能源化工新專業(yè)實驗教學(xué)改革與探索

李春香， 姚忠平， 甘 陽， 楊春暉， 姜兆華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院， 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，與之相應(yīng)的高校專業(yè)設(shè)計、課程設(shè)置也需要改革。以太陽能電池、LED等新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為代表的現(xiàn)代化工對傳統(tǒng)化工高等教育提出新的專業(yè)需求[1]。2011年，全國首批新建立了10個能源化工專業(yè)，我校也被列為其中，相應(yīng)的能源化工專業(yè)實驗也伴隨而生[2]。結(jié)合能源化工專業(yè)特色、地方特色以及國際研究熱點與前沿，能源化工專業(yè)實驗以專業(yè)課程為依托，開設(shè)太陽能電池、生物質(zhì)能源(玉米秸稈產(chǎn)乙醇)、LED、上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體、有機硅五大方向?qū)嶒灐Ｓ捎谀茉椿ば聦I(yè)依托的太陽能電池、LED等產(chǎn)業(yè)，為國際、國內(nèi)近幾年發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)模式尚處于摸索階段，雖然對相應(yīng)的人才需求特征還不十分明確，但均有產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計能力的潛在需求。為此，能源化工專業(yè)實驗引入了產(chǎn)品遞進式實驗教學(xué)理念，對傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學(xué)學(xué)時受限、演示實驗為主、各實驗獨立、實驗結(jié)果局限數(shù)據(jù)分析等方面進行改革。目前，經(jīng)過三輪實驗教學(xué)實踐，證明產(chǎn)品遞進式實驗教學(xué)極大地調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性和積極性，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)生工程能力的培養(yǎng)[3-6]。

1 實驗總體改革設(shè)計思路

本次實驗教學(xué)改革是在調(diào)研國內(nèi)外知名大學(xué)優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)實驗設(shè)置的特點，結(jié)合本校能源化工專業(yè)的專業(yè)課程內(nèi)容設(shè)置，考慮大學(xué)四年級的學(xué)生基礎(chǔ)課、專業(yè)課已學(xué)習(xí)完畢，具有一定的知識儲備和實驗操作技能，以及將要面臨的畢業(yè)設(shè)計等實驗“大課題”，有能力設(shè)計、完成一些綜合性較強的探究性實驗。因此， 能源化工專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容的改革實行產(chǎn)品遞進式，要求從初級化學(xué)試劑循序漸進地獲得科技前沿器件(產(chǎn)品)；教學(xué)學(xué)時設(shè)計上按實驗方向劃分，突破傳統(tǒng)專業(yè)實驗學(xué)時受限的瓶頸[7-8]。希望改革后的能源化工專業(yè)實驗教學(xué)不僅能在內(nèi)容上夯實學(xué)生的基礎(chǔ)知識與基本技能，也能為學(xué)生創(chuàng)造更多的設(shè)計、思考與提升空間，促進學(xué)生工程能力的發(fā)展。

2 實驗改革特色

2.1 實驗學(xué)時數(shù)以實驗方向進行分割，專業(yè)實驗教學(xué)學(xué)時不再受限

能源化工專業(yè)實驗共設(shè)100學(xué)時實驗教學(xué)課時，五大實驗板塊，具體分開16個小實驗(見表1)。與傳統(tǒng)專業(yè)實驗設(shè)置不同，16個小實驗不再規(guī)定具體學(xué)時數(shù)，而是以其歸屬的具體實驗方向總學(xué)時數(shù)為準(zhǔn)。以生物質(zhì)能源實驗方向為例，該實驗板塊計劃實驗教學(xué)22學(xué)時，實際操作從田地玉米秸稈處理到精餾出乙醇，實際需至少5 d的操作時間。教學(xué)學(xué)時少于實際操作學(xué)時，一方面可以將如搖床震蕩發(fā)酵等耗時環(huán)節(jié)不歸入教學(xué)學(xué)時之內(nèi)，節(jié)省教學(xué)學(xué)時數(shù)；另一方面，學(xué)生做實驗將更有緊迫意識，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中“磨洋工”現(xiàn)象不復(fù)存在。同時，學(xué)生為了在計劃教學(xué)學(xué)時內(nèi)完成實驗內(nèi)容，不得不提前預(yù)習(xí)內(nèi)容，將操作步驟爛熟于心，弄懂、弄通實驗原理與訣竅，避免實驗失敗與重做[9]。這與傳統(tǒng)的“被迫式”實驗預(yù)習(xí)方式相比，不僅能減輕實驗授課教師的預(yù)習(xí)核查、督促的負擔(dān)，而且能讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，甚至在預(yù)習(xí)過程中翻閱相關(guān)專業(yè)原理，獲得最佳的實驗預(yù)習(xí)效果，從而達到專業(yè)課程支持專業(yè)實驗，專業(yè)實驗檢驗、復(fù)習(xí)專業(yè)課程教育的實驗教學(xué)要求。

