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科研训练教学体制建设及实践

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培养具有创新意识的高素质人才,是教学改革研究的重点。所谓人才既指出类拔萃的精英型人物,也指具有某种特长的大众型人物。顶尖型的精英不是靠培养就能产生的,而是适当的环境造就出来的,因此应多方面提供条件,使其脱颖而出。至于具有某种特长的大众型人物,这才是我们塑化培养的对象,是我们教学研究的客体。

一、对一年级本科生开展科研训练的必要性

科研训练是培养大众型人才科学思维和创新意识的手段,它的实施依托于实验实践教学改革[1]。大多数高校的实验教学体系是:大学一年级开设基础设计型实验,二年级增加基础综合实验,三年级的时候才有研究综合实验和业余科研。即使一些高校设置了本科生科研训练项目(如中国农大的URP计划),也是从二年级学生开始的[2]。之所以这样安排,是因为大家普遍认为低年级的学生理论知识不全面,实践经验不足,达不到完成科研项目的水平,不能出成果。但实际上,现如今大学本科生主要是“90后”,这一学生群体的特点已发生了明显的变化[3],他们做事的目的性非常明确,且独立性强、信心十足,希望尽快立足于社会。这使得很多大一的学生一步入校园就开始思考和追问:我在这个专业能学到什么?对我的就业有什么影响?鉴于这种情况,我们的教育理念与方法、手段也应适时改变,要尽早地让学生感受到学有所获,感受到成功的喜悦。科研训练能将理论知识与实践相结合,不仅能满足学生学有所获的这一需求,而且能够让学生正确地审视自己,拓展知识面,锻炼能力,增加实战机会。但关键是什么样的教学方式能够适应在一年级学生中开展科研训练的要求。

二、在一年级本科生科研训练中实施项目递进教学模式的构建

化学专业是中国农业大学理学院的特色专业。在多年的教学实验改革中,笔者所在教研室围绕培养学生创新能力和实践能力,积极探索出一套适合农林院校特色的“一体化、多层次、开放式”的实验体系,通过对不同阶段不同的教学内容尝试了启发讨论式、问题导向式、比较式、开放式等多种教学方法,在此基础上构建了对一年级本科生开展科研训练的项目递进教学模式,取得了较好的效果。项目递进式教学模式简单地讲就是以学生为主体,对一个独立完整的实验项目进行层层推进式研究的教学活动。它由项目教学法发展而来[4],是对项目教学法的引申和扩充,因而不仅保留了项目教学法激活学生思维,提高学生解决实际问题能力的特点,更重要的是还增加了递进环节。递进就是按照一定章法层层深入、环环紧扣地解决问题,它最大的益处是将一个问题的难度分散,采取后者否定前者的形式达到预期的目标。这种方式弥补了低年级本科生理论实践知识薄弱、不能直接入题的缺陷,使得在一年级本科生中进行科研训练成为可能。项目递进式教学模式的实施方法可以用图1简略表示。

三、项目递进教学模式的实践

(一)科研训练的选题

本科生进行科研训练可以直接参与到教师的课题中,也可以开展自主项目研究[5]。显然直接参与教师的科研课题更适合一年级学生。由于题目选取得是否恰当,是训练能否顺利进行的关键,因此,要求所选的项目课题贴近生活,为学生所识,能够吸引学生的注意力,以便使其充满兴趣地、自愿地去做。而且这个项目不能过于细小,它要有系统性,关联众多知识点。笔者以中国农业大学化学专业一年级本科生科研选题为例进行详释。环保是当前热门的社会话题,重金属离子对人们身体健康的影响为大家所共知,因而污水的净化处理方法受到人们的普遍关注。絮凝剂可以使液体中分散的细粒固体形成絮凝物,经过处理使其沉降,再用物理方法把它们分离出来,达到净化水质的目的,所以絮凝剂在污水中的应用是科研的一个热点。为此,我们就选择研究制备不同类型的絮凝剂为科研训练内容,并探讨它的应用。选题得到了学生的积极响应,有近1/4的本专业学生参与研究。这个题目既包含了无机化学、有机化学的基础知识,也用到分析化学和物理化学的内容。对一年级学生来说,相关物理、化学的知识还未接触,有一定的难度。因此,我们将这个题目分成若干个阶段任务,先提出第一阶段的要求———制备一种无机高分子絮凝剂。科研训练的实施安排在一年级第二学期的期末和夏季小学期进行。这时学生们已经基本适应了大学的生活和学习方式,所以拿到题目后大家知道首先要做的就是查阅文献。

