基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的高校開放式化學實驗教學研究
——以凹凸棒石基工藝品制作為例

籍向東 曹 成 金淑萍

(河西學院 化學化工學院，甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

在高等學校中建立多種多樣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程[1-3]，是服務國家加快轉變經濟發(fā)展方式、建設創(chuàng)新型國家和人力資源強國的戰(zhàn)略舉措，是深化高等教育教學改革、提高人才培養(yǎng)質量、促進大學生全面發(fā)展的重要途徑，是落實以創(chuàng)業(yè)帶動就業(yè)、促進高校畢業(yè)生充分就業(yè)的重要措施[4，5]。高校應該打破專業(yè)學科限制，以“通識教育”的思路為指引，通過構建全方位、立體化、學生積極參與的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系，從而為社會培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)思維和創(chuàng)造能力的新型人才。實驗課程在化學專業(yè)的課程中具有不可替代的重要地位，將“開放式化學實驗教學”模式引入化學專業(yè)及其他跨學科專業(yè)中，將會成為高校實施高素質教育、培養(yǎng)富有實踐能力和創(chuàng)新能力的高素質人才的關鍵環(huán)節(jié)[6-8]。

1 在本科教育中推行化學實驗“開放式教學”的背景及意義

1.1 化學實驗“開放式教學”的背景：高校亟待開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

教育部在2012年發(fā)布的《普通本科學校創(chuàng)業(yè)教育教學基本要求(試行)》文件中，重點突出了高等學校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需要進一步加強建設，為高校開展基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程提供了大力支持。隨后不久，李克強總理在達沃斯大會上提出了“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的口號，在知識驅動經濟持續(xù)發(fā)展的進程中，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主題逐漸上升至國家戰(zhàn)略高度。結合國家戰(zhàn)略方向及文件精神，高校應該積極培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，這將有效推動大學生就業(yè)創(chuàng)業(yè)，維護社會穩(wěn)定團結。如何有條不紊的開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程是各大高校一直思考的問題，快速建立設計合理、特色鮮明的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程是其中的關鍵因素。讓學生在大學階段就可以體會和實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的相關內容，可為他們以后走向社會提供一定的理論和實踐基礎。

當前，大部分高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)教育尚處于摸索階段，且存在實踐教育進程緩慢的情況。造成這種情況的原因主要是：第一，現階段的傳統(tǒng)教學模式主要是將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識講授給學生，僅僅起到了一種最初的引領作用，并且沒有形成特有的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學形式，大多數是基于傳統(tǒng)教學形式建立的課程模式，學生在學習過程中僅停留在課堂層面，而缺乏創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)必要的實踐能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。因此，需要打破傳統(tǒng)的教學方式，讓學生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程中真正體會到實踐的重要性。第二、學校當前大部分創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐僅體現在競賽中，引導作用和啟發(fā)作用有限，形式缺乏多樣性，無法滿足大學生多元化的創(chuàng)業(yè)需求，而且高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教育并未和社會實踐企業(yè)相結合，造成實踐教學和市場需求脫節(jié)，大學生無法從實踐教學中了解到新知識、新技能，無法緊跟市場需求提高認識創(chuàng)新思維，且部分學院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教育走的仍然是老路子，并沒有反映出時代特征和國民經濟的發(fā)展變化[9]。

分析上述問題的原因可知，我們應該著力開發(fā)具有地方特色的開放實驗課程，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標，填補現今大學生在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方面的不足，提高學生對創(chuàng)新能力的認識，勇于將理論聯系實際，明白所學知識應不局限于課堂，應開放思維，追求科研前沿技術和知識，做一名不僅理論知識深厚，且實踐能力強、思維開放的綜合性人才。

1.2 化學實驗“開放式教學”的意義

1.2.1 提升化學專業(yè)同學的專業(yè)知識水平、擴展其他學科同學的知識面

“開放式教學”模式可以讓學生了解到課本以外的科研化學知識，增加對所需知識的探索能力，以及進一步提升化學實驗自主操作水平。校級選修課的形式可以打破學科的限制，將授課對象擴展為對化學實驗感興趣的其他學科的學生。這些非化學專業(yè)的學生在學習本專業(yè)課程的基礎上，利用課余時間通過網絡學習平臺了解基礎的化學知識及簡單的儀器設備使用規(guī)程，然后進入實驗室開展相關實驗項目，以此增大化學實驗室教學資源的利用價值，滿足學生個性化的學習需求。

