開放性實驗教學(xué)改革的思考

大學(xué)的戰(zhàn)略思想一直強(qiáng)調(diào)科技強(qiáng)國，科技創(chuàng)新是實現(xiàn)科技強(qiáng)國的重要機(jī)會。而高校作為科技創(chuàng)新的重要戰(zhàn)場,理應(yīng)在這個方面有所作為,正是在這個思路基礎(chǔ)上,我國高校從上而下陸續(xù)提出建立不同級別的重點(diǎn)實驗室的設(shè)想,這其中包括國家層面的國家實驗室、國家重點(diǎn)實驗室、省級及省級以下的地市級重點(diǎn)實驗室。其中,省級重點(diǎn)實驗室建設(shè)是我國各層級重點(diǎn)實驗室建設(shè)中的重要一環(huán),具有承上啟下的過渡性作用及意義。如許多國家重點(diǎn)實驗室是從省級重點(diǎn)實驗室建設(shè)過渡而來的,許多地市級重點(diǎn)實驗室也是在省級重點(diǎn)實驗室?guī)蛹罢T導(dǎo)下建立起來的。比如東北大學(xué)教育部電磁重點(diǎn)實驗室就是在原來的省級實驗室基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)國家重點(diǎn)實驗室也是在原省級實驗室基礎(chǔ)上建立的;此外,一些地市級實驗室,比如河北理工大學(xué)唐山市新型環(huán)保重點(diǎn)實驗室是在該校礦物加工工程重點(diǎn)實驗室的影響下建立的。因此,建設(shè)省級重點(diǎn)實驗室的重要性不言自明。省級重點(diǎn)實驗室重要性主要體現(xiàn)在它所具備的功能或功效方面,其中在省級重點(diǎn)實驗室中進(jìn)行開放性實驗教學(xué)改革探索就是一個較理想的功能或功效的表征。本文以河南理工大學(xué)河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實驗室為例,針對開放性實驗教學(xué)改革的功能與功效進(jìn)行初步的探討,從而為地礦類院校教學(xué)、科研以及省級重點(diǎn)實驗室的功能兌現(xiàn)及和諧發(fā)展提供一些建設(shè)性建議。一、開設(shè)實驗課的必要性和可能性1.提供開放性實驗,彌補(bǔ)專業(yè)實驗學(xué)習(xí)的不足傳統(tǒng)實驗教學(xué)在過去很長一段時間內(nèi)起到了很大作用,但是隨著時代的發(fā)展,一些傳統(tǒng)實驗教學(xué)不能更好地適應(yīng)高等教育的發(fā)展,逐漸暴露出來一些問題和不足,一定程度上制約了高等教育的發(fā)展,具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。(1)傳統(tǒng)的實驗教學(xué)大多為理論驗證性的實驗,教師以填鴨式、灌溉式教學(xué)為主,學(xué)生以模仿式為主,很少有學(xué)生能獨(dú)立思考。這種教育方式造成的后果是學(xué)生的求知欲望及創(chuàng)新能力被極大地遏制了。(2)自高校擴(kuò)招后,師生比縮小,過去的實驗課,幾個學(xué)生由一個教師負(fù)責(zé);現(xiàn)在則變成一個教師負(fù)責(zé)一群學(xué)生,致使一方面學(xué)生得不到教師詳細(xì)的指導(dǎo);另一方面教師工作量太大,難以應(yīng)付。最后的結(jié)果是學(xué)生專業(yè)實驗整體效果不理想。由此不難看出進(jìn)行開放性實驗的必要性,開放性實驗可在一定程度上彌補(bǔ)專業(yè)實驗學(xué)習(xí)的不足。(3)傳統(tǒng)實驗教學(xué)遵循教學(xué)計劃開展,實驗學(xué)時有限,學(xué)生很難掌握大量的專業(yè)實驗知識,需要課下進(jìn)行再學(xué)習(xí),否則專業(yè)理論得不到應(yīng)有的驗證,學(xué)生理解起來就很困難。比如地礦類專業(yè)的地質(zhì)礦相辨別這一內(nèi)容,單一靠課堂教師講解是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,進(jìn)行后續(xù)開放實驗教學(xué)是必須的;再如對采煤工藝方法的學(xué)習(xí),僅靠看書本上的平面圖,學(xué)生很難理解,這也需要教師進(jìn)行開放實驗,多讓學(xué)生參觀礦井模型,采用實驗立體模型教學(xué),才能使學(xué)生將書本抽象知識與實驗相結(jié)合,更好地掌握采煤工藝方法。2.推進(jìn)開放性實驗,提高學(xué)生實驗自主性開放性實驗教學(xué)是指在教師的指導(dǎo)下,向不同專業(yè)、不同年級、不同水平的學(xué)生全面開放的一種實驗教學(xué)方法,具有多維性,更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新性,包括實驗教學(xué)的內(nèi)容、教法,學(xué)生的行為、思想等都是開放式與創(chuàng)新式并重的。具體的特征表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。(1)開放性實驗強(qiáng)調(diào)學(xué)生貫穿實驗全過程。