从拔尖创新人才培养探讨化学实验教学改革:化学实验教学改革方向

　　摘 要：化学实验是化学及相关基础学科培养人才的重要教学环节。本文着眼于拔尖创新人才的培养，探讨了化学实验教学改革的必要性，提出了以兴趣为先导、建立以问题和课题为核心的实验教学模式，倡导启发式研究性教学方法，在实验教学中传授化学知识和基本技能，训练科研方法和创新思维，培育科学精神和国际视野，努力培养高素质拔尖创新人才。
　　关键词：拔尖人才；创新；化学实验；研究性教学
　　2009年，教育部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”。该计划在数学、物理、化学、生物、计算机科学领域先行试点，率先在清华、北大、南大等11所重点高校实施，后拓展至19所。其目标定为：在高水平研究型大学的优势基础学科，建立一批国家青年英才培养基地，建立高等学校拔尖学生重点培养的体制机制，吸引优秀的学生投身到基础科学研究，形成拔尖创新人才培养的良好氛围，努力使受计划支持的学生成长为相关基础学科领域的领军人物，并逐步跻身国际一流科学家队伍[1]。该计划实际上呼应了著名的“钱学森之问”。
　　究竟什么样的人才是拔尖创新人才？拔尖创新人才应具备什么样的品质特征？拔尖创新人才究竟该如何培养？怎样才能孕育出“大师”？笔者长期从事化学实验教学，想从实验教学这方面来谈谈对这一问题的认识和理解。
　　一、拔尖创新人才的品质特征及目前实验教学中存在的一些问题
　　“宽厚扎实的知识基础、开拓进取的创新能力、求真求实的实践精神、开阔前瞻的国际视野和稳健卓越的领袖素质”是拔尖创新人才的重要标志，这已成为大家的共识。确实，宽厚扎实的知识基础，是拔尖创新人才首先必备的条件，是创新的基石和保障。没有这个基石，所谓创新也就成了“空中楼阁”。
　　但是，拔尖创新人才不仅要具备“厚基础”，更需要具备“好奇心”、“善思维”和“常实践”的能力[1]。这些品质，正是创新的源泉和动力。应该看到，长久以来，在应试教育思想的影响下，“填鸭式”的教学模式盛行。学生被动地接受各种各样的知识和信息，没有时间思考自己感兴趣的问题，没有时间去创新和实践，无形中形成了定向思维的模式，与生俱来的好奇心、求知欲、想象力和创造潜能被严重扼杀。
　　反映在实验教学中，主要存在以下问题[2，3]：一是过分强调“三基”，即基本理论、基本知识和基本技能的学习，难以激发学生的学习兴趣和创新思维；二是对科学思维和方法的训练不足，学生鲜有自主的探索与思考，师生间几无平等的双向沟通和交流；三是忽视学生的个性和特长，用统一规划的教学计划、单一的模式培养学生，不能充分调动学生的学习积极性，学生的潜能被抑制；四是内容和研究方法较为陈旧，与当今科研和生产实际在一定程度上相脱节，学生的知识结构有待优化，科研素养和综合能力有待提高。
　　在这种传统理念实验教学的方式下，培养出来的学生具有比较系统的基础知识以及实验操作规范；但缺乏活力，未充分挖掘个人潜能，不利于个性的发展，不利于综合能力和创新能力的培养。
　　二、改革实验教学，培养拔尖创新人才
　　针对实验教学中存在的问题，为培养高素质创新人才，自2001年开始，南京大学化学化工学院即对实验教学进行了有意义的改革，逐步建立了一个“一体化、多层次、开放式”的实验教学新体系（见下图）。它以“四大化学”为基础组织实验教学的框架，按照“基础-综合-研究”三层次构建和管理实验室，在化学一级学科层面上组织实验教学内容。这一教学体系对学生构建宽厚扎实的知识基础、培养学生的创新意识确实起到了积极的作用。
　　但是，正如前述，实验教学中，验证性实验仍然占据了绝大多数；教学过程中，传统的“听、讲、做”模式仍然是主宰，学生被动地学习，难以激发学生的兴趣和灵感，教学效果有待完善。
　　如何调动学生的学习兴趣，激发其潜能，更好地培养拔尖创新人才？多年的教学经验使我们意识到：在构筑学生扎实基础知识的前提下，探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，激发学生的好奇心、想象力和求知欲，开拓学生的视野，充分发挥学生作为学习主体的主动性、积极性，让学生学会提问题，开展针对问题的研究性学习，让学生经受锲而不舍解决问题的过程磨炼，在实践过程中逐步掌握提出问题、解决问题的方法，培养其创新意识和创新思维，提高其创新实践能力，这将是培养拔尖创新人才的一条有效途径。
