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化学实验中的科学研究方法训练和实践

作者：戴冬梅 高洪涛

来源：《中国教育技术装备》2008年第02期

摘 要介绍了以实验教学改革为先导，以培养创新型人才为目标，树立以学生为本，知识、能力、思维、素质全面协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学体系，并结合光催化降解环境污染物的实验实例，阐述了对学生进行科学研究训练的一般方法。 关键词 实验中心；教学体系；科研训练

中图分类号：O6-3 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2008）02－0035-03

培养具有创新能力的人才是当前本科教学改革的重要内容之一。化学是一门实验学科，实验教学在整个化学教学环节中占有十分特殊的地位，不仅要使学生加深对化学基本理论和基本概念的理解，训练学生熟练的实验技能，更重要的是，培养学生的创新能力和创新素质。 强调化学类创新型人才的培养，要更加重视实验教学。创新不能凭空而来，而是来自于实践和实验。在教学改革中，教学体系和教学内容的改革是教学改革的重点和难点。教学内容必须服从人才培养规律，而教学方式的改革同样也非常重要，改革教学方式首先要转变教学观念，即由教学向教育转变，由传授知识向传授学习知识的方法转变，由主导学生向服务学生转变。

1 探索新的教育理念

著名化学家戴安邦教授指出“化学教育既传授化学知识和技术，更训练科学方法和思维，还培养科学精神和品德”，“化学实验课是实施全面化学教育的最有效的教学方式”，这充分体现了化学实验在培养人才方面的重要性。

实验中心是大学的心脏，是培养学生实践能力和创新能力的重要场所，是培养学生创新能力的主战场。化学学科实验中心是高校改革的产物，顺应了高等教育改革和发展，其建设必须树立以学生为本，建立知识传授、能力培养、素质提高、协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学理念。为此，实验教学的目标不是简单地验证理论，而是提高学生的实践能力和培养创新精神，全面提高学生素质。在课程体系和内容上，增设化学与化工、材料、生物以

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及环境科学等学科交叉的内容，注重学生学科综合知识和综合能力的培养，建立“厚基础、大综合、宽口径”现代教育理念。

1.1 实验中心的建设定位以实验教学改革为先导，融实验教学、科学研究和社会服务为一体，建设一个面向全校化学、化工、材料等学科的实验教学人才培养基地。树立以学生为本，知识、能力、思维、素质全面协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学体系，建设满足现代实验教学的高素质实验教学队伍，建设仪器设备先进、资源共享、开放服务的实验教学环境，建立现代化高效可行的管理体制，全面提高实验教学水平，为实验教学、科学研究、培养人才和学科建设服务。

1.2 实验教学体系 明确学科实验中心的建设目标，高标准构建科学的实验教学体系，规划了学科实验中心的整体建设方案。

以实验教学改革为先导，实验教学要从过去的知识技能型转变为能力培养型，以能力培养为核心。笔者修改了实验教学大纲，整体优化了课程设计，增加了综合性和研究型实验，改革实验教学方法，建立了化学实验教学平台和完善的化学学科实验教学新体系（图1）。制定化学实验及各专业实验课程人才培养计划，改革教学内容和教学方法，形成适合实践能力和创新能力培养的教学体系。

在教学计划和课程大纲制定中，首先增加实验学时数，基础化学实验、仪器分析实验、综合化学实验和化学专业实验分别独立设课。其次在实验内容和项目上，提高了综合和设计性实验比例，增加了能反应学科前沿的最新研究成果。结合专业课程建设，面向化学专业高年级学生开设综合化学实验和化学专业实验，开设反映学科综合和学科前沿的研究成果，实现了实验教学内容的整体规划，多层次结合，学科交叉，逐层推高，有利地提高了学生综合能力的养成，使其更符合培养人才的目标。综合实验和专业实验，按照加强基础、淡化专业、分类教学、通才培养的方针，以能力培养为核心，取消了以二级学科为主，实验内容过窄，实验技术单一的实验，在化学一级学科上建立了内容交叉，涵盖2个二级以上学科知识的综合，将基本理论、基本实验技能、合成与制备、测试方法、结构表征、性能测试等方面融为一体，全面提高学生实践能力，培养创新精神。

加强化学学科实验中心内涵建设，建设仪器设备先进、资源共享、开放服务的实验教学基地。建设一批设备先进、管理科学、有一定规模效应和持续发展能力、能满足各个层次教学需要的标准化实验室，为化学相关专业实验教学和实践创新人才培养提供重要支撑。

建立开放实验室网上预约平台，逐步完善实验室开放机制，建立健全开放项目库建设。面向全校化学及相关专业本科学生开放实验室。

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2 科学研究方法的训练

在科学研究一般方法的训练阶段，教师主要传授科学研究的基本过程及方法，引导学生通过研究获得最佳实验条件,同时培养学生严谨和实事求是的科学态度。

在综合设计型实验阶段，学生独立运用所学知识和实验技术解决实际问题，可以提高他们分析问题和解决问题的能力，在实验设计的思想、实验方法的形成、实验技能的培养、实验论文的撰写等多方面得到全面的系统训练。综合设计型实验一方面是对学生基础技能的全面训练，另一方面也能培养学生的创新能力。

笔者以综合设计性实验“光催化降解环境中的有机污染物”为例，阐述科学研究方法的训练。光催化氧化技术是一种高级氧化技术[1]。该技术是利用光催化剂在光照的条件下能够产生强氧化性的自由基，该自由基能将几乎所有的有机物彻底降解，并最终生成H2O、CO2等无机小分子，加上光催化反应还具有反应条件温和，反应设备简单，二次污染小，操作易于控制，催化材料易得，运行成本低，可望用太阳光为反应光源等优点[2]。近年来，人们围绕光催化剂活性的提高以及降低反应成本等方面进行了大量的研究，相关文献每年都有百篇以上[3]。

TiO2光催化反应过程可概括为以下几个步骤[4]:

目前，制备纳米TiO2的方法可归纳为气相法和液相法两大类。合成纳米TiO2的液相方法主要有液相沉淀法、溶胶—凝胶法、醇盐水解（沉淀）法、微乳液法以及水热法等。液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点，是目前被广泛采用的制备纳米TiO2的方法。

光催化降解环境中的污染物是近年研究热点，据查询，近两年中关于该课题研究的国家自然科学基金就有100多项。本实验选择环境中的有机污染物为研究对象，以自制纳米TiO2为催化剂和小功率紫外灯为光源，在自制光反应器上考察光催化剂投加量、溶液初始pH值、温