基于創新能力培養的 《精細化工專業實驗》教學改革與實踐*

鄧瑞雪,高嘉嶼,段文錄,吳云驥,劉 普

（河南科技大學化工與制藥學院，河南 洛陽 471023）

綜合素質和創新能力的培養貫穿于教育教學的全過程,不僅要使學生具有扎實的理論基礎知識,更重要的使學生具有較強的實踐能力[1-2]。實踐能力是學生培養質量的重要指標,也是學生具備自主創新能力的重要基礎。實驗教學是學生實踐訓練中一個非常重要的環節,也是提升實踐能力和科技創新能力的主要途徑之一[3]。大量的事實證明,學生實驗技能的高低,決定其科技創新水平的高低。通過提高實驗操作技能來培養學生的創新能力成為一個重要研究課題[4]。

化工是個以實驗為基礎的學科,實驗教學在學生的培養中占用非常重要的地位,起到非常重要的作用[5]。在當前 “大眾創業,萬眾創新”的背景下,創新能力的培養顯得尤為重要。基于以創新能力培養為目的而進行的 《精細化工專業實驗》教學改革與實踐是非常必要的,也是必須的。

1 課程現狀和存在的問題

目前,我校化學工程與工藝為河南省特色專業。每年招180人左右,是化工與制藥學院歷史最悠久,實力最強的專業。化學工程與工藝下設兩個專業方向,高分子化工和精細化工,其中精細化工每年學生的選課人數在120人左右。因此,建設好精細化工專業對于化學工程與工藝專業學生培養質量的提高具有非常重要的意義[6-7]。

目前,精細化工方向的專業實驗分為兩個主要方向:“天然產物化工”和 “精細化工”,共計64學時,設計了12個實驗,均為驗證性實驗。其中 “天然產物化工”實驗依托專業課《天然產物化工》,而精細化工實驗依托課程 《精細化工產品及工藝》。目前,精細化工專業實驗教學存在如下問題:

(1）設置的實驗多為已知實驗過程的簡單重復和已知實驗結論的驗證,要求學生按照講義規定的程序操作實驗并完成實驗報告,這種實驗教學模式不利于激發學生的學習興趣和創新欲望[8]。(2）兩個專業方向實驗內容存在一定程度的重復。隨著科學的發展,制備天然產物精細化工產品成為一種趨勢。因此,需要對實驗內容進行進一步的優化,整合優勢資源來建設好本專業實驗[9]。(3）在大學教學中,教學與科研是一個具有內在聯系的不可分割的統一體,課程教學的知識可以轉變為科學研究的思路,科學研究成果也可以歸納成教學內容[10-11]。目前,科研成果與教學之間還沒有形成良好的相互促進關系,因此,需要將課題組的部分科研成果融合到實驗教學中。(4）精細化工專業實驗中會涉及到部分精細化工產品的分析和結構的表征等內容。原來缺少相關的儀器設備,涉及到分析和表征的實驗都無法開設。而大型儀器作為現代研究中一個非常重要的工具,對于培養學生的實驗技能和創新能力具有重要的作用[12]。因此,充分利用目前學院購置的大型儀器設備,結合精細化工專業實驗內容設計開發一些相關的綜合設計性實驗成為當務之急。

因此,針對以上存在的問題及目前的良好的科研環境和實驗條件。課題組計劃在更新實驗教學內容、優化實驗設計、增加綜合性實驗和改進實驗教學方式及考核方法等幾個方面進行改革,期望能夠進一步增強學生的實踐創新能力,培養出更優秀的學生。

2 具體改革措施

2.1 《精細化工專業實驗》教學內容修訂

表1 調整后實驗項目設置Table 1 The arrangement of the experiments

目前該實驗的教學內容主要包括 “天然產物化工實驗”和“精細化工實驗”兩部分,修訂時擬打破課程局限,設計成一門課— 《精細化工專業實驗》。通過對實驗目的和方案的分析,刪除一些由于理論課教學內容的變更而沒有基礎的實驗,如弱酸性染料的染色。增加一些與目前實際需求相關的實驗,如“天然產物功能因子化妝品的制備及性能測試”；同時依靠我院分析測試儀器平臺,設計 “從丹皮中提取丹皮酚和單萜苷類化合物方法及產物分析”實驗；另外,針對原來的局限于驗證原理和單純地學習精細化工單元操作,缺少與生產實際相結合的實驗,造成學生綜合運用知識能力欠缺等問題,擬依托我院新建的熱模實訓實踐平臺,開設 “精細化工產品—乙酸乙酯的合成、中和、精餾及二次精餾中試操作”實驗項目,等等。通過修訂,使教學內容設置更有針對性和合理性,充分利用學院的現有資源,給學生提供了更多的實踐機會,能夠進一步提高學生的動手能力和分析問題的能力,滿足創新人才培養的需要。

2.2 《精細化工專業實驗》綜合設計性實驗的設計

在優化實驗教學內容的基礎上,擬增加3-4個綜合設計性實驗,內容涵蓋目前的 “精細化工”和 “天然產物化工”兩部分實驗。如設計了 “天然產物功能因子化妝品的制備和性能測試”,通過將從天然產物中提取得到具有美白和抗輻射作用的提取物添加到護膚品和面膜中來制備天然產物功能因子精細化工產品。實驗內容涉及到天然產物化工中的提取分離,以及精細化工中表面活性劑的性能及在洗滌用品中的應用等內容。并且制備的產品學生可以帶回去試用。達到了調動學生的積極性,提高實驗效果的目的。除此之外,設計了 “從丹皮中提取丹皮酚和單萜苷類化合物方法及產物分析”,以及 “液體香波制備及其粘度和泡沫性能測定”等實驗項目。

