序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的新工科背景下化學(xué)綜合實驗課程的改革樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

2016年，自教育部正式提出“新工科”建設(shè)以來，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。中南大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)是介于化學(xué)和化工之間的應(yīng)用理科專業(yè)，如何推動應(yīng)用理科向工科延伸，體現(xiàn)化學(xué)面向應(yīng)用的發(fā)展思路并與社會需求的緊密對接，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的新型人才[2]，是“新工科”建設(shè)以來面臨的重要問題。應(yīng)用化學(xué)綜合實驗是專業(yè)教學(xué)體系的重要組成部分，內(nèi)容涉及化學(xué)、化工、材料、生命、環(huán)境、能源、醫(yī)藥等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，知識面廣，綜合性強，在專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用，也是體現(xiàn)專業(yè)特色和優(yōu)勢的重要抓手[3]。作為一門多學(xué)科交叉的綜合性實驗課程，如何更新教學(xué)理念，調(diào)整教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)，豐富教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，加強知識應(yīng)用能力的拓展，強化專業(yè)的應(yīng)用特色，體現(xiàn)與行業(yè)企業(yè)的對接，使專業(yè)人才培養(yǎng)能夠更好地適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展需要，是當(dāng)前新工科背景下亟待解決的關(guān)鍵問題[4]。本文對標(biāo)國家“新工科”建設(shè)要求，結(jié)合本專業(yè)特點和優(yōu)勢，介紹了我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)的應(yīng)用化學(xué)綜合實驗課程近年來的有益探索[5]，期望為其他高校的相關(guān)專業(yè)及課程開展“新工科”背景下的改革提供參考。

1編寫實驗教材

我們凸顯實驗教學(xué)的中心地位，將實驗教學(xué)由理論教學(xué)的“從屬”轉(zhuǎn)變?yōu)槿瞬排囵B(yǎng)的“重要組成部分”，讓實驗教學(xué)成為創(chuàng)新教學(xué)的主體角色。早在2006年，就對原有的實驗教學(xué)體系和內(nèi)容進(jìn)行了整體優(yōu)化和整合，按照“強化設(shè)計、注重綜合、培養(yǎng)創(chuàng)新、提高能力”原則[5]，率先單獨設(shè)置了應(yīng)用化學(xué)綜合實驗和應(yīng)用化學(xué)科學(xué)訓(xùn)練兩門課，強化綜合實驗和科研訓(xùn)練，并組織年輕教師撰寫了實驗講義。2020年，課程組根據(jù)“新工科”建設(shè)要求，進(jìn)一步更新教育理念，以提升學(xué)生解決復(fù)雜問題及實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，在實驗講義的基礎(chǔ)上，編寫了實驗教材《化學(xué)化工綜合實驗》，由中南大學(xué)出版社出版。此次編寫，發(fā)揚了講義原有的優(yōu)點和特色，即采用模塊化編寫的方式，全書由研究類實驗、工藝類實驗和虛擬仿真類實驗三大模塊組成(表1)。及時更新了研究類實驗的內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，內(nèi)容反映學(xué)科前沿知識和學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，強調(diào)多學(xué)科知識的交叉、融合和綜合運用，體現(xiàn)了綜合性、設(shè)計性和研究性。在此基礎(chǔ)上，融入了“新工科”內(nèi)容[4,6]。一是增加了工藝類實驗，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)為主要目標(biāo)，內(nèi)容反映行業(yè)企業(yè)現(xiàn)行技術(shù)和實際應(yīng)用成果，注重學(xué)生實踐能力和工程能力的培養(yǎng)；二是增加了虛擬仿真類實驗，推動信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合；三是提供了附錄，給出了“化學(xué)常用軟件簡介”以及“部分大型儀器的原理和使用方法”，注重大型儀器分析和虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，促成多元協(xié)同的混合式教學(xué)。

