立足“基础实验”放眼“创新思维”型开放设计实验的探索——有效增强高校本科生实验创新能力

＊周华伟 尹杰 崔继春 张宪玺 龚树考

(1.聊城大学化学化工学院 山东 252000 2.聊城大学材料科学与工程学院 山东 252000）

引言

化学实验是一门领域涉及面广，实验性、专业性及应用性很强的操作技能，对于学生掌握化学的基础知识、基本技能，培养学生动手能力、创新思维能力起着非常重要的作用。但是刚接触实验的本科生往往循规蹈矩，缺乏适度的灵活性、创新性以及怀疑精神和创新精神。这在一定程度上造成学生独立设计实验能力的缺失。首先我们要以基础实验为根基，牢牢立足于基础实验，扎根基础理论知识，其次以学生为主体并由教师加以引导为辅，发散思维进行开放设计实验，通过查阅文献、阅读相关内容来汲取养分，放眼创新思维，向外延伸发展，从而使学生的探究能力不断提高。为此，我们在本科生自主设计实验能力培养计划中有意安排了两次开放设计实验，该种开放设计实验是在学生的常规或综合性实验训练的基础上进行的，学生可自行确立实验题目、选择实验对象和所需药品等做出合理的实验设计，寻找实验的创新点。学生通过自主查阅资料，加深对实验原理的理解；在设计实验步骤时，则要求学生具有严谨、创新的态度。与此同时，老师要做好学生的思想牵引工作，学生的思路范围过大，要进行适宜的引导，通过这一过程不但提高了本科生的实验创新能力，也弥补了课堂基础实验的不足之处，使高校本科生的实验创新能力得到进一步的增强。

1.立足“基础实验”放眼“创新思维”型开放设计实验的实验课堂实施

我们选用了大学化学中“非金属表面处理技术”[1]“三草酸合铁酸钾的性质”[2-5]这两个基础实验作为教学案例。

(1)案例1——立足“非金属处理技术”放眼“创新思维”开放设计实验

基础实验原理如下：

塑料电镀：首先化学镀→电镀形成金属层（具有塑料和金属的双层优点）。

化学镀：脱脂→粗化→敏化→活化→还原→化学镀金属层（如铜）→电镀（阴极）。脱脂，除去塑料片表面的油污；粗化，使塑料片表面变得粗糙，容易附着物质；敏化，在塑料表面吸附一层还原性的二价锡离子；活化，以便在随后的处理中在塑料表面形成一层具有催化作用的原子；还原，把离子还原为原子吸附在塑料片表面。

开放设计实验整个课堂的实施过程如下：

①学生初次提出的开放设计实验

对“非金属表面处理技术”实验成功率低的原因进行探究。

A组正常处理，每步处理后都要烘干（仔细处理）；

B组只在“还原”后烘干；

C组每步都不烘干；

D组加长还原时间到5min，每步都做烘干处理；

E组把“还原”中甲醛：水比例增加到1:18；

F组还原液甲醛：水比例减小到1:1；

H组分别只不烘干“敏化”“活化”后的塑料片。

②实验教师引导

上述开放设计实验的创新性不高，只是对实验条件细枝末节的简单优化，并且实验设计步骤过于繁杂，且对比性不强。开放设计实验需要的是对非金属表面处理的扩展和延伸，并且挖掘里面的关键的科学技术问题（如图1）。纵观整个非金属表面处理，活化步骤之后金属银作为催化剂对下一步化学镀铜具有很重要的催化作用。于是引导学生善于学以致用，利用在非金属表面处理基础实验中所学到的脱脂、粗化、敏化等实验技能，在活化这一步进行创新，通过改变塑料表面吸附的金属催化剂，然后进一步在非金属表面催化出其他功能层。例如可以通过选择合适的试剂把催化剂铁、铂、钯三种催化剂分别制备到非金属表面，铁可以催化碳纳米管的形成，Pt可以催化很多反应的进行，Pd可以在有氢气的情况下将氧化石墨烯还原为导电性更好的还原氧化石墨烯。这样就将单一的实验转化为更高层次科研上的应用。

图1 立足“非金属处理技术”放眼“创新思维”开放设计实验的思维导图

③学生再次改进的开放设计实验

经过初次开放设计实验的不成熟方案并结合实验教师的引导，每位同学基本掌握了实验原理，并预先、主动的通过查阅文献和相关资料，明确了改变塑料表面吸附金属的实验过程。

首先，三位同学作为一个实验小组。三位同学通过有意识地改变活化液的成分，获得不同金属附着的塑料片。对于选择附着何种金属催化剂、附着液的浓度及还原试剂，三位同学进行了讨论。在这种分析讨论的辩证模式中[6]，既可以对各物质影响因素有较深入的认识，还可以激发学生的学习兴趣，增进学生的交流，提高团队意识。

