創新能力培養為導向的大學化學實驗教學改革

田東亮， 錢建剛， 翟 錦， 聞利平

（1.北京航空航天大學化學學院，北京 100191；2.中國科學院理化技術研究所，北京 100190）

0 引 言

面對新時期、新形勢下創新型人才的需要，培養具有創新能力和創新精神的高素質人才是高等學校肩負的重要歷史使命。加強基礎學科建設和基礎理論研究，積極開展面向全球性挑戰問題的研究是人才培養的關鍵。化學是自然科學中一門“核心性、實用性和創造性”的基礎學科，在人類生存和社會進步中具有極其重要的作用和價值，關系著國家國防安全、工農業生產、經濟社會發展、環境安全和民生健康等相關領域的發展［1-2］。實驗是化學的靈魂和生命，在學生科學素養及綜合創新能力培養中具有極其重要的作用［3-5］。加強實驗教學這一重要環節，培養學生自主學習能力，提高學生操作動手能力和綜合表達能力，增強學生綜合創新意識，已成為21世紀全面提高學生綜合素質的迫切要求［6］。

大學化學是工科高等院校不可缺少的一門基礎課，課程簡明地反映了化學學科的基本原理以及與生產、工程實際和日常生活的聯系，是培養德智體美勞全面發展人才知識結構和能力的重要組成部分，是大學生科學素質教育的重要環節，在化學與實際生產、工程及安全之間起到橋梁作用。大學化學實驗是大學化學課程的實驗教學環節，在培養工科大類學生的科學實驗與實踐動手能力、科學素養、創新思維和創新能力等方面均起著不可替代的作用［7-9］。但是，傳統大學化學實驗教學通常采取教師講-學生聽，教師示范-學生做，和課后固定模式實驗報告的模式，存在教學內容缺乏吸引性，教學方法和考核方式單一的問題，結果導致學生對實驗的興趣不高，參與積極性低，實驗報告及作業草草應付。沒有真正起到促進教師“導”與學生“學”相結合的效果，不利于學生綜合創新和實踐能力的培養［10-14］。因此，緊密圍繞以學生為中心，以創新能力培養為導向，采取研究型教學模式，對大學化學實驗進行改革，以期提高工科大類學生的動手能力和科學素質。

1 我校大學化學實驗開設情況

2017年，我校根據“新工科”和“雙一流”建設對于人才培養模式的新要求，對招生專業進行重大改革和調整，開始實施大類招生與培養，將普通類本科分為工科試驗班類、理科試驗班類、社會科學試驗班類等。大學化學及實驗面向其中工科試驗班（航空航天類）進行開設，涉及11個學院的14類專業方向，約1600余人。大學化學實驗是工科試驗班類（航空航天類）本科生進入大學后所接觸到的第一門實驗課，共16課時，開設8個實驗，每個實驗2課時，具體開設情況如表1所示。

表1 大學化學實驗教學安排

實驗在整個大學化學課程期末總成績（滿分100分）中占30分。傳統實驗教學考核方式主要是根據學生預習思考題（5分）、課堂表現（5分）和課后書寫的實驗報告（20分）給出成績。這種主要根據實驗報告評價學生的考核方式能夠在一定程度上反映出學生分析、總結問題的能力，但并不能真實反映學生的實際動手能力，也不能針對性檢驗和提高實驗的教學效果。同時，實驗報告采用傳統固定格式，部分規定內容與實驗教材內容完全一致，不利于培養學生總結思考，甚至存在照搬照抄的問題，難以實現培養目標。

考核方式決定學習發展趨勢，有什么樣的考核方式就會存在什么樣的學習方式。因此，為了加強培養和提高學生動手能力和創新能力，結合學校“理想高遠、學識一流、胸懷寰宇、致真唯實”的本科人才培養總體目標，以學生為本，對大學化學實驗課程教學及考核進行了改革。通過實驗考核方式改革帶動大學化學實驗教學改革，將基礎知識與科研應用相結合，基本操作訓練與考試相結合，充分調動學生實驗中認真動手操作的主觀能動性，培養學生嚴謹意識和科學素養，提高實驗課的教學質量和效果。

2 課程教學改革與實踐

如何提高實驗教學質量，加強學生動手能力、科學素養和綜合創新能力培養，是實現課程教學目標及培養目標的關鍵［15-18］。一種好的考核方式，一方面能夠有效督促老師來提高教學效果和質量，另一方面能夠有效激發學生學習的積極性和主動參與性。鑒于此，以課程內容改革為抓手，考核方式為手段，對大學化學實驗教學內容和具體實施過程進行了改革。

針對目前實驗中存在的問題，為了充分調動學生實驗的主觀能動性，培養學生嚴謹意識和科學素養，提高實驗課的教學質量和效果，對上課方式及實驗考核方式進行了改革，采用研究型教學模式，注重引導啟發、創新思維能力和表達能力的培養，并將大學化學實驗的考核方式改革為50%來自實驗報告（含預習報告和課后實驗報告，其中課前預習采用通過性線上測試，課后實驗報告至少有一次為論文式報告），50%來自實驗操作考試（考前隨機抽取）。這種教學改革，不僅加強了學生對實驗原理、實驗操作內容及數據處理與討論的理解和掌握，極大促進了學生動手能力的培養和良好科學素養的形成。

