基于创新能力培养的高校开放式化学实验教学研究——以凹凸棒石基工艺品制作为例

籍向东 曹 成 金淑萍

(河西学院 化学化工学院，甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，甘肃 张掖 734000)

在高等学校中建立多种多样的创新创业教育课程[1-3]，是服务国家加快转变经济发展方式、建设创新型国家和人力资源强国的战略举措，是深化高等教育教学改革、提高人才培养质量、促进大学生全面发展的重要途径，是落实以创业带动就业、促进高校毕业生充分就业的重要措施[4，5]。高校应该打破专业学科限制，以“通识教育”的思路为指引，通过构建全方位、立体化、学生积极参与的创新创业教育体系，从而为社会培养出更多具有创新意识、创业思维和创造能力的新型人才。实验课程在化学专业的课程中具有不可替代的重要地位，将“开放式化学实验教学”模式引入化学专业及其他跨学科专业中，将会成为高校实施高素质教育、培养富有实践能力和创新能力的高素质人才的关键环节[6-8]。

1 在本科教育中推行化学实验“开放式教学”的背景及意义

1.1 化学实验“开放式教学”的背景：高校亟待开展创新创业教育

教育部在2012年发布的《普通本科学校创业教育教学基本要求(试行)》文件中，重点突出了高等学校的创新创业教育需要进一步加强建设，为高校开展基于创新能力培养的课程提供了大力支持。随后不久，李克强总理在达沃斯大会上提出了“大众创业，万众创新”的口号，在知识驱动经济持续发展的进程中，创新创业主题逐渐上升至国家战略高度。结合国家战略方向及文件精神，高校应该积极培养大学生的创新创业能力，这将有效推动大学生就业创业，维护社会稳定团结。如何有条不紊的开展大学生创新创业教育课程是各大高校一直思考的问题，快速建立设计合理、特色鲜明的创新创业课程是其中的关键因素。让学生在大学阶段就可以体会和实践创新创业的相关内容，可为他们以后走向社会提供一定的理论和实践基础。

当前，大部分高校的创新创业能力培养教育尚处于摸索阶段，且存在实践教育进程缓慢的情况。造成这种情况的原因主要是：第一，现阶段的传统教学模式主要是将创新创业知识讲授给学生，仅仅起到了一种最初的引领作用，并且没有形成特有的创新创业教学形式，大多数是基于传统教学形式建立的课程模式，学生在学习过程中仅停留在课堂层面，而缺乏创新创业必要的实践能力培养环节。因此，需要打破传统的教学方式，让学生在创新创业课程中真正体会到实践的重要性。第二、学校当前大部分创新创业实践仅体现在竞赛中，引导作用和启发作用有限，形式缺乏多样性，无法满足大学生多元化的创业需求，而且高校创新创业实践教育并未和社会实践企业相结合，造成实践教学和市场需求脱节，大学生无法从实践教学中了解到新知识、新技能，无法紧跟市场需求提高认识创新思维，且部分学院创新创业实践教育走的仍然是老路子，并没有反映出时代特征和国民经济的发展变化[9]。

分析上述问题的原因可知，我们应该着力开发具有地方特色的开放实验课程，以培养学生创新创业能力为目标，填补现今大学生在创新创业教育方面的不足，提高学生对创新能力的认识，勇于将理论联系实际，明白所学知识应不局限于课堂，应开放思维，追求科研前沿技术和知识，做一名不仅理论知识深厚，且实践能力强、思维开放的综合性人才。

1.2 化学实验“开放式教学”的意义

1.2.1 提升化学专业同学的专业知识水平、扩展其他学科同学的知识面

“开放式教学”模式可以让学生了解到课本以外的科研化学知识，增加对所需知识的探索能力，以及进一步提升化学实验自主操作水平。校级选修课的形式可以打破学科的限制，将授课对象扩展为对化学实验感兴趣的其他学科的学生。这些非化学专业的学生在学习本专业课程的基础上，利用课余时间通过网络学习平台了解基础的化学知识及简单的仪器设备使用规程，然后进入实验室开展相关实验项目，以此增大化学实验室教学资源的利用价值，满足学生个性化的学习需求。