開放性實驗打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)束縛,學(xué)生具有較大自主性,可以從自己的專業(yè)、興趣及未來就業(yè)技能等多方面出發(fā),選擇合適的實驗項目,在實驗進(jìn)行之前,學(xué)生應(yīng)首先熟悉書本理論知識,然后自己擬定實驗步驟及方法,并在教師指導(dǎo)下獲取實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理?？梢哉f,整個開放性實驗過程都由學(xué)生來把握,提高了學(xué)生實驗動手能力、學(xué)習(xí)積極性以及實驗質(zhì)量。(2)開放性實驗強(qiáng)調(diào)參與性原則。所謂參與性原則,指開放性實驗是教師和學(xué)生實驗小組共同參與開展的,其中以學(xué)生實驗小組為主,由3~5名學(xué)生組成小組進(jìn)行實驗,實驗人數(shù)大大減少,學(xué)生動手參與的機(jī)會大大增加。教師起到對實驗進(jìn)行宏觀指導(dǎo)的作用。在開放性實驗過程中,學(xué)生實驗小組和教師共同構(gòu)成了“實驗參與共同體”。開放性實驗不僅培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神,也拉進(jìn)了教師和學(xué)生的距離。(3)開放性實驗的項目、時間等隨意性強(qiáng)。開放性實驗項目大都是結(jié)合該實驗室高端儀器設(shè)備及標(biāo)本開設(shè)的本專業(yè)特有的實驗項目及科研課題;同時,開放性實驗沒有列入全校統(tǒng)一排課范圍,時間相對自由,學(xué)生們可以利用課余時間,甚至晚上、周末及假日進(jìn)行實驗、學(xué)習(xí),解決了傳統(tǒng)實驗受時間的束縛的問題。3.有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能,使其更好地適應(yīng)未來職業(yè)崗位開放性實驗與傳統(tǒng)實驗最大的不同在于它尊重學(xué)生的創(chuàng)造力,努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,尤其是在直面學(xué)生就業(yè)壓力方面,開放性實驗突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的框架,給予學(xué)生更多的實驗技能學(xué)習(xí)機(jī)會,使學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上,掌握更多學(xué)科的實驗技能,為其更好地適應(yīng)未來職業(yè)崗位打牢基礎(chǔ)。此外,開放性實驗教學(xué)內(nèi)容和教法的獨(dú)特性有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實驗室擁有電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、高效液相色譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜儀、原子吸收光譜儀、偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等幾十臺高端儀器設(shè)備,完全能夠滿足學(xué)生們進(jìn)行開放性實驗的要求,而且每個實驗室都配有實驗技術(shù)過硬的副教授和碩士講師進(jìn)行實驗指導(dǎo),確保了開放性實驗的教學(xué)效果。二、探究、拓展樹立教學(xué)與科研并重,以科研促教學(xué),教研相長的理念。要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)模式,變學(xué)生被動地接受為主動地探究,開放一些綜合性和設(shè)計性的實驗項目,讓學(xué)生獨(dú)立思維、獨(dú)立操作,加深其對理論知識的理解和掌握,并培養(yǎng)其創(chuàng)新意識。河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實驗室開放性實驗教學(xué)的運(yùn)行機(jī)制涉及許多方面,主要包括開放性實驗教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考核制度、管理制度等,如圖1所示。1.設(shè)置開放性實驗設(shè)備河南省生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實驗室設(shè)備儀器均可用于開展開放性實驗教學(xué)。不同的設(shè)備針對不同的專業(yè)開展不同的實驗項目,如表1所示。實驗室的開放性實驗項目具有綜合性、設(shè)計性和研究性的特征,結(jié)合學(xué)生專業(yè)的具體情況,適時準(zhǔn)備實驗內(nèi)容。這里以電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(inductivelycoupledplasmamassspectrometry,ICP-MS)為例進(jìn)行開放性實驗項目介紹。