　　为此，在化学实验教学中，采取如下措施：
　　1.削减验证性实验，精心设计凝练典型教案和新实验，培养学生宽厚扎实的知识基础
　　选择什么样的教学内容进行教学，将直接影响学生的培养质量。我们始终认为，坚实的基础理论和实验技能，是知识传承的基础，是创新的前提和保障；除此之外，知识的“新”和“宽”也是拔尖创新人才成长的必要物质条件。在当今信息时代，知识的更新非常迅速，并且随着学科的高度分化和学科与学科之间的高度融合，科学的新发展和技术的新成果，很多都出现在交叉学科和边缘学科。因此，我们所培养的人才将来能否有所创新，很大程度上不仅取决于他们知识的“专”和“新”，而且还取决于他们是否具有宽广的知识面，是否具备进入交叉学科的基础和能力。当今，化学与物理、生物、材料、环境等领域的交叉愈来愈多，社会对复合型人才的需求日益迫切。因此，我们不仅要培养化学领域的专才，也要培养适应各个领域的通才。这就要求我们随着科技的发展，不断调整相应的教学内容，加快知识更新的步伐，实现教学内容现代化，以培养适应世界科学技术快速发展的高素质创新人才。
　　为此，根据南京大学提出的“重视基础、趋向前沿、反映现代、综合交叉”的现代课程建设理念，在通盘考虑“知识点”的前提下，须对四大基础化学和综合化学的实验教学内容进行整合凝练，设计典型教案。在低年级基础实验阶段，可适当保留部分为培养学生基本实验操作和实验技能、与基础理论知识结合较为密切的“验证性”实验，对学生进行实验基本功的训练，这是低年级本科生“厚基础”必不可少的一个重要环节。到了高年级综合化学实验阶段，则应精心设计一些典型的、既反映学科研究前沿又涵盖多个二级学科内容和知识点、且应用现代科学技术和手段进行表征和性质测定的新实验作为典型教案。同时，有目的、有选择性地增加一些用化学的方法和手段，来研究生命现象、材料性能等体现学科交叉融合的新实验，如：纳米组装血红蛋白质的直接电化学和催化研究、质粒DNA的制备与鉴定及目标基因的表达、微透析取样-柱上样品浓缩-毛细管电泳分析血液样品中的药物、天然脯氨酸的不对称转化及催化性能研究、Bi系超导材料的制备与单晶的生长、天然高分子改性絮凝剂研究、聚氨酯的合成及其功能化等。通过这样一些典型教案，使学生具备扎实的知识基础、宽广的知识面和优化的能力结构。 　　随着科学技术的发展，验证性实验也可与时俱进，不断更新其内涵，使学生能够从中学到更多更新的知识，涉猎更多更广的研究领域。同时，在不影响“厚基础”教学要求的前提下，应尽量减少验证性实验所占课时，以便腾出更多的时间让学生去从事探索性和自主性更强的研究性实验，以激发学生的“好奇心”。
　　2.建立以问题和课题为核心的教学模式，采用启发式研究性教学方法，提高学生的学习兴趣
　　相对于已知实验结果的验证性实验，研究性实验多了很多未知的因素：实验方案的设计、最佳路线的选择、实际实验过程中可能出现的种种事先未曾预料的状况、实验结果的不确定性等，这些都是学生必须面对和解决的。而正是这些不确定因素引发的各种各样有待解决的问题，才更加能够激发学生的好奇心、想象力和求知欲，充分发挥学生作为学习主体的主动性和积极性。
　　为此，在实验教学中，当学生通过典型实验教案掌握了基本的实验技能和方法之后，我们更加提倡“授之以鱼，不如授之以渔”的教学方法。以问题为切入点，以课题为载体（这些课题可大可小，既可源于教师的科研成果，也可来自各类文献资料，最好能与当前科研热点相结合），让学生从事相对完整的研究性课题研究，以达到科学思维和方法的训练。通过启发式研究性教学，改变传统的“教师满堂灌、学生被动听，教师为主角、学生为配角”的教学方式，代之以教师引领、学生主动探究的互动式教学方式，变“教师为导演、学生为主角”，探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，开展针对问题的研究性学习。
　　在具体的实践过程中，当学生遇到种种事先未预料到的状况时，通过共同探讨，启发学生如何思考并合理地解决问题，鼓励学生勇于尝试创新，引导学生主动地去学习一些新知识来解决实验中无法解释的一些实验现象和结果，而不是直接给出解决问题的方案。让学生经历锲而不舍解决问题的过程磨炼，在思考和实践中逐步具备分析问题和解决问题的能力。