三组实验现象的差异不免引发学生去思考、探索。它们之所以出现差别，实质上是由什么引起的呢？这极大地调动了学生思考的积极性，开拓了学生的思维，使得学生能够整体地看待问题，辩证地看待问题，有利于培养学生独立思考的能力，增强团队意识，提高合作能力。与此同时，教师对学生进行适度的引导。如何引导应该结合学生的实际情况。对于层次较高的学生，点到为止，或者是抛出问题启发即可；对层次低一点的学生则需要多一些的铺垫，但是也要防止大包大揽，不能出现“导”出过多、过细的问题。不论教师如何引导，一定要把思维的主体留给学生。三组学生进行充分讨论、分析、总结。

(2)案例2——立足“三草酸合铁酸钾的性质”放眼“创新思维”开放设计实验

基础实验原理：三草酸合铁（Ⅲ）酸钾K3[Fe(C2O4)3]·3H2O为亮绿色单斜晶体，易溶于水而难溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。受热时，在110℃失去结晶水，到230℃即分解。该配合物为光敏物质，光照下易分解为FeC2O4（如方程式1所示），草酸亚铁分解生成氧化亚铁（如方程式2所示）。

开放设计实验整个课堂的实施过程如下：

三组学生进行充分讨论、分析并查阅资料，得知三草酸合铁酸钾易溶于水、见光分解等特点。此时实验指导教师引导学生将三草酸合铁酸钾作为初始材料合成氧化亚铁，并将其应用于水氧化催化剂。然后学生进一步通过查阅相关的科研论文和文献，自主设计整个制备和测试方案。

首先将镍网剪成合适大小，再用三草酸合铁酸钾的饱和溶液浸泡，浸泡后再对它进行光照，使翠绿色的三草酸合铁酸钾分解成黄色的草酸亚铁。光照合适的时间后，用热吹风机加热使草酸亚铁分解生成氧化亚铁，此时镍网的颜色稍稍加深。紧接其后，就是对处理好的镍网进行电催化析氧性能的测试，用电化学工作站中的线性扫描伏安法表征其催化性能，实验结果如图2所示。线性扫描伏安法的测试条件（三电极体系）如下：参比电极为Ag/AgCl（1M KCl），辅助电极为镍网，工作电极为氧化亚铁负载的镍网（FeO@Ni网），电解液为1mol/L的NaOH溶液，电压范围2～0V，扫描速度为0.001V/s。从图2的测试结果可以看出，电流密度为10mA·cm-2时，FeO@Ni网的相对标准氢电极电位为1.439V，Ni网的相对标准氢电极电位为1.541V。故FeO的过电位为0.21V，Ni的过电位为0.31V。过电位越小，电催化性能越好。因此氧化亚铁负载后的镍网表现出较好的析氧催化活性。

图2 水氧化催化剂的线性扫描伏安：FeO@Ni网，Ni网

2.“创新思维如何从基础实验过渡”实验课堂效果评价

在这次实验课堂中，学生由只看课本转变为自主创新的“小科学家”，激发了学生对实验极大的热情，他们与老师进行热烈的讨论，对未知的知识表示出极大的渴望。通过这次实验（如图3），学生能够主动发现问题，然后思考问题，讨论问题，并能通过设计实验，验证自己的想法；还能够通过各大数据库（ACS，RSC，Wiley等）查阅相关的文献，能够主动发现实验中的问题和不同的实验现象；接触到了更加精密的仪器；了解了纳米材料或者薄膜的各种分析和表征手段（SEM、TEM、XPS、XRD等），学会使用了一些科研实验中的专业软件。学生对于掌握了更多的知识而感到自豪，并且在老师的引导下接触到老师所研究的科研方向，对于老师的科研方向有了一定的了解。立足“基础实验”放眼“创新思维”型开放设计实验对于以后学生更高层次地发展具有启蒙作用，将学生引入科研的大门。

图3 立足“基础实验”放眼“创新思维”型开放设计实验的效果图

3.结语

总的来说，创新思维的培养对于学生创新性的培养以及思路的打开具有积极意义，学生不仅可以获取到从传统的课堂中得不到的知识，具有更好的科研能力，对于以后进一步的发展具有指导作用，而且可以树立自主意识，增加对科研的兴趣,在继承优秀科学和技术的基础上，能够辩证的、批判性的看待问题，敢于创新，勇于创新，善于创新，学会团队合作，优势互补，加速创新。这种立足“基础实验”放眼“创新思维”型开放设计实验模式,可以做到守正创新，推广到无机、有机、分析、物理化学专论实验或者化学综合实验，对本科学生的科研创新能力有着很大的提高。