通过教学方法的创新，促进大学生科研创新能力的培养，“扶-牵-引-放”四步教学法

摘要：人才培养是高校最主要的职责。本科阶段是科研创新型人才培养的关键时期，而实验教学是提高本科生科研创新能力、培养应用型人才的重要环节。本文系统介绍了在“基础型-综合型-探究型-设计型”多层次、递进式分析化学实验教学过程中，如何运用“扶-牵-引-放”四步教学法，循序渐进地培养学生发现、分析问题和解决问题的综合实验能力，进而培养学生求异思维和创新能力，实现了知识和技能传授与科研创新素质培养并重的教学目的。

关键词：教学方法;实验教学;本科生;科研能力;创新意识

随着我国科教兴国理念的普及和科研事业的迅速发展，作为高素质人才生力军的本科生，其综合科研素质的培养已经引起了社会各界的高度重视和广泛关注。国务院在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010–2020)》中强调指出，要促进高校内部科技教育资源的共享，实现科研与教学互动和科研与创新人才培养相结合[1]。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006–2020年)也明确提出充分发挥教育在创新人才培养中的重要作用，加强科学创新与人才培养的有机结合，鼓励本科生投入科研工作，在创新实践中培养他们的探索兴趣和科学精神[2]。基于对创新性人才培养的要求，国内高校从20世纪90年代就开展了SRTP计划(StudentResearchTrainingProgram)项目，通过设立创新基金和本科生自主申报方式确定立项并给予资金支持，鼓励学生在导师指导下独立完成项目研究。随后实行的“双导师制”，各种级别的“互联网+”“挑战杯”“创青春”等创新创业大赛和学科竞赛，以及各高校不同程度的教学改革，都旨在引导学生进入科学前沿，了解社会发展动态和国家需求，激发创新思维，积极主动地探索新的知识领域，从而培养高质量的创新人才。这些项目的实施，的确为自主学习能力强的本科生提供了极好的科研能力锻炼平台。但大多数处于本科阶段的学生，自主学习能力不够、知识储备不足、学术理论体系不健全、逻辑思维和独立解决问题能力缺乏的现象普遍存在。因此，如何把本科生综合科研素质和能力的培养融入到日常教学中，使更多的学生都能收益，一直是高等教育改革探索的一个重要目标。为此，我校分析化学实验教学经过二十多年不断的教学改革，构建了“基础型-综合型-探究型-设计型”多层次、递进式教学体系。在实验教学实践中，运用“扶-牵-引-放”四步教学法，不仅培养本科生基本实验方法和技能，而且培养他们分析、解决问题的综合实验能力，同时，鼓励学生大胆进行求异思维、尝试创新。教学效果显著，深受历届学生欢迎。

多层次、递进式创新性实验教学体系的构建

分析化学实验是一门经典的化学基础课，不仅能培养学生对分析化学理论知识的应用和实践，提高学生的实验操作能力，而且在树立严格的“量”的概念和培养严谨科学作风方面起着不可替代的作用。传统分析化学实验内容以四大滴定实验为主，大多是对所学理论知识的简单验证，缺少探索性、研究性和创新性的实验内容，显然已经不能适应新形势下建设国家创新体系对人才培养的要求。我校自20世纪90年代引入新的教学理念，改革教学模式，更新教学内容，经过二十年不断优化，

表1“基础型-综合型-探究型-设计型”多层次教学体系(160学时)

形成了“基础型-综合型-探究型-设计型”多层次教学体系(见表1)[3]。该课程体系建设过程中，坚持以培养学生学以致用的实践能力、科研和创新能力为主线，结合学科自身特点，以专业知识体系为依据，注重教学内容的整体优化和学科之间的相互交叉渗透，建立与科学研究热点紧密相关的层次化实验课程体系。第一层次基础型实验占30%，以验证性实验为主，着重培养学生基本实验技能，加深对理论知识的理解;第二层次综合型实验占20%，着重培养学生对所学理论知识的综合运用和拓展能力;第三层次探究型实验占30%，着重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的创新实践能力;第四层次设计型实验占20%，重点培养学生创新意识和创新思维、团队协作精神等基本科研素质。四个层次由浅入深、循序渐进，各层次间既相互独立，又互为补充。这种“一条主线，多个层次”的实验教学体系教学内容呈现立体的螺旋式、渐进式上升，在我校化学类本科生培养中发挥了重要作用，达到了夯实基础和创新性人才培养并重的目的。

