基于創新人才培養的化工實驗教學體系探索*

彭 博，劉紹剛，劉彭如，薛興勇，藍 平

(廣西民族大學化學化工學院，廣西 南寧 530006)

面對國際日趨嚴峻的競爭形勢，著眼長期穩定的發展，解決國家重大科技前沿難題，急需一大批科技人才。人才的培養立足于教育，高等人才的培養則依靠高等教育。近年來，國家實施了多項重大舉措推動科技、教育的發展。2015年5月國務院正式印發《中國制造2025》，其核心就是創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本[1]。針對國際產業變革大勢，全面提升國家的制造業質量和水平，目標2045年建成具有全球引領和影響力的制造強國。為了推動工程教育改革，2017年2月教育部召開了高等學校工程教育發展的戰略研討會，發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，號召高等學校開展“新工科”研究，推動工科教育改革[2]。面向國家重大戰略發展、立德樹人新要求，學與教、實踐與創新的主要內容上圍繞工程教育新的理念，構建人才培養的新模式。2018年9月全國教育大會上，習近平總書記就建設高水平本科教育發表重要講話，提出全面振興本科教育[3]。全國范圍內，建成一流本科成為國內教育的發展大勢，一流本科培育出一流的專業和一流的人才，落實到專任教師自然就是努力打造出一流的課程，為人才培養構建出可持續、創新性、專業基礎扎實、實踐能力強的綜合培養體系。2021年4月19日習近平總書記在清華大學考察時強調“黨和國家事業發展對高等教育的需要，對科學知識和優秀人才的需要，比以往任何時候都更為迫切。”針對當前的人才培養的情況，圍繞“想國家之所想、急國家之所急、應國家之所需，抓住全面提高人才培養能力這個重點，堅持把立德樹人作為根本任務，著力培養擔當民族復興大任的時代新人”的教育使命，急需開展教育改革，打造創新型人才培養的教育體系。

隨著現代化工業的發展，對高等人才的需求越來越重視其應用能力和工程素質的培養。化工正是工程教育的核心學科，涉及分支化學工藝、化學工程、工業催化、生物化工、應用化學，面向石油化工、農業化工、化學醫藥、高分子、涂料、油脂、印染、環境、能源、生物等行業，涵蓋了人類生活的方方面面，既立足基礎日常需求又面向人類未來的可持續發展(醫藥、能源、環境等)。因此，化工產業的發展關乎國家發展戰略的大局，著眼于服務廣西地方的經濟建設，高水平人才的培養成為其中的關鍵一環。

化工實驗作為化工類及其相關專業學生的核心課程。立足于培養學生的動手能力和分析、解決工程實際問題能力，是培養學生的工程概念和工程實踐能力的重要實踐性課程。高等工科院校要培養具備堅實的理論基礎、出色的科學實踐能力和勇于開拓創新精神的適應當今經濟、科技和社會發展需要的人才，實驗教學是一個重要環節。化工實驗課在培養高科技人才的基本素質和能力方面具有其他基礎課無法替代的重要作用[4-7]。

1 化工實驗存在的問題

目前的化工實驗課程分為化工原理實驗、化工專業實驗(包含化工仿真實驗)。化工實驗教學方式：實驗設置-教師講解-學生操作-提交實驗報告。這種方式沒有達到人才培養質量的預期目標，學生的思考和動手能力差。問題歸根結底在于學生很難自主思考，學生的專業知識廣度深度不夠、基礎不扎實，創新思維、實踐能力以及分析總結水平差[8-10]。具體的問題如下：(1)實驗教學作為獨立的課程在實際的教學中被孤立，實驗教學與課程教學之間沒有有效的銜接。同時實驗類型之間關聯不緊密，不利于學生對化工學科整體的認識。虛擬仿真實驗、化工原理實驗、化工專業實驗三類之間需要依托基礎知識(化工原理、反應工程、過程傳遞、化工熱力學等)有機結合。(2)學生對實驗課程的準備不足，不少學生依賴上課的時間預習、熟悉基礎知識，這樣完成實驗更多地需要指導教師給予詳細的說明，不利于學生對基本原理、儀器分析、實驗設計、方法構建等方面的學習。(3)化工實驗實際的臺套數少，不能同時滿足一個班/組的使用，更多是部分學生在操作，學生面對的實驗均是首次，缺乏對儀器設備的認識，不敢動手，甚至出現實驗過程講解完全之后，學生仍不能正確規范操作儀器。(4)安全教育，針對化工實驗的安全教育被學生忽視了其中的重要性。不做不動手不是安全教育的結果，而是能夠認識潛在的危害，正確規范實施才是最終的目的。學生進入社會，步入工作崗位，面臨的問題將會接連不斷，教會他們正確處理好面對的問題是化工實驗教學內容的基本要求。(5)脫離實驗課程的實驗報告成為重要的評判實驗成績的重要依據。當前的化工實驗等學生做完實驗之后將數據帶回去處理，提交實驗報告。實驗課程的重要一環是對實驗結果的分析及改進。當實驗完成之后，學生無法繼續改進，沒有補做完成實驗的課程設置(一般限于教學資源的限制)。一般講實驗允許失敗，在實際的實驗教學中教師的過多干預促成實驗成功以及失敗的實驗在當前實驗的教學課時用完之后不能補做成為學生創新性能力培養的障礙。如何將實驗報告融入離開課堂的課程教學中成為要迫切解決的問題。(6)各個實驗室開放程度不高，實驗選題具有局限性，局限于現有的設備，局限于各個系；比如，化工系的學生不能選擇環境的實驗，化工系的學生只能做化工系現有的實驗。當今世界飛速變化，學科之間，專業之間的界限不再十分明晰，交叉學科的發展正在改變世界(環境催化、材料能源、生物催化、仿生學、X-射線吸收精細結構在單原子的應用等)；尋求新的產業突破口正成為化工發展的新方向。鑒于以上存在的問題，面對嚴峻的國際大環境、國內外化工行業之間的殘酷競爭、高水平人才的迫切需求，開展立體多元化的化工實驗體系的改革迫在眉睫。

