新工科背景下“化學綜合設計實驗”課程改革

雷洪，霍冀川，張廷紅，黃鶴燕

1西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010

2西南科技大學分析測試中心，四川 綿陽 621010

化學是改造世界的重要武器，其成就是社會文明的重要標志。化學學科的發展離不開高素質化學人才的培養。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的新型化學人才已成為時代發展的必然需求。隨著我國“新工科”教育改革的興起[1,2]，化學專業成為了首批進入“新工科”教育改革的試點專業[3]。根據成果導向教育(Outcome Based Education，OBE)理念，學生能力的達成是專業改革的宗旨，而專業培養目標的達成最終要具體落實到課程目標的達成上來。在新形勢下，化學類專業課程的“新工科”改革不僅要強調培養學生扎實的化學功底，更要注重多學科知識的交叉、融合與運用，進而使之能夠與時俱進地支撐新型人才的培養目標。化學學科與其他學科有著密切聯系，它們相互促進、共同發展。作為一門以實驗為基礎的自然科學，化學學科的進步離不開實驗科學與時俱進的發展。“化學綜合設計實驗”是化學基礎實驗的綜合和拓展，實驗內容涉及化學、材料、生命、環境、能源、醫藥、農學等多學科交叉領域，知識面廣，綜合程度高。作為一門具有多學科交叉性質的綜合性、設計性實驗課程，在對傳統化學類專業的“新工科”改造中，“化學綜合設計實驗”必然成為了落實“新工科”思想的理想實踐載體之一。

我校“化學綜合設計實驗”課程目前主要面向應用化學、材料科學與工程、材料物理和功能材料專業本科生，其中在應用化學專業為48學時必修課，在材料科學與工程專業為24學時選修課，在材料物理和功能材料專業為16學時選修課。我們對本課程的改革重點圍繞應用化學專業開展，并逐步在向其他專業推廣。以下我們將結合我校前期開設“化學綜合設計實驗”課程的一些探索實踐成果及經驗，著重從教材和課程教學兩方面簡要介紹“新工科”理念在具體課程中的融合，以期拋磚引玉，為其他課程開展“新工科”背景下的改革提供參考。

1 新工科背景下《化學綜合設計實驗》教材的重新編寫

2007年，我校人員主編的《化學綜合設計實驗》由化學工業出版社出版發行。該書出版發行后受到了讀者的普遍好評。2009年，該教材獲得了第九屆中國石油和化學工業優秀教材獎一等獎。至2018年底，該書已重印5次，共計12500冊，被國內多所高校院所選作教材，且被大部分理工類院校的圖書館收藏，在網店亦有銷售。

2020年初我們對《化學綜合設計實驗》第一版教材進行了再版修訂。此次修訂充分肯定了第一版教材的優點、特色和所取得的成績，在對原有優點和特色進行了保留繼承的基礎上，增加了部分融入“新工科”理念的內容。考慮到教材的使用專業可能涉及除化學類專業以外的其他相近專業，第二版教材繼續采用了模塊化編寫的方式。全書由化學實驗基本知識、化學信息資源、試驗設計與數據分析方法、綜合實驗以及設計研究實驗五部分組成，其中以綜合實驗和設計研究實驗兩大部分為主。綜合實驗是在學生具備化學基礎實驗理論和技能的基礎上，將多種基本理論和技能在單個實驗中融會貫通，旨在培養學生綜合運用基礎知識和基本技能解決復雜問題的能力；化學設計研究實驗是綜合實驗的進一步提升，要求學生根據課題需求，能夠自行查閱文獻、設計實驗方案和步驟，并完成具有一定創新性的實驗，其目的在于培養學生獨立開展科學研究的能力和創新能力[4]。

《化學綜合設計實驗》再版修訂更加注重學生綜合實踐能力和工程能力的培養，強調多學科知識技能的交叉、融合和綜合運用。在體現化學學科特色的基礎上，增加了“化學常用軟件簡介”和“分析儀器綜合設計實驗”章節，更加注重現代分析測試技術在教學中的應用和學生綜合實踐能力的培養。具體說明如下。

