自主式教学模式在物理化学创新性实验教学中的探索

2013-04-10訾学红陈永宝张红光刘淑珍王小逸

实验室研究与探索 2013年6期

訾学红，陈永宝，张红光，刘淑珍，王小逸

(北京工业大学环境与能源工程学院基础化学实验中心，北京100124)

0 引言

在大学教育改革日益深化的形势下，化学课程改革也取得了很大的发展［1］。其中，物理化学是化工类各专业课中理论性很强的一门基础课程，其通过物理学的方法、手段的运用，研究化学物质的结构、组成、性能及相互转化。对于这样一门理论性和技术性很强的课程的学习，应学会科学的分析处理数据，更重要的是要培养和提高分析问题和解决问题的能力［2-4］。物理化学实验是课堂教学的延伸，是课堂教学的有力补充，是学生实践能力、科研能力培养的重要环节［5-7］，也在由传统的单一模式朝学科内外的交叉和融合中转变。

在当前科技水平迅猛发展的21世纪，要求大学培养知识型、复合型、创新型人才，物理化学创新性实验是物理化学基础实验的综合与提高，依据国家教委拓宽专业面、增强适应性、提高学生综合能力的精神，加大综合性、设计性、研究性实验的比例［8-10］，在创新型实验教学的设计和实施过程中，坚持以学生兴趣为出发点，培养学生的实验设计能力和创新实践能力［11］，在设计开发和实践创新性实验项目的基础上，尝试建立一种以学生为主导、师生互动的实验教学模式和相应的科学考核方法，推进物理化学实验教学改革，提高实验教学质量和水平。因此我们在总结实验教学中经验基础上，结合本校实验条件，对自主式物理化学创新性实验教学进行探索和实践。

1 物理化学实验教学中存在的问题

实验教学作为高等学校教学工作的重要组成部分，在培养学生的创新精神和创新能力，全面提高学生综合素质等方面有着非常重要的作用。很多高校为了培养学生的自主学习能力和创新能力，在教学内容、教学理念、教学方法和手段等方面做了很多改革措施，在课程设置方面更加注重对学生创新能力的培养，在教学理念方面，致力于改变注入式的教学方式，调动学生的主动性和培养善于钻研的精神。鼓励开设技术创新实践课程，培养学生的思考问题、综合分析问题能力和创新能力。注重加强实践教学环节，如开放实验室、创办实践教学基地以及开展实习与联合办学基地建设等来促进学生的实践教学活动，提高学生的动手能力和实际工作能力。近年来，我校为进一步拓宽学生知识面、完善学生知识结构、加强学生素质教育和个性化培养开设了大量实验和实践课程，如物理化学实验教学已尝试开设了1个综合实验和1个设计实验，受到了学生的好评。但是总体来说，物理化学实验教学内容基本上还是对课堂理论知识的补充和验证，实验讲义将实验目的、原理和操作步骤等都做了详尽的说明，实验课上教师还会对实验中的难点和注意事项做反复的强调，学生只要按照讲义和教师的要求照做就可以顺利完成实验［12］，而实验教学考核主要是以对实验结果的描述为主的书面材料，如实验报告进行评价考核，学生完成后就可以获得相应的学分，这种程式化的、被动式的教学方式难以积极的调动学生参与实验的主动性，缺乏对学生独立操作和独立思考的培养，更谈不上对学生创新能力的培养。为了改变这种现状，根据选课学生的实际情况制定一个科学的、系统的本科教学且同时兼顾科研要求的实践教学模式，是一个当务之急的问题［13-14］。

