“取競通優(yōu)”
——第2屆全國大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽的賽后總結(jié)與思考

隆異娟，龔成斌，任文山，鄭鵠志

西南大學化學化工學院，重慶 400715

高校實驗室是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的搖籃[1]。本科實驗教學是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。加強本科實驗的創(chuàng)新改革，是改變?nèi)瞬拍芰Y(jié)構(gòu)、滿足社會、科技進步需求的重要手段[2]。化學實驗作為化學理論、學術(shù)研究、實際應用三者的統(tǒng)一體，具有夯實知識基礎(chǔ)、訓練動手能力、發(fā)現(xiàn)疑難問題、探索解決方案的屬性，是對學生進行創(chuàng)新教育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。作為該環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，化學實驗的內(nèi)容與設(shè)計直接決定了學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的起點與層次。隨著社會、科技和化學學科自身的發(fā)展，研究和應用領(lǐng)域?qū)θ瞬胖R、技能的要求更高，所以開展相關(guān)的實驗教學改革研究，創(chuàng)新實驗教學內(nèi)容與方式，保持本科化學實驗教學內(nèi)容、形式的更迭和納新至為重要。

由中國化學會、教育部高等學校化學類專業(yè)教學指導委員會和高等學校國家級實驗教學示范中心聯(lián)席會舉辦的“微瑞杯”全國大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計競賽已屆兩期，旨在建立一個大學生創(chuàng)新能力的展示與交流平臺，推動我國高等學?；瘜W實踐教學改革。大賽設(shè)置了新創(chuàng)實驗、改進實驗和科普實驗三個賽道，展示了新形勢下對實驗項目的三個評估維度，即內(nèi)容創(chuàng)新、方法創(chuàng)新和應用創(chuàng)新。它敏銳地關(guān)注到高?；瘜W實驗教學現(xiàn)存的問題，明晰了高?；瘜W實驗教學改革的方向，廣泛調(diào)動高校化學師生對化學實驗教學的關(guān)注和創(chuàng)新熱情。在此基礎(chǔ)上，大賽促生了大量創(chuàng)新性實驗項目，奠定了高校化學實驗教學改革落實到課堂的基礎(chǔ)，成果鼓舞人心。

在此次大賽中，我院的三支參賽隊伍均獲得了西南賽區(qū)一等獎。在這個過程中我們受到了很多啟發(fā)，在此總結(jié)了參賽科普實驗項目的設(shè)計原則并結(jié)合參賽經(jīng)驗對如何深化實驗教學改革做出了一點思考，希望通過共同的交流促進今后競賽和教學的進步。

1 對標大賽要求，完成“嚴謹、有趣、致用”的科普實驗

大賽對所設(shè)立三個賽道的參賽作品均設(shè)置了相應要求。根據(jù)大賽的宗旨，科普實驗要以幫助公眾了解和正確認識化學，激發(fā)青少年學習化學的興趣和熱情為目的。具體而言，其內(nèi)容應反映化學之趣、化學之美、化學對社會發(fā)展的貢獻等。同時，實驗作品應具備安全、綠色、有趣、價廉、便于展示，方便公眾親手操作的特點并能給公眾留下深刻印象。大賽要求很好地融合了科普實驗的要點，給參賽者提供了思考和設(shè)計實驗的準繩(圖1)。

圖1 科普實驗設(shè)計思維示意圖

在備賽過程中，我們反復對上述要點進行了琢磨。面向非專業(yè)群體傳播和普及科學知識，需要打破知識、專業(yè)技能、理念意識、行為習慣等的壁壘，在實驗的選題、展現(xiàn)形式的設(shè)計以及科普效果的落地等方面有許多需要深入思考的地方(圖1)。

最終，我們抓住“嚴謹、有趣、致用”三個基本點完成科普實驗，通過以下幾個方面的設(shè)計和考量，充分響應大賽要求，向公眾展現(xiàn)了“化學之用、化學之趣，化學之美”[4]。

1.1 結(jié)合專業(yè)研究與現(xiàn)實問題，構(gòu)設(shè)科普選題和內(nèi)容框架

毋庸置疑，實驗的選題非常重要。首先，參賽的科普項目要滿足“創(chuàng)新”的要求，即具有內(nèi)容和/或形式上的新穎性。參賽的科普實驗應是以嚴謹?shù)膶I(yè)研究，包括學術(shù)和實驗教學研究作為基礎(chǔ)，通過內(nèi)容和表現(xiàn)形式上的巧妙構(gòu)思和設(shè)計而具備轉(zhuǎn)化成為具有展示度或互動功能潛力的實驗項目。同時，我們進一步認為科普選題最好能結(jié)合社會生產(chǎn)和生活中存在的某些實際問題和需求，引導受眾關(guān)注化學對社會的貢獻；在此基礎(chǔ)上，科普實驗應能針對關(guān)注的問題提出科學的、指導性的、安全易行的解決方案，實現(xiàn)科普效果的落地，加深受眾的感受和體驗。