2.2 按實驗方向分割，小實驗逐個連續(xù)

能源化工專業(yè)實驗內(nèi)容設(shè)計以產(chǎn)品遞進式為理念，突破傳統(tǒng)專業(yè)實驗各實驗內(nèi)容獨立的現(xiàn)象。以太陽能電池方向為例，該實驗方向由摻雜改性TiO2的制備、由摻雜改性TiO2粉體制備TiO2納米管、TiO2納米管染料敏化太陽能電池的制備、TiO2納米管染料敏化太陽能電池光伏特性測試4個具體小實驗組成，前一個實驗的產(chǎn)物均為后續(xù)實驗的原料，最終實現(xiàn)從四氯器件相應(yīng)的參數(shù)性質(zhì)。由于實驗產(chǎn)品遞進式，迫使學(xué)生在實驗過程中謹慎操作，避免后續(xù)實驗無原料的現(xiàn)象出現(xiàn)。實踐證明，產(chǎn)品遞進式實驗內(nèi)容設(shè)計，在實驗操作過程中學(xué)生責(zé)任心更強，兩名同組實驗者也更能團結(jié)協(xié)作，杜絕了以往實驗教學(xué)過程中一人“操刀”一人圍觀的現(xiàn)象。學(xué)生在實驗課程教學(xué)過程自覺遵守實驗紀(jì)律，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的遲到、早退、隨意調(diào)、串、曠課的現(xiàn)象基本無發(fā)生。

表1 能源化工專業(yè)實驗項目內(nèi)容及學(xué)時安排

2.3 遵照而不恪守實驗講義，實驗內(nèi)容包含設(shè)計成分

一般實驗教學(xué)采用參照實驗講義，教師指導(dǎo)實驗步驟為主，實驗內(nèi)容主要集中在驗證、演示兩部分，學(xué)生只要按照講義操作步驟進行實驗，均可獲得預(yù)期實驗結(jié)果。一個教學(xué)自然班實驗產(chǎn)物千篇一律，對學(xué)生無吸引力[10]。能源化工專業(yè)實驗在講義設(shè)計以及教學(xué)過程中，采用試劑量范圍化、試劑種類選擇化、實驗條件多樣化等措施，使學(xué)生參與實驗的設(shè)計過程，讓書本上的實驗變?yōu)閷W(xué)生自己的實驗。比如，在上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體方向?qū)嶒炛校瑢W(xué)生可以在雜原子種類、配位比例、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間4個方面進行實驗設(shè)計，使得一個教學(xué)自然班的實驗產(chǎn)物各不相同，如發(fā)光晶體的形貌差異、發(fā)光顏色不同等。讓學(xué)生在整個實驗過程中保持對實驗產(chǎn)物的期待心里，并在實驗結(jié)束后相互比較實驗產(chǎn)物的不同，探討產(chǎn)生差異的深層原因，從而揭露晶體成核、生長規(guī)律以及上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制。這種實驗教學(xué)方法，相比“填鴨式”課堂教學(xué)，驗證性實驗教學(xué)，更讓學(xué)生印象深刻，真正實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，達到實驗課程設(shè)置的教學(xué)目的[11-13]。