2 化工實驗教學體系改革

上述化工實驗存在的問題針對學生發展而提出，實驗改革目的正是一一解決這些存在的問題，改革的中心思想自然是“以創新人才培養為目標”體現“立德樹人”根本任務，將課程教學、實驗教學、實習構建一起形成立體，化工核心課程：化工原理、化學反應工程、化工熱力學、化工傳遞過程、分離工程等多元課程構建基礎知識體系，化工原理實驗、化工專業實驗、化工仿真模擬實驗等多元實驗構建實驗體系，開展項目式管理，立體多元化的化工實驗改革，完成基礎實驗、專業實驗等層次逐漸提升的化工創新人才培養新模式，為國家科技戰略培養高水平人才。

2.1 化工基礎能力考試

建立化工基礎能力考試題庫，面向學生開放，學生可以自主選擇時間進行考試。考試分為多個模塊，化工原理實驗、化工專業實驗、化工模擬實驗三部分各個實驗均分為子模塊，學生進入子模塊考試，通過就能進入下一環節。每個子模塊的知識不限于某個課程，同時涵蓋了整個化工學生培養方案全部涉及到的課程。學生可以在各個模塊進行多次考試，只有通過考試才能進入實驗的立項，開展實驗學習。

2.2 實驗選題范圍

學生具體選擇什么實驗，主要依據學生的專業課程學習進展，自己的興趣，參與的科研項目等等。(1)學生可以根據實驗室現有的設備設計實驗，通過實驗裝置的改裝或者實驗體系的改變實現多種實驗；(2)鼓勵積極申報化工實驗競賽等賽事，以賽促學，利用具體的項目激發學生對所學知識的理解運用甚至變通消化；(3)引導學生積極與老師聯系(不限于本系、本學院、本學校)參與到一些科研項目中，從中學習到項目引導的實驗設計、實驗操作、數據處理等綜合能力的提升。

2.3 化工實驗教學方案

開展項目式實驗教學，強化學生對專業課程的各個知識點的理解與運用。以精餾實驗為例：

(1)學生需要參加涉及精餾的基礎知識考試，同時參加針對精餾實驗的安全教育并提交實驗立項的申請書，每3人一個小組。

(2)實驗管理辦公室收到申請書，組織實驗教師審閱申請書并開展答辯，針對實驗內容的設計、實驗安全、精餾基礎知識、申請書撰寫規范等內容全面考察精餾實驗是否立項。

(3)通過立項的精餾實驗小組則需要提交實驗計劃書，同精餾實驗指導教師討論實驗方案。精餾實驗小組預約實驗儀器的培訓，拿到培訓合格方可進入第二次答辯。

(4)第二次答辯圍繞實驗實施的可行性，考察學生是否熟悉所做實驗、具備操作實驗設備、具備完成實驗目的的基本條件。

(5)根據實驗的臺套數安排精餾小組，本單位有4套精餾設備，故每次最多可以安排4組實驗。指導教師全程在觀察實驗進程，實驗結束3天內處理實驗數據并提交實驗報告，參加第三次答辯。

(6)第三次答辯主要考察學生對實驗過程的理解，由此強化對基礎知識的理解，根據實驗數據和實驗過程，針對性指出實驗存在的問題，對于問題多、問題大的實驗小組需要重新開展精餾實驗。其余小組根據答辯給出的建議修改實驗報告并提交存檔。

(7)根據全流程精餾小組的實驗情況評精餾實驗成績。

圖1 實驗教學改革方案Fig.1 The plan of experimental teaching reform

2.4 改革成效顯著

開展化工實驗教學改革后，學生學習的積極性大幅度提高，學生由之前的被動學轉變為主動學，主動思考并能夠及時總結學習的內容。正是因為對專業知識的更深入掌握，培養出對化工專業的認同感。同時，學生踴躍參加“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生化工設計競賽、申報大學生創新創業項目、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽等，廣西民族大學化工專業學生近三年來，共計獲獎/立項80多項。通過完整嚴格的競賽訓練，提高了學生的創新能力。學生的就業率接近100%，一部分學生進入南方錳業等化工行業著名的企業工作。

3 結 語

化工實驗作為化工專業重要的課程之一，其改革應當針對當前存在的問題，持續響應國家對創新人才的需求。整合化工類實驗，建立化工實驗教學體系。實驗課程又不能孤立于整個化工培養方案中，根據核心課程的內容，建立化工基礎知識庫；所學的知識放到實踐中檢驗，參與各類賽事、各種實習，完成知識的運用能力培養。因此，項目式教學融合基礎知識體系-實驗體系，能成為化工創新人才培養新模式，培養創新型高水平人才，服務國家創新發展戰略。