2豐富教學(xué)內(nèi)容

在“新工科”背景下，我們重構(gòu)并優(yōu)化了實驗項目，將其分為研究類、工藝類和虛擬仿真類。研究類實驗涉及到半導(dǎo)體材料、發(fā)光材料、電池材料、高分子材料、吸附材料、生物醫(yī)學(xué)材料、有機(jī)藥物材料的合成、表征及應(yīng)用，不僅要求學(xué)生合成出新材料，還要求學(xué)生研究材料的合成工藝，考察不同反應(yīng)條件對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及科研創(chuàng)新能力。工藝類實驗涉及化工過程中的工藝流程，包括催化反應(yīng)、萃取、膜分離、離子交換、干燥等工藝，考察工藝參數(shù)的變化對效果的影響，為工藝放大提供參考，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維及實踐能力。虛擬仿真實驗教學(xué)可實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，如高消耗、高污染以及安全隱患大的實驗，大型儀器的操作與使用，化工生產(chǎn)過程中的參數(shù)調(diào)整，完整的工藝過程等，訓(xùn)練學(xué)生的安全意識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。根據(jù)我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的特點，我們精心挑選了“片狀氯氧鉍的合成、表征及其光降解染料分子的研究”“氧化鋅納米粉體的合成及性能研究”“鋰硫材料制備、組裝及性能測試虛擬仿真實驗”“有機(jī)稀土配合物的合成及其熒光特征”“聚磷酸銨的合成及阻燃性能測試”“食品危害因子的拉曼快速檢測及基底材料的制備”“聚苯胺導(dǎo)電聚合膜的制備及表征”“氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合表征血漿中小分子化合物”“氯化氫催化氧化及反應(yīng)動力學(xué)虛擬仿真實驗”“固定床反應(yīng)器中乙醇催化脫水制乙烯”“超臨界二氧化碳萃取花生油”和“二氫吡啶類心血管藥物硝苯地平的合成”等12個實驗項目作為必修項目，總96學(xué)時。優(yōu)化后實驗項目不僅體現(xiàn)了綜合性、設(shè)計性和研究性，可培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研創(chuàng)新能力，還將專業(yè)知識和實際應(yīng)用有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識和技能解決復(fù)雜問題的能力。

3改革教學(xué)形式

中南大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心是國家級實驗教學(xué)示范中心，現(xiàn)有實驗用房5793m2，擁有60余臺套大型精密分析測試設(shè)備及配套運行設(shè)施，設(shè)備資產(chǎn)總值8000余萬元，能夠從事物質(zhì)的形貌、成分、物相、結(jié)構(gòu)及性能等分析測試工作。為了讓學(xué)生了解大型儀器的工作原理和操作規(guī)程，節(jié)約課堂時間，提高課堂效率，并能讓學(xué)生有足夠的時間操作大型儀器，2018年以來，我們借助虛擬仿真平臺，開發(fā)了系列虛擬仿真實驗(包括臺式X射線衍射儀、臺式掃描電鏡、核磁共振、紅外光譜、紫外-可見分光光度計、電化學(xué)分析、液相色譜儀、原子吸收光譜、液-質(zhì)聯(lián)用、氣-質(zhì)聯(lián)用等虛擬仿真實驗)，構(gòu)建了線上線下協(xié)同教學(xué)的模式。線上的實驗要求學(xué)生在實驗前預(yù)習(xí)，預(yù)約并進(jìn)入大型儀器平臺學(xué)習(xí)。平臺中根據(jù)儀器設(shè)備特點，設(shè)置了工作原理、儀器操作、儀器維護(hù)、數(shù)據(jù)分析等模塊。學(xué)生可在任何時間、任何地點登陸虛擬仿真實驗平臺，在系統(tǒng)指令引導(dǎo)下進(jìn)行操作練習(xí)，掌握儀器操作流程，保證在線下的實驗過程中能正確操作儀器，加快實驗進(jìn)程，并防止儀器損壞。實踐表明，課前進(jìn)行虛擬仿真實驗的預(yù)習(xí)，能彌補傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，實現(xiàn)傳統(tǒng)和仿真模擬教學(xué)兩者的有機(jī)結(jié)合，可調(diào)動學(xué)生的積極性和參與性，有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量，對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動手能力以及創(chuàng)新能力具有重要的作用[3]。線下的實驗部分更注重學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的訓(xùn)練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為迎合“新工科”建設(shè)，本課程已實現(xiàn)了學(xué)生“實驗預(yù)習(xí)→文獻(xiàn)調(diào)研→分組討論→材料制備→結(jié)構(gòu)表征→性能評價料→數(shù)據(jù)分析→科研小論文”的全過程培養(yǎng)[5]，強調(diào)了多學(xué)科知識技能的交叉、融合和綜合運用，突出了“學(xué)生中心”，培養(yǎng)了學(xué)生的提出問題、分析問題和解決問題的能力。實踐表明，學(xué)生對開設(shè)的綜合實驗項目表現(xiàn)出極大的興趣，在全過程的培養(yǎng)中，學(xué)生獲得了自信感和成就感。

