开放性实验是对传统实验教学模式的改革，是培养学生动手能力、创新思维和研究能力的有效途径之一，是高校实践教学改革的热点方向，开发新的开放实验是推进开放实验建设的重要任务[1-3]。目前，开放实验教学已经从早期的仅面向专业学生[4, 5]向着可面向非专业学生的方向发展，这为开放实验内容的设计和教学方法的改革提出了新的目标。华中农业大学王建勇等[6]建设了分层次培养的开放实验体系；同济大学王晓岗等[7]探究了趣味实验、基础开放实验和大型仪器开放实验并举的不同层次开放实验；华南农业大学陈敏等[8]探索了分层次开放实验教学的管理平台，分层次教学的方式促进了非专业学生的开放实验建设。西南科技大学霍冀川等[9]则以“趣味化学实验”选修课方式，为非化学类学生甚至文科生提供了进行大学化学实验的机会。辽宁师范大学刘美英等[10]以中级无机化学实验为例，提出了“三维三层次全开放实验教学模式”，适合于不同专业，这些教学方法为加强非专业学生的化学实验能力起到了积极的作用，值得借鉴。然而，这些开放实验往往是依托某门课程的，受课程成绩等因素的制约，学生往往不敢放开想象去大胆实践，因此，有必要探索不依赖于任何课程的化学实验教学模式，课外开放实验是一种好的选择。
西安交通大学有着优良的课外实践育人传统，并于2014年出台了重点实验室面向本科生全面开放的办法[11]，以便贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》的精神。具体开放方式有“开设学科专业选修课或专题讲座”“设立开放性实验项目”及“设立开放性研究或训练项目”等三种类型。其中受益面最广的是“开放性实验项目”，该项目由教学人员开发实验项目，上报教务处批准后，在教务处网站发布，学生每学期自由选择并在课外完成后，由学生处给学生认定“课外8学分”成绩。目前西安交通大学的课外开放实验项目已有500多个，大多数项目限定了学生在2、3年级以上或限定了专业，使大一新生选择课外开放实验的机会减少，这对有效利用学生课余时间是不利的。因此，有必要建设开发更多适合于大面积非专业学生的课外开放实验项目，为学生释放剩余精力和自主学习创造环境。本文从项目开发、教辅资源建设、教学方法改革等多方面介绍大面积课外化学开放实验项目开发与建设的措施与体会。
1 大面积课外开放实验的开发
1.1 实验项目应高度安全，利于学生大胆自主动手实践
在开放实验项目报名期间，常会碰到学生说：我对某某实验项目感兴趣，我能自己完成这个实验吗？可见学生需要做事的信心(Confidence)。从操作上来讲，在保障安全的前提下，学生可以照着操作说明或实验过程演示通过反复实践而自主地完成大部分化学实验操作。所以，在实验设计中首先需要考虑的是安全问题，包括学生人身安全和大型仪器的安全。关于大型仪器，同济大学[7]提出了让学生在开放实验中使用大型仪器的先培训后操作的措施，为做开放实验的学生提供了更多使用大型仪器的机会，但这些措施面对基础薄弱的学生实施起来仍有困难，教师工作量过大，故大面积课外开放实验中应尽量选择结实耐用的低值仪器。我们项目组开发的大面积开放实验中，学生自由操作的最贵仪器是直流电源。当一些实验涉及大型贵重仪器时，再由相关人员带着学生完成测试。比如大一新生选做“电化学法合成碘仿及结构表征”实验项目，电合成所用仪器和试剂都很安全，学生独立设计方案、独立操作，经过电解、提纯及干燥等步骤合成出黄灿灿的产品，对自己的成果非常满意(Satisfaction)。用大型仪器表征时，就由教师和助教带着学生完成了红外光谱等测试工作，在确保不会损坏大型仪器的情况下，也让学生参与了一些具体操作，最后学生将相关测试结果附在实验报告中，学生很有成就感，对实验效果表示满意(Satisfaction)。大面积实验的安全指数要高，尽量不涉及易燃易爆高腐蚀的化学品，当实验中如有少量不可回避的危险操作时应该在教师监护下完成。比如“甲醇燃料电池”实验项目用到了硫酸，在用浓硫酸配制稀硫酸时教师要现场指导，并及时收走浓硫酸，确保学生自主实践时的人身安全。大面积课外实验项目应该高度安全，使学生可以放开手脚自主大胆地操作体验。
