“取竞通优”——第2届全国大学生化学实验创新设计大赛的赛后总结与思考

发布时间：2024-11-22 23:23

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On Competition Motivated Improvements: A Summary and Reflection on the 2nd National College Students' Chemical Experiment Innovative Design Contest

Long Yijuan ,, Gong Chengbin, Ren Wenshan, Zheng Huzhi

College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China

高校实验室是创新性人才培养的摇篮[1]。本科实验教学是创新性人才培养的基础。加强本科实验的创新改革，是改变人才能力结构、满足社会、科技进步需求的重要手段[2]。化学实验作为化学理论、学术研究、实际应用三者的统一体，具有夯实知识基础、训练动手能力、发现疑难问题、探索解决方案的属性，是对学生进行创新教育的关键环节[3]。作为该环节的基础，化学实验的内容与设计直接决定了学生创新能力培养的起点与层次。随着社会、科技和化学学科自身的发展，研究和应用领域对人才知识、技能的要求更高，所以开展相关的实验教学改革研究，创新实验教学内容与方式，保持本科化学实验教学内容、形式的更迭和纳新至为重要。

由中国化学会、教育部高等学校化学类专业教学指导委员会和高等学校国家级实验教学示范中心联席会举办的“微瑞杯”全国大学生化学实验创新设计竞赛已届两期，旨在建立一个大学生创新能力的展示与交流平台，推动我国高等学校化学实践教学改革。大赛设置了新创实验、改进实验和科普实验三个赛道，展示了新形势下对实验项目的三个评估维度，即内容创新、方法创新和应用创新。它敏锐地关注到高校化学实验教学现存的问题，明晰了高校化学实验教学改革的方向，广泛调动高校化学师生对化学实验教学的关注和创新热情。在此基础上，大赛促生了大量创新性实验项目，奠定了高校化学实验教学改革落实到课堂的基础，成果鼓舞人心。

在此次大赛中，我院的三支参赛队伍均获得了西南赛区一等奖。在这个过程中我们受到了很多启发，在此总结了参赛科普实验项目的设计原则并结合参赛经验对如何深化实验教学改革做出了一点思考，希望通过共同的交流促进今后竞赛和教学的进步。

1 对标大赛要求，完成“严谨、有趣、致用”的科普实验

大赛对所设立三个赛道的参赛作品均设置了相应要求。根据大赛的宗旨，科普实验要以帮助公众了解和正确认识化学，激发青少年学习化学的兴趣和热情为目的。具体而言，其内容应反映化学之趣、化学之美、化学对社会发展的贡献等。同时，实验作品应具备安全、绿色、有趣、价廉、便于展示，方便公众亲手操作的特点并能给公众留下深刻印象。大赛要求很好地融合了科普实验的要点，给参赛者提供了思考和设计实验的准绳(图 1)。

图1

在备赛过程中，我们反复对上述要点进行了琢磨。面向非专业群体传播和普及科学知识，需要打破知识、专业技能、理念意识、行为习惯等的壁垒，在实验的选题、展现形式的设计以及科普效果的落地等方面有许多需要深入思考的地方(图 1)。

最终，我们抓住“严谨、有趣、致用”三个基本点完成科普实验，通过以下几个方面的设计和考量，充分响应大赛要求，向公众展现了“化学之用、化学之趣，化学之美”[4]。

1.1 结合专业研究与现实问题，构设科普选题和内容框架

毋庸置疑，实验的选题非常重要。首先，参赛的科普项目要满足“创新”的要求，即具有内容和/或形式上的新颖性。参赛的科普实验应是以严谨的专业研究，包括学术和实验教学研究作为基础，通过内容和表现形式上的巧妙构思和设计而具备转化成为具有展示度或互动功能潜力的实验项目。同时，我们进一步认为科普选题最好能结合社会生产和生活中存在的某些实际问题和需求，引导受众关注化学对社会的贡献；在此基础上，科普实验应能针对关注的问题提出科学的、指导性的、安全易行的解决方案，实现科普效果的落地，加深受众的感受和体验。