2.1 實驗教學方式改革

2.1.1 課前預習

對于課前預習，要求學生熟悉整個實驗的背景、實驗目的、原理及儀器操作方式，對實驗內容有大致的了解。其中，將儀器操作和注意事項錄制成視頻，提前發給學生，并且將實驗課程中的儀器操作方法和重點注意事項整理為線上習題，要求學生在課前完成，而且成績必須在90分以上方可進入實驗室（該部分成績為通過性成績），這樣就讓學生對實驗整個過程及操作有了較為清晰的理解和掌握。同時也給學生布置一些小作業，將學生實驗與生產、生活及航空航天應用實際相結合。比如，查閱反應熱效應測定的具體應用領域，將其與生產中燃料、生活中食品熱值和航空航天燃料選擇相聯系，激發學生學習的興趣，加強學生對大學化學知識的鞏固和應用，并且培養以化學的思維分析、評價和解決現實中的復雜問題的能力，加強課程的高階性教學。

2.1.2 課堂互動

基于良好的課前預習，教學過程中改變了以往的上課教師講-學生聽、教師示范-學生做的模式，充分發揮教師“導”與學生“學”的優勢。教師認真檢查學生預習情況，嚴格做到學生沒預習和預習不好的不許進行實驗。實驗課上，教師講解重、難點及操作注意事項，部分內容要求學生講解，加強學生的主動學習的能力培養，實驗的所有操作均由學生獨立完成，提高教學效果。

注重加強師生互動、學生互動，課上教師主要與學生互動交流指導，通過重難點提問，引導學生對實驗背景進行進一步的了解，細節的重點把握，糾正和進一步規范學生的儀器操作方法，針對性地解決學生中存在的問題，培養學生發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的創新思維和綜合表達能力，并實現個性化、差異化、精準化培養，有效提高課程的效率和質量。例如，在水的凈化與檢測中，提問并舉例了生產、生活和航空航天領域中水的凈化與處理的方法，并在實驗室帶領學生參觀實驗室中去離子水的處理裝置，加深學生對水的凈化與處理的深層次認識。在污水中六價鉻的測定實驗中進一步強調社會發展過程中水污染的防治與人們生活健康之間的關系，并拓展污水中其他重要污染物的測定方法，加強創新性培養，同時在課程中適度調整實驗條件，增加實驗的挑戰度，激發學生的求知欲和主動性。

2.1.3 課后總結

課后總結主要是撰寫實驗報告，該過程注重對數據處理及分析討論的考核，強調分析總結與凝練，繼續加強學生提出問題、分析問題和解決問題的能力培養。而且，要求學生在所學實驗撰寫實驗報告中至少1次為論文式實驗報告（要求按照標準的科研論文模式進行撰寫，主要說明為什么做這個實驗，這個實驗怎么做，做了這個實驗能干什么進行總結，包括標題、摘要、關鍵詞、前言、實驗部分、數據處理和結果討論，結論，參考文獻等）。論文式報告的撰寫，推薦從反應熱效應的測定、水的凈化與水質監測和污水中六價鉻的測定中選取，因為這些實驗具有更為直接的實際應用意義，而且實驗操作、數據處理要求較高，整個過程可以使學生得到很好的訓練。同時，通過規范化的報告撰寫，可以使學生課后總結回顧整個實驗過程，包括背景的深層次理解，實驗的目的及研究方法，并提出改進建議，使其所學的知識及方法得到提升，并進一步培養學生的創新思維和創新能力。教師批閱報告時注重學生改進建議和創新過程考核，并及時將報告中的問題及時反饋給學生，加強與學生之間的互動交流。

2.1.4 課后實驗室開放

針對來自全國各地的大一學生高考要求不同，學生的化學基礎知識的層次不同，開放了實驗室，保證基礎知識一般的學生“吃飽”，基礎知識扎實的學生“吃好”。一方面，對實驗課上不能很好完成實驗的同學，根據學生的時間申請增加實驗完成時間。另一方面，部分學生經過操作后對已做實驗中儀器操作遺忘的問題，安排了儀器使用答疑時間，為保障學生順利完成學習和理解提供了條件。同時，也為有化學興趣、并愿意進行拓展研究的學生開放了實驗室，激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習積極性。

綜上所述，通過優化研究型實驗教學過程，注重理論聯系實際，從實驗中不斷鍛煉學生動手能力和科學思維，加強科學批判精神的培養，提高學生的科學素養和解決實際問題的創新能力；從實驗報告的撰寫中鍛煉分析、討論與總結的能力，以及對實驗研究方法的整體把握，并提出自己對實驗的改進建議。通過基礎和科研相結合，訓練與實際考試相結合，初步建立了導學結合、理論實踐結合的學生綜合創新能力培養模式（見圖1）。

