无机化学实验培养学生科研能力的探索

李子峰， 刘 絮， 孟祥茹

（郑州大学化学学院绿色催化中心，郑州 450001）

0 引言

化学是一门以实验为基础的学科。化学实验课是培养学生动手、独立思考、发现及解决问题等综合能力的最有效方法［1-2］。目前，我校针对化学专业的学生开设了无机化学实验、分析化学实验、仪器分析实验、物理化学实验、有机化学实验、综合化学实验（I）、综合化学实验（II）7 门基础实验课程。其中，无机化学实验作为先导课程，是其他6 门实验课的基础，目的是训练、规范学生的基本操作，提升学生的操作技能，培养学生观察实验现象的能力，学会正确记录和分析实验数据，树立正确的科学观、世界观和方法论［3-5］。但由于我校本科生来自全国各地，高中阶段化学学习状况参差不齐：大部分学生只动手做过为数不多的化学实验，少部分学生只看过老师做演示实验，还有一些学生压根没接触过实验，只能死记硬背实验现象和结论。总的来看，大部分学生受到的实验训练十分有限，基本实验技能缺失，导致常规的实验课教学效果很不理想［6-8］，更谈不上对科研能力的训练。

2020 年，我校确立了从教学型向综合科研型大学转变的办学定位。最近，化学学科入选教育部基础学科拔尖学生培养计划2.0 基地，对本科生的培养提出了提高科研能力的新要求。为了适应新时代本科生培养要求，我们学院会安排学生在大二的第一学期，根据个人兴趣，以“导师制”或者“大学生创新创业训练项目”等形式，提前进入教师科研团队开展科研训练。再考虑到我院大部分本科生毕业后走上了“读研”道路或者其他科研岗位。凡此种种，都对本科生的科研能力提出了新要求。如何通过实验课教学尤其是从无机化学实验课教学开始，除了使学生掌握基本的实验技能，还能使学生尽快地熟悉基本的科研流程，培养良好的科研习惯，使学生尽早进入科研状态显得十分迫切和重要。鉴于此，我们希望通过对无机化学实验课的改进和优化，来达到上述培养目的。

本文探讨如何在传统的“基本操作+预习报告+实验操作与实验记录+实验报告”的实验教学环节中附加学生科研能力培养元素，训练和培养学生的科研能力。

1 采用“线上+线下+虚拟仿真”多元化的教学模式，训练学生的基本操作

化学科学研究植根于实验，因此，扎实的实验操作功底尤为重要［9-10］。无机化学实验课作为大学生入学后第一门实验课，首要使命是训练、规范学生的基本操作和提高实验技能［11-12］。但是，受实验课时的制约，该培养目标的完成受到了限制。近年来，结合网络时代的到来，尤其是受到小视频受到年轻人追捧的启发，我们将无机化学实验所涉及的基本操作全部拍成了小视频，放置于实验中心网站供学生自主下载或提前一周把相关基本操作的短视频通过网络发给学生，寓教于乐，达到提前预习的目的，建立了“线上+线下+虚拟仿真”多元化的教学模式，提高了实验课的教学效率以及学习效果。例如，硫酸亚铁铵的制备实验前，就把固体试剂的取用、倾析法洗涤、液体试剂的取用、水浴加热方法、蒸发浓缩、结晶、常压过滤、减压过滤、目视比色等一系列基本操作的短视频发布到实验中心平台。学生在观看了这些短视频之后，就会直观地了解这些基本操作，激发动手实验的兴趣，使学生真正实现了按需学习，培养了学习的主动性。另外，学生还可以登录我院的虚拟仿真实验平台，完成一些虚拟仿真实验。实践证明，这种依托于“互联网+”的教学模式极大地丰富了实验课教学的手段和内容，拓宽了授课渠道，延伸了实验课教学的时间与空间，激发了学生的学习兴趣，为实际操作奠定了基础，节省了课堂教学的时间，大大提升了实验课的教学效果。

2 以设计实验方案的模式撰写预习报告

撰写“预习报告”是实验教学的一个重要环节，可以锻炼学生的实验设计能力，提升学生自主学习的能力，是学生顺利安全完成实验的前提与保障［13-15］。

传统的预习报告主要包括实验名称、实验目的、主要仪器和试剂、实验原理、实验步骤和注意事项等。由于和实验教材基本一致，导致学生大多照抄照搬教材，敷衍了事。为了培养学生的科研能力，尝试让学生把每次实验课当成一个小的科研课题，把预习报告当作实验设计方案来写。教师根据教学计划，提前告知学生实验课的题目和目的，提出需要解决的问题，引导学生带着问题查阅文献资料并设计出合理的实验方案，然后师生共同探讨设计方案是否可行，最后进行实践操作。以硫酸亚铁铵的制备为例，事先提出如表1 所示的一系列问题，给学生思考。

表1 硫酸亚铁铵制备实验中的常见问题

要搞清楚表1 中的这些问题，学生就必须线下、线上广泛查阅文献。开始时可以让学生先查阅中文文献，再慢慢适应查阅外文文献，逐步熟悉与化学相关的各类文献资源，培养文献查阅能力，为今后的科研选题做准备。学生通过查阅文献，对整个实验项目了然于胸后，开始设计撰写预习报告。实验步骤就是在理解实验原理的基础上，精心设计的实验方案，要做到具体、详实。如表2 所示，实验步骤与实验现象要一一对应，在充分预习的基础上，写出每一步操作过程，包括何时准备水浴、何时加热漏斗、何时制备无氧水等。在右栏要预留足够的空间，记录实验现象和数据以及每步实验所消耗的时间。