　　实验结束后，举行交流研讨会，除了交流和汇报采用不同实验方案所得的不同结果外，更要从中探讨得与失。例如，研究性实验苯甲酸乙酯的合成及表征、手性联萘酚的合成及光学纯度分析、瓜果蔬菜中微量金属元素的分析、大曲酒成分分析、生物传感器研究、介孔材料在色谱分离中的应用、手性金属Salen配合物的合成及其在不对称催化反应中的应用等，采取的都是这样一种研究性教学方法。在这样一种模拟科研探索过程的研究性教学中，教师通过言传身教，还可以将科学研究的各个元素渗入其中，如洞察能力、评价能力、严谨作风、敬业精神、科学道德、合作精神等。通过这样的研究性教学，不仅可以使学生逐步具备自主学习、科学研究、批判思考和知识创新的能力，养成严谨求实的科学态度和开拓进取的创新精神，而且有可能使学生在研究过程中，发现自己的兴趣与专长，找到自己的发展方向，从而完成进入大学之后的“学术性转换”。
　　3.因材施教，挖掘学生潜能，实施个性化培养
　　每个学生的基础不一样，兴趣爱好也不尽相同，个体间存在着较大的差异。如果对所有学生按照一个教学计划和统一的模式进行培养，不利于学生个性的发展，更不利于学生创新能力的培养。因此，我们可以根据学生的不同特点，以学生为主体、教师为主导，探索灵活多样的教学方式，让学生有选择性地自主实验，并通过开放教学和科研实验室，为不同水平的学生提供相适应的条件，充分发挥学生的潜能。
　　在基础化学实验教学阶段，由于学生的知识基础和动手能力差异较大，因此，我们在教学内容的安排上有所区别。通过“课内开放与课外开放相结合”的方式，使基础好、动手能力强的学生能够进一步提高和扬优。具体为：课内——对基础好、动手能力强的学生，除了完成必做实验外，还可安排相关的拓展实验内容；课外——开放教学实验室，提供研究式实验项目，让学生自由选择，并在教师的引导下，自主进行实验。同时，还鼓励学生自带感兴趣的实验项目，由学生自己设计实验方案，并加以实施和解决。比如，在大学化学实验教学中，盐酸浓度的标定和氢氧化钠浓度的标定是学生必须按质完成的，对于部分基本功扎实的学生，可能在较短时间内就能按质完成教学目标。为此，我们还安排了相应的扩展实验——混合碱的组成及含量测定以及醋酸浓度的标定，让学生能够在有限的教学时间内，得到最大限度的锻炼和提高。在有机化学实验教学中，除了正常的实验教学外，我们还安排了有机仪器分析开放实验，让学生利用课余时间，对自己的产品进行IR、UV、GC、GC-MS、HPLC、1HNMR等表征分析，以提高学生的学习兴趣。此外，每年我们还会开设20余项创新开放实验课题供学生选择，如：从烟草中提取烟碱、基于环己二胺手性高分子的合成、3，4-乙撑二氧噻吩合成工艺的研究、有机物的光降解及光催化、Fe3+对悬浮水体系二氧化钛光催化降解苯胺的影响等，让学生利用空闲时间完成。这些根据学生水平、能力、兴趣不同而采取的不同教学方法，能够有效地调动学生的学习积极性，挖掘学生的潜能，有利于学生综合素质提高。
　　在综合化学实验教学阶段，由于学生已经具备了一定的实验基础，掌握了基本的实验技能，并且两年多的大学生涯也听过不少科研前沿讲座，甚至还有部分学生已经进入科研实验室，因此对某些研究方向可能会产生一定的兴趣和向往。为此，在综合化学实验教学过程中，我们应在充分统筹教学知识点的前提下，结合当前的科研方向和研究热点，尽可能多开设一些贴近科研的研究性综合实验；利用网上选课系统，给予学生更大的自由度和个性发展空间，让学生可以根据自己的兴趣爱好，选择相应的实验内容，实施个性化培养。这一措施我们已经连续实施了五年，效果不错，并在进一步完善之中。
　　对部分选拔出来的基础特别好的拔尖学生，对于其实践能力的培养，除了正常的实验教学之外，我们还制订了一套特别的培养计划——将科研训练纳入正常教学范畴，积极倡导开放式实验教学。具体措施为：依托研究平台、参与科研项目。即选择有代表性的科研课题组，安排一、二年级拔尖学生在不同类型的实验室轮转，参与Seminar讨论，了解该领域的国际前沿，通晓这些领域的关键科学问题，了解就这些国际前沿问题展开研究工作所需要的基本知识与基本技能，了解成为一流人才的知识与非知识因素；同时进行一些相对简单的课题研究，找准自己感兴趣的研究方向。到了三年级，这些学生可根据自己真正的兴趣所在，正式进入相应的实验室进行具有挑战性的科学研究，通过科研过程，使学生得到较为系统的科学研究基本技能和方法的训练，培养学生的基本科学素养，让他们在浓厚的科研气氛中迅速成长。 　　4.以科研项目为载体，依托科研实验室，建立研究创新平台，培养创新意识和科研素养