创建“扶-牵-引-放”四步教学法，取得事半功倍的教学效果

在大学化学实验教学中，课程体系和教学方法的创新与完善，对提高大学化学教育成效至关重要。为了改革传统“照方抓药”“依样画葫芦”的教学方式，以学生为主体的启发式、互动式、“翻转课堂”等教学模式应运而生;同时，“大学生创新创业计划”“双导师制”“以赛促教”等科研与教学互动培养模式在本科生创新能力培养中也获得很好的成效。我们在确保完成“三基”教学目的基础上，在多层次、递进式分析化学实验课程体系构架下，运用“扶-牵-引-放”四步教学法，实现对学生综合科研素质和能力的全过程培养。

基础型实验——扶着走，扶中有牵

分析化学基础型验证实验在培养学生系统掌握实验基础知识和实验基本操作技能以及严谨的科学态度等方面具有独到之处，是其他实验教学无法替代的。教师应正确把握传承与创新的关系，对经典验证实验中蕴含的可开发科研能力培养的内容进行挖掘，从而做到既夯实学生基础又培养创新能力。在这部分教学过程中，采用SmallPrivateOnlineCourse(SPOC)教学模式，首先把基础实验关键操作步骤和难点设计为思考题，并与实验视频一起上传到教学班级微信群，供学生预习与思考，让学生从知道“怎么做”中弄清楚“为什么要这样做”，知其然，更要知其所以然。课堂讲解时，进一步运用“翻转课堂”模式，组织学生对问题进行讨论，熟悉实验思路和具体操作的目的。例如，“返滴定法测定铝”中(表1)，配制0.02mol∙L−1铅标准溶液时，为什么要先加入一滴HNO3溶液?假如不加会出现什么情况?用HNO3把溶液调至亮黄色的目的是什么?试样分析中，用氨水把溶液调至紫红色，再用HNO3调至亮黄色，并过量2滴氨水的目的?等等。通过这种“扶中有牵”的教学方法，学生不仅掌握了分析化学实验的基本技能，而且在实验中学会独立思考，起到润物细无声的教学效果。基础型实验成绩评定包括预习情况、操作技能和数据误差大小。预习讨论占10%，操作技能占20%，实验数据占70%。而数据误差大小评判则依据对教师提供的两份未知样品的测定结果进行评分，因此，每次实验相当于实验考试，并根据评分细则进行严格评判[4]。实验结果分析讨论有独到见解的，给予成绩上的奖励，鼓励学生积极思考和求异思维。

综合型实验——牵着走，牵中有引

关注学科最新研究成果和动态，并把相关内容设计成本科生综合实验，同时侧重学科交叉，如材料制备和表面改性、分析应用和测定等。利用综合型实验过程和现象复杂的特点，在教学中引导学生发现实验过程或现象中的问题，并开展系统分析、深入讨论，进而设计实验进行验证，做到“牵中有引”。例如“十二烷基硫酸钠(SDS)在Al2O3表面的自组装及分离、富集铜离子”综合型实验中(表1)，用SDS修饰Al2O3表面清洗过程中，总会有漂浮在液面的白色颗粒，引导学生推测白色颗粒为何物。经过讨论，学生推测三种可能：①未溶解的SDS，②小的Al2O3颗粒，③被SDS修饰的小Al2O3颗粒。针对可能的推测，引导学生设计简单实验验证各自的推测，该教学模式激发了学生极大的实验热情，体验到通过用所学知识解决实际问题的快乐，也锻炼了学生发现和分析问题的能力。综合型实验成绩的评定由基础型实验数据占成绩70%下降为30%，而对实验结果的分析和讨论占成绩的40%，这样的评价标准激发了学生创新思考的积极性。

探究型实验——引着走，引中有放

如何调动学生学习积极性和主动性一直是教育工作中的挑战，在长期实验教学过程中，发现学生对自己思考的实验方案结果会怎么样，总是有强烈的好奇心，甚至急不可待想通过实验进行验证。我们受综合型实验教学成效的启发，在探究实验中，针对性地把实验内容中部分模块改由学生设计，从而调动学生的实验热情，提升综合能力。例如：“纳米羟基磷灰石的材料制备及成分分析”的探究实验中包括样品制备和成分测定两部分(表1)。其中成分测定方案为：用过量的已知准确浓度硝酸铋溶液沉淀分离PO3−，分别滴定滤液中Ca2+、Bi3+浓度，间接测定Ca2+和PO3−浓度。教师给出Ca2+和Bi3+浓度测定的具体步骤，但硝酸铋分离PO3−模块由学生设计。分离所用硝酸铋浓度多大合适?溶液中PO3−沉淀完全所需要pH是多少?硝酸铋溶液和羟基磷灰石溶液的pH分别控制还是混合后再调节pH?过滤后滴定滤液和带着沉淀直接滴定会有什么差别，哪个误差更大?用递进式的问题，抛砖引玉，引导学生思考和讨论，每位同学根据自己意愿认领设计内容，实现“引中有放”的教学目的。同学们经过理论计算、方案设计、班级答辩完善后，各自实施实验。不同条件探究实验数据全班共享，并对实验结果分析和讨论，独立撰写实验报告。让每一位同学都能接受独立分析问题和解决问题能力的基本训练。