4改進(jìn)教學(xué)方法

教學(xué)過程中，我們突出學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，達(dá)到提升實驗教學(xué)實效性的目的，具體如圖1所示。上課之前，進(jìn)行線上預(yù)習(xí)，并將學(xué)生分成若干個小組，每組2–3名學(xué)生。要求學(xué)生以組為單位進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，掌握與實驗相關(guān)的背景知識和研究前沿，寫出文獻(xiàn)綜述。在此基礎(chǔ)上，小組對實驗方案進(jìn)行設(shè)計，可適當(dāng)修改實驗方案或修訂反應(yīng)條件，提交給指導(dǎo)老師并與指導(dǎo)老師討論，如老師提出質(zhì)疑，學(xué)生需對實驗方案進(jìn)一步修改完善。通過這種方式提高學(xué)生綜合運用理論知識的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。例如，在“片狀氯氧鉍的合成、表征及其光降解染料分子的研究”實驗中，我們允許學(xué)生采用簡單的共沉淀法制備氯氧鉍，并研究它們的光催化性能，具體的實驗步驟和實驗條件由學(xué)生查閱文獻(xiàn)后討論確定。在氯氧鉍的制備中，需要將硝酸鉍的硝酸溶液和氯化鉀溶液混合，但教材中并沒有明確給出溶液的滴加順序以及滴加的速度，學(xué)生查閱有關(guān)資料，了解影響無機(jī)納米顆粒形貌和粒徑的因素后，再擬定具體實驗方案驗證滴加的順序和速度對形貌和粒徑的影響。實驗過程中，也不斷進(jìn)行著發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、改進(jìn)方案的過程。而且，討論方案和修改方案也是一個持續(xù)改進(jìn)的過程，體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證中的“持續(xù)改進(jìn)”要求。實驗過程中，小組隨時開展討論會，分析和討論實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果以及實驗過程中遇到的問題，教師可參與討論并給予建議。實驗完成后，學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和討論，要求學(xué)生按照《化學(xué)學(xué)報》格式撰寫科研小論文。對有較高創(chuàng)新性的論文，教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步完善實驗內(nèi)容，可能的情況下可將論文投稿發(fā)表，或參加國家的創(chuàng)新實驗大賽。實踐表明，通過全過程的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的實驗技能，強化了學(xué)生的團(tuán)隊合作精神，鍛煉了學(xué)生的科研論文寫作能力。在教學(xué)過程中，我們還加強課程思政，注重工程倫理教育[6,7]。例如，在聚磷酸銨APP的制備及阻燃性能測試實驗中，讓學(xué)生了解發(fā)展無鹵阻燃劑的緊迫性，激發(fā)學(xué)生為國家做貢獻(xiàn)的社會責(zé)任感。在制備APP過程中，通過有機(jī)溶劑苯的使用，培養(yǎng)學(xué)生安全、環(huán)保以及責(zé)任意識。通過引導(dǎo)學(xué)生對所得結(jié)果進(jìn)行比較與分析，總結(jié)在實驗中出現(xiàn)失敗的原因，引導(dǎo)學(xué)生多次實驗，準(zhǔn)確記錄APP的產(chǎn)率、溶解度以及氧指數(shù)等數(shù)據(jù)，樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度以及熱愛科學(xué)的價值觀念等等。