1.2.2 建立開放式實驗教學的師生“雙轉型模式”

在傳統(tǒng)化學實驗教學中，教師一直作為課程知識的傳授者，大多數情況下學生在被動的接受知識。通過將教師的定位由傳授者轉型為指導者的形式，讓學生通過檢索文獻等方式自主設計實驗方案，并對方案進行講解匯報，教師在此過程中進行引領式指導，使學生由傳統(tǒng)的被動接受知識(已經擬定好的實驗方案)轉變?yōu)橹鲃犹剿鳌l(fā)揮創(chuàng)作能力，從而提升學生對化學實驗的濃厚興趣，增強在實驗中分析解決問題及優(yōu)化實驗方案的潛能，為順利進入用人單位打下良好的實踐基礎[10，11]。

1.2.3 在化學實驗“開放式教學”模式下，鼓勵學生形成自己的團隊

在分工明確的團隊中，學生們各司其職將實驗方案、實施流程、儀器設備、預期結果等方面進行反復研究和分析，這種形式與企業(yè)研發(fā)部門的研究模式接近，有助于提升學生的自主學習積極性，同時在實驗方案的設計及具體實驗的實施等方面增強了學生的創(chuàng)新能力意識和理論聯系實踐的能力，還可以通過這種團隊協(xié)作的形式讓學生明白團隊合作在工作中的重要性，提升了學生潛在的科研意識。

2 何謂化學實驗“開放式教學”

高等學校學生的素質教育一直是國家教育部門開展教育工作的重要部分，學生的綜合能力培養(yǎng)也已經成為眾多高校的重要課程，特別是對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的化學實驗課程無法滿足學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)需求，故可以通過“開放式教學”的模式實現對學生素質教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的雙重提升。開放式實驗教學是以傳統(tǒng)實驗教學內容為基礎，提出的一種“開放式”的有效的教學改革途徑，教學目標是在學生掌握實驗的基礎知識及技能的基礎上，進一步提高學生的自主創(chuàng)新思維意識和課外知識儲量。此外，課程的實施在無形中形成了“雙轉型模式”，即教師由講授型轉變?yōu)橐龑?，學生在學習過程中也由傳統(tǒng)的被動接受型轉變?yōu)橹鲃犹剿餍汀！半p轉型模式”在開放式實驗課程中的良好運轉，增強了學生自主發(fā)現問題、分析問題、解決問題的綜合能力，為培養(yǎng)學生素質教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提供動力。

“開放式教學”實驗課程具有兩個主要特點：第一、時間開放自由。學生除了在教學計劃安排的時間上課以外，還可以利用自己的課余時間或周末與指導老師探討實驗，這種自主的學習方式不僅可以提高學習的主動性，而且可以讓學生對所用儀器設備有更深刻的了解和認識，進一步提升學生的基本實驗操作技能和實驗安全意識。第二、實驗方案多樣化，科學研究探索。學生可以自主設計實驗方案，并通過與老師的交流探討不斷的優(yōu)化，在這個過程中，學生的實驗技能及知識水平會不斷積累，發(fā)現問題及解決問題的能力也逐漸升高，在不停得到實驗成果和師生合作的過程中，學生會自然的對科學研究產生濃厚的興趣。此外，開放式實驗課程設置的實驗內容不宜過難，授課對象可以擴展到學校的非化學專業(yè)學生，提升高校學生的綜合學習能力和素養(yǎng)。

3 化學實驗“開放式教學”的實踐案例：跨學科探索凹凸棒石基的工藝用途

基于上述“開放式教學”課程的意義，本部分以產教結合為原則，提出了跨學科探索凹凸棒石基工藝用途的課程實踐案例?！伴_放式實驗教學”課程主要是以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為基礎，以科學性、實踐性為中心，開展培養(yǎng)具有較強實踐能力的高校本科院校學生?？茖W性原則體現在課程中涉及化學因素，例如：對材料的改性、新物質的合成等方面。實踐性原則體現在課程設計中應具有一定的實踐基礎或潛在的市場前景。

3.1 課程設置盡量貼近當地特色資源利用

“開放式教學”課程的實施應盡量與當地特色資源相結合，這樣既可以提高學生科技創(chuàng)新能力，也可以提高地方特色資源的附加值，加快地方產業(yè)結構的轉型，增加課程中學生得到產品的潛在市場價值，從而推動地方經濟的發(fā)展。