結(jié)合教師的研究領(lǐng)域和學生的研究興趣，我們確定將“高級氧化技術(shù)”作為本次比賽的科普選題。高級氧化技術(shù)在廢水處理、環(huán)境保護方面發(fā)揮著重要的作用，其核心作用物質(zhì)為活性氧物質(zhì)[5]?；钚匝跷镔|(zhì)具有很強的氧化性，能夠?qū)⒂袡C污染物(比如抗生素、農(nóng)藥、染料)等氧化成低毒或無毒的小分子，并最終達到礦化降解[6]。此外，活性氧物質(zhì)還具有良好的滅菌作用[7]。由于高級氧化技術(shù)具有高效、快速、無二次污染等特點[5]，適合于科普活動的開展以及家用、自用實驗方案的實施(圖2)。確定了選題之后，如圖2所示，我們從圖中圓中心出發(fā)，構(gòu)設(shè)“活性氧產(chǎn)生原理-活性氧應用-自制活性氧及應用”的科普方案，最終連接生活，為化學之“美、趣、用”的展現(xiàn)設(shè)計了完整的內(nèi)容框架。將“高級氧化技術(shù)”的科普作為選題，不僅可以使學生或者民眾了解高級氧化技術(shù)、打開他們的科學視角，使其充分認識到化學知識的價值，還可以提高他們的環(huán)保警覺性和自覺性，實現(xiàn)“學以致用”，促進環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

圖2 科普實驗選題及內(nèi)容框架示意圖

當然，并不是所有科普內(nèi)容都能非常直接地關(guān)聯(lián)到社會需求?？傮w而言，在選題時思考如何通過科普實驗揭示化學在社會生活中發(fā)揮的重要作用是非常必要的。

1.2 關(guān)注受眾期待與活動條件，優(yōu)化科普現(xiàn)象與展現(xiàn)形式

在競賽要求中，科普實驗必須設(shè)計相應的科普活動環(huán)節(jié)。這提示我們在進行科普內(nèi)容和實驗展示形式設(shè)計時要做到與科普活動目標受眾的換位思考。受眾在參加科普活動時往往期待獲得新奇、有趣、好玩的體驗并增長知識。如果要滿足受眾的心理，科普實驗的關(guān)鍵展示點應該具備明顯、有趣、快速的特點。明顯的現(xiàn)象具有明確的說服力；有趣的現(xiàn)象具有良好的展示性，能抓住受眾的注意力，增強科普實驗的魅力；快速的實驗現(xiàn)象則是滿足科普活動客觀需求的條件。如果在實驗過程中需要較長時間的等待，那么維持科普活動的氛圍熱度和受眾的持續(xù)注意存在難度。當以上要素不能充分地體現(xiàn)時，我們必須適當?shù)剡M行實驗條件的優(yōu)化和轉(zhuǎn)換。

我們在本次的參賽項目中設(shè)置了芬頓試劑產(chǎn)生羥自由基降解抗生素(氯霉素)的環(huán)節(jié)。隨著降解反應的進行，溶液中的氯霉素含量大幅降低。由于氯霉素是無色的，受眾無法直觀地感受到這一結(jié)果。為此我們設(shè)計了采用氯霉素檢測卡進行結(jié)果展示的方式。降解前后，氯霉素檢測卡分別顯示陽性和陰性，非常直觀、快速地呈現(xiàn)了結(jié)果，對比明顯(圖3)。此外，在展示活性氧的滅菌作用時我們遇到了困難。按照常規(guī)的細菌培養(yǎng)法來展示滅菌作用則實驗時間長達幾十小時，不適于現(xiàn)場科普活動。如果采用視頻展示又會大大削弱科普活動的效果。經(jīng)過多番研究與嘗試，我們最終確定了發(fā)光細菌來實現(xiàn)快速的過程及結(jié)果的呈現(xiàn)。在活性氧的作用下，發(fā)光細菌死去并導致原本發(fā)射出的藍色光強度減弱，二十分鐘內(nèi)就可以獲得滅菌的目視化效果。

圖3 科普實驗中氯霉素降解結(jié)果展示

總之，科普的選題與內(nèi)容固然重要，但出色、有效的展現(xiàn)形式是科普實驗的另一條生命線。通過分析受眾的特點開發(fā)出科普內(nèi)容潛在的生動展示點、設(shè)計展現(xiàn)方式可以獲得更好的科普效果，提升科普實驗的競爭力。

