开放性实验教学改革的思考

开放性实验教学改革的思考

大学的战略思想一直强调科技强国，科技创新是实现科技强国的重要机会。而高校作为科技创新的重要战场,理应在这个方面有所作为,正是在这个思路基础上,我国高校从上而下陆续提出建立不同级别的重点实验室的设想,这其中包括国家层面的国家实验室、国家重点实验室、省级及省级以下的地市级重点实验室。其中,省级重点实验室建设是我国各层级重点实验室建设中的重要一环,具有承上启下的过渡性作用及意义。如许多国家重点实验室是从省级重点实验室建设过渡而来的,许多地市级重点实验室也是在省级重点实验室带动及诱导下建立起来的。比如东北大学教育部电磁重点实验室就是在原来的省级实验室基础上发展起来的,河南理工大学瓦斯地质国家重点实验室也是在原省级实验室基础上建立的;此外,一些地市级实验室,比如河北理工大学唐山市新型环保重点实验室是在该校矿物加工工程重点实验室的影响下建立的。因此,建设省级重点实验室的重要性不言自明。省级重点实验室重要性主要体现在它所具备的功能或功效方面,其中在省级重点实验室中进行开放性实验教学改革探索就是一个较理想的功能或功效的表征。本文以河南理工大学河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室为例,针对开放性实验教学改革的功能与功效进行初步的探讨,从而为地矿类院校教学、科研以及省级重点实验室的功能兑现及和谐发展提供一些建设性建议。一、开设实验课的必要性和可能性1.提供开放性实验,弥补专业实验学习的不足传统实验教学在过去很长一段时间内起到了很大作用,但是随着时代的发展,一些传统实验教学不能更好地适应高等教育的发展,逐渐暴露出来一些问题和不足,一定程度上制约了高等教育的发展,具体表现在以下几点。(1)传统的实验教学大多为理论验证性的实验,教师以填鸭式、灌溉式教学为主,学生以模仿式为主,很少有学生能独立思考。这种教育方式造成的后果是学生的求知欲望及创新能力被极大地遏制了。(2)自高校扩招后,师生比缩小,过去的实验课,几个学生由一个教师负责;现在则变成一个教师负责一群学生,致使一方面学生得不到教师详细的指导;另一方面教师工作量太大,难以应付。最后的结果是学生专业实验整体效果不理想。由此不难看出进行开放性实验的必要性,开放性实验可在一定程度上弥补专业实验学习的不足。(3)传统实验教学遵循教学计划开展,实验学时有限,学生很难掌握大量的专业实验知识,需要课下进行再学习,否则专业理论得不到应有的验证,学生理解起来就很困难。比如地矿类专业的地质矿相辨别这一内容,单一靠课堂教师讲解是远远不够的,进行后续开放实验教学是必须的;再如对采煤工艺方法的学习,仅靠看书本上的平面图,学生很难理解,这也需要教师进行开放实验,多让学生参观矿井模型,采用实验立体模型教学,才能使学生将书本抽象知识与实验相结合,更好地掌握采煤工艺方法。2.推进开放性实验,提高学生实验自主性开放性实验教学是指在教师的指导下,向不同专业、不同年级、不同水平的学生全面开放的一种实验教学方法,具有多维性,更强调学生的创新性,包括实验教学的内容、教法,学生的行为、思想等都是开放式与创新式并重的。具体的特征表现在以下几点。(1)开放性实验强调学生贯穿实验全过程。开放性实验打破了传统实验教学束缚,学生具有较大自主性,可以从自己的专业、兴趣及未来就业技能等多方面出发,选择合适的实验项目,在实验进行之前,学生应首先熟悉书本理论知识,然后自己拟定实验步骤及方法,并在教师指导下获取实验数据并进行分析处理。可以说,整个开放性实验过程都由学生来把握,提高了学生实验动手能力、学习积极性以及实验质量。(2)开放性实验强调参与性原则。所谓参与性原则,指开放性实验是教师和学生实验小组共同参与开展的,其中以学生实验小组为主,由3~5名学生组成小组进行实验,实验人数大大减少,学生动手参与的机会大大增加。教师起到对实验进行宏观指导的作用。在开放性实验过程中,学生实验小组和教师共同构成了“实验参与共同体”。开放性实验不仅培养了学生的团队协作精神,也拉进了教师和学生的距离。(3)开放性实验的项目、时间等随意性强。开放性实验项目大都是结合该实验室高端仪器设备及标本开设的本专业特有的实验项目及科研课题;同时,开放性实验没有列入全校统一排课范围,时间相对自由,学生们可以利用课余时间,甚至晚上、周末及假日进行实验、学习,解决了传统实验受时间的束缚的问题。