1.2 实验项目应难度适当，利于学生解决问题能力的提高
从ARCS动机设计模型可知，当学习者需要通过一定努力而不是轻而易举地达成学习目标的时候，有助于增加自信(Confidence)和满意度(Satisfaction)，从而巩固学习的兴趣和动机。难度适当是课外开放实验教学设计中需要考虑的方面。依据ARCS动机设计模型，我们不能简单地以能不能独立完成操作作为开发实验项目的标准，实验项目既要能自主完成，也应该有一定的难度，要考虑项目在提高学生解决问题能力中的作用。比如“羟基磷灰石人工骨的电化学制备与表征”项目，从实验操作上来说学生可以自己查到实验步骤并据此独立完成实验，但如果想得到满意的制备结果，就需要控制合适的电解电流和电压，当这些条件控制不当的时候，羟基磷灰石就不能牢固地附着在金属基体上，学生只有通过分析问题、解决问题才能得到理想的结果。难度适当是开发实验时需要考虑的问题，我们设计了近20个8学时难度不等的大面积实验项目，使学生有机会体验分析问题、解决问题的过程，体验克服困难后自主完成项目的喜悦和满足感。
1.3 实验项目应具备探究内容，利于学生科学研究意识的培养
为了培养学生的科研意识，在大面积项目开发中也要重视项目的可探究性。比如“锌空气电池的制备研究”项目，按照我们提供的材料，组装电池的操作过程比较简单，但要使LED灯亮、音乐卡响、小风扇转，学生都需要进行一定的探索，另外学生也可探究电解质种类浓度等对电池电压和电流的影响。再如羟基磷灰石人工骨的制备项目，曾有大一第一学期参与该项目的新生在实验中观察到由于气泡的产生使得羟基磷灰石不能牢固地附着在基体表面，三个学生经过讨论，现场改进方案，通过精密称量的方法探索电极种类、电流大小、电解液浓度对电解效果的影响，当看到自己的设计被实验证实，学生对自己一天的忙碌感到很满意。在实验项目的设计上，要考虑新生或非化学化工类学生的专业知识背景，要使得专业基础差的学生仍然可以体会自主设计实验和进行探究证实想法的乐趣。
2 以自主学习为导向的多样化教学资源建设
大面积课外开放实验注重学生的自主实践和自主探索，但也离不开教辅资源。相比于传统实验教学，课外开放实验不与任何课程挂钩，更加注重学生的个体能力锻炼，所以不能简单为学生提供传统形式的实验教材。我们提出了以“预习指导书”“科技文献”“实验演示视频”以及传统型教材一起构成大面积课外开放实验的教辅资源。
2.1 课外实验“预习指导书”的设计
在课外开放实验教学中，更加强调学生的自主学习意识，教师通过“实验预习指导书”指导学生做好实验前的准备工作，其作用与翻转教学中的课前任务书[14]类似，可以引导学生自主完成实验前的知识准备和方案设计工作，是大面积课外开放实验不可或缺的教辅材料。主要内容有：激励学生创新的话语、告知学生设计方案中应包含的内容、关于实验项目及完成项目可以获得的结果、实验室可提供的仪器和试剂的清单、项目可进行的探究性内容提示(提示仅为学生自主设计实验方案提供参考，根据选报实验学生的具体能力也可以不作提示)、实验思考题(帮助学生理解实验原理)等。根据学情，对不同的学生，预习指导书中还可能以附件(或网址)形式提供传统教材型教学资料或实验演示视频。在预习指导书中告诉学生可以提出希望实验室补充提供的仪器试剂、提出希望老师解答的问题等，告诉学生也可以在QQ群提出问题并参与讨论。学生按照预习指导书的引导完成实验计划后，教师只需对安全事项进行强调，纠正一些明显错误的概念，学生就可以按自己的设计自主开始实验。
2.2 科技论文型教学资料的准备及使用方法
科技论文是科学研究工作者工作的总结和升华，阅读科技论文，有助于提高学生的科研认知水平。为了在开放实验教学中渗透对学生科学研究能力的培养，在教辅材料中增加了一篇与开放实验内容比较接近的“科技论文”，论文来自正规的科技期刊，由教师检索获得，在学生完成实验后发给学生浏览，不是在实验前发放。学生从论文中可以了解科研工作者为完成类似课题做了哪些研究、为什么做这样的研究，从而丰富学生的研究思路，学生还可以模仿论文结构完成自己的开放实验报告。学生在做完实验对比文献的过程中，看到自己也能做像已发表论文那样的工作，可以增强学生对自己的信心(Confidence)和对实验的兴趣。