结合教师的研究领域和学生的研究兴趣，我们确定将“高级氧化技术”作为本次比赛的科普选题。高级氧化技术在废水处理、环境保护方面发挥着重要的作用，其核心作用物质为活性氧物质[5]。活性氧物质具有很强的氧化性，能够将有机污染物(比如抗生素、农药、染料)等氧化成低毒或无毒的小分子，并最终达到矿化降解[6]。此外，活性氧物质还具有良好的灭菌作用[7]。由于高级氧化技术具有高效、快速、无二次污染等特点[5]，适合于科普活动的开展以及家用、自用实验方案的实施(图 2)。确定了选题之后，如图 2所示，我们从图中圆中心出发，构设“活性氧产生原理–活性氧应用–自制活性氧及应用”的科普方案，最终连接生活，为化学之“美、趣、用”的展现设计了完整的内容框架。将“高级氧化技术”的科普作为选题，不仅可以使学生或者民众了解高级氧化技术、打开他们的科学视角，使其充分认识到化学知识的价值，还可以提高他们的环保警觉性和自觉性，实现“学以致用”，促进环保事业的发展。

图2

当然，并不是所有科普内容都能非常直接地关联到社会需求。总体而言，在选题时思考如何通过科普实验揭示化学在社会生活中发挥的重要作用是非常必要的。

1.2 关注受众期待与活动条件，优化科普现象与展现形式

在竞赛要求中，科普实验必须设计相应的科普活动环节。这提示我们在进行科普内容和实验展示形式设计时要做到与科普活动目标受众的换位思考。受众在参加科普活动时往往期待获得新奇、有趣、好玩的体验并增长知识。如果要满足受众的心理，科普实验的关键展示点应该具备明显、有趣、快速的特点。明显的现象具有明确的说服力；有趣的现象具有良好的展示性，能抓住受众的注意力，增强科普实验的魅力；快速的实验现象则是满足科普活动客观需求的条件。如果在实验过程中需要较长时间的等待，那么维持科普活动的氛围热度和受众的持续注意存在难度。当以上要素不能充分地体现时，我们必须适当地进行实验条件的优化和转换。

我们在本次的参赛项目中设置了芬顿试剂产生羟自由基降解抗生素(氯霉素)的环节。随着降解反应的进行，溶液中的氯霉素含量大幅降低。由于氯霉素是无色的，受众无法直观地感受到这一结果。为此我们设计了采用氯霉素检测卡进行结果展示的方式。降解前后，氯霉素检测卡分别显示阳性和阴性，非常直观、快速地呈现了结果，对比明显(图 3)。此外，在展示活性氧的灭菌作用时我们遇到了困难。按照常规的细菌培养法来展示灭菌作用则实验时间长达几十小时，不适于现场科普活动。如果采用视频展示又会大大削弱科普活动的效果。经过多番研究与尝试，我们最终确定了发光细菌来实现快速的过程及结果的呈现。在活性氧的作用下，发光细菌死去并导致原本发射出的蓝色光强度减弱，二十分钟内就可以获得灭菌的目视化效果。

图3

总之，科普的选题与内容固然重要，但出色、有效的展现形式是科普实验的另一条生命线。通过分析受众的特点开发出科普内容潜在的生动展示点、设计展现方式可以获得更好的科普效果，提升科普实验的竞争力。

1.3 普及解决方案和注意事项，实现科普落地和知识致用

通过科普把知识嵌入到日常生活中并使之为美好生活的建设发挥作用是知识获得生命力的最好途径，也是科普的终极目标[8]。科普活动的开展，最好能对当前人们关注的社会问题或生活需求提供安全有效、执行度高、操作简便、容错空间大的解决方案。科普受众一般不具有系统的化学专业知识，所以在建立问题的解决方案时应该注意所用试剂、仪器等的生活化获取。其中涉及到的操作也应是简便、易行的。此外，方案应具备一定的容错空间，避免因为极有可能存在的误操作或者操作不到位而出现不可控或者严重的后果。