探究型实验成绩的评定与综合型实验分值比例相同。经过大约10个综合型、探究型实验的系统训练，极大提高了学生综合实验能力。

设计型实验——放手走，放而不乱

经过基础型、综合型、探究型实验的系统训练，在开放设计型实验中，我们只给出实验命题和实验教学平台可以提供的实验和测试条件，放手让学生自行设计实验方案并进行实验。命题内容涉及科研前沿和社会热点或自命题。指导学生使用AmericanChemicalSociety(ACS)、JohnWiley、RoyalSocietyofChemistry(RSC)、SciFinder、WebofScience等电子期刊和工具查阅相关论文，培养文献调研能力。例如：设计型实验“实验室含铬废液回收、价态分析及评价”(表1)，提前一个月告知学生要求，对实验室回收的铬酸废液进行回收再利用，测定仪器为分光光度计。设计实验具体教学流程如图1所示。学生实验方案在教师指导下经过多次讨论和完善，放而不乱。实验方案设计与方案实施分开评定成绩。设计方案不能仅满足于完成设计，还应力求新颖，有独到之处和可行性分析。方案设计占该次成绩60%，班级质疑和讨论环节占该次成绩40%，鼓励学生积极参与讨论。通过集体交流完善和丰富知识结构，拓展思维，学会创新。实验方案实施时，尽量用自己设计的方案，也可参考班级讨论中的“最佳”方案，各自独立展开实验探究，按照统一模板撰写实验论文，该部分实验成绩评定同样侧重对实验过程和实验结果的分析讨论。

图1设计型实验教学流程示意图

探究型实验和自主设计型实验实施过程不会一帆风顺，一定会出现各种意外、失败和挫折，对该类实验成绩考核不能局限于是否取得预期实验结果，而应注重对实验过程和结果的分析与讨论以及改进方案的合理性等综合能力的考量。在此过程中，学生通过调研思考、反复论证，逐渐学会从不同视角思考和分析问题，从参考文献中汲取精华，使自己分析问题、解决问题和创新能力得到质的飞跃，对所遇到问题具备发散思维和聚合思维相结合的能力，从而逐渐培养学生积极的求异性、敏锐的观察力、创造性想象以及活跃的灵感等科研创新能力。

结语

分析化学实验教学是理工科院校本科生教育的重要实践教学之一，是本科生全面掌握理论知识、锻炼科学思维、培养应用能力和孕育创新意识的重要环节。本文在多层次、递进式分析化学实验课堂教学经验总结分析的基础上，提出了“扶-牵-引-放”四步教学方法，把对学生综合实验能力、创新意识和科研能力的系统培养融入到日常实验教学中，坚持以本为本的教学理念，为学生提供了更大的自主空间，激发了学生的实验潜能和兴趣，取得了很好教学效果。历年学生教学座谈会反馈：同学们非常喜欢分析化学实验课，基础实验提高了实验动手能力;探究实验过程类似科研，终身收益;设计实验中感觉到了理论学习的重要性，课堂质疑和讨论环节收获很大„„。近年来，实验教学课程结束后，越来越多的同学利用课余时间对自己的实验方案进行深入探究，例如：大二范同学对“实验室含铬废液回收、价态分析及评价”的系统研究结果发表在《大学化学》[5];大二向同学对“白云石中钙的测定”实验异常现象进行了深入探究，相关成果也发表在《大学化学》上[6]。

参考文献

[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010–2020).[2010-05-05].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html

国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006–2020年).[2006-02-09].http://www.most.gov.cn/ztzl/gjzcqgy/zcqgygynr/index.htm

金谷,姚奇志,江万权,李娇,刘红瑜,王晓葵.分析化学实验.第2版.合肥:中国科学技术大学出版社,2020.

[4]姚奇志,金谷,汪红蕾,李娇,刘红瑜.大学化学,2014,29(3),17.

[5]范天娇,姚奇志,金谷.大学化学,2021,36(2),1912054.

[6]向思佳,廖光旭,姚奇志,金谷,李玲玲.大学化学,2021,inpress.doi:10.3866/PKU.DXHX202012053