序言：寫作是分享個(gè)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(shí)驗(yàn)課程的改革樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。

2016年，自教育部正式提出“新工科”建設(shè)以來(lái)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”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(dòng)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(huì)需求的緊密對(duì)接，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的新型人才[2]，是“新工科”建設(shè)以來(lái)面臨的重要問題。應(yīng)用化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)面廣，綜合性強(qiáng)，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(shì)的重要抓手[3]。作為一門多學(xué)科交叉的綜合性實(shí)驗(yàn)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(qiáng)知識(shí)應(yīng)用能力的拓展，強(qiáng)化專業(yè)的應(yīng)用特色，體現(xiàn)與行業(yè)企業(yè)的對(duì)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(duì)標(biāo)國(guó)家“新工科”建設(shè)要求，結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)課程近年來(lái)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(shí)驗(yàn)教材

我們凸顯實(shí)驗(yàn)教學(xué)的中心地位，將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)成為創(chuàng)新教學(xué)的主體角色。早在2006年，就對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和內(nèi)容進(jìn)行了整體優(yōu)化和整合，按照“強(qiáng)化設(shè)計(jì)、注重綜合、培養(yǎng)創(chuàng)新、提高能力”原則[5]，率先單獨(dú)設(shè)置了應(yīng)用化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用化學(xué)科學(xué)訓(xùn)練兩門課，強(qiáng)化綜合實(shí)驗(yàn)和科研訓(xùn)練，并組織年輕教師撰寫了實(shí)驗(yàn)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(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)講義的基礎(chǔ)上，編寫了實(shí)驗(yàn)教材《化學(xué)化工綜合實(shí)驗(yàn)》，由中南大學(xué)出版社出版。此次編寫，發(fā)揚(yáng)了講義原有的優(yōu)點(diǎn)和特色，即采用模塊化編寫的方式，全書由研究類實(shí)驗(yàn)、工藝類實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)三大模塊組成(表1)。及時(shí)更新了研究類實(shí)驗(yàn)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(shí)和學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的交叉、融合和綜合運(yùn)用，體現(xiàn)了綜合性、設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，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(shí)際應(yīng)用成果，注重學(xué)生實(shí)踐能力和工程能力的培養(yǎng)；二是增加了虛擬仿真類實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將其分為研究類、工藝類和虛擬仿真類。研究類實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)踐能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(shí)，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(diǎn)，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(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“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(cè)試”“食品危害因子的拉曼快速檢測(cè)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(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”“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(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為必修項(xiàng)目，總96學(xué)時(shí)。優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅體現(xiàn)了綜合性、設(shè)計(jì)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(shí)和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)用房5793m2，擁有60余臺(tái)套大型精密分析測(cè)試設(shè)備及配套運(yùn)行設(shè)施，設(shè)備資產(chǎn)總值8000余萬(wàn)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(cè)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(shí)間，提高課堂效率，并能讓學(xué)生有足夠的時(shí)間操作大型儀器，2018年以來(lái)，我們借助虛擬仿真平臺(tái)，開發(fā)了系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(包括臺(tái)式X射線衍射儀、臺(tái)式掃描電鏡、核磁共振、紅外光譜、紫外-可見分光光度計(jì)、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(shí)驗(yàn))，構(gòu)建了線上線下協(xié)同教學(xué)的模式。線上的實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)，預(yù)約并進(jìn)入大型儀器平臺(tái)學(xué)習(xí)。平臺(tái)中根據(jù)儀器設(shè)備特點(diǎn)，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(shí)間、任何地點(diǎn)登陸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)過程中能正確操作儀器，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，并防止儀器損壞。實(shí)踐表明，課前進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，實(shí)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(dòng)學(xué)生的積極性和參與性，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力具有重要的作用[3]。線下的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了學(xué)生“實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)料→數(shù)據(jù)分析→科研小論文”的全過程培養(yǎng)[5]，強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科知識(shí)技能的交叉、融合和綜合運(yùn)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(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)開設(shè)的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景知識(shí)和研究前沿，寫出文獻(xiàn)綜述。在此基礎(chǔ)上，小組對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，可適當(dāng)修改實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)一步修改完善。通過這種方式提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。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(shí)驗(yàn)中，我們?cè)试S學(xué)生采用簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)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(wú)機(jī)納米顆粒形貌和粒徑的因素后，再擬定具體實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證滴加的順序和速度對(duì)形貌和粒徑的影響。實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)過程中，小組隨時(shí)開展討論會(huì)，分析和討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，教師可參與討論并給予建議。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，要求學(xué)生按照《化學(xué)學(xué)報(bào)》格式撰寫科研小論文。對(duì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可能的情況下可將論文投稿發(fā)表，或參加國(guó)家的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大賽。實(shí)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(shí)驗(yàn)技能，強(qiáng)化了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生了解發(fā)展無(wú)鹵阻燃劑的緊迫性，激發(fā)學(xué)生為國(guó)家做貢獻(xiàn)的社會(huì)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(shí)。通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較與分析，總結(jié)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)失敗的原因，引導(dǎo)學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)，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(shí)的科學(xué)態(tài)度以及熱愛科學(xué)的價(jià)值觀念等等。

5探索開放模式

除了必修的12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)，自由選擇并完成其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)后，可開展“氯氧鉍的表面修飾及光催化性能研究”實(shí)驗(yàn)。中南大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室24小時(shí)開放，學(xué)生可利用課余時(shí)間通過平臺(tái)預(yù)約實(shí)驗(yàn)，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明，通過開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生得到了更多自主實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，激發(fā)了學(xué)生的科研熱情。

6多元評(píng)價(jià)體系

中南大學(xué)規(guī)定，實(shí)驗(yàn)總成績(jī)按“平時(shí)70%+期末考試30%”組成。平時(shí)成績(jī)考核中，我們采用多元方法完善過程性評(píng)價(jià)(表2)，主要由實(shí)驗(yàn)前的線上預(yù)習(xí)、文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中的操作規(guī)范性、內(nèi)容完成情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及課后的科研小論文和小組匯報(bào)等三時(shí)段組成。同時(shí)引入指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)員評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)、小組間互評(píng)的多元方式，也注重PPT制作能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過程性評(píng)價(jià)能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，有效提高學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量，能全面客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，真實(shí)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(duì)綜合實(shí)驗(yàn)的興趣普遍提高，參加開放實(shí)驗(yàn)的積極性明顯提高。近3年(2019–2021)參加開放實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)訓(xùn)練，學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)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(duì)人才培養(yǎng)的新要求。近3年來(lái)，專業(yè)學(xué)生承擔(dān)的國(guó)家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目50余項(xiàng)，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(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、中國(guó)大學(xué)生Chem-E-Car競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)賽、全國(guó)大學(xué)生化工實(shí)驗(yàn)大賽、全國(guó)大學(xué)生化工設(shè)計(jì)等競(jìng)賽，獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)40余項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王強(qiáng).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