基于科研成果转化的开放性创新化学实验教学探索

蒋德敏 , 李顺梅 , 李青青 , 陈雨欣

(重庆三峡学院 环境与化学工程学院 , 重庆 404100)

传统化学实验课程的教学实施主要以验证性实验为主,在教学实施过程中指导教师讲解操作方法与注意事项,学生按照实验步骤照方抓药式操作均可以完成实验。但学生在学习过程中自主探索的兴趣较低,不利于培养学生的创新思维和科学素养。

科学研究具有创新性和探索性特点,将科研成果引入到实验教学过程中,以科研题材设计开放性创新实验题目可有效提高实验教学的创新性、探索性和研究性[1-2]。教师的科研主要以前沿科学探索和解决企业实际问题为导向,其研究成果具有前沿性和实用性,其实验方案有多种方法可供学生自由选择,学生可通过查阅文献资料、选择实验方案完成实验教学实践。开放性实验方案的设计过程中促进了学生自主学习的能动性。因此,选择以科研成果为题材设计开放性创新实验可提高实验教学的质量与效果。

1 开放性创新实验题目的收集原则

学院专任教师的科研主要涉及到资源与环境、新能源开发与存储、新材料制备与应用等领域,可选择的开放性创新实验题目有“新型球状氢氧化镁净化印染废水”“镍钴基电极材料的制备及电化学性能”“微生物燃料电池在废水处理及产能方面的应用”“亲水性电极材料的制备及电化学性能”“石墨烯材料的制备及在电池中的应用”等。由于不同教师所从事的研究领域、难易程度等存在较大差异,为了便于本科学生自主独立地完成开放性创新实验,从中培养学生的科学素养和创新能力,在收集题目时应遵循以下几点原则。

1.1 可行性原则

教师科研成果所涉及的研究领域、研究内容均较多,部分科研成果涉及较高的理论深度。在收集开放性创新实验题目时应考虑其难易程度和工作量等是否适于本科学生,筛选收集适合于本科学生独立完成的实验题目。同时,由于有的科研实验耗时较长,如果需要以年为周期的时间才能完成的实验,学生利用课余时间难以完成开放性实验的相关工作任务。因此,在收集开放性创新实验题目时要考虑本科学生的基础、时间等问题,筛选收集利于本科学生独立、按期完成的可行性题目。

1.2 低成本原则

本科教学在收集开放性创新实验题目时还应考虑教学运行的成本问题。如果专任教师提供的实验题目,在教学实施过程中会出现原料试剂、表征手段等成本过高,这类科研成果题材所设计的实验题目则不适于作为开放性创新实验。在筛选收集实验题目时应注意其运行成本,以保障所收集的实验题目在教学运行实施过程中能够顺利完成。

1.3 安全性原则

实验运行安全是实验教学的基础保障。科学研究实验本身具有较高的探索性、创新性,使得部分科研实验存在潜在的不安全因素。例如,“石墨烯材料的制备及在电池中的应用”这一题目,在运行过程中会涉及石墨烯材料的制备,由于石墨烯材料的制备通常采用高锰酸钾-浓硫酸氧化剥离法,其制备过程具有极高的安全隐患,像这类具有明显安全隐患的题目不宜选择作为开放性创新实验题目。同时,在筛选收集题目时,应关注相关题目所使用的化学试剂,若需要使用剧毒、高毒、易燃、易爆的药品时,也不适宜作为开放性创新实验题目。

2 开放性创新实验的教学实施

开放性创新实验开设的目的是培养学生的自主探索和创新能力,因此在实施过程中以学生为主体,并赋予学生自主能动性。指导老师起辅助作用,配合学生完成实验。学生根据自己的兴趣自由组队选择实验题目,协作完成设计实验方案和实验实施过程,共同撰写学术论文。

2.1 组队选题

在教学实施过程中为了充分发挥学生的自主性,引导学生自主完成实验的实施过程。在选题前由学生根据自己的兴趣爱好自由组队,每组成员一般为3～5人。指导教师提前2个星期通过“超星学习通”平台将所收集的题目下发给学生。学生根据题目的内容简介,自主查阅文献后选择感兴趣的题目。在组员中选取一位学生担任组长,主要负责实验进度的汇报和工作总结。

2.2 设计实验方案

各学习小组在选取实验题目后,根据实验的内容协作分工,在老师的指导下自主查阅文献、设计实验方案。例如学生所选题目为“新型球状氢氧化镁净化印染废水”,学生通过查阅球状氢氧化镁的制备方法及其在染料废水处理方面的文献,设计出新型球状氢氧化镁净化印染废水的实验方案。指导教师根据实验方案的初稿给出修改建议,学生反复完善修改后定稿作为实验方案。为保障开放性创新实验能够顺利实施,学生在方案设计过程中须列出所使用的设备仪器、药品试剂等,指导教师根据实验方案提前准备好相应的仪器和试剂。如果学生所列的药品涉及到易燃、易爆、高度、剧毒等安全隐患时,指导教师及时与学生沟通交流,给出替代试剂,以保障实验安全高效实施。

2.3 实验实施

开放性创新实验的教学实施过程相对较为复杂,由实验室提供开放时间,学生自主完成实验。学生在选择实验题目后进入开放实验室了解所需设备的使用方法,熟悉开放实验室的管理规章制度。开放性创新实验由科研成果转化而来,在实施过程中对实验操作技能具有较高要求,指导教师需要现场监督与指导。

2.4 学术论文写作

实验完成后,小组成员间协作分工,在指导教师的协助下完成数据分析。根据球状氢氧化镁对染料分子的等温吸附数据,利用Langmuir和Freundlich方程对吸附过程进行拟合,分析球状氢氧化镁对染料的吸附机制。根据指导老师下发的论文格式要求,小组成员共同完成学术论文写作。

3 开放性创新实验的考核评价

开放性创新实验的教学目的是激发学生的学习兴趣,促进学生自主探索与创新,从中培养学生的科学素养和创新精神。由于开放性实验在运行过程中有别于传统四大基础化学实验,因此开放性实验的考核评价指标见表1。

表1 开放性创新实验的考核评价指标

4 开放性创新实验的教学反思

由于开放性创新实验题目源于不同科研成果题材,其形式与内容具有多样性,相对于传统化学实验,又具有复杂性和特殊性,因此,在教学实施过程中遇到了很多困难和挑战。现行的实验室管理与仪器试剂领用制度给开放性创新实验的教学实施带来不便,比如学生有空时,然而开放实验室未开放。建议在后期的开放性创新实验运行实施过程中,周末两天时间内实验室均开放,学生可以自主安排时间完成实验。同时,学生的自主探索积极性还有待加强训练,学生仍有较大的畏难情绪,当实验实施过程中出现问题时不能自主查阅文献资料解决,对指导教师的依赖性很大。在实验运行实施过程中也经常发现实验室卫生未打扫,甚至有使用过的器皿未清洗、玻璃仪器摆放混乱的现象。因此,在后期的运行中需要进一步加强对学生的管理,严格落实各项规章制度。

5 结语

开放性创新实验是对传统化学实验教学内容的补充,给学生提供了一个自主创新与探索的实践机会。以科研成果为题材设计开放性创新实验,丰富了实验教学的内容和形式。通过开放性创新实验的教学实施,不仅培养了学生的科学探索和创新精神,还培养了学生的团队合作能力。