我们在完成参赛项目的原理、作用的科普后，针对疫情期间的个人防护和农村农药废弃物管理的缺失环节提出了光敏化活性氧抗菌液体绷带和废农药瓶等容器的芬顿法处理方案。方案中采用维生素B2片、护肤甘油、硫酸亚铁花肥(花卉市场可买到)和过氧化氢消毒液等市售的商品代替专用化学试剂(图 4)。这样不仅使非专业受众能获得试剂购买渠道，同时也消除了他们在脱离指导、独立操作时的畏惧心理，安全简便地解决生活需求(如抗菌防护)、保护环境(如废农药容器处理)。对于实践操作中的安全注意事项，如硫酸亚铁和过氧化氢的保存和使用等我们也做了较为细致的说明。

图4

图4 科普实验中推荐使用的生活化试剂

(A) 维生素B2；(B) 护肤甘油；(C) 硫酸亚铁花肥；(D) 过氧化氢消毒液

总结而言，在备赛和参赛中对标大赛要求、“严谨、有趣、致用”地展现“化学之用、化学之趣、化学之美”是一个需要多方面思考和解决问题的过程。同时，我们也发现这其实也是“具体而微”地落实和改进高校化学实验教学的过程。我们需要思考和解决如何在科普(教学)实践中教授新知，如何分析受众(学生)的特点并据此构建合理有效的知识呈现和传播形式，如何结合多种技术支持手段获得更好的科普(教学)效果，如何引导受众(学生)主动思考和解决问题，增强担当意识和创新思维等。本次赛事对于教师的带动和敦促作用十分显著，其中的反思和突破对创新视角下实验教学的构设、组织和实施都大有助益。

2 贯彻大赛宗旨，推进实验教改和教师发展

本赛事的长足发展对高校化学实验教学改革非常重要，它的引领作用和平台功能将日益凸显。目前赛事相关各方都积累了一定的经验，取得了阶段性的成果，正是回顾总结、补短扬长、推进工作的好时机。如何结合大赛经验深化高校化学实验教学改革，我们提出了以下几点构想及经验与各位同行分享。

2.1 推广实验项目与科普活动，提升大赛影响力

通过赛事的举行，每支参赛队伍都呈现出了精心设计的参赛项目。这些项目综合度高、内容新颖、适合本科实验教学，体现了高校师生化学实验教学改革的成果，具有推广应用价值。通过大赛平台整合这些实验项目、集结出版教材则打通了教研成果落实到课堂的最后环节，将实现更大范围的成果共享、有效拉动各院校的实验教改，使更多师生受益。与此同时，大赛平台可以组织科普实验项目矩阵、开展巡回专场科普活动或开发系列科普传播视频、打造科普活动品牌，将大赛成果推向社会。相信在大赛组委会的领导和组织下，通过大赛的后期推广工作可以更加充分地展示高校师生的社会担当、弘扬化学魅力、体现学科价值、吸引未来人才、提升大赛影响力。

2.2 锻造专业水平与团队合力，建设高水平实验技术队伍

实验技术教师的工作重心在于实验教学与实验技术支持，是实验教改与技术研究的重要生力军[9]。本赛事聚焦实验教学改革，给各高校实验中心的实验技术教师提供了施展渠道，也为打造高水平实验技术队伍指明了方向。

本次备赛、参赛的经历使我们认识到实验技术人员应该加强学术素养，只有具有一定学术研究基础才能高质量地反哺实验教学。实验技术教师应立足于科研、积极参加教学研究、充分挖掘出角色潜力，走好职业道路。同时，实验教师要抓好实验课堂教学这一环节。在实验讲授中引入更多的教学设计，增加相关的前沿研究拓展，注重启发式、探究式的教学方式，培养学生创新意识。此外，因为每个教师有各自的专业领域，有独到的教学见解，所以组织教师之间的教学研讨是很有必要的。总之，我们要注重引导实验技术教师提升自我、加强交流，达到建设队伍、凝聚合力的目的。只有建设好高水平的实验技术队伍，才能提振实验中心的开拓和保障能力，激发实验教学和技术支持的创新研究，使实验技术教师成为人才培养的新型生力军。