圖1 導學結合、理論實踐結合的學生綜合創新能力培養模式

2.2 實驗考核方式改革

為了進一步加強學生平時對實驗課程的重視程度，基于大學化學實驗教學重點、難點及學生所需要掌握的基本科學素養，編寫了實驗操作考核內容題庫，考前由學生隨機抽簽決定具體考試內容。基于考核內容的隨機性，激發了學生學習中的主動性。

2.2.1 考前試題準備

為了保證考核的順利進行，公平公正的考試題目是必須的，針對教學重點、難點和學生實驗中易錯的知識點進行梳理，按照不同的重要程度對考核點內容及其分值進行了選定。同時，對編寫的實驗試題反復修改驗證，保證實驗考核內容及操作時間的合理性。實際操作考試時，設計一個相對完整的實驗操作內容（與原實驗內容不完全一樣），要求學生由1節課（45min）完成，并按照錯誤操作點進行扣分。

2.2.2 考試實施過程

實驗操作考試按照單人單組進行，在考前20 min抽題，提前5～10 min到達考試地點簽到并佩戴胸卡等候入場，實驗考試中側重學生實驗操作規范性、基本科學素養、邏輯思維能力和綜合應用的能力。以水的硬度測定實驗考核為例簡述具體評分內容（見表2，部分選取）。

表2 實驗操作考試試題及評分標準（部分選取）

2.3 成績評定

根據大學化學實驗的考核方式，學生最終實驗成績的50%來自平時的實驗報告（含預習報告和課后實驗報告），另50%來自實驗操作考試。其中，實驗報告成績由所有實驗的實驗報告取平均值給出；實驗操作考試成績則由監考老師按照操作考試評分標準扣除設計錯誤、錯誤操作及結果偏離的分數，直接給出實驗操作成績。經過兩年兩輪學生的實踐，最終實驗平均成績85分以上，且呈現正態分布，表明很好地反映了學生的書面表達能力和實驗操作動手能力等綜合能力，極大地提高了學生的主動性。充分說明大學化學實驗考核方式改革真正反映了學生基本素質和能力的差別，提升學生的動手能力、嚴謹意識和科學素養，促進教師“導”與學生“學”雙重結合，最終實現教學相長。

2.4 學生及教師評價反饋

通過兩年的教學改革與實踐，得到了師生充分肯定和認可。通過問卷星對抽樣500人進行問卷調查（見圖2），結果發現91.46%的學生贊同增加實驗操作考核，認為，“實驗操作與實驗報告考核相結合的方式更好培養同學們的動手能力、科學素養、增強責任感和安全意識。化學作為一門實驗為基礎的學科，通過考核不僅同學們更好地掌握了基礎操作，更好地了解化學的實用性，對今后的學習生活有很多指導意義。通過考核更好地促進同學們在實驗課上端正態度，認真操作，真正學到化學細致嚴謹的學科思維，鍛煉了同學們的動手能力和嚴謹能力，對工科學生來說很有用。課下書寫實驗報告培養耐性，促成同學們做好實驗過程的記錄與總結。兩者結合能更好地提高理論水平，又提高動手實踐能力。避免了只是單純學會了如何寫實驗報告，但是操作沒記住、動手能力也不強的問題。98.78%的同學認為，增加實驗操作考試，能夠加強對實驗課程的學習重視程度。通過大學化學實驗操作考試，能加強和提高同學們對實驗課的重視程度和學習效果，提升動手能力、嚴謹意識和科學素養。同學們希望實驗操作考試能夠延續下去。同時，部分學生也對實驗操作考核提出了一些改進建議，比如增加考試難度，增大設計比例等。實驗改革也獲得了專業老師評價，“該改革有利于培養學生的實際動手能力和科學素養，實現了理論與實踐相結合”。

圖2 問卷調查結果節選 ［（a）現行考核方式（操作考試+實驗報告）與原考核方式相比，那種合理？（b）增加實驗操作考試，能夠加強你對實驗課程的學習重視程度嗎？（c）最初的設想是通過大學化學實驗操作考試，加強和提高同學們對實驗課的重視程度和學習效果，提升動手能力、嚴謹意識和科學素養。你覺得達到了最初的設想嗎？（d）你贊同大學化學實驗考核改革，并且希望延續下去嗎？］

3 結 語

緊密圍繞以學生為中心，以學生創新能力培養為導向，通過大學化學實驗研究型教學過程和考核方式的改革，極大地發揮了教師“導”與學生“學”雙重結合的優勢。結果表明，采用研究型教學模式，引導學生發現、提出、分析和解決問題以及論文式實驗報告的撰寫，可以有效加強學生邏輯思維、表達能力和創新能力培養；考核方式的改革，能顯著增強學生的學習興趣和學習主動性，加強學生動手能力、嚴謹意識和科學素養的培養，提高了實驗課的教學質量和效果，最終實現了教學相長。