在 “液體香波制備及其劑粘度和泡沫性能測定”實驗中,改變以往采用單一配方讓學生按照要求進行實驗的方法,在實驗過程中根據表面活性劑的種類及用量的變化設計了4個不同的參考配方讓學生在實驗過程中選擇。同時,在授課過程中明確了配方設計原則,提示學生除了選擇上面的四個配方外,還可以根據自己檢索文獻的情況,結合課堂教學中掌握的不同類型表面活性劑的性質,自主選擇合適的配方來進行實驗。實驗室提供了多種不同極性,不同結構特征的表面活性劑及其它助劑等來供學生選擇。制備得到的香波通過測定黏度和泡沫性能來評價產品性能。實驗結束后,學生可以將自己配置的香波帶回去使用,通過洗手,洗發等來感受產品的性質。

由實驗結果可以看出,大多數學生配方選擇了不相同配方,制備香波的黏度和泡沫性能的數值也不一致。學生使用后,反映不同配方的產品洗滌效果也不完全一致。在此基礎上,組織學生對實驗情況進行討論,分析配方的差異對產品黏度、泡沫性能及使用性的影響,進一步理解精細化工產品的大量采用復配技術的這一特點。通過實驗過程分析及結果討論,學生對不同配方洗發香波的性能有了進一步掌握,同時也深入理解了配方在精細化工產品制備中所具有的地位及所起的作用,鞏固了理論知識的學習。

這些綜合設計性實驗的設計與實施,能夠進一步提高學生的學習興趣、自主學習能力和動手能力,更重要的是培養了學生的創新意識和創新能力。同時,學生的文獻獲取能力、表達能力和分析問題、解決問題能力等也得到了加強[13-14]。

2.3 科研成果與 《精細化工專業實驗》的有機結合

隨著我院精細化工專業方向教師科研能力的增強,近年在精細化工產品制備及天然產物化工研究等方面取得了較好的科研成果。這些成果與 《精細化工專業實驗》的結合將會對理論和實踐教學效果起到很好的促進作用。根據課題組在天然產物化妝品和洗滌用品,以及天然產物提取分離等方面的科研積累,設計了 “天然產物功能因子化妝品的制備和性能測試”；根據天然產物提取分離和結構鑒定方面的科研積累,設計了“從丹皮中提取丹皮酚和單萜苷類化合物方法及產物分析”實驗等等。這些專業實驗的設計都是建立在教師相關科研的基礎上,部分難以獲得的樣品和試劑由相關的教師提供。團隊教師將在科研工作中得到的最新科研成果滲透進理論教學和實驗教學中,達到教學促進科研,科研反哺教學,教學科研互相促進的目的。

2.4 《精細化工專業實驗》教學方法和手段

“精細化工專業實驗”主要是針對高年級學生專業課而開設的實驗課程,專業實驗在原理、流程和操作等方面要更為復雜,僅僅通過傳統的課堂板書教學和掛圖等難以生動形象的展示相對復雜的實驗操作流程,以及實驗過程中涉及到的相關儀器的結構、工作原理等內容,這在一定程度上影響了教學效果和學生的聽課積極性。“精細化工專業實驗”的教學方式一直是講授法板書教學,由實驗指導老師講解實驗目的、實驗原理、儀器使用及基本操作方法,以及實驗過程中注意事項和要求等等,然后學生按要求按部就班地做實驗。這種傳統的教學方法不能充分發揮學生的積極性、主動性和創造性,學生的個性也難以體現[15]。

因此,教學實踐中,在采用講授法的基礎上,穿插討論法和演示法教學,同時借助學院實驗室信息化建設的契機,購置安裝了多媒體觸摸屏作為教學載體,將授課內容以課件、圖片及表格等形式通過多媒體觸摸屏來展示。在教學過程中,通過多種手段來調動學生學習積極性和主動性,學生能夠真正全身心參與到實驗教學過程中,取得了良好的教學效果。

2.5 《精細化工專業實驗》考核方式改革—注重過程考核

精細化工實驗是綜合性強的專業實驗,要求學生具備扎實的基礎理論知識和較好的實驗基本操作能力。以前主要是通過實驗報告、實驗中出勤及表現情況等傳統的方式評定成績,這并不能真實反映學生的實際實驗水平[4]。

在改革過程中,注重實驗過程考核,將學生是否預習及預習效果,實驗過程中基本操作的規范程度,實驗過程中的整體表現等作為考核內容[16]。按照預習及預習效果(20%）,實驗過程中整體表現(40%）和實驗報告的撰寫及實驗結果(40%）等三部分來評定實驗成績。由于注重過程考核,學生通過認真預習提前熟悉實驗內容及基本操作,減少了實驗過程中的盲目性,縮短了實驗時間；同時,學生將主要精力放在實驗過程中,更加注重實驗過程中基本操作的規范和遇到問題的處理能力的學習。通過上述措施,加強了實驗過程的管理,獲得了很好的效果。

3 結 語

通過更新實驗教學內容、優化實驗設計、增加綜合性實驗和改革實驗教學及考核方式方法等基礎上對化學工程與工藝專業精細化工專業方向的專業實驗進行優化和設計。進一步調動了學生的積極性和主動性,提高了實驗教學效果。大型儀器的引入,開闊了學生的視野,鍛煉了學生的能力,提高了實驗教學的質量和水平。通過一系列的改革措施,培養了學生的創新能力,提高人才培養質量。