2 实践教学模式的开发和实践

2.1 设计开发创新性实验项目——书本之内，课堂之外

物理化学创新性实验可有效的补充课堂教学内容，是学生学习、理解、消化和验证物理化学原理的必要认知手段，是进行综合性、研究型实验的前提。在实验内容的设置上，针对不同专业特点制定相应的实验内容。学生在选择实验题目时，引导学生根据自身专业特点，充分发挥他们的主动性和能动性，教师不明确确定某一实验内容，仅提供几个备选方案，同时着重考虑两个方面:一是从生活问题着手，并可在物理化学教材中找到实验原理，学生可以通过教材、图书馆、网络等多种渠道找到相关材料;例如，开设了墨水、豆浆和氢氧化铁等胶体特性的研究、食品热量的测定、食用醋种类的鉴别、液体沸腾现象的研究以及洗衣粉去污能力的实验分析等小课题，这些课题使同学们了解了目前市场上所售几种食用醋营养成分的区别及其各自的优缺点，例如，经过实验测知酿造醋比配置醋更有食用价值，也了解了如何测定米饭、馒头和面包等的热量，还了解了我们使用的不同品牌洗衣粉和不同浓度洗衣粉的去污能力，这样以后他们在生活中就可以知道如何根据需要来选择食用醋、食物和洗衣粉等，缩短了日常生活与物理化学的距离。二是从科研课题出发，通过实验可以解决生活中某一现象或者学生感兴趣的某个问题，比如可以从关注当前的环境保护、节能减排、污染防治等热点话题入手，结合实验室条件等确定试验小课题，例如，我们开设了活性物质吸附性能的评价、用溶液还原法制备Rh纳米粒子、双金属Rh-Au/γ-Al2O3催化剂的制备及三效催化活性的研究等课题。这些课题使同学们了解了目前汽车尾气的治理方案，并对三效催化剂有了基本的认识，例如，由不同比例的金(Au)和铑(Rh)作为活性组分制备的三效催化剂，在不降低催化活性的基础上，加入成本相对较低的Au降低贵金属Rh的用量，从而在保证活性的前提下来降低成本。通过这些小课题的设置，一方面可以使学生学到的理论知识转化为解决生活问题，另一方面也可以使学生有机会了解本学科的前沿，这对于他们体会创新思维，提高创新能力提供了可能的途径。

2.2 实验教学模式——学生主体，师生互动

在实验方案选择和制定阶段，学生根据自己的兴趣点入手，开展研究项目的选择。在选取实验方向基础上，组内学生需要分工协作，在一定时间内，通过自主查询资料、参阅相关资料，并对文献资料进行分析归纳，开展小组讨论提出一个完整的实验思路，在这个过程中培养学生的自学能力和综合分析能力。然后开展师生间的讨论，就实验中可能出现的问题等与教师沟通，提出实验所需的各项条件，并对实验中可能出现的问题进行分析和判定解决方案。在实验实施过程阶段，要求学生自己完成实验材料的准备、实验用仪器的校准和测试，也可让学生自己动手设计实验装置，培养锻炼学生的独立思考能力和勤于、勇于动手的能力，充分调动学生思维和想象力，将实验现象同理论知识及疑惑或兴趣点结合起来，促进其积极思考。由学生自己完成实验的准备工作，打破了传统教学模式中学生来上课即开始做实验，做完实验转身就走的局面，另外这个过程也充分的加强了师生间的沟通，同时也锻炼了学生对于实验过程中对于突发问题的处理能力，而这些都是传统实验模式所不能给予的。在实验完成后的总结阶段，让学生独立对实验过程进行总结与思考，找到其中的关键点，总结是否解决了之前的疑惑，兴趣是否在此过程中得以满足。在整个实施过程中，学生从最初的准备实验，到实施实验，到总结实验，这种三步式逐步递进的过程更好的锻炼了学生的创新能力。