5探索開放模式

除了必修的12個實驗項目外，學(xué)有余力的學(xué)生還可根據(jù)自己的興趣，或通過開放實驗，自由選擇并完成其他實驗項目，進(jìn)行科研訓(xùn)練。例如，學(xué)生在完成“片狀氯氧鉍的合成、表征及其光降解染料分子的研究”的實驗后，可開展“氯氧鉍的表面修飾及光催化性能研究”實驗。中南大學(xué)的實驗室24小時開放，學(xué)生可利用課余時間通過平臺預(yù)約實驗，同一個實驗項目也可進(jìn)行多次實驗。實踐證明，通過開放實驗，學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生得到了更多自主實驗的機(jī)會，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情。

6多元評價體系

中南大學(xué)規(guī)定，實驗總成績按“平時70%+期末考試30%”組成。平時成績考核中，我們采用多元方法完善過程性評價(表2)，主要由實驗前的線上預(yù)習(xí)、文獻(xiàn)調(diào)研和實驗方案設(shè)計，實驗中的操作規(guī)范性、內(nèi)容完成情況和實驗結(jié)果，以及課后的科研小論文和小組匯報等三時段組成。同時引入指導(dǎo)教師評價、實驗員評價、學(xué)生自評、組內(nèi)互評、小組間互評的多元方式，也注重PPT制作能力和語言表達(dá)能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過程性評價能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，有效提高學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量，能全面客觀評價學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，真實地反映學(xué)生的基本情況。

7改革成效

通過以上教學(xué)改革，我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)生對綜合實驗的興趣普遍提高，參加開放實驗的積極性明顯提高。近3年(2019–2021)參加開放實驗的學(xué)生人數(shù)分別為114人、112人、126人，占專業(yè)總?cè)藬?shù)的70%、86%、90%。通過綜合實驗的系統(tǒng)訓(xùn)練，學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、實驗設(shè)計能力、實驗操作能力和科研創(chuàng)新能力都大幅提高，綜合素質(zhì)得到了進(jìn)一步提升，符合“新工科”對人才培養(yǎng)的新要求。近3年來，專業(yè)學(xué)生承擔(dān)的國家級創(chuàng)新訓(xùn)練項目50余項，參與發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇；學(xué)生積極參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽、中國大學(xué)生Chem-E-Car競賽、全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽、全國大學(xué)生化工實驗大賽、全國大學(xué)生化工設(shè)計等競賽，獲國家級獎勵40余項。

參考文獻(xiàn)

[1]王強.大學(xué)化學(xué),2019,34(7),42.

[2]張樹永,朱亞先,霍冀川,宋麗娟,徐華龍,鄭蘭蓀.大學(xué)化學(xué),2020,35(10),6.

[3]雷洪,霍冀川,張廷紅,黃鶴燕.大學(xué)化學(xué),2021,36(5),2010083.

[4]張樹永.大學(xué)化學(xué),2019,34(11),4.

[5]黃健涵,陳立妙,李亞娟,王海燕,唐俊濤,桑商斌,潘春躍,宋相志,羅一鳴,劉又年.大學(xué)化學(xué),2021,36(11),2104015.

[6]張樹永,朱亞先.大學(xué)化學(xué),2021,36(5),2012036.

[7]姜新東,肖林久,李志義,于三三,耿秀娟,封祿田,陳永杰,關(guān)瑾,張東享,閻峰,等.大學(xué)化學(xué),2020,35(10),104.

作者:陳立妙 李亞娟 周發(fā) 厲江華 李嘉偉 劉又年 黃健涵 單位:中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院