1.2.2 建立开放式实验教学的师生“双转型模式”

在传统化学实验教学中，教师一直作为课程知识的传授者，大多数情况下学生在被动的接受知识。通过将教师的定位由传授者转型为指导者的形式，让学生通过检索文献等方式自主设计实验方案，并对方案进行讲解汇报，教师在此过程中进行引领式指导，使学生由传统的被动接受知识(已经拟定好的实验方案)转变为主动探索、发挥创作能力，从而提升学生对化学实验的浓厚兴趣，增强在实验中分析解决问题及优化实验方案的潜能，为顺利进入用人单位打下良好的实践基础[10，11]。

1.2.3 在化学实验“开放式教学”模式下，鼓励学生形成自己的团队

在分工明确的团队中，学生们各司其职将实验方案、实施流程、仪器设备、预期结果等方面进行反复研究和分析，这种形式与企业研发部门的研究模式接近，有助于提升学生的自主学习积极性，同时在实验方案的设计及具体实验的实施等方面增强了学生的创新能力意识和理论联系实践的能力，还可以通过这种团队协作的形式让学生明白团队合作在工作中的重要性，提升了学生潜在的科研意识。

2 何谓化学实验“开放式教学”

高等学校学生的素质教育一直是国家教育部门开展教育工作的重要部分，学生的综合能力培养也已经成为众多高校的重要课程，特别是对创新创业能力的培养。传统的化学实验课程无法满足学生创新创业能力的培养需求，故可以通过“开放式教学”的模式实现对学生素质教育和创新创业能力培养的双重提升。开放式实验教学是以传统实验教学内容为基础，提出的一种“开放式”的有效的教学改革途径，教学目标是在学生掌握实验的基础知识及技能的基础上，进一步提高学生的自主创新思维意识和课外知识储量。此外，课程的实施在无形中形成了“双转型模式”，即教师由讲授型转变为引导型，学生在学习过程中也由传统的被动接受型转变为主动探索型。“双转型模式”在开放式实验课程中的良好运转，增强了学生自主发现问题、分析问题、解决问题的综合能力，为培养学生素质教育和创新创业能力提供动力。

“开放式教学”实验课程具有两个主要特点：第一、时间开放自由。学生除了在教学计划安排的时间上课以外，还可以利用自己的课余时间或周末与指导老师探讨实验，这种自主的学习方式不仅可以提高学习的主动性，而且可以让学生对所用仪器设备有更深刻的了解和认识，进一步提升学生的基本实验操作技能和实验安全意识。第二、实验方案多样化，科学研究探索。学生可以自主设计实验方案，并通过与老师的交流探讨不断的优化，在这个过程中，学生的实验技能及知识水平会不断积累，发现问题及解决问题的能力也逐渐升高，在不停得到实验成果和师生合作的过程中，学生会自然的对科学研究产生浓厚的兴趣。此外，开放式实验课程设置的实验内容不宜过难，授课对象可以扩展到学校的非化学专业学生，提升高校学生的综合学习能力和素养。

3 化学实验“开放式教学”的实践案例：跨学科探索凹凸棒石基的工艺用途

基于上述“开放式教学”课程的意义，本部分以产教结合为原则，提出了跨学科探索凹凸棒石基工艺用途的课程实践案例。“开放式实验教学”课程主要是以创新创业能力培养为基础，以科学性、实践性为中心，开展培养具有较强实践能力的高校本科院校学生。科学性原则体现在课程中涉及化学因素，例如：对材料的改性、新物质的合成等方面。实践性原则体现在课程设计中应具有一定的实践基础或潜在的市场前景。

