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摘要：探討了化學實驗課程在基于能力導向的教學理念下，通過新增設綜合性設計性實驗，以堿式碳酸銅的制備與設計實驗項目為例，闡述了培養具有綜合實驗設計思維能力和創新能力的應用型復合人才。通過引導學生查閱文獻，提高學生實驗探究興趣；激發學生化學實驗方案設計思維，獲取優良品質實驗產物；通過實驗表征測試分析，激發學生化學實驗創新思維；實驗課后自主學習思考，進一步鞏固實驗方案設計和創新能力，使化學實驗課程目標、課程模塊描述和內容、教學方法、思維方法等支撐相應工科專業的畢業要求。

關鍵詞：實驗課程目標；實驗方案設計；創新思維

化學實驗是工科化工、材料、機械、環境類等專業實踐課程的重要組成部分，基于能力導向的自主設計實驗利于提升工科學生專業素養。實驗室“三廢”的處理和固廢資源綠色循環利用，培養學生在實驗中遇到問題的實驗分析和解決能力，掌握化合物制備方法、化學常用儀器的使用方法及實驗操作技術，實驗室安全環保意識素質等等都是化學實驗教學需要探究的課題[1-3]。在化學實驗課程教學過程中，通過訓練實驗方案的設計與實施，有利于激發學生綜合運用所掌握的化學、計算機等方面知識，積極思考，激發化學實驗課程實施過程的積極性和主動性，從而進一步深化和拓展綜合化學知識，擴展學生的創新思維視角，培養學生的嚴謹科學態度，提高學生解決實際問題的技能。化學實驗課不僅是學生獲取知識與技能的重要途徑，更是培養學生創新精神和思維能力的重要渠道[4-5]。本文以堿式碳酸銅的設計和制備實驗為例，闡述實驗教學團隊激發學生實驗方案設計和創新思維能力的探索。

1引導激發學生實驗探究興趣

興趣是驅動人的重要動能，通過引導學生查文獻資料掌握實驗目標產物物化性質、結構及獨特功效，加深學生知識記憶，提高學生探究實驗知識的興趣。天然孔雀石和硅孔雀石從顏色看主要呈暗綠色或淡藍綠色，常與其他含銅礦物共生，主要成分為堿式碳酸銅。孔雀石化學成分為Cu2（OH）2CO3，屬單斜晶系P21/a，如圖1所示。晶體形態常呈柱狀或針狀，十分稀少，通常呈隱晶鐘乳狀、塊狀、皮殼狀、結核狀和纖維狀集合體。如果用其他二價陽離子如Mg、Zn、Fe、Cu或Ni取代Cu2+是可能的，并轉化生成與孔雀石相同的環境中的不同晶體類型P21/b11結構。古埃及人曾經將孔雀石尊稱為“神石”，并認為它具有驅除邪惡的作用，所以將其作為護身符；在德國，人們認為佩戴孔雀石可以避免死亡的威脅，從根本上說也是護身符的作用[6]。通過引導學生掌握實驗目標產物獨特功效和應用，有利于學生立足于新工科建設理念與實踐的前期探索，強化對自然界的熱愛和學習無機化學、晶體結構和礦物實驗合成的神奇和自豪感，了解其廣泛應用的領域。堿式碳酸銅即孔雀石主要的功效和產業化應用如表1。

2激發學生實驗方案的設計思維

根據學生的專業特點和教學大綱要求，實驗課程中讓學生查閱資料了解堿式碳酸銅的制備原理和方法，通過查閱資料合理解釋思考題，并給出堿式碳酸銅的制備原理和方法。引導學生思考：哪些銅鹽適合于制取堿式碳酸銅？初步掌握堿式碳酸銅制備的最佳反應條件的實驗方案設計；如何確定實驗條件，嘗試用已經獲得的知識和技術解決實際問題。關于可溶性銅鹽和化合物的選擇，比較常見的有硫酸銅、硝酸銅、氯化銅、乙酸銅，可以引導學生思考，選擇每種原料的設計緣由，比如從陰離子硫酸根離子考慮，在使用硫酸銅制備目標產物時，硫酸根離子體積較大，形成沉淀時，易形成包合物，導致產物不純；而使用乙酸銅時，價格相對較高；使用硝酸銅時，可能形成較多的硝酸鈉，屬于易制爆危化品，實驗存在安全隱患。學生經過系列的創新型思維思考后，大大提升了理工科專業的知識和視野，也激發了學生自主設計實驗方案的欲望[7-8]。