1.3 普及解決方案和注意事項，實現(xiàn)科普落地和知識致用

通過科普把知識嵌入到日常生活中并使之為美好生活的建設(shè)發(fā)揮作用是知識獲得生命力的最好途徑，也是科普的終極目標[8]?？破栈顒拥拈_展，最好能對當前人們關(guān)注的社會問題或生活需求提供安全有效、執(zhí)行度高、操作簡便、容錯空間大的解決方案。科普受眾一般不具有系統(tǒng)的化學專業(yè)知識，所以在建立問題的解決方案時應該注意所用試劑、儀器等的生活化獲取。其中涉及到的操作也應是簡便、易行的。此外，方案應具備一定的容錯空間，避免因為極有可能存在的誤操作或者操作不到位而出現(xiàn)不可控或者嚴重的后果。

我們在完成參賽項目的原理、作用的科普后，針對疫情期間的個人防護和農(nóng)村農(nóng)藥廢棄物管理的缺失環(huán)節(jié)提出了光敏化活性氧抗菌液體繃帶和廢農(nóng)藥瓶等容器的芬頓法處理方案。方案中采用維生素B2片、護膚甘油、硫酸亞鐵花肥(花卉市場可買到)和過氧化氫消毒液等市售的商品代替專用化學試劑(圖4)。這樣不僅使非專業(yè)受眾能獲得試劑購買渠道，同時也消除了他們在脫離指導、獨立操作時的畏懼心理，安全簡便地解決生活需求(如抗菌防護)、保護環(huán)境(如廢農(nóng)藥容器處理)。對于實踐操作中的安全注意事項，如硫酸亞鐵和過氧化氫的保存和使用等我們也做了較為細致的說明。

圖4 科普實驗中推薦使用的生活化試劑

總結(jié)而言，在備賽和參賽中對標大賽要求、“嚴謹、有趣、致用”地展現(xiàn)“化學之用、化學之趣、化學之美”是一個需要多方面思考和解決問題的過程。同時，我們也發(fā)現(xiàn)這其實也是“具體而微”地落實和改進高?；瘜W實驗教學的過程。我們需要思考和解決如何在科普(教學)實踐中教授新知，如何分析受眾(學生)的特點并據(jù)此構(gòu)建合理有效的知識呈現(xiàn)和傳播形式，如何結(jié)合多種技術(shù)支持手段獲得更好的科普(教學)效果，如何引導受眾(學生)主動思考和解決問題，增強擔當意識和創(chuàng)新思維等。本次賽事對于教師的帶動和敦促作用十分顯著，其中的反思和突破對創(chuàng)新視角下實驗教學的構(gòu)設(shè)、組織和實施都大有助益。

2 貫徹大賽宗旨，推進實驗教改和教師發(fā)展

本賽事的長足發(fā)展對高?；瘜W實驗教學改革非常重要，它的引領(lǐng)作用和平臺功能將日益凸顯。目前賽事相關(guān)各方都積累了一定的經(jīng)驗，取得了階段性的成果，正是回顧總結(jié)、補短揚長、推進工作的好時機。如何結(jié)合大賽經(jīng)驗深化高?；瘜W實驗教學改革，我們提出了以下幾點構(gòu)想及經(jīng)驗與各位同行分享。

2.1 推廣實驗項目與科普活動，提升大賽影響力

通過賽事的舉行，每支參賽隊伍都呈現(xiàn)出了精心設(shè)計的參賽項目。這些項目綜合度高、內(nèi)容新穎、適合本科實驗教學，體現(xiàn)了高校師生化學實驗教學改革的成果，具有推廣應用價值。通過大賽平臺整合這些實驗項目、集結(jié)出版教材則打通了教研成果落實到課堂的最后環(huán)節(jié)，將實現(xiàn)更大范圍的成果共享、有效拉動各院校的實驗教改，使更多師生受益。與此同時，大賽平臺可以組織科普實驗項目矩陣、開展巡回專場科普活動或開發(fā)系列科普傳播視頻、打造科普活動品牌，將大賽成果推向社會。相信在大賽組委會的領(lǐng)導和組織下，通過大賽的后期推廣工作可以更加充分地展示高校師生的社會擔當、弘揚化學魅力、體現(xiàn)學科價值、吸引未來人才、提升大賽影響力。

2.2 鍛造專業(yè)水平與團隊合力，建設(shè)高水平實驗技術(shù)隊伍

實驗技術(shù)教師的工作重心在于實驗教學與實驗技術(shù)支持，是實驗教改與技術(shù)研究的重要生力軍[9]。本賽事聚焦實驗教學改革，給各高校實驗中心的實驗技術(shù)教師提供了施展渠道，也為打造高水平實驗技術(shù)隊伍指明了方向。