3.1 课程设置尽量贴近当地特色资源利用

“开放式教学”课程的实施应尽量与当地特色资源相结合，这样既可以提高学生科技创新能力，也可以提高地方特色资源的附加值，加快地方产业结构的转型，增加课程中学生得到产品的潜在市场价值，从而推动地方经济的发展。

甘肃省张掖市临泽县已经发现了储量上亿吨的凹凸棒矿产资源，为了响应国家对矿石产业的战略规划和甘肃省对凹凸棒产业的战略规划，凹凸棒石等矿物资源的高质化利用迫在眉睫。基于此，以中科院-张掖市政府-河西学院的凹凸棒石开发合作协议为基础，提出凹凸棒石+丹霞地貌工艺品模式的特色开放实验课程。这种基于特色资源的“开放式教学”课程不仅可以提高学生对特色资源多质化利用的概念理解，也可以让学生体会创新创业的实际意义，在促进学生创新创业能力的同时，为产教结合提供一定的实践基础。

3.2 课程的主要内容

将基础型创新创业教育知识、本科生人才培养目标及教育部下达相关文件以授课形式面向学生讲解，同时引入化学实验“开放式教学”课程的概念和具体实施流程，提高学生对创新创业教育的认识，树立正确的创新、创业观，并激发科技创新激情。

“开放式教学”课程资源应该尽量与当地经济社会生活相互结合，与学生对于创新创业素质教育的具体需求相结合。本课程的设置结合张掖本地特色资源，以凹凸棒石为原材料，学生通过查找文献资料，拟定实验方案对凹凸棒石进行改性(提升吸附污染物的能力)，同时对改性结构做相应的表征分析，提升学生的科学研究能力。

丹霞地貌旅游景区位于甘肃省河西走廊中段的张掖市，并入选人民日报发布的2018中国品牌旅游景区TOP20名单，借助丹霞地貌旅游景区的地理优势，课程将通过调和不同比例凹凸棒石及染料，制备得到丹霞山体颜色的凹凸棒石材料，也可通过后期涂染进行增色处理。

为了进一步提升学生的实验操作能力，制备工艺品所需的胶黏剂将由学生自主制备得到，通过文献资料的查找，学生拟定制备环保无毒型AB胶(环氧树脂)的实施方案，指导老师给予指正和完善。

通过与美术学院学生进行跨学科沟通学习，调制不同所需颜色的染料，并根据学生的自主创新意识制备各式各样具有丹霞地貌特点的模型产品。最后，将彩色凹凸棒石、AB胶和模型有序结合在一起，即可得到具有一定吸附有机物能力的特色凹凸棒石工艺品。

3.3 突破传统课程的束缚、增强学生自主创新意识

以开放实验课程资源为基础，突破传统的课堂教学模式，将本地特色资源凹凸棒石与创新创业课程完美结合，通过学生的自主探索式学习，基于自我的创新思维设计出不同的实验方案和特色工艺品，为产教融合新模式的应用提供一定的理论参考，也进一步优化和完善了开放课程改革体系。

以开放实验课程中涉及的凹凸棒石型七彩丹霞工艺品的制作为契机，学生通过不同的方式制备多种具有不同颜色(与丹霞地貌颜色相契合)的凹凸棒石原料，并将上述原料改性为具有污染物吸附能力的原材料，然后进一步利用制备的粘合剂(AB胶等)将改性染色凹凸棒石结合起来，得到不同风格类型的丹霞地貌模型，这个过程激发学生的创造力和兴趣，进而突破大学生主观创新意识不强的问题。

3.4 课程的实施流程

在响应“非教师教育专业项目选题可与产教融合紧密结合，针对如何完善课程体系开展研究”和“积极开展教学改革研究，力求教学模式、教学内容、教学方法改革大胆创新，改变单一的教学模式，在教学各环节采用学生科技创新自主立项等多种形式相结合的立体化教学模式”的课程改革精神背景下，提出了以本地特色资源凹凸棒石为契机的开放性课程改革教学新模式，在引导学生自主创新的同时，也实现了特色资源凹凸棒石的多质化利用。课程主要通过指导学生利用专业技术知识，从最初的原料(凹凸棒石、环氧氯丙烷等)经过改性、优化等程序制备多种符合地方特色的工艺品摆件，提升了学生在课程中的自主创新能力，丰富了开放课程的教学模式，促进了产教结合的教学课程改革理念。

