分层次、跨学科开放实验教学实践

2013-08-23王晓岗许新华樊雅娟

实验室研究与探索 2013年9期

王晓岗，赵超，许新华，樊雅娟

(同济大学化学系，上海 200092)

0 引言

作为部属“985”高校，同济大学具有两大办学特色，一是国际化办学，二是实践教学。在人才培养过程中，同济大学在实践教学上形成了诸多有自身特点的东西[1-5]，开放实验教学就是其中之一，化学系则是同济较早开展此项工作的单位[6]。近年来，围绕学校的整体办学思路，结合院系的具体情况，化学系提出了“分层次、跨学科开放实验教学”模式，经过数年的教学实践，该模式获得了专家和同学的认可，并在教学中取得了良好效果。

1 开放实验教学的理念及内涵

开放实验教学指由教师或学生提出实验目标或创设问题情景，学生经自主性学习研究、自行设计实验方案并独立完成实验的一种教学方式[7-8]。传统观点认为课堂教学是实验教学的主体，开放式教学是课堂教学的补充和拓展，两者是一种主次关系、从属关系。但仔细分析推敲，“课堂实验教学”和“开放实验教学”的主要差异在于教学理念和方式的不同，前者突出老师的“教”和老师的引导作用;后者则是一种开放式教育，提倡以“学生为主体”的“自主性学习”，通常以问题为主线展开自由探讨，在对问题的层层剖析中，达到传授知识的目的。因此，在现代教学体系中，“课堂实验教学”和“开放实验教学”均不可或缺，它们是相辅相成、相互促进的平等关系。“课堂实验教学”的教学体系已非常成熟，而“开放实验教学”尚缺乏系统研究，比如教学的内容和常规教学有什么区别，开放方式有哪几种，教学效果如何评判，怎样进行教学的过程管理、质量监控等，这些都有待进一步探讨和总结。

“分层次、跨学科开放”是我们在此背景下提出的一种新的开放实验教学方式。这里说的“分层次”，指开放实验的教学内容丰富多彩、多种多样，有研究性、综合性，也有基础性、验证性、演示性等，具有不同的层次，教学中应针对不同的对象，选择合适的教学内容;“跨学科”指教学不单单集中在本专业、本学科，而是要延伸和拓展，形成跨学科、跨院系的开放实验教学。

2 分层次、跨学科开放实验教学的实施

2.1 实验内容的开发

就教学内容而言，开放实验和课堂实验是有差别的。常规教学所用教材比较规范，尤其是实验步骤描述得非常详细，学生按书本要求亦步亦趋进行操作，尽量不要出差错，在规定学时内完成指定内容并获得成功是取得好成绩的重要因素。而开放实验则不然，注重过程而淡化结果，教材提纲挈领，没有实验细节的条条杠杠，留有足够的空间让学生自由发挥，实验也不强求一定成功，允许失败，实验目的旨在激发学生研究兴趣、培养自主性学习能力[9]。基于以上考虑，我们将开放实验教学内容归纳为三大类:

(1)基础验证性实验。这类实验以传统实验项目为主，但作为开放式教学时则增加了难度，一是教材仅给出实验提纲和仪器使用说明，不提供详尽的操作步骤;二是改变原教材中的部分实验内容，比如试剂、仪器、实验方法等。以“凝固点降低法测定物质摩尔质量”实验为例，这是个经典的物化实验。传统教学中以环己烷为溶剂来测定萘的摩尔质量[10]，我们对该实验装置进行了改进，在冷却系统上连接一个低温恒温槽，使循环冷却剂直接进入空气夹套中，大幅度提高热交换效率，改进后的装置可以测定凝固点更低的系统，我们由此开发了水-尿素、水-蔗糖等体系[11]，并将它们用于开放实验教学，取得了良好的教学效果。

(2)大型仪器的讲座、观摩和操作。首先开设大型仪器相关方面的讲座，重点讲解实验技术所依赖的物理学原理以及根据这些原理所进行的巧妙的实验仪器设计，学生经讲座培训及观摩后再参与开放实验。目前，我系大型仪器类的开放实验项目累积有20多个。其中，色谱类有“手动顶空-GC-MS检测方便面包装袋中的有机挥发物”、“顶空进样GC-FID/MS检测花瓣中的香气成分”、“HPLC测定多种可乐中的咖啡因含量”等;光谱类有“积分球漫反射光谱仪检测A4纸张”、“大米中是否含有荧光物质”、“不同pH条件下苯乙酰胺的紫外光谱分析”、“红外光谱法测定银镀膜及气凝胶成分”等;表征类有“神奇的碳纳米管”、“SnO2纳米粒子的合成及形貌表征”等。这些实验素材贴近生活实际，集知识性和趣味性为一体，让同学轻松快乐地学习仪器的操作。