甘肅省張掖市臨澤縣已經發(fā)現了儲量上億噸的凹凸棒礦產資源，為了響應國家對礦石產業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃和甘肅省對凹凸棒產業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃，凹凸棒石等礦物資源的高質化利用迫在眉睫?；诖耍灾锌圃?張掖市政府-河西學院的凹凸棒石開發(fā)合作協(xié)議為基礎，提出凹凸棒石+丹霞地貌工藝品模式的特色開放實驗課程。這種基于特色資源的“開放式教學”課程不僅可以提高學生對特色資源多質化利用的概念理解，也可以讓學生體會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實際意義，在促進學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的同時，為產教結合提供一定的實踐基礎。

3.2 課程的主要內容

將基礎型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育知識、本科生人才培養(yǎng)目標及教育部下達相關文件以授課形式面向學生講解，同時引入化學實驗“開放式教學”課程的概念和具體實施流程，提高學生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的認識，樹立正確的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)觀，并激發(fā)科技創(chuàng)新激情。

“開放式教學”課程資源應該盡量與當地經濟社會生活相互結合，與學生對于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素質教育的具體需求相結合。本課程的設置結合張掖本地特色資源，以凹凸棒石為原材料，學生通過查找文獻資料，擬定實驗方案對凹凸棒石進行改性(提升吸附污染物的能力)，同時對改性結構做相應的表征分析，提升學生的科學研究能力。

丹霞地貌旅游景區(qū)位于甘肅省河西走廊中段的張掖市，并入選人民日報發(fā)布的2018中國品牌旅游景區(qū)TOP20名單，借助丹霞地貌旅游景區(qū)的地理優(yōu)勢，課程將通過調和不同比例凹凸棒石及染料，制備得到丹霞山體顏色的凹凸棒石材料，也可通過后期涂染進行增色處理。

為了進一步提升學生的實驗操作能力，制備工藝品所需的膠黏劑將由學生自主制備得到，通過文獻資料的查找，學生擬定制備環(huán)保無毒型AB膠(環(huán)氧樹脂)的實施方案，指導老師給予指正和完善。

通過與美術學院學生進行跨學科溝通學習，調制不同所需顏色的染料，并根據學生的自主創(chuàng)新意識制備各式各樣具有丹霞地貌特點的模型產品。最后，將彩色凹凸棒石、AB膠和模型有序結合在一起，即可得到具有一定吸附有機物能力的特色凹凸棒石工藝品。

3.3 突破傳統(tǒng)課程的束縛、增強學生自主創(chuàng)新意識

以開放實驗課程資源為基礎，突破傳統(tǒng)的課堂教學模式，將本地特色資源凹凸棒石與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程完美結合，通過學生的自主探索式學習，基于自我的創(chuàng)新思維設計出不同的實驗方案和特色工藝品，為產教融合新模式的應用提供一定的理論參考，也進一步優(yōu)化和完善了開放課程改革體系。

以開放實驗課程中涉及的凹凸棒石型七彩丹霞工藝品的制作為契機，學生通過不同的方式制備多種具有不同顏色(與丹霞地貌顏色相契合)的凹凸棒石原料，并將上述原料改性為具有污染物吸附能力的原材料，然后進一步利用制備的粘合劑(AB膠等)將改性染色凹凸棒石結合起來，得到不同風格類型的丹霞地貌模型，這個過程激發(fā)學生的創(chuàng)造力和興趣，進而突破大學生主觀創(chuàng)新意識不強的問題。

3.4 課程的實施流程

在響應“非教師教育專業(yè)項目選題可與產教融合緊密結合，針對如何完善課程體系開展研究”和“積極開展教學改革研究，力求教學模式、教學內容、教學方法改革大膽創(chuàng)新，改變單一的教學模式，在教學各環(huán)節(jié)采用學生科技創(chuàng)新自主立項等多種形式相結合的立體化教學模式”的課程改革精神背景下，提出了以本地特色資源凹凸棒石為契機的開放性課程改革教學新模式，在引導學生自主創(chuàng)新的同時，也實現了特色資源凹凸棒石的多質化利用。課程主要通過指導學生利用專業(yè)技術知識，從最初的原料(凹凸棒石、環(huán)氧氯丙烷等)經過改性、優(yōu)化等程序制備多種符合地方特色的工藝品擺件，提升了學生在課程中的自主創(chuàng)新能力，豐富了開放課程的教學模式，促進了產教結合的教學課程改革理念。