3.有助于培养学生的实践技能,使其更好地适应未来职业岗位开放性实验与传统实验最大的不同在于它尊重学生的创造力,努力培养学生的创新思维,尤其是在直面学生就业压力方面,开放性实验突破了传统实验教学的框架,给予学生更多的实验技能学习机会,使学生在专业学习基础上,掌握更多学科的实验技能,为其更好地适应未来职业岗位打牢基础。此外,开放性实验教学内容和教法的独特性有利于培养学生动手能力和创新能力。河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室拥有电感耦合等离子体质谱仪、高效液相色谱仪、气相色谱-质谱仪、原子吸收光谱仪、偏光显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等几十台高端仪器设备,完全能够满足学生们进行开放性实验的要求,而且每个实验室都配有实验技术过硬的副教授和硕士讲师进行实验指导,确保了开放性实验的教学效果。二、探究、拓展树立教学与科研并重,以科研促教学,教研相长的理念。要转变传统填鸭式教学模式,变学生被动地接受为主动地探究,开放一些综合性和设计性的实验项目,让学生独立思维、独立操作,加深其对理论知识的理解和掌握,并培养其创新意识。河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室开放性实验教学的运行机制涉及许多方面,主要包括开放性实验教学内容、教学手段、考核制度、管理制度等,如图1所示。1.设置开放性实验设备河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室设备仪器均可用于开展开放性实验教学。不同的设备针对不同的专业开展不同的实验项目,如表1所示。实验室的开放性实验项目具有综合性、设计性和研究性的特征,结合学生专业的具体情况,适时准备实验内容。这里以电感耦合等离子体质谱仪(inductivelycoupledplasmamassspectrometry,ICP-MS)为例进行开放性实验项目介绍。ICP-MS为本实验室大型精密仪器,它在环境科学、地球科学、生命科学、材料科学、食品科学、石油工业、海洋科学等领域得到了广泛的应用,是痕量分析、元素形态分析、同位素分析的最有力武器。开放此实验室一方面可以使学生们及早地掌握此大型实验设备的使用方法、用途和原理,另一方面有利于培养学生严谨的科研思维和创新能力。开放性实验题目之一,是利用ICP-MS测试单矿物中微量元素的含量,学生们可以自由选择一种单矿物加工,也可以根据爱好自拟题目。学生首先自己动手敲打岩石使之破碎,并在立体显微镜下观察其形态,进行单矿物的挑选,然后研磨、过筛、微波消解,最后进行ICP-MS检测。这是一个综合性的实验,要求学生在进行实验前查阅文献,了解每一步的操作规程及注意事项,并对所选单矿物的镜下形态做到心中有数。通过这一个综合性的实验,学生不仅掌握了岩石破碎过程、镜下单矿物的形态特征,还掌握了微波消解的方法和ICP-MS仪器的使用方法,为地质专业学生学习基础地质学、结晶学、矿物学、岩石学等课程打下了坚实基础,同时也培养了他们科研的兴趣。2.实验室前准备工作在开放性实验教学中改进了教学方法和教学手段,采用以教师为主导、以学生为主体的教学模式,注重培养学生的学习兴趣和科研思维,发挥他们的积极性和主动性。要求学生进入实验室前做好充分的实验准备工作,查阅相关文献资料,掌握实验原理和方法,制订科学合理的实验方案;实验结束后,对实验项目的创新点、实验数据采集记录、实验操作过程、实验结果、收获与体会等进行认真总结,撰写并提交实验报告、研究论文。这样,整个实验过程及实验分析都由学生独立完成,让学生真正动手做、动脑想。脱离规规矩矩的课堂教学方式,实施启发式、参与式、讨论式、任务驱动式教学方法,学生可以随时向教师提问。教师根据学生所学知识进行引导、启发,针对实验中出现的问题和现象随时展开讨论。3.测量该模式体现对实验教学效果进行检验,需要建立一个实验绩效考核评估机制或指标体系,这个考核体系应建立在学生实验全过程基础上。