进行科学研究的综合素质。

挑战性：根据实验室条件，以学生掌握的基本化学知识、专业知识和实验技能为基础，结合实际应用、教师科研、专业前沿和热点，将设置实验内容适当高于所学知识和技能，引导学生通过文献调研对相关知识进行探究，激发学习兴趣，能够培养学生分析解决问题、探索创新和自主进行研究型学习的能力。

2.2 教学方法的改革

传统的教学方法，一般是由实验教师在课时的前15-20分钟，对本次实验的原理、操作步骤、注意事项及计算公式等用多媒体或者板书对学生进行讲解，然后学生以实验老师讲解为主线，以教材和预习报告为基础，照方抓药完成实验操作，这样严重束缚了学生思维和创造性。自主设计实验充分发挥学生的主体地位和主观能动性，老师只进行启发和引导，督促学生自主学习。

自主设计实验不仅给与了学生充分的自主思考空间，而且通过选择题目、交流讨论、分工完成实验步骤、课下探讨和研究，营造出宽松、自由、活泼的教学方法，让学生自主学习，独立获取信息、运用知识、发现问题、分析问题、解决问题，同时还能促进学生理论与实践结合、兴趣与专业相结合、学习知识与科学研究相结合能力的培养。在实验教学过程中，实验指导老师是整个过程的组织者、指导者、激励者、协调者、评价者。由于题目是学生自己选的，因此在整个实验过程中，学生都会充满了兴趣和激情。当实验出现挫折和失败时，多不会轻易放弃，一定会通过各种途径寻求办法来解决，甚至不惜牺牲休息时间和假期。当实验成功后，他们会觉得这是自己的成果，充满自豪和成就感。

2.3 实验成绩的考核

传统实验课考核一般是考勤、预习报告、操作、实验报告、注意事项几个部分，实验成绩的考核重点多放在实验结果与实验报告撰写上。而自主设计实验主要是重过程和实验方案设计的一种实验创新，关键是发挥团队的智慧，重点是思路、过程及其解决问题的方案。最后的实验结果，不是考核的目的。因此，不能按传统实验那样让学生按照指导老师给定的实验操作程序做一遍实验，然后根据实验报告给出一个分数，这样就失去了自主设计实验的意义。所以自主设计式教学模式下，实验成绩考核应在以往内容的基础上，增加文献调研与分析、方案设计、多元化讨论等的环节，且增大其权重。也就是说实验考核重点要从选题意义和难度、ppt汇报、方案设计的优劣、实验过程中解决问题的态度和能力、仪器操作技能、实验结果及意义等多个方面去考量。还要根据学生实验题目选择的难易程度，设定不同的分数系数。

3 自主设计实验教学中常见问题及对策

实施学生自主设计实验的目的，是激发学生的探索精神，开拓学生的视野，培养学生的学习兴趣和职业素养，拓展其研究思路和科学思维能力，提高其解决问题和创新能力，提升仪器分析实验的教学质量。因此，在自主设计实验教学中，要让学生享有充分的自主权[5]。但在实施过程中，也经常会出现一些问题。

兴趣选题难度不易控制及对策。自主设计实验是以培学生的科研素养、科研兴趣为基本原则。如果能够通过自主设计实验让广大学生乐于进行创新实践和科学研究，则符合我们当前的国家政策——全民创新的主题。科学的选题有助于学生以良好的心态去完成，实验最大范围增加学生可能接触的知识量。但是在自主设计实验初期，由于以往启发式教育的渗透不足，研究型实验进行太少，没有更深的引导学生去思考，所以不少学生找不到实验开展的切入点，天马行空地去构思，容易造成学生耗时费工，甚至出现脱轨现象。因此，应加强老师分类指导作用，题目的选择要结合学生专业和兴趣做到阶梯性难度，从易到难。对敏锐好学愿意接受挑战的学生，要鼓励、支持，适当增加任务量及难度；对兴趣不在本学科或者其他原因的学生，适当减少任务量，保证学习兴趣及基本知识的掌握[6]。要指导学生把相关课程的实验内容进行深度融合，多让教师与学生、学生与学生进行互动交流。

实验技术及仪器存在的问题及对策。与传统实验相比，学生对自主设计实验往往表现出较高的热情，多选创新性的实验，在自主设计实验初期，不能在教学安排的时间内完成任务，却自愿利用休息时间来完成。但随着后续实验的进行，也有部分学生实验技术欠佳，导致学生热情度下降，对实验过程简单处理，选择简单的技术和操作敷衍完成实验，导致实验室的许多仪器处于闲置状态，不能充分发挥自主设计实验中应有的重要作用。针对这种现象，应对学生加强指导，向学生讲解实验技术，并推荐参考书、《仪器分析虚拟仿真实验》软件及相关操作视频。对于一些在学生设计方案中经常出现而实验室没有的仪器也要适时进行补充。同时对于一些大型仪器，学校通常多用于研究，不对本科生开放，指导老师要与学校、学院及仪器负责人沟通，让他们支持本科生的教学需求。同时把相关的教材、资料和视频放到实验中心的网站上，让学生熟悉仪器的原理和功能、操作流程、注意事项、数据分析，以便于学生随时查阅。

操作时间安排存在的问题及对策。自主设计实验一般用时较长，而且实验过程具有未知性和复杂性，安排的操作时间内未必能得到预定结果，大多需要安排2-4次的操作时间。所以，首先适当增加实验项目的学时数。第二，适当减少验证性实验学时。第三，自主设计实验要与本学期的学生创新活动或者其他志愿者活动相结合，来弥补操作时间过长问题。

药品的累积及对策。自主设计实验与验证性实验不同的是，组间选择题目的差异性，长此以往会使药品越积越多甚至过期浪费。针对这个问题应引导下届学生选题时尽可能在原有实验题目的基础上进行改进或者创新，增加实验的延续性。增加学生的责任感和小组间样品共用，减少药品的闲置浪费。

教师的工作量及对策。自主设计实验的实验条件、方法选择、操作步骤及其实验结果等多存在一定的未知性，这种探究性的教学方式往往打乱了学校的学时安排和实验室开放时间，需要指导教师和实验室管理人员投入更多的时间和精力，充分做好实验前的规划和准备工作，同时还得对实验中遇到的问题有一定的预测性及合理解决方案，这样势必增加指导教师和实验室管理教师的工作量。为此，应积极宣传自主设计实验在学生教学中的重要意义和作用，引导学校、学院在学生培养方案修订中，适当增加自主设计实验课程的学时数。其次，教师要充分利用通信和网络设备，设立指导教师、实验室管理者、仪器负责人、相关教务人员组成的微信圈，利用微信视频和视频会议等形式，尽可能减少不必要的重复性工作。另外，志愿者行动是在我国深化改革以倡导和推进爱心助人、奉献社会为宗旨，继承中华民族互帮互助的优良传统，推进精神文明建设的新举措。可以通过一定形式将教师课外工作量与志愿者活动相结合，增强教师的荣誉感和奉献精神，提高教师参与自主实验教学的积极性。

4 结束语

自主设计实验的宗旨是巩固基础、激发兴趣、训练思维、自主设计、研究创新、提升素质。将自主设计实验引入到仪器分析实验课程中，是顺应新时代人才培养的发展要求，是对创新型实验教学改革的探索和完善，是夯实其专业基础、增强其专业素质、培养其学习兴趣和提高其创新思维及独立解决问题等方面的综合能力[7]的重要措施。在今后的实践中，将进一步完善改革措施，勇于探索，及时解决实验教学中出现的问题，为提高教学质量尽一份教师的微薄之力，为社会培养出更多的优秀人才。