掌握和應用現代化技術(特別是計算機及其技術)并用于解決各專業的相關問題在這個“互聯網+”時代顯得尤為重要。就化學學科來說，計算機技術的高速發展及其在化學研究和教學中的應用極大地提升了化學研究的效率和化學教學的效果。再版教材的“化學常用軟件簡介”部分對一些常見的化學軟件進行了梳理和簡單介紹，以方便讀者在后續的學習中能根據自身所需，有目的性地選取合適的軟件進行深入了解和學習。相關軟件包括化學結構繪制軟件、數據處理軟件、文獻管理軟件、圖譜解析軟件、計算機輔助教學軟件和量子化學計算軟件等。

2020年，教育部高等學校化學類專業教學指導委員會(以下簡稱化學類專業教指委)研究提出了設置基于化學的新工科專業“化學測量學與技術”，廈門大學隨后將該專業作為新增專業進行申報。我們對教材的再版修訂在一定程度上與化學類新工科專業的建設保持了一致方向。新版教材的“分析儀器綜合設計實驗”章節涉及化學分析中兩種重要的光譜儀器(紫外-可見光譜和激光拉曼光譜)，內容包括相關儀器的設計、裝配、調試與實驗測定，是化學、光學、測量學、計算機等多學科的交叉融合。學生通過查閱資料設計分析儀器的裝配圖紙，將組成儀器的零件和部件按規定的技術要求組裝起來，并經過調試、檢驗使之成為合格的分析儀器，用于物質的分析測試。這種DIY模式的實驗需要學生充分掌握實驗原理、儀器裝配、實驗測量、甚至計算機編程、儀器升級、科研探索等內容，可充分調動學生的學習興趣，發揮學生自我探索和團隊合作的能力，有利于其全方位綜合能力的培養和終身學習意識的形成。

2 新工科背景下“化學綜合設計實驗”課程教學過程改革

2.1 采用線上線下相結合的教學模式

西南科技大學“化學綜合設計實驗”課程經過多年的建設已經形成了一套較為完善的課程教學體系，培養并組建了一支具有豐富教學經驗的國家級教學團隊——化學實驗教學團隊。該課程在2005、2007和2008年分別被評為校級、省級和國家級精品課程[5]。多年來，該課程的教學過程一直采用線下實踐教學為主、線上理論學習為輔的方式進行。

2019年，我們對“化學綜合設計實驗”線上SPOC (Small Private Online Course)資源進行了重建。新建線上資源包括緒論、化學實驗室基本知識、化學信息資源、試驗設計與數據分析方法、綜合設計實驗和分析儀器綜合設計實驗六大部分，完善了在線測試和考評題庫。目前已完成3期、519人次的教學。該線上資源在新冠疫情期間的教學活動中發揮了重要作用。學生返校后，使用線上資源進行安全教育、理論教學、實驗前的準備等輔助教學，可使學生前期的基礎理論學習變得更加有效，相關學習效果的評價也變得更加細化、更加合理。實踐證明，線上學習環節對學生進入后期實踐環節的學習具有重要的引導和輔助作用，可有效地提高教學效率，為實踐環節爭取更多的教學課時，用于學生綜合能力的訓練和達成。

作為一門實驗課程，線下教學是整個課程教學環節的主體和重點。作為地方高校，在教學資源有限的情況下，可通過優勢資源整合，使資源在人才培養上效能最大化。西南科技大學分析測試中心是國家計量認證合格單位，擁有40余臺套大型精密分析測試設備及配套運行設施，總價值超過4500萬元。中心實驗室用房總面積約5000 m2，設置了無機成分分析室、有機成分及結構分析室、物相及晶體結構分析室、電子顯微分析室、譜學性質分析室、綜合熱學性質分析室、顆粒特性分析室、生化與電化學分析室等分析測試實驗室，能夠從事物質的形貌、成分、物相、結構及性能等分析測試工作[6]。我校化學類專業在化學與分析測試中心實驗教學中心(省級實驗教學示范中心)的平臺基礎上，進一步引入了學校分析測試中心的平臺資源用于本科教學。在為教學提供充足的硬件條件的基礎上，通過引入具有多學科背景的分析測試中心專職教師參與教學以及采用分小組教學等方式，保證了學生能有足夠的時間接觸并操作大型現代分析測試儀器。有別于基礎化學實驗，“化學綜合設計實驗”的線下部分更加注重學生科學思維的訓練，著重培養學生分析問題、解決問題的能力和交叉學科知識技能的運用。隨著“新工科”的興起，本課程已逐步開設DIY模式的“分析儀器綜合設計實驗”，使學生具備綜合運用多學科基礎知識解決復雜的化學分析測試工程問題的能力。實踐表明，學生對此實驗項目表現出極大的興趣，在通過資料查閱、小組合作、運用多學科綜合知識解決一些小問題后，學生獲得了在傳統化學實驗中難以獲得的自信感和成就感。