ICP-MS為本實驗室大型精密儀器,它在環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、食品科學(xué)、石油工業(yè)、海洋科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,是痕量分析、元素形態(tài)分析、同位素分析的最有力武器。開放此實驗室一方面可以使學(xué)生們及早地掌握此大型實驗設(shè)備的使用方法、用途和原理,另一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S和創(chuàng)新能力。開放性實驗題目之一,是利用ICP-MS測試單礦物中微量元素的含量,學(xué)生們可以自由選擇一種單礦物加工,也可以根據(jù)愛好自擬題目。學(xué)生首先自己動手敲打巖石使之破碎,并在立體顯微鏡下觀察其形態(tài),進(jìn)行單礦物的挑選,然后研磨、過篩、微波消解,最后進(jìn)行ICP-MS檢測。這是一個綜合性的實驗,要求學(xué)生在進(jìn)行實驗前查閱文獻(xiàn),了解每一步的操作規(guī)程及注意事項,并對所選單礦物的鏡下形態(tài)做到心中有數(shù)。通過這一個綜合性的實驗,學(xué)生不僅掌握了巖石破碎過程、鏡下單礦物的形態(tài)特征,還掌握了微波消解的方法和ICP-MS儀器的使用方法,為地質(zhì)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)地質(zhì)學(xué)、結(jié)晶學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)等課程打下了堅實基礎(chǔ),同時也培養(yǎng)了他們科研的興趣。2.實驗室前準(zhǔn)備工作在開放性實驗教學(xué)中改進(jìn)了教學(xué)方法和教學(xué)手段,采用以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體的教學(xué)模式,注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研思維,發(fā)揮他們的積極性和主動性。要求學(xué)生進(jìn)入實驗室前做好充分的實驗準(zhǔn)備工作,查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,掌握實驗原理和方法,制訂科學(xué)合理的實驗方案;實驗結(jié)束后,對實驗項目的創(chuàng)新點(diǎn)、實驗數(shù)據(jù)采集記錄、實驗操作過程、實驗結(jié)果、收獲與體會等進(jìn)行認(rèn)真總結(jié),撰寫并提交實驗報告、研究論文。這樣,整個實驗過程及實驗分析都由學(xué)生獨(dú)立完成,讓學(xué)生真正動手做、動腦想。脫離規(guī)規(guī)矩矩的課堂教學(xué)方式,實施啟發(fā)式、參與式、討論式、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法,學(xué)生可以隨時向教師提問。教師根據(jù)學(xué)生所學(xué)知識進(jìn)行引導(dǎo)、啟發(fā),針對實驗中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象隨時展開討論。3.測量該模式體現(xiàn)對實驗教學(xué)效果進(jìn)行檢驗,需要建立一個實驗績效考核評估機(jī)制或指標(biāo)體系,這個考核體系應(yīng)建立在學(xué)生實驗全過程基礎(chǔ)上。據(jù)此制定的生物遺跡與成礦過程重點(diǎn)實驗室開放實驗考核指標(biāo)包括學(xué)生實驗文獻(xiàn)查新、實驗方案設(shè)計構(gòu)想創(chuàng)新性、實驗全過程操作認(rèn)真度、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果真實性及對于實驗結(jié)果分析的合理性等方面。開放性實驗教學(xué)主要側(cè)重考核學(xué)生在實驗全過程中的創(chuàng)新性,為學(xué)生將來參加工作或繼續(xù)學(xué)習(xí)深造打下基礎(chǔ),因為現(xiàn)在高校、企業(yè)等領(lǐng)域缺乏的正是科研創(chuàng)新人才。在這樣一個認(rèn)識程度上,考核學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力,從而提高其借助開放性實驗平臺,靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力。開放性實驗指導(dǎo)教師也要從宏觀方面把好關(guān),也就是從實驗選題新穎性及可行性、學(xué)生操作實驗的過程環(huán)節(jié)、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果內(nèi)容驗收等三個方面合理地做好每一個環(huán)節(jié)的考核評估。