　　近年来，为培养高水平拔尖创新人才，在院系、学校甚至国家级层面上组织实施了一系列科研实训计划，如综合能力训练（院级，由老师提供课题，学生自主选择，要求所有大四上本科生均参与并在科研实验室完成）、大学生创新性实验计划（校级、省级、国家级，学生自主申报，获批后执行）、挑战杯、国家基础学科人才培养基金项目等。为此，我们依托配位化学、生命分析等国家重点实验室以及介观、高性能高分子材料与技术等教育部重点实验室，全面开放科研实验室，建立学生研究创新平台，尽力为学生营造真实的科学研究氛围，使学生切实接触到化学学科内各领域的前沿科学问题。并通过开题、中期考核、结题答辩等一系列过程，使学生接受系统严格的科研训练，将科研与教育、实践与理论有机结合，培养思考问题、分析问题、解决问题的能力，同时培养敢于创新、严谨求实、勤奋工作的品质，使本科生的知识、能力、素质全面协调发展，创新意识和科研能力得到显著提高。
　　但是也应该看到，这些项目需要学生投入较多的时间和精力。而目前化学专业本科开设的课程较多，加之很多高校都是两地办学，本科教学和科研分属不同的校区，学生很难安排出完整的时间段进入实验室从事上述更具挑战性的课题实训研究，这就导致部分学生采取旷课的方式挤时间，这不利于他们从课程学习上打下扎实的基本功。为此，可将大学生创新性实验项目、国家基础学科人才培养基金项目等科技实践活动，以合理的方式折算成一定的实验课程学分。考虑到拔尖人才前期培养过程中，其基本实验技能和科学研究方法都得到了有效的训练，在高年级阶段尤其是综合化学实验课程学习阶段，可以采取因材施教的方式将部分实验教学任务移放到科研实验室，允许这部分学生利用较为完整的实验课程时间段，在科研导师的指导下开展更为系统的科学研究探索活动，以课题研究任务取代部分固定教学内容。
　　5.学术交流能力及国际学术视野培养
　　拔尖创新人才不仅要具备宽厚扎实的知识基础、开拓进取的创新能力、求真务实的实践精神，还必须具备开阔前瞻的国际视野和稳健卓越的领袖素质。因此，对于将要从事学术型基础学科研究的未来学者而言，良好的学术交流能力及敏锐的国际学术视野，将会使其更具国际竞争力。
　　为此，可通过以下措施，如：邀请学术大师为本科生做有关科研和学术成长的报告，定期组织本科生科学研究报告论坛，广泛开展国际学术交流与合作，资助拔尖学生参加国内、国际学术会议，资助拔尖学生利用假期到国外著名大学进行科学研究等，让学生能够聆听大师的教诲，感受大师的风采和人格魅力，并从中得到启发和激励，有利于学生学术和身心的健康成长。同时，通过论坛、学术会议和赴海外交流学习并参与研究工作，学生不仅有机会汇报自己的科研成果，了解当前学科的研究现状和热点，还能与国内外同行学者进行面对面的学术交流和讨论，这对于开阔其学术视野、建立学术交流圈、提高其社交能力都极有裨益。
　　化学作为一门以实验为基础的自然科学，实验教学在化学教学中占有非常重要的地位，它是培养学生传承与创新、规范与突破、发展与改革、理论联系实际、实事求是、独立思考、交流合作等拔尖创新人才所必备的科研素养和创新能力的有效途径。在高素质拔尖创新人才的培养过程中，我们应坚持“兴趣为先导、能力为目标、过程重培养、个性定方向”的理念，坚持“传授化学知识和基本技能、训练科研方法和创新思维、培养科学精神和国际视野”的基本原则，改革实验教学模式，建立以问题和课题为核心的教学模式，激发学生对科学研究的兴趣和热爱，形成拔尖创新人才培养的良好氛围，培养学生逐步具备宽厚扎实的知识基础、开拓进取的创新能力、求真务实的实践精神和开阔前瞻的国际视野，为学生将来成为相关基础学科领域的领军人才打下坚实的基础。
　　参考文献：
　　[1] 丰捷. 中国创新人才培养模式 遴选拔尖人才成首措[N]. 光明日报，2011-02-28.
　　[2] 孙尔康，张剑荣，张家玫. 三层次开放实验室是培养学生创新能力的有效形式[J]. 实验技术与管理，2007，24（11）：3-4.
　　[3] 冯维波，李育佳，章文伟等. 实验教学文化环境建设的探索与实践[J]. 实验技术与管理，2012，29（1）：1-3.
　　[责任编辑：余大品]

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