在本课程中以引导学生自主创新为重点，挖掘利用学生已学的化学专业基础知识，自主设计合成涉及的工艺品原料及相应实验程序。通过改性及负载的方法制备具有甲醛吸附能力及特殊颜色的凹凸棒石原料，以其为基础制备多种地方特色工艺品，以这种全新的课程改革模式提升开放课程的实际意义。最终，以化学化工学院开放实验课程为基础，开发面向全校的创新创业融合课程。本开放实验课程共32学时，安排如下：

1)将前4个学时设置为理论课，讲解本课程设计的意义、开发工艺品的主要步骤、所需原料的制备流程等事项。通过理论课程的讲解，让学生深刻体会到开放课程对自主创新、自主探索的重要性，同时也让学生体会到这种产教结合教学改革模式的重要性。

2)利用8个学时与学生共同完成改性凹凸棒石原料的制备，主要分为两个部分，第一部分：根据查阅的相关文献(《热处理凹凸棒石及其对甲醛的吸附性能研究》,赵亿)，利用热处理对凹凸棒石原土进行改性，得到可再生型具有甲醛吸附能力的凹凸棒石原料，并对制备凹凸棒石原料进行常规表征(扫描电镜、X射线衍射分析、比表面积分析等)。此部分内容可以提升学生的实验技能(索氏提取等操作)，还可以促进发展学生对本地特色资源的重视程度，同时让学生接触教学大纲以外的昂贵科研大型仪器，有助于提升学生探索科学技术的信心，进而提升创新能力和考研自信心。第二部分：通过与美术学院学生交流互动，探索并优化不同颜色凹凸棒石原料的制备流程。首先通过调节染料浓度及颜色配置所需颜色的水溶液，将一定质量上述制备的改性凹凸棒石原料浸泡在上述水溶液中，利用摇床震荡24 h进行表面负载，过滤后80 ℃真空下烘干，得到不同颜色的凹凸棒石原料，封袋标记待用。

3)利用6个学时完成AB胶(环氧树脂)实验，包含环氧树脂的制备、环氧树脂粘接实验、环氧值的测定三个主要部分，通过上述实验让学生了解学习环氧树脂的实验室制备方法，掌握环氧值的测定技术，同时了解环氧树脂的性能和使用方法，通过环氧树脂实验锻炼学生的实验操作水平。

4)利用10个学时指导学生与美术学院学生进行沟通交流，设计不同风格的工艺品模型，然后通过木质材料或塑料等制备基本模型，同时激发学生的创造力，制备不同风格的工艺品。如图1所示，初步设想的几种工艺品模型。

(a)敦煌月牙泉

5)项目的最后阶段，利用4个学时的时间进行总结分析，指导学生反思整个项目进行中出现的问题及修改方案，整理制备的多种本地特色工艺品。此外，在学校加强宣传，普及国家的创新创业教育政策，宣传本项目制备的工艺品，提高学生对创新创业的理解深度，为营造良好的创新创业现代化校园贡献一份力量，并且真正实现“万众创新”。

3.5 项目具体实施流程

本课程项目的具体实施流程如图2所示。

图2 项目实施流程图

4 保障化学实验“开放式教学”取得优质效果的几点措施

化学实验“开放式教学”课程虽然可以通过学生角色转型的形式提高自身的创新意识和实践能力，但在具体的实施过程中发现也存在一些降低实验效果的问题。基于此，在“开放式教学”课程的建立及实施过程中还有许多有待改善或解决的相关问题。我们对整个课程的实施流程进行了系统分析，需要将以下几点作为课程设置及实施过程中重点内容，这样才能保证学生在整个“开放式教学”的过程中最大化地取得相应成果和提升自身能力[12]。