(3)探究型开放实验。实验带有研究性质，课题由教师提出或学生自选，学生以小组形式参与实验。一个较为成功的例子是三元相图实验。国内教材中三元相图的研究体系主要有苯-乙醇-水、甲苯-乙醇-水、环己烷-乙醇-水等，这类体系用于本科教学存在试剂毒性大、分析过程繁琐等弊端(采用气相色谱分析含量)。为此，我们设计了“正戊醇-乙酸-水”、“己烷-乙酸-水”、“乙醇-乙酸-水”3个新体系作为开放实验课题交由同学进行探索，经一个多学期的实验，同学最终采用浊点滴定法获得了完整的“正戊醇-乙酸-水”三元相图[12]，而后两个体系因溶解度及酯化反应问题未取得成功。由于“正戊醇-乙酸-水”体系所用试剂无污染，实验方法简便、直观，经数轮开放实验教学的完善，目前已作为新的实验项目纳入到实验教学大纲中。

2.2 实验教学方式

教学中遵循“学科交叉、分层教育”原则。其中，第一类实验(基础验证性)对参与常规化学实验课程的全体同学开放，由此来磨练学生的基本实验技能，提高自主实验意识;第二类实验则面向化学及其相关专业的同学，通过大型仪器的培训，使同学了解并熟悉现代测量技术及表征手段，拓宽科学视野;在此基础上，我们对学有余力、有参与科学研究热情的部分同学开放第三类实验，以进一步提高实验水平。在教学中，我们非常注重学科的交叉渗透，开放的范围不单局限在化学专业，还延伸覆盖了材料、环境、医学、生物、土木、机械、海洋、物理等院系，甚至文科专业的同学也被吸引参加(采用趣味实验)，这种人人参与、分层提高的教学方式，符合从广而博到少而精的教育规律。

在具体实施上，包括教学硬件和教学软件的开放，主要有如下几种开放方式:

(1)常规开放。将开放实验教学融入到常态实验教学中。比如物化、分析、化工实验课程因仪器复套数所限，教学中常采用循环轮转制，我们就合理安排轮空的同学进行第一类实验的开放式教学。这时，同一间实验室里既有做规定实验的，又有做自主性实验的，实验教学气氛相当活跃。

(2)周末开放。针对大型仪器的开放。大型仪器在学校内属稀缺资源，通常承担有繁重的科研任务，我们就利用周末或节假日安排第二类开放实验的教学。这种做法不会影响实验中心的正常工作秩序，反而提高了仪器的使用率。更重要的是，同学由此获得了更多的操作仪器的机会，有不少同学还通过开放实验学习拿到了大型仪器的“上岗证”。

(3)短期开放。围绕“学科竞赛”及“化学嘉年华”活动进行的临时开放。同济每年都组织校内化学实验竞赛，选拔优秀选手代表学校参加上海市大学生化学实验竞赛，竞赛前1周各实验室对同学全面开放，并配以老师给予指导和答疑。“化学周”、“化学嘉年华”则是面向全校的化学知识普及宣传活动，通过开放实验室，展示各种趣味性化学实验，吸引非化学专业的同学走进化学、了解化学并学习化学，目前，该项活动已连续办了七届，成了同济大学的科普品牌。

(4)长期开放。确立课题之后，同学自愿组成研究小组，查阅资料、设计方案并完成实验，实验教学中心对这部分同学实施长期开放。

教学软件指教学资料，软件的开放通过在实验中心网站上建立一个BBS交流平台来实施(http://chemcenter.tongji.edu.cn/BBS/index.aspx)，该平台具有三大功能:① 资料储存。将实验讲义、大型仪器使用软件、教学视频、题库等上传到BBS上，对于一些尚不能开出的实验项目，以虚拟实验的形式展示。学生可随时进入论坛查阅资料，进行自主性学习;② 答疑解惑。教师担任版主，引导学生就各类问题展开交流探讨，如实验方案设计、实验的总结、原理的拓展应用、进一步实验的设想和建议等，通过交流，学生不但熟悉了仪器操作，巩固了理论基础知识，部分同学甚至还能举一反三，产生新的思路和想法，进而实施更深层次的实验探索;③管理功能。用于发布教学信息、协调开放实验人员安排、登记仪器的使用情况、收集学生的实验报告及统计教学工作量等。由于网络交流平台不受时间、地点的限制，因而深受同学欢迎，成为实施开放实验教学的有效途径之一。