最后,指導(dǎo)教師通過了解開放性實驗整體性情況,對每一個參與開放性實驗的學(xué)生給予全面的評價并開具指導(dǎo)性、建設(shè)性意見,以便為后續(xù)的開放性實驗項目向更成熟的方向發(fā)展提供參考。當(dāng)然,值得注意的一點(diǎn)是,在每一個開放性實驗教學(xué)全過程中,學(xué)生應(yīng)和指導(dǎo)教師形成良性互動、做好溝通,指導(dǎo)教師應(yīng)鼓勵學(xué)生獨(dú)立思考、大膽提出自己的設(shè)想,從而培養(yǎng)學(xué)生與他人溝通和合作的意識。4.儀器設(shè)備管理。我國目前,我國實驗教學(xué)管理就是如何管理好實驗進(jìn)行的全過程,一個開放性實驗教學(xué)就是一個系統(tǒng)工程,實驗教學(xué)參與人員應(yīng)從系統(tǒng)全面的角度考慮這個問題,包括實驗室儀器維護(hù)、學(xué)生預(yù)約申請、實驗認(rèn)真態(tài)度以及實驗指導(dǎo)教師等許多方面。(1)實驗室儀器維護(hù)。重點(diǎn)實驗室的儀器都是大型精密儀器,一臺儀器的成本就有幾十萬、上百萬甚至上千萬,因此要求學(xué)生嚴(yán)格遵守實驗室的各項規(guī)章制度,愛護(hù)儀器,做實驗前先要了解儀器性能、操作規(guī)程及注意事項,實驗過程中必須按照儀器操作規(guī)程使用,不允許超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和逆程序操作。不能污染儀器,禁止私自拆卸、組裝儀器部件。實驗結(jié)束后應(yīng)立即將實驗物品歸位,將儀器擦洗、清理干凈,形成良好的實驗素養(yǎng)。(2)學(xué)生預(yù)約與申請。面向全校學(xué)生開放的重點(diǎn)實驗室應(yīng)首先向?qū)W校提交開放實驗項目計劃表。學(xué)生根據(jù)學(xué)校網(wǎng)站公布的開放計劃,可以任選項目亦可自擬課題,提前一周到實驗室預(yù)約,并填寫“學(xué)生參加開放實驗登記表”及“學(xué)生參加開放實驗申請表”,然后就可以于預(yù)約時間進(jìn)行實驗。參與開放實驗的學(xué)生須掌握與開放實驗內(nèi)容相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識或具有相關(guān)學(xué)科背景,如參與ICP-MS測試單礦物開放實驗的學(xué)生要有一定地質(zhì)或礦加、地科、材料等相關(guān)知識背景。(3)指導(dǎo)教師方面。指導(dǎo)教師必須熟悉實驗室的各項實驗,熟練地掌握各種儀器設(shè)備的工作原理與操作技能,能對儀器設(shè)備進(jìn)行故障診斷和維修;認(rèn)真?zhèn)湔n,做好課前的準(zhǔn)備和課上的指導(dǎo)答疑,批改實驗報告;同時在開放性實驗過程中,學(xué)生思維活躍,往往提出很多有深度的問題,這就對指導(dǎo)教師提出更高的要求:教師要有大量的知識儲備,以保證教學(xué)質(zhì)量。三、存在的新問題開放性實驗具有傳統(tǒng)實驗教學(xué)所不具備的優(yōu)點(diǎn)或好處,但受觀念、經(jīng)費(fèi)等制約因素的影響,也存在或產(chǎn)生了許多一時難以解決的新問題。主要涉及如下幾點(diǎn)。1.設(shè)備的磨損率和成本開放性實驗提高了儀器設(shè)備的利用效率,使過去傳統(tǒng)實驗教學(xué)中閑置的儀器設(shè)備得到了充分的利用,但同時,一些儀器設(shè)備的磨損率也大大增加了,尤其對于一些價格昂貴、稍有不慎就會出問題的大型設(shè)備,無論是從磨損角度,還是從設(shè)備本身維護(hù)成本角度來講,都給開放性實驗教學(xué)帶來了許多難以想象的難度和工作量。這就需要廣大教育工作者在以后的開放性實驗教學(xué)中考慮如何從系統(tǒng)管理角度進(jìn)行設(shè)備儀器的整體合理化利用的問題。2.課程及實驗指導(dǎo)教師的問題傳統(tǒng)實驗教學(xué),一般一個實驗室設(shè)定一個實驗工作人員,基本上能滿足傳統(tǒng)實驗教學(xué)的需要;而進(jìn)行開放性實驗后,課余時間、周末及假期仍有很多學(xué)生要求進(jìn)行實驗,而指導(dǎo)教師數(shù)量相對不足,這就需要配備更多的實驗指導(dǎo)教師,所帶來的問題是,許多科研院校的人員編制有限,增員所帶來的費(fèi)用開支都是必須要面對的問題。另外,由于實驗室引進(jìn)的大多是先進(jìn)的實驗設(shè)備,操作比較復(fù)雜,要求不斷加強(qiáng)實驗教師培訓(xùn)工作,以便更好地應(yīng)對教學(xué)及科研任務(wù)。3.實驗項目取得的教學(xué)效果開放性實驗教學(xué)的主體是學(xué)生,只有讓更多對開發(fā)性實驗教學(xué)感興趣的學(xué)生參與進(jìn)來,開放性實驗才有意義和價值。開展開放性實驗項目,吸引了很多學(xué)生的參與,學(xué)生們在實驗中獲取知識、提高技能的同時,也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的積極性和主動性,確實取得了很好的教學(xué)效果。但與此同時,學(xué)生