4.1 玻璃仪器、基本设备的维护

仪器和设备是化学实验的核心组成部分，对于化学实验“开放式教学”课程而言，大部分时间是学生自己动手组装仪器，难免会有磕碰的情况发生，有可能出现玻璃仪器开裂等情况。若没有及时得到维护，将会出现反应液泄漏等事故，甚至引起火灾。因此，用于“开放式教学”课程的仪器和设备维护的频率应高于常规仪器维护频率，从而保证学生在安全稳定的实验环境下得到准确的实验数据。通过实验室管理员的定期维护，及时发现一些存在的安全隐患并及时处理，确保仪器和设备可以正常使用和运转。

4.2 加强实验管理、规范学生的实验操作

仪器和设备的使用状态直接影响整个化学实验的进程和结果的精确度，为了保证仪器和设备的正常使用和运转，在学生自主完成实验的过程中应对仪器的使用和实验操作进行严格管理。这些问题不能都集中在实验过程中进行解决。因此，授课教师应在学生进入实验室之前进行对其系统的理论培训，包括仪器的使用方法、设备的运行原理及规范操作规程等。对于大型的昂贵精密仪器，还应配有操作考试，考试合格后颁发证书才可使用。学生通过理论课程培训对实验涉及的仪器和设备有了深入的了解，既可以使学生扩展自己的知识面，又可以确保整个实验过程在安全、有序的情况下完成。

4.3 实验内容难易程度的取舍

化学实验“开放式教学”课程的一大特点是在教师辅助的情况下，学生自主设计实验并完成取得相应成果。基于此，课程在实验设计方面难度应适中，如果实验难度过大，将会导致学生在设计和实施实验过程中遇到很大阻力，甚至被迫停止实验，这将会挫败学生的自信心，削弱对科学知识探索的动力。若实验难度过于简单，将会使学生很容易就得到良好的结果，掌握不到更多的化学科研知识，甚至不需要团队合作即可完成整个实验，无法达到提升学生团队协作精神的目的。特别对非化学专业的同学，课程实验内容设置应把握好难度，旨在提升学生对化学知识的兴趣，提高创新创业意识。

4.4 教师队伍的建设

在化学实验“开放式教学”课程中，教师的授课内容不应仅局限于课本中的传统实验方法，而应就学生自主设计的实验方案提出修改和指导建议，这就需要指导教师拥有更多的化学理论知识和实践经验，同时应紧跟科学研究的前沿方向，通读经典科研文献，不断提升自身的授课及科研能力。此外，应委派实验指导教师进行定期的跨校培训和深造，不断的改进和完善课程体系，更新自身的基础和实践知识，从而提高教学水平。

4.5 严格值班制度

化学实验“开放式教学”课程的时间与传统实验不同，将以往在一个固定时间点进行实验转换为实验室长时间对外开放，让学生利用自己的课余时间主动地去思考完成相关的实验内容，这也就要求指导教师随时指导学生遇到的问题。因此，实验室传统的时间安排将不再适用，相关制度也应该予以完善和改正，为了防止实验室发生意外事故，必须安排实验室管理人员排班值守，并做好学生使用实验室的登记手续。

5 结语

综上可知，将基于培养创新能力的“开放式教学”模式融入到高校化学实验课程中，不仅是对传统教学的全新改革和创新，更是对学生学习形式的升华。开放式教学是以学生为主体的教学模式，以产教结合与学生科技创新为中心，以开发本地特色资源凹凸棒石为契机，提出开放课程的全新改革方法。这种教学模式不仅可以打破师生、生生互动机会少的僵局，而且可以全方位提高学生的创新、科研、探索等综合素质能力。此外，以化学实验开放实验课程为基础，开发面向全校的创新创业融合课程，让更多的学生得到“开放式教学”模式的锻炼和学习，为以后的工作提供有力的理论和实践保障。