在本課程中以引導學生自主創(chuàng)新為重點，挖掘利用學生已學的化學專業(yè)基礎知識，自主設計合成涉及的工藝品原料及相應實驗程序。通過改性及負載的方法制備具有甲醛吸附能力及特殊顏色的凹凸棒石原料，以其為基礎制備多種地方特色工藝品，以這種全新的課程改革模式提升開放課程的實際意義。最終，以化學化工學院開放實驗課程為基礎，開發(fā)面向全校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融合課程。本開放實驗課程共32學時，安排如下：

1)將前4個學時設置為理論課，講解本課程設計的意義、開發(fā)工藝品的主要步驟、所需原料的制備流程等事項。通過理論課程的講解，讓學生深刻體會到開放課程對自主創(chuàng)新、自主探索的重要性，同時也讓學生體會到這種產教結合教學改革模式的重要性。

2)利用8個學時與學生共同完成改性凹凸棒石原料的制備，主要分為兩個部分，第一部分：根據查閱的相關文獻(《熱處理凹凸棒石及其對甲醛的吸附性能研究》,趙億)，利用熱處理對凹凸棒石原土進行改性，得到可再生型具有甲醛吸附能力的凹凸棒石原料，并對制備凹凸棒石原料進行常規(guī)表征(掃描電鏡、X射線衍射分析、比表面積分析等)。此部分內容可以提升學生的實驗技能(索氏提取等操作)，還可以促進發(fā)展學生對本地特色資源的重視程度，同時讓學生接觸教學大綱以外的昂貴科研大型儀器，有助于提升學生探索科學技術的信心，進而提升創(chuàng)新能力和考研自信心。第二部分：通過與美術學院學生交流互動，探索并優(yōu)化不同顏色凹凸棒石原料的制備流程。首先通過調節(jié)染料濃度及顏色配置所需顏色的水溶液，將一定質量上述制備的改性凹凸棒石原料浸泡在上述水溶液中，利用搖床震蕩24 h進行表面負載，過濾后80 ℃真空下烘干，得到不同顏色的凹凸棒石原料，封袋標記待用。

3)利用6個學時完成AB膠(環(huán)氧樹脂)實驗，包含環(huán)氧樹脂的制備、環(huán)氧樹脂粘接實驗、環(huán)氧值的測定三個主要部分，通過上述實驗讓學生了解學習環(huán)氧樹脂的實驗室制備方法，掌握環(huán)氧值的測定技術，同時了解環(huán)氧樹脂的性能和使用方法，通過環(huán)氧樹脂實驗鍛煉學生的實驗操作水平。

4)利用10個學時指導學生與美術學院學生進行溝通交流，設計不同風格的工藝品模型，然后通過木質材料或塑料等制備基本模型，同時激發(fā)學生的創(chuàng)造力，制備不同風格的工藝品。如圖1所示，初步設想的幾種工藝品模型。

(a)敦煌月牙泉

5)項目的最后階段，利用4個學時的時間進行總結分析，指導學生反思整個項目進行中出現的問題及修改方案，整理制備的多種本地特色工藝品。此外，在學校加強宣傳，普及國家的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育政策，宣傳本項目制備的工藝品，提高學生對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的理解深度，為營造良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)現代化校園貢獻一份力量，并且真正實現“萬眾創(chuàng)新”。

3.5 項目具體實施流程

本課程項目的具體實施流程如圖2所示。

圖2 項目實施流程圖

4 保障化學實驗“開放式教學”取得優(yōu)質效果的幾點措施

化學實驗“開放式教學”課程雖然可以通過學生角色轉型的形式提高自身的創(chuàng)新意識和實踐能力，但在具體的實施過程中發(fā)現也存在一些降低實驗效果的問題?；诖?，在“開放式教學”課程的建立及實施過程中還有許多有待改善或解決的相關問題。我們對整個課程的實施流程進行了系統(tǒng)分析，需要將以下幾點作為課程設置及實施過程中重點內容，這樣才能保證學生在整個“開放式教學”的過程中最大化地取得相應成果和提升自身能力[12]。

