大型仪器开放式实验教学与学生创新能力培养的探索与实践

2013-12-23林兴桃王小逸客慧明刘淑珍任海荣

实验技术与管理 2013年5期

林兴桃，王小逸，客慧明，刘淑珍，任海荣

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

学生创新能力的培养是目前高等教育的重要使命。学生创新能力的培养贯穿于教学的各个环节，其中最重要的、最现实的、最有效的方法就是重视、加强和改进实验教学［1］。实验教学是学生获得知识和能力训练的重要途径，是创新教育的重要环节，在创新人才培养中起着其他教学环节不可替代的作用［2］。大型仪器是高校的宝贵资源，代表着先进的专业测试水平和发展方向，是创新人才培养的重要工具。熟练掌握大型仪器将为创新人才的培养发挥重要作用。

1 大型仪器实验教学现状分析

近年来，虽然学校添置了一些大型仪器，但大型仪器的总量仍相对较少，开设实验时无法满足所有学生都动手操作的需求，而在实验周外，又出现大型仪器闲置的现象。大型仪器由于价格昂贵、结构复杂、操作规范性要求较高，有些仪器完成一个样品的完整测试所需时间较长，也使实验教学受到了一定的限制。目前大型仪器实验教学主要以演示教学、软件操作的虚拟教学和限定时间、内容的多人一组大轮转的现场实验教学为主，学生缺乏思考的空间，只是按照教师规定的动作进行操作，学习主动性差。

2 开放式实验教学的优势

开放式实验教学打破了传统实验教学的束缚，在实验课程内容、教学方法、教学管理等方面进行了大胆改革和创新，强调学生在实验教学中的主体地位。在实验教学中教师只提出要研究的问题，不提供具体的实验方法，让学生自己查阅资料、设计实验方案，经教师审阅后由学生独立进行实验，记录分析数据，最后提出实验结果和报告［3］。开放式实验教学要求在“实验时间、实验空间、实验项目、仪器设备”等方面对学生开放，使学生真正成为实验教学的主体。这种开放式实验教学模式提高了学生的学习兴趣及学习自主性，锻炼了学生独立分析问题、处理问题的能力［4］。

目前，大型仪器实验教学由于设备套数较少，难以在同一时间内满足众多学生的实验需求，使得学生在实验时间、实验内容等方面均受到一定的限制。而开放式实验教学在“实验时间、实验空间、实验项目、仪器设备”4个层面开放的教学模式，使得学生能够在不同的实验时间选择不同的仪器进行不同实验项目的实验，这种教学模式，能很好地解决大型仪器数量少和学生实验需求量大之间的矛盾［5］。因此，开放式教学模式在大型仪器实验教学中的应用，不仅能使实验型仪器得到充分利用，更重要的是能够激发和培养学生的实验兴趣，提高他们的创新能力。

3 大型仪器开放式实验教学的探索

开放式实验教学模式已在多所高校和多个学科中开展，并取得了较好的成效。1994年，中山大学在国内率先提出并实行“开放式”实验教学［6］，之后，全国各省市大学也根据自身特点纷纷开展开放式实验教学研究［7－9］，但是研究对象主要是一些涉及面广的基础实验课，对于大型仪器的开放式实验教学研究较少［10］。我校在借鉴外校开放式实验教学的基础上，进行了大型仪器开放式实验教学的探索。

3.1 在不同实验课程中开展开放式实验教学

开放式教学要求以学生为主体，赋予学生自主权，让学生对学习产生兴趣，形成对问题探索的自主性。开展大型仪器开放式实验教学，首先要使学生对仪器产生浓厚的兴趣，有学习研究的欲望，且能让学生在利用仪器解决实际问题的过程中体会研究的艰辛与快乐，提高创新思维能力。因此，我们通过在“创新综合实验”、“仪器分析实验”和“创新实验课程”这3门相关实验课程中开展大型仪器开放式教学，使不同的课程满足不同的教学目标，如图1所示。

图1 不同实验课程的教学目标

“创新综合实验”是我院大二学生小学期课程，属于综合设计类实验，学生可以自主选择4 个实验项目，在2周时间内完成所有实验并提交实验报告。每个实验项目要求学生自己设计实验方案，配备所需的实验溶液，自主进行实验。如“阿司匹林（乙酰水杨酸）的制备和鉴定”这个实验项目，不仅要求学生制备出阿司匹林，还要求学生对制备出的样品利用红外光谱确认结构，以及利用色谱进行纯度测试。这是学生首次接触大型仪器，学生对仪器的功能和用途表现出很大的兴趣，激发了学生进一步学习仪器结构和原理的欲望。

“仪器分析实验”是我院环境科学、环境工程和应用化学专业学生的专业实验课，在这门实验课中我们注重加强学生对仪器原理、结构的学习，进一步规范仪器的操作方法，熟悉仪器的应用领域。课程对学生进行实验时间、实验内容的开放，学生可以自由选择6种仪器在规定的时间段内预约实验，解决了由于实验设备少导致的学生动手机会少的问题。

在学生掌握了仪器的基本原理和操作技术后，我们通过“创新实验课程”进一步提高学生的创新能力。“创新实验课程”是我院针对高年级学生开设的实验选修课，课程主要以小课题的形式出现，课题的结果具有未知性。实验课题可以是学生自主提出，也可由教师提供。学生在找到自己感兴趣的研究课题后，组成课题研究小组（一般2～3人1组），独立查阅资料、设计实验方案，经教师进行可行性审查后，由学生独立实施课题的研究方案和内容。在整个课题研究阶段（一个学期），实验室对学生实行“实验时间、实验空间、实验试剂、仪器设备”的全方位开放，学生可在与指导教师商定好的课余时间内在实验室进行课题研究，可根据课题需要列出所需的试剂和仪器设备，并在课题阶段预约使用大型仪器。课题研究过程中，学生遇到问题可与指导教师讨论，共同探讨解决办法。实验完成之后需将研究结果整理成论文，并进行答辩，教师将根据实验设计、实验论文写作水平和答辩的结果给予评分。这门课程让学生在利用仪器解决实际问题的过程中提高了创新能力。

通过以上3门实验课程的开放式教学，学生基本可以掌握大型仪器的原理和使用方法，并且在利用大型仪器设备完成实验项目的过程中锻炼创新能力。

3.2 与学科竞赛、星火基金等学生科技活动相结合

对于没有选修“创新实验课程”的学生，可以通过参与学校的星火基金项目和化学实验竞赛等科技活动获得创新学分，培养创新能力。我们结合本科生的星火基金项目和大学生化学实验竞赛等活动开展大型仪器开放式实验教学，对于参与本科生星火基金项目课题研究的学生，在课题研究期间，可以根据课题需要预约使用大型仪器。另外，我们结合近年来北京市大学生化学实验竞赛及学校的大学生化学实验竞赛，为感兴趣的学生提供更多的机会进行大型仪器的相关实验，进一步锻炼和提高学生的创新能力。