表2 操作步骤与记录表

3 规范实验操作，引导学生正确观察和如实记录实验现象和数据

“授人以鱼不如授人以渔”，为了培养学生的动手能力，避免一些有依赖性的学生旁观实验，一律实行单人单组，独立操作。尽管学生通过预习、观看基本操作小视频以及虚拟仿真训练对即将进行的实验操作有所了解，但由于基础薄弱，实验操作难免“慌腔走板”。在实验过程中，教师要及时纠正学生的不规范操作。作为从事科研工作的必备要求，正确观察实验现象和如实记录实验数据非常重要，教师要督促学生及时、如实地记录实验现象和数据。实验结束时，教师要仔细检查学生的实验记录，发现记录有误必须重做，培养基本的科学素养。此外，对于学生在实验过程中出现的异常情况，教师要引导学生查找原因，尽可能让学生自己解决问题。以氯化钠的提纯实验为例，有学生会遇到已经加过混合碱且经检验Ca2+、Mg2+、Ba2+等离子已经除净，但是过滤之后得到的滤液并不澄清的现象。此时，可以从为什么需要在溶液沸腾的情况下滴加沉淀剂，为什么在Ca2+、Mg2+、Ba2+除净后需要煮沸几分钟再过滤等，来引导学生分析滤液浑浊的原因。使学生领悟到采取以上措施是为了防止胶体的生成，滤液之所以浑浊可能是操作失误造成的，随即把滤液加热煮沸几分钟后再次过滤，这次得到了清澈的滤液。另外，课堂教学中，还发现一部分同学不知道怎么记录实验现象和数据，就及时提醒大家。

总之，由于预习到位、实验方案设计合理，学生都能在规定的时间内完成实验内容。随着时间推移，实验技能稳步提高。半学期之后，大多数学生都获得了良好的实验技能并养成了良好的实验习惯，培养了分析问题、解决问题的基本能力，同时还培养了如何观察实验现象、正确记录实验现象的能力。

4 提交科研论文式实验报告，提高学生的综合素质和科研能力

撰写实验报告也是一个很重要的培养环节。通过实验报告的书写，可以使学生回顾整个实验过程。为了解释实验现象，学生需要再次查阅相关的文献、了解实验背景和研究现状、明确实验目的和意义。书写实验报告还可以培养学生严谨的科学态度，提升学生分析问题和解决问题的能力，有助于学生将理论知识和实验实践紧密联系起来，也有助于提高学生的逻辑推理归纳能力、综合分析能力、文字表达能力，为今后撰写科研论文或者毕业论文奠定基础［16-17］。

常规的教育模式下，学生都会拿到一本具有固定格式的实验报告册，其中列出了每个实验需要填写的内容，包括：实验名称、实验目的、实验原理、实验步骤、实验结果、问题与讨论等几个部分。实验完毕之后学生按照预设的实验报告模板进行填写，基本上是照抄老师的课件或者实验讲义，然后填上自己的实验结果，而问题与讨论部分也只是简单回答一下实验讲义中相应实验后面的思考题，实验报告的书写流于形式，缺乏理性的分析和思考，导致学生对实验内容的印象不深，教学效果欠佳。

这启发我们，必须规范实验报告的撰写形式，才能达到培养科研能力的目的。因此，无机化学实验课要求学生按照科技期刊论文常见的格式书写实验报告。内容包括论文题目、作者、摘要、关键词、前言（绪论）、实验部分（包括仪器、试剂、具体的实验步骤）、结果与讨论、结论和参考文献。一开始，先利用课余时间开辟第二课堂，给学生介绍科技论文的写作方法、写作要点以及注意事项。再给学生推荐一些已经发表的相关实验论文以及往届学生的科研论文式实验报告样板供学生参考。随后，引导学生自主撰写实验报告。教师从提交的实验报告中，发现问题，分类指导，加以改进。如从摘要中可以看出学生缺乏对整个实验方法、实验现象、实验结果的总结概括能力。从前言部分可以看出学生的文献调研不够充分，对实验的历史背景与研究现状把握不够全面，缺乏提出问题、分析问题、解决问题的能力。结果讨论部分缺乏对实验结果、实验现象的分析，特别是缺乏对实验过程中出现的异常情况的分析。针对以上不足进行逐一进行讲解，使学生逐渐掌握论文式实验报告的写作方法。半学期之后，大多数学生都能交出合格的科研论文式实验报告。

从实践的结果来看，经过一年的训练，大二本科生在进入科研实验室的时候，能够很快适应实验室的科研工作，大创实验的总结报告以及毕业论文的写作水平也普遍有所提高。

5 结语

使化学专业的学生尽快熟悉科研过程并培养良好的科研习惯，缩短从基础实验室到科研实验室的过渡期，是从事无机化学实验教学教师义不容辞的责任。从第一节无机化学实验课开始，就采用“线上+线下+虚拟仿真”多元化的教学模式，引导学生把每一次的实验课当作一个小的科研课题来完成，并在整个实验教学实践中不断总结和改进。实践证明这样的教学模式使学生的科研能力得到了扎扎实实的训练和提高，为今后的科研活动奠定了良好的基础。