2.2 以“實驗競賽”方式完成實驗課程教學

我校自2005年開始每年舉行化學綜合設計實驗大賽。多年的實踐證明，競賽是一種激發學生學習興趣、促進學生主動積極自主學習、培養學生綜合素質的有效方法。通過競賽，學生可以找到自己的不足、意識到與他人的差距。適當的挫折教育有利于激勵學生不屈不撓、戒驕戒躁、堅持進取的內在品質，可培養學生形成健康的心態和寬廣的胸懷。而經過努力獲得的成績和榮譽有益于學生自信心的樹立。在本課程的后期教學過程中，我們將圍繞教學大綱，通過制定化學綜合設計實驗課程學習競賽章程，以“實驗競賽”的方式完成部分課程內容的教學，探索開啟實驗教學的新模式。該章程已在第二版《化學綜合設計實驗》教材中添加，可供相關教師在實驗課程教學改革中參考。

競賽周期擬以學期為單位舉行。學生以個人為基本參賽單位，報名參賽。競賽分為初賽、復賽和決賽三個階段。初賽階段以化學實驗基本知識、化學信息資源和試驗設計與數據分析方法為主，比賽方式為線上筆試。復賽階段為開卷筆試，內容涵蓋化學及相鄰交叉學科的實驗內容。具體操作方式為教師給定實驗設計題目，學生在規定的時間地點完成相關實驗方案設計，包括實驗原理、主要儀器及試劑、實驗步驟、安全預防注意事項等。決賽階段為綜合實驗操作考試，重點考查內容為學生正確記錄、處理實驗數據和撰寫規范的實驗報告等。

3 新工科背景下的課程改革思考

盡管我校擁有國家級教學團隊“化學實驗教學團隊”，在后期又引入了具有多種學科背景的分析測試中心專職教師參與教學，但我們也意識到“新工科”背景下的課程教學對教師提出了更高的要求。“新工科”對學科交叉融合的要求不是簡單的“1 + 1 = 2”的跨學科組合。在我校的教學改革歷史中，有人曾提出針對一門課程中涉及的交叉學科知識，可由不同專業或行業背景的骨干教師、企事業專家為學生講授不同專業領域的知識。這樣的方式固然可以使一門課程中涉及的不同學科的知識碎塊更加鮮活和更有深度，但各知識碎塊之間容易缺乏聯系、缺少融合。“新工科”背景下的課程教學最終是要能讓學生搭建起具有多學科交叉融合特征的整體知識網絡框架，使其具備運用多學科知識融會貫通解決復雜工程問題的能力。在“新工科”背景下，對學生能力達成的要求對教師的專業知識架構、科學研究領域、知識面的廣度和深度、跨學科交叉融合的能力、教學方法和教學手段等都提出了更高的要求。因此，成功的“新工科”教學改革不僅要注重學生能力的培養和達成，還要為教師業務能力的提升創造條件。

4 結語

根據化學類專業教指委的建議，化學以數學和物理學為基礎，是支撐生命、材料、能源、環境、醫藥、農業、信息、電工電子、航空航天等眾多學科和支柱產業、高精尖技術發展的上游學科[3]，在“新工科”改革中首當其沖。具有“新工科”理念的課程改革是“新工科”改革的最終落腳點。“化學綜合設計實驗”課程既體現了化學的學科特點，又具備跨學科交叉融合的特質，是開展“新工科”背景下課程改革的一門理想課程。本文從教材和課程教學兩方面介紹了“新工科”理念在“化學綜合設計實驗”課程中的融合，并基于我們的實踐經驗提供了一些較為具體的改革思路，可為其他課程的相關改革提供參考。