2.3 教学管理和考核体系建立

开放实验教学开展的历史不长，教学体系远谈不上成熟，尤其在过程控制、质量监督及考核标准方面存在较多空白点[13-14]，为此，我们借鉴常规课堂教学的体制模式，在系层面上规范两个方面的管理:实验项目管理和大型仪器管理。

(1)项目管理。开放实验教学严格按照申审批程序进行。首先由学生提出申请，实验中心主任审核后，将结果公布在网上，学生在给定的时间到实验室进行实验，操作过程中应有教师(或实验员或高年级同学)在场，完成实验后要及时登记，在实验室日志上详细填写教学情况，包括实验名称、内容、开放时间、仪器使用、学生人数等，并让学生逐个签名。此外，教师还要尽快将实验情况上传到BBS交流论坛上，以便学期末对开放实验教学工作量进行统计。

(2)大型仪器管理。早在2005年，实验中心就将大型仪器进行了联网，并开发了仪器预约系统。本系教师、研究生及毕业班同学可在线进行仪器预定。由于参与开放实验的主要是本系低年级本科生和外系学生，他们人数众多，每个人都建立账号不太现实。为协调仪器的使用，我们采取了两项措施:一是有指导教师参与的教学活动(如常规开放、大型仪器周末开放等)，采用教师的账号在网上预约仪器;二是给每一个课题小组(参与第三类实验项目的同学)设立一个临时账号，学生用此账号上网预约仪器。不管是何种身份进行预订，具体使用者需在实验结束后详细记录仪器的运行状况，以便仪器一旦出现问题时可追根溯源、查明原因。如果操作者有违规行为，实验中心则终止传送其实验数据或暂停其仪器使用资格。

在开放实验教学质量考核上，系里有一些具体指标和要求:①每次教学活动应有详细记录，包括教学内容、实验时间、学生人数等，指导老师、实验员和同学均需签名，学期结束时上交完整的开放实验教学日志;②参与开放实验的学生要提交实验报告，其表现和实验课程成绩挂钩。参与长期开放教学的同学(研究小组)，除递交总结报告外，还要参加每年12月份的开放实验及SITP活动公开答辩，对于获得一、二、三等奖的同学，将获得下学期实验中心的仪器使用优先权;③每学期末核算开放实验教学工作量。课堂实验教学通常按6 000人时作为一个教学工作量，考虑到开放实验教学的特殊性[15]，工作量将在原基础上乘1.2～1.5的系数。此外，教师在教学过程中开发了新的实验、发表高水准的论文或指导学生获得各类奖项等，均可得到一定的经费补贴。

由于管理措施得当，奖罚条例分明，老师和同学参与开放实验的热情很高。近年来，化学系开出的开放实验项目数30余个/年，参与学生超过3 000人次/年(来自9个院系)，开放总量达10 000人时/年，在学校各院系中名列前茅。

3 教学效果分析

开放实验教学在培养学生自主实验意识及动手能力上成效显著，表现在以下两个方面:

(1)学生的主动性加强。常规课堂实验一般要保证成功，学生承担较大的压力，操作过程中一旦碰到问题，就习惯性地寻求老师的帮助，久而久之，产生了思维上的惰性。开放实验则鼓励学生进行新的尝试，不行再重来，遇到困难时学生会自己动脑筋想点子，即使实验失败了，在和老师交流讨论中也更加自觉和坦诚，这种主动性学习能力的获得使他终身受益。

(2)综合技能提高。以参加学科竞赛为例，以前学生碰到不太熟悉的仪器和陌生的内容就慌慌张张，觉得无从下手。经过开放实验的训练，其心理素质和应变能力得到加强，遇事不再那么紧张，通过阅读说明结合向老师的提问，最终总能较完整地完成实验。在近两届上海市大学生化学实验竞赛中，我校学生进步明显，取得了3个一等奖、3个二等奖，尤其在2012年度竞赛中，来自应化专业的宁超同学还获得了个人全场第一名。同济也连续多年举办校内化学实验竞赛，我们做过统计，参与开放实验培训学生的获奖比例远超过入学成绩更高专业的学生。

4 结语

经数年的教学实践，化学系倡导的“分层次、跨学科开放实验教学模式”逐步获得了学校的认可，成为同济实验教学改革的一个亮点，校长及教务部门领导也多次来化学系考察。接下来，我们将把开放实验平台的建设作为下阶段的工作重点，积极配合学校的“卓越工程师计划”和“卓越生源计划”，进一步加大开放的力度，将开放的范围从校内拓展到校外，和兄弟高校甚至中学形成联动，使更多的学子能从中受益。

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