(二)自主查阅文献制定实验方案

与其他项目教学法不同的是,这一科研训练要求每个人独立完成实验,不分小组,避免了鱼目混珠的现象。所以大家根据自己查阅的文献设置出许多不同的实验步骤和工作程序,比如聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸铝、聚合硅酸铁等,单单聚合氯化铝的合成方法就有4种方案。对方案的优劣,教师不作过多评价,而是在查看实验方案后,准备必要的实验条件,让学生们独立完成。

(三)项目的实施

项目的实施是整个教学过程的核心环节。实验室的使用处于一种开放状态,学生根据自己既定方案独立制备出絮凝剂,并要检查去污效果。教师充当引导者,巡视实验过程,随时解答实验中的问题。项目实施过程中,学生们不仅使用了平常教学接触不到的浊度计、化学耗氧量(COD)测定仪、原子吸收光谱仪,而且教师与学生,学生与学生彼此可以近距离地沟通交流,营造了一种浓厚的学术气氛。

(四)项目讨论评价并引申

这一步是完成第一阶段实验,递进到第二阶段的重要过程。在学生们制备出实验产品后,大家一起分析评价每个人实验操作的得与失:为什么各人实验时间长短不一?为什么同类型产品去污效果却存在差异?期间特别要求学生比较不同类型产品间的去污能力。由此推进引申出第二阶段实验要求———改进实验设计,提高水质净化效果。比如,对于聚合氯化铝合成时的温度、酸度及碱液加入方式的选择;对于聚合硅酸铁,如何寻找恰当的铁(Fe)/硅(Si)配比等等。

(五)项目的再实施与再引申

学生们在经过前面实验的锻炼后,对絮凝剂有了感性认识,这时,经过再次查阅文献,并且深入地理解相关的理论,对影响实验步骤的每一种因素反复进行实验探讨,可以寻找出最佳的实验方法。这样,学生们真切地体会到了实验由无数次的失败到成功的过程。在以上基础上再向学生指出合成絮凝剂的研发趋势是廉价、实用、无毒和高效,从而进一步提出新的目标要求:用天然原料合成对环境和人类健康友好的高效絮凝剂,不仅要降低水质的浊度,而且要能去除水中的重金属离子。这一步是项目递进式教学模式进行科研训练的关键,教师在这一步将训练的层次推向高层。这也是科研训练与综合设计实验不同的地方。学生们不仅要了解未学过的吸附知识,而且所做的课题别人未必做了或做的不全,所以这方面的资料比较少,学生们需要借鉴前面的实验方法,自己提出设计思路并试验之。

(六)递进过程:项目扩展

学生们经过不断地探索研究,发现可以用农村常见的麦秸秆制备黄原酸酯絮凝剂,其独特的空间网状结构可以对污染物进行网捕,另外由于其阴离子的官能团为sp2杂化,具有共轭体系,使得硫离子的负电荷能在较大的空间分散,呈现的负电场能够捕集重金属离子,对重金属离子有很好的亲和作用。在此基础上,学生们又设法寻找最佳的合成条件,并且进一步试验了它对铜离子的去除率。

(七)项目再评价

这一步是对全部实验过程的总结,是实验结果的升华。在对絮凝剂进行全面系统的理论总结时,特别指出这一科研训练项目的重点不在结果上,而在于学生们自己从实验实施过程中学到了什么。