2.3 传统教材型教辅材料和实验技术演示视频建设
每个实验项目都应编写一个与传统实验教材类似的文本资料，采取一个实验对应一个文本的独立方式。该文本主要供教师和实验技术人员准备实验材料和设备使用，也可根据学情调查，随“预习指导书”一起提供给有需要的学生，以便一些基础差的学生能在此基础上改进设计自己的方案。应该注意的是，给学生的文本资料中不能提供太过具体的实验条件，比如“电化学法合成碘仿及结构表征”项目，操作上学生可以自主按实验步骤完成，但电极的粗细、电极浸入电解液的深度、电解电压等因素都会影响到是否能获得电解产物，为了给大面积非专业学生留下自由探索的机会，在给学生提供相关文本资料时，要把条件探索的机会留给学生。
参加开放实验的学生，有些高中没有亲自动手做过化学实验，渴望利用课外时间提高自己的动手实践能力，为此，教师自己录制或在网络上收集了一些实验操作演示视频，供化学实验基础比较差的学生在需要时自主观看，体现分层教学。
3 以学生为中心的混合教学方法改革与实践
通过教辅资源的指引，学生可以自主地完成大面积开放实验的设计与操作，使实践能力得到训练；而创新思维和科研能力的培养则需在教学过程中加强引导。
3.1 强化学生的创新探索，弱化文献查阅过程
一般开放实验的教学流程是：教师布置项目、学生查阅文献并设计方案、进实验室实验、整理数据完成报告。这种教学方式比较适合于有一定专业知识和文献检索知识的学生。张曾昱和王丹[15]认为在学生尚未系统地学习文献检索知识的情况下，往往会依赖百度等搜索引擎，可能造成不良的文献检索习惯，对未来文献知识教学是有害的。另外学生只有具备了一定的专业知识，才能在众多的文献中甄别出有价值的文献。课外开放实验教学中，注意弱化文献检索过程，引导学生进行创新性思维，建议学生在设计实验方案时，根据自己现阶段已有的知识提出自己的方案，减少对文献的依赖。这种情况下，学生如果设计出了自己以前没见过的东西，那怕并不是一个实际意义的创新成果，但站在学生的角度，这就是一种创新，是创新思维的养成过程。比如，锌空气电池项目已经进行了6轮实践，各组学生设计出的电池千奇百态，但只要学生能通过分析问题查找原因让LED灯亮、让音乐卡响、让小风扇转，就及时对学生的创新思想进行鼓励。当然，也允许学生通过查阅文献获得灵感，完成自己的实验方案设计。
3.2 重视并保护学生的探究机会，弱化对实验结果考查
在一次“高铁酸盐的电化学合成”开放实验教学中，由于教师过早地指出学生实验用的NaOH溶液太稀了，结果学生调整浓度后很快出现了紫红色产物，学生的探究兴趣被老师不恰当的指导给破坏了。而在另一次做锌空气电池实验时，教师汲取之前的教训，特别给了学生探究的机会。有一组女同学做了一个电池不能使LED灯亮起来，学生就问老师咋回事该怎么办，这个时候老师没有进行提示，而是鼓励学生和同伴商量讨论分析问题解决问题。当另外两组同学分别用了半小时和1小时使Led灯亮起来了，又开始改进电池也让音乐卡也响了，没有让LED灯亮起来的同学就很着急，但教师坚持让学生自主探索，最后欣喜地看到，当这个小组用了近3个多小时使led灯亮起来的时候，两个女生激动地拉手在实验室蹦了起来。这个实验的原理比前面提到的高铁酸盐实验简单，但学生却是发自内心的喜悦，关键是学生自己经过艰苦的努力解决了问题，体验了ARCS动机设计模型中所说的满意(Satisfaction)。
3.3 激发学生的科学研究激情，使科研思想贯穿始终