2.4 遵循產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式，實驗終產(chǎn)品器件化

由于能源化工專業(yè)開設(shè)的行業(yè)背景是太陽能電池、LED等器件化產(chǎn)業(yè)，行業(yè)的分工、細化尚不十分明確，如LED，大部分企業(yè)集熒光粉的制備、LED電路設(shè)計、LED封裝于一體。因此，能源化工專業(yè)實驗中LED方向?qū)嶒瀮?nèi)容也按照基礎(chǔ)試劑→熒光粉→電路設(shè)計→LED封裝→LED檢測的順序進行。在實際實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在實驗產(chǎn)品器件性能測試后，大部分學(xué)生會將器件珍藏，甚至在找工作過程中向用人單位展示。一個會發(fā)光、能發(fā)電的小器件，不僅大大提高學(xué)生對專業(yè)實驗的興趣與熱情，也是學(xué)生工程能力培養(yǎng)與展示的平臺。

3 實驗教學(xué)效果

3.1 鍛煉學(xué)生綜合解決問題的能力以及發(fā)散性思維

學(xué)生在能源化工專業(yè)實驗中遇到的問題，通常不是孤立的，不能只靠單一的知識點甚至單一的專業(yè)課知識來解決，需要綜合運用多種專業(yè)知識、技術(shù)、方法來解決。在實驗室條件許可的情況下，充分利用實驗室軟硬件資源，為專業(yè)知識的學(xué)習(xí)以及工程能力的培養(yǎng)搭建高水平平臺。譬如在學(xué)生掌握了LED封裝工藝的基礎(chǔ)上，實施LED封裝實驗，不僅需要運用LED專業(yè)知識，也需涉及電路知識、電化學(xué)等多種綜合知識。在此過程中，不僅在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決問題的能力，而且使學(xué)生對于實驗設(shè)計的前瞻性、科學(xué)性、系統(tǒng)性有了更直觀的認識，鍛煉學(xué)生的發(fā)散性思維，提高學(xué)生綜合解決問題的能力[14-15]。

3.2 學(xué)生求同存異心理養(yǎng)成

心理的健康才有身體的健康，心理是改變生活的關(guān)鍵。通過能源化工專業(yè)實驗，不同實驗小組間實驗結(jié)果(產(chǎn)品)是有所不同的，這些產(chǎn)品的差異性使產(chǎn)品多樣化，學(xué)生對差異性的認識，不僅需要克服以往教學(xué)中答案唯一化給學(xué)生帶來的慣性思維，更要意識到“異”的合理存在，“異”不等同于“錯”。這種求同存異心理的養(yǎng)成，有助于學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計、研究生繼續(xù)學(xué)習(xí)或工作中少一分盲目，少一分沮喪，多一分自信與從容。

3.3 從基層到前沿，實現(xiàn)高層次實驗的過渡

專業(yè)實驗內(nèi)容由易到難，專業(yè)知識由淺入深，循序漸進地讓學(xué)生接觸到學(xué)科前沿成果、技術(shù)，不僅有利于學(xué)生從基礎(chǔ)層次到更高層次實驗的順利過渡，也有利于學(xué)生靈活、熟練運用基礎(chǔ)實驗中獲得的新知識、技術(shù)，最終在更高層次的實驗中獲得突破和創(chuàng)新。讓學(xué)生真正的消化專業(yè)知識，了解本專業(yè)，在將來的擇業(yè)、就業(yè)中少些茫然，能夠更早地找到自己感興趣的領(lǐng)域，從而進一步拓展專業(yè)知識和實驗技能，豐富學(xué)生個人發(fā)展的空間。

4 結(jié) 語

依據(jù)能源化工新專業(yè)的產(chǎn)業(yè)背景，在傳統(tǒng)專業(yè)實驗的基礎(chǔ)上，從實驗課程內(nèi)容設(shè)置、學(xué)時安排等多方面進行了實驗教學(xué)改革。克服了傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學(xué)學(xué)時受限、演示實驗為主、各實驗獨立、實驗結(jié)果局限數(shù)據(jù)分析等方面的限制與缺點。運行3年來，獲得良好的教學(xué)效果，且學(xué)生課程結(jié)束后對課程反饋滿意度高，畢業(yè)后對課程反饋收益大。時代在前進，科技在進步。能源化工專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計要與時俱進，逐年不斷改進，才能與科技前沿、產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步。

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