四、项目递进教学模式在一年级本科生科研训练中的作用

在2009年北京市高校大学生化学实验竞赛中,“利用农业废弃物制备絮凝剂处理废水中的重金属离子”这一项目获得了三等奖。这个项目就是在一年级本科生科研训练基础上进一步完善的成果。这充分说明采用项目递进教学模式对一年级本科生进行科研训练是可行的。项目递进教学模式将一个与实际生活相关的科研课题分成若干层次,每个层次有不同程度的发展递进,直至达到最终的研究目的。这种模式在训练一年级学生吃苦精神、创新能力和科研能力方面起了重要的桥梁作用。项目递进式教学模式的训练过程是调动学习积极性的过程。由于教学模式是在贴近生活的项目上进行,目的明确,极大地激发起了学生的兴趣,经常有同学为了解决一个问题而废寝忘食。项目递进式教学模式的训练过程也是能力培养的过程。在实验过程中经常会出现意想不到的现象,比如在麦秸秆磺化过程中为什么会有气泡,同样铁(Fe)/硅(Si)配比的絮凝剂性能上差别怎么那么大等等。学生遇到问题再也不是躲,而是主动地寻找答案,因此创新能力和独立思考能力有了显著提高。使用递进式教学模式在一年级本科生中进行科研训练还带来了良好的辐射作用。在暑假红色“1+1”科技实践活动中,学生们发现密云县丰各庄村水的颜色有问题,立刻取样化验水的各项指标,并设想各种解决办法。虽然最终水质的检测是合格的,但同学们这种敢于发现问题、解决问题的做法不就是这种科研训练带来的益处体现吗?

五、开展项目递进式科研训练应注意的问题

(一)充分做好物质、人员准备

教师在项目递进这种科研训练中起主导作用,他引导作为实验主体的学生从被动实践自觉过渡到主动实践。这就要求教师必须具有丰富的教学经验,对自己的教学思想、教学手段有清晰的认识,而且能够灵活地应用多种教学方法(诸如启发式、讨论式等等)耐心地引领学生完成整个实验过程,还必须要求教师有从事科研工作的经历,有深厚的理论与实践相结合的沉积,只有这样才能从科研积累中,提炼出能够与现实结合具有一定深度和广度的项目内容,才能做到教学的引申和推进,并能准确地解答学生在实践过程中出现的问题。物质准备包括完善的创新教学实践体系和实验室的硬件配置。合理完善的教学体系是进行有效教学活动的基础,实验室资源(经费、空间、时间)是项目能否顺利进行的决定性外部条件。试想,如果没有教学体系改革,没有与实验相关的人、物作支撑,项目递进式教学模式的构建不就是空中之阁吗?

(二)合理安排时间

项目递进式教学模式操作时间长,从训练项目的布置到结束,短时间是无法完成的。笔者的经验是,采用正常教学周和小学期结合来分段完成。正常教学周查找资料做前期的准备工作;小学期时间充裕,可以有连续的时间反复实验,为科研训练提供了必要的条件。

(三)调整学与教的心态

一年级本科生心气很高,而实验进行不可能一帆风顺,尤其是科研训练,它不同于综合实验,没有现成的方案可循,只是借鉴一些方法,所以有可能在实验结束的时候也没有理想的结果,而科学是一项严肃严谨的活动,不能有任何的虚假。这种情况下,如何帮助学生承受挫折,树立信心坚持下去,适时耐心地进行心理疏导,也是教师的一项工作。虽然一年级学生的知识点融合及理论的系统性还有欠缺,但是采用项目递进教学模式对低年级学生进行科研训练是符合学生特点和社会要求的,它在营造主动实践的氛围上,在提高学生创新意识和科学思维能力上的作用是显而易见的。

科研训练教学体制建设及实践责任编辑:xchen1    阅读:人次