对大一新生而言，他们会觉得科研工作是神秘的，是距离自己比较遥远的事情。可以利用期刊上发表的论文拉近学生与科研工作的距离。采取的教学方法是，选一篇论文制作小视频，对论文的每个部分进行分析评论，再告诉学生做完开放实验需要书写实验报告，实验报告应包含的内容与科研论文类似，建议包含以下内容：实验名称、实验原理、实验材料及仪器、实验方法步骤、实验结果与讨论、结论、参考文献、致谢、实验小结等。通过将论文与传统实验报告的格式对比，使学生意识到平时的实验报告其实就是未来论文的雏形，帮助学生初步认识科学研究的过程，使学生了解科学研究的方法。在学生完成开放实验的实际操作后，再给学生提供一篇与实验项目相近的论文帮助学生了解自己所做的工作和论文中工作的异同，在潜移默化中，激发学生的研究激情，培养学生科学研究的能力。
3.4 利用混合教学，实施因材施教
由学情分析可知：选做大面积课外开放实验的学生多数是大一新生，他们的中学化学基础参差不齐，有些学生在高中阶段亲自做过化学实验，且自身实验能力强，但也有一些学生没有亲自做过化学实验，动手做化学实验的能力相对较弱。学生中有些正在参加大学化学(含实验)课程的学习，有些只选学了不包含实验的化学类通识课。面对不同层次不同基础的学生，教学方法和教学手段上要区别对待。比如，在选修32学时“分析化学与社会发展”通识课的学生中，有学生希望能做一些分析化学的实验，但这门课程并不安排实验，这些想做实验的学生有的在大学里不再学习其他化学课程。为此，我们就将“电位滴定法测定锅炉水碱度”及“电化学法废水脱色及COD的测定”等开放实验介绍给学生。对于基础薄弱的学生，则利用混合教学给学生提供足够的视频资源，使学生能自主地通过视频学习，了解实验操作及基本的实验原理，顺利完成实验，提高实践能力。
4 教学效果分析与展望
大面积开放实验的建设为大一新生提供了更多参与课外实践的机会。通过实验项目的设计和教辅资源的使用，可以实现开放实验的低门槛进入，从而扩大开放实验的受益面。通过弱化文献查阅以激发学生的创新思维，通过弱化对实验结果的考查以呵护学生的探究兴趣，通过将科技论文做实验报告模板以帮助学生全面认识科学研究。由于课外化学开放实验不与任何课程挂钩，不受教学大纲制约，学生没有成绩高低的压力，可以更加自由地创造与发挥，更加敢于动手去做，不担心失败，从而有机会感受实验的快乐，有利于学生自主实践以及创新能力的培养。部分参加开放实验的学生说：“化学开放实验的确让我收获颇丰，它首先给我了一个创造思维的空间，让我自由决定想做的实验课题。”“这次实验，不仅带给我知识上的收获，更锻炼了我对知识的应用能力，以及重要的动手能力，发现并解决问题的能力。在今后的学习中，我会更加努力做好活学活用，并重视培养动手能力，掌握科学的学习方法”。“体会到了随机应变的能力，当一种方案不成功，要能及时寻求其他的方案。体验了分析问题的过程，当实验现象与预期现象不一致时，主动分析原因，采取排除法、控制变量法，逐步找到问题所在。提高了动手能力。提高了团队合作能力，增强了同学之间的感情。”“这次实验使我感受到自主学习、探究、并获得实验成功的过程的乐趣，同时也激发了我深入学习的欲望，体会到全身心投入研究的感觉，虽然这只是一次小实验。”
大面积低门槛实验只是我们设计的课外开放实验中的一类，我们也设计了多个针对高年级或专业学生的开放实验。比如“溶胶-凝胶法制备介孔TiO2光催化材料”是针对应用化学专业学生的，有学生通过参加项目申请到国家创新实验项目，并且在陕西省大学生创新竞赛中获得奖励。总之，应该针对不同层次的学生，提供不同层次的课外开放实验，特别是大一新生对大学生活充满好奇，更应为他们提供丰富多彩的课余科技实践活动。
课外化学开放实验教学中还存在一些需要继续探索的问题。曾有学生建议，希望开放实验结束后可以安排一些同学间的讨论，使来自不同院系不同小组的同学之间可以通过讨论相互学习，但限于时间，目前尚没有将实验结束后的讨论纳入教学过程，以后可以尝试利用网络技术实施实验后的讨论。另外，也有学生提出能不能借实验室做一些自己想做的实验，以便验证中学时的一些化学思考，出于安全等各种原因的考虑，目前尚没有给学生提供完全自主的实验条件，课外开放实验项目还是限定在教务处网站公布的项目或者与所学大学化学课程相关的项目，以后有必要探索完全自主的开放实验的实施方式，给学生提供更多自主实践的机会。
参考文献