3產品表征測試激發創新思維

創設實驗思維情景，培養獨立分析、解決問題以及實驗創新思維的能力，以達到實驗的教學目標和要求[9]。引導學生思考：堿式碳酸銅的反應物配比、反應溫度、反應時間，pH等參數條件不同得到的實驗現象和產品的差別是否影響堿式碳酸銅的晶體結構？通過何種手段表征檢測？它與標準的孔雀石晶體結構是否有差異？圖2堿式碳酸銅及孔雀石標準XRD譜圖Fig.2StandardXRDspectrumofbasiccoppercarbonateandmalachite通過對學生合成的堿式碳酸銅產品與孔雀石標準的X射線衍射圖（圖2）進行對比，可以發現出現衍射峰的位置大致相同，衍射峰（020）（120）（220）（20-1）（021）（21-1）（240）（250）和強度均與單斜晶系孔雀石標準譜圖（JCPDScard41-1390）一致，未見氧化銅、堿式硝酸銅及其他雜質衍射峰。由此可見，學生合成的堿式碳酸銅產品是合格的，此外XRD圖譜的各衍射峰均尖銳，說明堿式碳酸銅粉體顆粒細小。經過表征測試和引導思考后，充分激發學生創新思維的欲望，使學生在實驗操作和分析實驗問題的過程中，獲得廣闊的思維空間，系統培養學生創新思維的嚴謹性。對學生實驗合成的堿式碳酸銅產品進行紅外光譜FT-IR測試（見圖3）發現：590cm-1、1047cm-1、1192cm-1是Cu-O的伸縮振動吸收峰，3398cm-1、2894cm-1為羥基（-OH）的伸縮振動峰，873cm-1是（-OH）彎曲振動吸收峰，760cm-1、793cm-1是O-C-O的彎曲振動吸收峰，1508cm-1、1396cm-1為O-C-O的伸縮振動吸收峰，這些都屬于堿式碳酸銅的特征吸收峰，進一步說明反應產物為堿式碳酸銅，更加證實了學生合成的堿式碳酸銅產品是合格的，因而提升了學生的紅外FT-IR表征測試和數據解析能力，拓寬了思維空間。通過對學生制備的納米堿式碳酸銅產品進行SEM測試（見圖4）發現，其外形近似花蕊管狀，樣品尺寸為50～100nm，管長約1～2μm，少量大尺寸球形樣品是由于局部溶液反應物濃度偏高，生成的納米堿式碳酸銅小顆粒在氫鍵作用下聚集生長所致。讓學生通過掌握樣品SEM測試，優化人才培養全過程，學會觀察其微觀結構和形貌，關注人才培養成效和學習成果，激發學生設計合成新物質材料思維，提高學生探索微觀世界的興趣。

4課后鞏固實驗設計和創新能力

隨著合肥學院各工科類專業工程教育專業認證和新工科教育教學改革工作的深入，正全面扎實推進培養綜合型人才和模塊化、雙元制教育教學改革。實驗課程結束后，老師對開設的實驗項目是否符合專業培養目標和本門實驗課程教學大綱要求，是否覆蓋本課程實驗教學主要內容進行進一步的自查。學生實驗原始記錄完整，實驗數據真實、可信，數據處理方法正確，對實驗結果和問題能夠進行認真分析；對實驗報告批改規范、仔細無誤，批閱涂改痕跡少；每份報告有老師的評語和簽名，對優秀或有明顯缺陷的報告有針對性地進行自查[10]。通過引導學生查找目標課題的國內外文獻，提高學生實驗探究的興趣，激發學生化學實驗方案設計思維，獲取優良品質實驗產品；再通過產物表征測試，激發學生化學實驗的創新思維，實驗課后要進行自主學習思考，進一步鞏固實驗方案設計和創新能力，使化學實驗課程目標、課程模塊描述和內容、教學方法、思維方法等能夠支撐相應工科專業的畢業要求。這樣便可以全面踐行“學生中心，產出導向”“面向社會持續深化應用創新型人才”的培養理念，進一步完善能力導向新工科實踐類體系的建設和實施路徑。此外，堿式碳酸銅的制備和設計實驗課程里，還有很多可以挖掘的知識點，可以通過這些知識點訓練進一步培養學生的實驗方案綜合設計和創新能力，例如：①除反應物的配比和反應溫度對本實驗的結果有影響外，反應物種類、反應濃度、反應進行的時間等是否對產物的質量、微觀形貌有影響？②自行設計一個實驗，根據產物中碳酸氫根、碳酸根離子的含量不同，壓制成型組裝測試電導率，根據電導率的高低差異，從而定級所制得堿式碳酸銅的品質。

作者：陽杰 李萌 鄧崇海 胡坤宏 董強 尹奇異 單位：合肥學院 能源材料與化工學院