据此制定的生物遗迹与成矿过程重点实验室开放实验考核指标包括学生实验文献查新、实验方案设计构想创新性、实验全过程操作认真度、实验数据结果真实性及对于实验结果分析的合理性等方面。开放性实验教学主要侧重考核学生在实验全过程中的创新性,为学生将来参加工作或继续学习深造打下基础,因为现在高校、企业等领域缺乏的正是科研创新人才。在这样一个认识程度上,考核学生在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力,从而提高其借助开放性实验平台,灵活运用所学知识的能力。开放性实验指导教师也要从宏观方面把好关,也就是从实验选题新颖性及可行性、学生操作实验的过程环节、实验数据及结果内容验收等三个方面合理地做好每一个环节的考核评估。最后,指导教师通过了解开放性实验整体性情况,对每一个参与开放性实验的学生给予全面的评价并开具指导性、建设性意见,以便为后续的开放性实验项目向更成熟的方向发展提供参考。当然,值得注意的一点是,在每一个开放性实验教学全过程中,学生应和指导教师形成良性互动、做好沟通,指导教师应鼓励学生独立思考、大胆提出自己的设想,从而培养学生与他人沟通和合作的意识。4.仪器设备管理。我国目前,我国实验教学管理就是如何管理好实验进行的全过程,一个开放性实验教学就是一个系统工程,实验教学参与人员应从系统全面的角度考虑这个问题,包括实验室仪器维护、学生预约申请、实验认真态度以及实验指导教师等许多方面。(1)实验室仪器维护。重点实验室的仪器都是大型精密仪器,一台仪器的成本就有几十万、上百万甚至上千万,因此要求学生严格遵守实验室的各项规章制度,爱护仪器,做实验前先要了解仪器性能、操作规程及注意事项,实验过程中必须按照仪器操作规程使用,不允许超负荷运转和逆程序操作。不能污染仪器,禁止私自拆卸、组装仪器部件。实验结束后应立即将实验物品归位,将仪器擦洗、清理干净,形成良好的实验素养。(2)学生预约与申请。面向全校学生开放的重点实验室应首先向学校提交开放实验项目计划表。学生根据学校网站公布的开放计划,可以任选项目亦可自拟课题,提前一周到实验室预约,并填写“学生参加开放实验登记表”及“学生参加开放实验申请表”,然后就可以于预约时间进行实验。参与开放实验的学生须掌握与开放实验内容相关的专业基础知识或具有相关学科背景,如参与ICP-MS测试单矿物开放实验的学生要有一定地质或矿加、地科、材料等相关知识背景。(3)指导教师方面。指导教师必须熟悉实验室的各项实验,熟练地掌握各种仪器设备的工作原理与操作技能,能对仪器设备进行故障诊断和维修;认真备课,做好课前的准备和课上的指导答疑,批改实验报告;同时在开放性实验过程中,学生思维活跃,往往提出很多有深度的问题,这就对指导教师提出更高的要求:教师要有大量的知识储备,以保证教学质量。三、存在的新问题开放性实验具有传统实验教学所不具备的优点或好处,但受观念、经费等制约因素的影响,也存在或产生了许多一时难以解决的新问题。主要涉及如下几点。1.设备的磨损率和成本开放性实验提高了仪器设备的利用效率,使过去传统实验教学中闲置的仪器设备得到了充分的利用,但同时,一些仪器设备的磨损率也大大增加了,尤其对于一些价格昂贵、稍有不慎就会出问题的大型设备,无论是从磨损角度,还是从设备本身维护成本角度来讲,都给开放性实验教学带来了许多难以想象的难度和工作量。这就需要广大教育工作者在以后的开放性实验教学中考虑如何从系统管理角度进行设备仪器的整体合理化利用的问题。2.课程及实验指导教师的问题传统实验教学,一般一个实验室设定一个实验工作人员,基本上能满足传统实验教学的需要;而进行开放性实验后,课余时间、周末及假期仍有很多学生要求进行实验,而指导教师数量相对不足,这就需要配备更多的实验指导教师,所带来的问题是,许多科研院校的人员编制有限,增员所带来的费用开支都是必须要面对的问题。另外,由于实验室引进的大多是先进的实验设备,操作比较复杂,要求不断加强实验教师培训工作,以便更好地应对教学及科研任务。3.实验项目取得的教学效果开放性实验教学的主体是学生,只有让更多对开发性实验教学感兴趣的学生参与进来,开放性实验才有意义和价值。开展开放性实验项目,吸引了很多学生的参与,学生们在实验中获取知识、提高技能的同时,也增强了学习的积极性和主动性,确实取得了很好的教学效果。但与此同时,学生