2.3 丰富课程资源与培养方式，拉升学生质量与竞争实力

人才培养是竞赛之本。本赛事对参赛学生的综合素质要求较高，学生需要具备创新意识和实施能力。扎实的专业基础、宽广的知识视野、规范熟练的实验操作能力、丰富的多媒体技术、较强的表达能力以及良好的心理素质和协作精神必不可少。这些正是化学专业学生的人才培养要素。

基于上述理解，我们需要对标地、多途径地创设资源和条件以期提高学生培养质量。首先，我们可以进一步有针对性地进行课程资源建设。虚拟仿真课程资源能够脱离实际条件的限制，向学生展示学术前沿研究成果及其实验过程，对拓宽学生知识视野、激发创新意识、触发创新思维独具优势。目前，我院开设了“涉及高危综合实验——二维纳米材料的制备和表征”(国家级一流虚拟仿真实验课程)以及“电致化学发光肿瘤标志物生物传感器的构建”(重庆市级一流虚拟仿真实验课程)等虚拟仿真实验课程。虚拟仿真实验可以帮助提高学生的理论知识水平、动手操作能力，开发学生的创新能力。后续我们将继续丰富相关课程资源，进一步搭建学生创新能力培养的课程阵列。其次，我们将进一步增加综合实验在实验教学项目中的比重，加深学生对理论知识、实验技能、仪器技术等学习内容的融会贯通。此外，我们还将继续扩大实验课程考核方式的改革。目前我们在部分实验课程小范围地推行实验答辩的考核形式。学生随机抽取实验课程的某一实验项目，在给定时间内完成准备工作之后向教师和同学当场阐述实验内容、演示主要操作、陈述实验成败关键、评价实验方法、提炼技能和知识重点、梳理创新节点，提出创新设想。这种方式比之卷面考试不仅可以系统性地考察学生对理论知识、实验课程及项目的理解和掌握情况，同时也训练了学生的表达、谈吐、应变能力和思维品质，但存在总体时间过长、教师负荷较大的问题。我们将进一步在实践中探索总结如何根据实验课程特点合理化地设置考察度高、区分效果好、可操作性强的一种或多种并举的考核方式。

3 结语

全国大学生化学实验创新设计大赛是拉动高校化学实验教学改革的重要平台。它的继续完善将促使其在更多层面发挥影响力。对于高校师生而言，参赛的过程就是一个检验、校正高校化学实验教学现状和目标的过程。我们应该结合大赛经验，抓住创新主线，在教、研、学的过程里不断载入更多的尝试与改革，实现化学实验教学的广收博取、与时俱进，使之焕发新的生机与活力，更好地满足人才培养的时代需要。

参考文献

[2]

"中国特色高等教育思想体系研究"课题组; 周远清; 瞿振元; 陈浩; 刘献君; 别敦荣; 周光礼; 宣勇. 中国高教研究, 2017, (4), 1.

URL [本文引用: 1]

[3]

龚静鸣; 张文华; 李芳; 徐晖; 周燕平; 梁沛; 熊博; 高婷娟; 原弘; 万坚. 大学化学, 2019, 34 (6), 26.

URL [本文引用: 1]

[5]

徐骁; 杨祥龙; 陈婷; 丁星; 陈浩. 华中农业大学学报, 2020, 39 (5), 1.

URL [本文引用: 2]

[6]

Nosaka Y. ; Nosaka A. Y. Chem. Rev. 2017, 117, 11302.

[本文引用: 1]

网址：“取竞通优”——第2届全国大学生化学实验创新设计大赛的赛后总结与思考 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/199500

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