2.3 实验项目的开展和实践——自主学习、综合锻炼

整个实验课题在课余时间进行，包含实验方案的选取与确定、实验开展，到实验结束后的数据总结处理等，学生根据自身情况，协调相互间的工作。在实验教学方式上，注意培养学生查阅资料、综合解决日常生活和科研实际问题的能力，例如通过食品热量的测定这个课题，学生可以了解我们日常生活中常吃的米饭和馒头、面包等所含的热量如何测定，另外，当代大学生可以很方便的使用电脑等工具，他们在实验数据处理过程中可以通过学习很快掌握公式计算、以及各种数据作图软件，如Excel和Origin等，例如在食品热量的测定实验中，学生可以通过雷诺图的校正这部分实验数据的处理掌握Excel软件的应用，另外在活性物质吸附性能的评价、双金属Rh-Au/γ-Al2O3催化剂的制备及三效催化活性的研究等这些实验中，通过对催化剂活性的测定使学生掌握Excel和Origin作图软件并在实验总结中予以应用。通过这样的锻炼，可以有效的激发学生兴趣，提高学生做实验的积极性和主动性，培养他们的进取心、创造力以及综合素质，如文献调研能力、软件使用能力、分析问题和解决问题的能力。例如，完成双金属Rh-Au/γ-Al2O3催化剂的制备及三效催化活性的研究这个课题的同学在文献调研基础上了解到Ce-Zr固溶体具有良好的储放氧能力，因此提出是否可部分替代Al2O3载体，从而获得更好的三效催化活性?经过实验验证，此方法可行。

2.4 实验项目的效果——教学相长，乐在其中

该模式营造一种教师与学生一起创设“乐于探究，勤于思考”的学习情景，教师要引导学生开展实验活动，引导学生去发现问题、分析问题、并采取手段去解决问题［15］，注重培养学生的创新思维，开发他们的创新思维能力，给学生提供一个从想象到创造的空间以及施展创新能力的平台。通过以上教学模式的锻炼，可以有效的激发学生的兴趣，提高其学习的主动性和积极性。在整个实验过程中，学生不再停留在只是重复别人的实验过程，而是其实现自我价值的过程。同时在实验开展过程中，教师也需要在实验中与学生讨论，共同分析实验中遇见的问题，因为课题是开放的，学生遇到的问题不是常规教学实验遇到的，所以要求教师需具有广泛的理论知识，丰富的实践经验、较强的动手能力和交流合作的精神［16］，这就需要教师不断的提高自身素质和修养，从而促进教师的发展，有利于教师教学质量的提高。

3 考核方法的建立

创新性物理化学实验项目考核评价主要分为如下4个部分:①在项目实施前，要求学生上交一份关于自己所选实验项目整体设计的报告，指导教师会给出相应的成绩，此部分考核学生的整体实验设计思维;②在项目实施过程中指导教师会全程跟踪学生的具体实验情况，并对实验过程做出评价，并给出相应的成绩，此部分考核学生对实验的整体把握，实验过程的应变能力和学生的分工协作能力;③实验完成后，每位学生要写一篇关于整个项目的总结报告，指导教师给出相应的成绩，此部分考核学生的总结归纳能力，尤其反思和探究能力;④最后要求学生做PPT，并现场答辩，教师和参与整个项目的同学都分别对答辩情况给出自己的分数，此部分考核学生的表达能力、综合能力以及学生对现场提问的思辨能力。综合上述成绩作为整个实验项目的考核成绩。而上述考核成绩只是硬性考核成绩，而从学生的长远发展来看，一些软性考核结果也会有所显现。经过近两年对两届60名学生的实践，一些参与过这种教学模式的学生已经有两位同学评为我校的科技之星，有4位同学参加了我校的北工大杰出学子计划，有六位同学参加了北京市大学生化学实验竞赛，另外还有两位同学被保送为我校的研究生。

4 结语

在师生双方的共同努力下，物理化学创新性实验取得了良好的效果，对于师生都学有所得。在项目实施过程以及项目考核过程中，实现了一种自主开放式的实验教学模式，加强了学生对理论与应用的认识，充分调动了学生的学习积极性和主动性，培养了学生的实践动手能力、协同合作能力、分析问题和解决问题等全方位综合能力，使学生的创新意识和创新能力得到了很好的提升。真正做到学生在整个实践教学环节中获得各方面综合能力的提高。作为教师，要随时面对学生提出的非常规问题，所以需要不断提高自己的业务水平，提升自己可持续发展的能力，当然在项目实施过程中，需要很多的经费投入，这对于教师也是一种压力，所以需要加大实践教学经费的投入力度，不断完善实践教学体系，为学生提供更好的科技创新平台。

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