本次備賽、參賽的經(jīng)歷使我們認識到實驗技術(shù)人員應該加強學術(shù)素養(yǎng)，只有具有一定學術(shù)研究基礎(chǔ)才能高質(zhì)量地反哺實驗教學。實驗技術(shù)教師應立足于科研、積極參加教學研究、充分挖掘出角色潛力，走好職業(yè)道路。同時，實驗教師要抓好實驗課堂教學這一環(huán)節(jié)。在實驗講授中引入更多的教學設(shè)計，增加相關(guān)的前沿研究拓展，注重啟發(fā)式、探究式的教學方式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識。此外，因為每個教師有各自的專業(yè)領(lǐng)域，有獨到的教學見解，所以組織教師之間的教學研討是很有必要的?？傊?，我們要注重引導實驗技術(shù)教師提升自我、加強交流，達到建設(shè)隊伍、凝聚合力的目的。只有建設(shè)好高水平的實驗技術(shù)隊伍，才能提振實驗中心的開拓和保障能力，激發(fā)實驗教學和技術(shù)支持的創(chuàng)新研究，使實驗技術(shù)教師成為人才培養(yǎng)的新型生力軍。

2.3 豐富課程資源與培養(yǎng)方式，拉升學生質(zhì)量與競爭實力

人才培養(yǎng)是競賽之本。本賽事對參賽學生的綜合素質(zhì)要求較高，學生需要具備創(chuàng)新意識和實施能力。扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、寬廣的知識視野、規(guī)范熟練的實驗操作能力、豐富的多媒體技術(shù)、較強的表達能力以及良好的心理素質(zhì)和協(xié)作精神必不可少。這些正是化學專業(yè)學生的人才培養(yǎng)要素。

基于上述理解，我們需要對標地、多途徑地創(chuàng)設(shè)資源和條件以期提高學生培養(yǎng)質(zhì)量。首先，我們可以進一步有針對性地進行課程資源建設(shè)。虛擬仿真課程資源能夠脫離實際條件的限制，向?qū)W生展示學術(shù)前沿研究成果及其實驗過程，對拓寬學生知識視野、激發(fā)創(chuàng)新意識、觸發(fā)創(chuàng)新思維獨具優(yōu)勢。目前，我院開設(shè)了“涉及高危綜合實驗——二維納米材料的制備和表征”(國家級一流虛擬仿真實驗課程)以及“電致化學發(fā)光腫瘤標志物生物傳感器的構(gòu)建”(重慶市級一流虛擬仿真實驗課程)等虛擬仿真實驗課程。虛擬仿真實驗可以幫助提高學生的理論知識水平、動手操作能力，開發(fā)學生的創(chuàng)新能力。后續(xù)我們將繼續(xù)豐富相關(guān)課程資源，進一步搭建學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程陣列。其次，我們將進一步增加綜合實驗在實驗教學項目中的比重，加深學生對理論知識、實驗技能、儀器技術(shù)等學習內(nèi)容的融會貫通。此外，我們還將繼續(xù)擴大實驗課程考核方式的改革。目前我們在部分實驗課程小范圍地推行實驗答辯的考核形式。學生隨機抽取實驗課程的某一實驗項目，在給定時間內(nèi)完成準備工作之后向教師和同學當場闡述實驗內(nèi)容、演示主要操作、陳述實驗成敗關(guān)鍵、評價實驗方法、提煉技能和知識重點、梳理創(chuàng)新節(jié)點，提出創(chuàng)新設(shè)想。這種方式比之卷面考試不僅可以系統(tǒng)性地考察學生對理論知識、實驗課程及項目的理解和掌握情況，同時也訓練了學生的表達、談吐、應變能力和思維品質(zhì)，但存在總體時間過長、教師負荷較大的問題。我們將進一步在實踐中探索總結(jié)如何根據(jù)實驗課程特點合理化地設(shè)置考察度高、區(qū)分效果好、可操作性強的一種或多種并舉的考核方式。

3 結(jié)語

全國大學生化學實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽是拉動高?；瘜W實驗教學改革的重要平臺。它的繼續(xù)完善將促使其在更多層面發(fā)揮影響力。對于高校師生而言，參賽的過程就是一個檢驗、校正高校化學實驗教學現(xiàn)狀和目標的過程。我們應該結(jié)合大賽經(jīng)驗，抓住創(chuàng)新主線，在教、研、學的過程里不斷載入更多的嘗試與改革，實現(xiàn)化學實驗教學的廣收博取、與時俱進，使之煥發(fā)新的生機與活力，更好地滿足人才培養(yǎng)的時代需要。