4.1 玻璃儀器、基本設備的維護

儀器和設備是化學實驗的核心組成部分，對于化學實驗“開放式教學”課程而言，大部分時間是學生自己動手組裝儀器，難免會有磕碰的情況發(fā)生，有可能出現玻璃儀器開裂等情況。若沒有及時得到維護，將會出現反應液泄漏等事故，甚至引起火災。因此，用于“開放式教學”課程的儀器和設備維護的頻率應高于常規(guī)儀器維護頻率，從而保證學生在安全穩(wěn)定的實驗環(huán)境下得到準確的實驗數據。通過實驗室管理員的定期維護，及時發(fā)現一些存在的安全隱患并及時處理，確保儀器和設備可以正常使用和運轉。

4.2 加強實驗管理、規(guī)范學生的實驗操作

儀器和設備的使用狀態(tài)直接影響整個化學實驗的進程和結果的精確度，為了保證儀器和設備的正常使用和運轉，在學生自主完成實驗的過程中應對儀器的使用和實驗操作進行嚴格管理。這些問題不能都集中在實驗過程中進行解決。因此，授課教師應在學生進入實驗室之前進行對其系統(tǒng)的理論培訓，包括儀器的使用方法、設備的運行原理及規(guī)范操作規(guī)程等。對于大型的昂貴精密儀器，還應配有操作考試，考試合格后頒發(fā)證書才可使用。學生通過理論課程培訓對實驗涉及的儀器和設備有了深入的了解，既可以使學生擴展自己的知識面，又可以確保整個實驗過程在安全、有序的情況下完成。

4.3 實驗內容難易程度的取舍

化學實驗“開放式教學”課程的一大特點是在教師輔助的情況下，學生自主設計實驗并完成取得相應成果?；诖耍n程在實驗設計方面難度應適中，如果實驗難度過大，將會導致學生在設計和實施實驗過程中遇到很大阻力，甚至被迫停止實驗，這將會挫敗學生的自信心，削弱對科學知識探索的動力。若實驗難度過于簡單，將會使學生很容易就得到良好的結果，掌握不到更多的化學科研知識，甚至不需要團隊合作即可完成整個實驗，無法達到提升學生團隊協(xié)作精神的目的。特別對非化學專業(yè)的同學，課程實驗內容設置應把握好難度，旨在提升學生對化學知識的興趣，提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

4.4 教師隊伍的建設

在化學實驗“開放式教學”課程中，教師的授課內容不應僅局限于課本中的傳統(tǒng)實驗方法，而應就學生自主設計的實驗方案提出修改和指導建議，這就需要指導教師擁有更多的化學理論知識和實踐經驗，同時應緊跟科學研究的前沿方向，通讀經典科研文獻，不斷提升自身的授課及科研能力。此外，應委派實驗指導教師進行定期的跨校培訓和深造，不斷的改進和完善課程體系，更新自身的基礎和實踐知識，從而提高教學水平。

4.5 嚴格值班制度

化學實驗“開放式教學”課程的時間與傳統(tǒng)實驗不同，將以往在一個固定時間點進行實驗轉換為實驗室長時間對外開放，讓學生利用自己的課余時間主動地去思考完成相關的實驗內容，這也就要求指導教師隨時指導學生遇到的問題。因此，實驗室傳統(tǒng)的時間安排將不再適用，相關制度也應該予以完善和改正，為了防止實驗室發(fā)生意外事故，必須安排實驗室管理人員排班值守，并做好學生使用實驗室的登記手續(xù)。

5 結語

綜上可知，將基于培養(yǎng)創(chuàng)新能力的“開放式教學”模式融入到高?；瘜W實驗課程中，不僅是對傳統(tǒng)教學的全新改革和創(chuàng)新，更是對學生學習形式的升華。開放式教學是以學生為主體的教學模式，以產教結合與學生科技創(chuàng)新為中心，以開發(fā)本地特色資源凹凸棒石為契機，提出開放課程的全新改革方法。這種教學模式不僅可以打破師生、生生互動機會少的僵局，而且可以全方位提高學生的創(chuàng)新、科研、探索等綜合素質能力。此外，以化學實驗開放實驗課程為基礎，開發(fā)面向全校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融合課程，讓更多的學生得到“開放式教學”模式的鍛煉和學習，為以后的工作提供有力的理論和實踐保障。