“一體化，三層次”實驗教學模式改革與實踐探討*

李 沅，譚鳳芝，劉兆麗，蔡偉杰，曹亞峰，崔 勵

(大連工業大學輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034)

應用化學作為一門以實驗為基礎的學科，對于從事此行業的研究人員的實驗能力有著較高的要求。因此，實驗教學是應用化學專業教學過程中的重要環節，影響著學生在知識能力、思維和素質方面的協調發展。科學和高效的應用化學專業實驗教學有利于培養學生的實驗技能，提高研究創新實踐的能力。本項目改革以應用化學專業人才培養方針“強化基礎、突出實踐、重在素質、面向創新”作為改革指導思想，將應用化學專業作為改革試點，構建“一體化，三層次”實驗教學新模式，全方位提高本科生的思維能力、創新能力與社會適應能力，為學校應用化學專業教學的進一步建設提供支撐。本改革的實施具有以下三點重要意義：第一，與傳統的實驗教學相比，本改革以全面推行素質教育為指導思想，在項目選擇和教學模式上注重培養學生的實驗技能、科學思維與方法、創新意識與能力；第二，為優化實驗室資源利用，使實驗教學管理對實際情況有更好的適應性，改革提出面向本科生開放實驗室，為強化本科生的工程實踐能力與創新創業能力提供支持，有利于驅動人才培養模式的根本轉變，也為進一步完善應用化學專業的實驗教學體系提供了實踐經驗和思路；第三，為達到教學內容與教學目標的一致，對課程體系、教學內容、教學方法、教學模式進行改革，從而全面提高教學質量與教學水平，為國家建設培養高素質的創新型和應用型人才。

1 國內外研究現狀分析

在對學生進行問卷調查的過程中發現，學生對于理論知識較為重視，但對實驗學習的重要性還缺乏相應的認識；現階段教學中，學生的學習積極性和求知欲因為驗證性實驗占比較多而較難被調動，實驗教學效果往往難以達到預期設定的目標。在社會調研中還發現，用人單位認為學生在基礎知識方面的應用能力有欠缺，學生對于目前企業中較為先進的儀器實際操作不甚熟悉，不利于本科畢業生的就業。

針對類似的局面，國內外各高校積極作出改革。海南大學的肖厚貞等提出了云班課為教學平臺的模式，將主動權交給學生，以學生為主體，老師加以指導的方式融入物理化學開放性實驗教學，不僅鼓勵了學生的學習興趣和創新能力，同時使得實驗室資源的利用率有所提高[1]。西南大學的陳貴華以有機化學實驗為例，探討了教學與科研相融合的化學實驗教學模式，并闡述了從實驗教學內容、教學模式、成績考核體系三方面進行改革的實施策略[2]。上海交通大學的蔡玉興等在醫用化學實驗課程中，利用學科內容知識(CK)、教學法知識(PK)和技術知識(TK)為核心的TPACK框架，通過整合思政教學內容知識、教學法知識、醫用化學實驗內容知識，探索醫用化學實驗課程中全過程“浸潤式”的多層次互補教學模式[3]。KwaZulu-Natal大學的Veale Clinton等為大學三年級有機化學教學模塊設計了一系列的評估標準，依據實驗室中的觀察結果對本科生進行評分，以期為本科生的實踐能力提升提供即時的反饋與指導[4]。Farley等在普通化學實驗室中引入探究式教學，通過開放實驗室，改變傳統的專題手冊式(cookbook-style)實驗模式，讓實驗教學變得更具有挑戰性。其實施的為期兩周的設計-評估-修改-實施(Design-Evaluate-Revise-Implement)探究式教學，收到了良好的反饋效果[5]。

2 “一體化，三層次”教學模式的設計與實施

2.1 改革主體框架設計

“一體化，三層次”的實驗教學模式，是結合應用化學學科方向構建的專業實驗教學新體系。一體化，是指以實驗目標為指導，將完整的知識體系融入整個實驗教學過程，培養應用型、創新型人才；三層次，是指將實驗內容設置為：以驗證性實驗為代表的基礎實驗；結合多門課程知識的綜合性實驗；強調自主性和創新性的設計探索性實驗三個層次，旨在最終提高學生的專業應用與創新能力。

如圖1所示，項目改革的首要重點是，精煉基礎實驗內容，使其與理論知識同步，實驗教學規劃與學生能力和需求相適應。在第五學期(大三上學期)主要開設驗證性實驗項目，穿插簡單的綜合性實驗，培養學生實驗基礎技能的掌握與應用的能力，提高了學生在治學中的科學性和嚴謹性。將綜合性、設計性實驗安排在第七學期初(大四上學期)，實驗內容結合了兩門或以上課程，在向學生展示課程間橫向聯系的基礎上，加強學生的實驗技能與應用能力。在扎實了理論知識與實驗技能的基礎上，考慮到為學生畢業論文提供思路和經驗，以及未來在研究領域的深造和社會就業方面的需求，第七學期增加專業方向的探索性實驗。該部分要求學生自主設計完整的實驗方案，以培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。在實驗內容選擇上，盡可能結合專業教師的科研項目，鼓勵并引導學生積極開展自主探索，通過將實際問題引入課堂提高學生的求知熱情。例如，“丙烯酰胺聚合及聚丙烯酰胺性質測定” 是大連工業大學應用化學專業在第五學期開設的一項基礎性實驗，學生通過實驗學習，分析問題和實驗操作能力得到了培養。第七學期專業實驗時，我們將丙烯酰胺聚合進一步拓展，開設了“淀粉接枝丙烯酰胺共聚反應”實驗，實驗過程中學生要思考反應體系無氧環境的形成及保持、淀粉基材引發反應機理及實現、單體轉化率的測定、產品用于污水處理的效果及評價等具體問題。從而使學生的思辨能力、觀察能力、實驗操作技能、數據整理、誤差分析、規律總結等方面的能力都得到了鍛煉和提高。在第七學期末的探索性實驗環節，直至畢業設計中，這一實驗項目繼續擴展，使聚合體系轉移到反相乳液中，設定題目為“反相乳液中年產2000噸淀粉絮凝劑生產車間設計”。這一過程將專業綜合實驗和探索創新實訓中的課題研究內容向生產實踐轉化。通過聚合反應體系解析、工藝流程設計、生產操作規程、工藝計算、車間布置設計、非工藝條件設定等環節，將“丙烯酰胺聚合”做深做透，完成典型的課題引領的、漸深漸廣的應用型人才培養過程。

圖1 “一體化，三層次”實驗教學模式主體框架圖

此外，該改革在實驗室管理方面提倡開放實驗室，針對設計探索性實驗，學期初下達實驗任務后，學生可自行安排時間，預約實驗室、實驗設備和儀器。通過這樣的方式，實驗室儀器設備等物資得到合理統籌安排，實現利用率最大化，避免了資源有限導致的問題。

2.2 改革中擬解決的關鍵問題

本教學模式的改革旨在優化傳統的教學觀念，強化實驗教學，建設開放共享的實驗教學平臺。在教學模式、教學手段和教學方法上進行多元化探索，把理論教學和實驗教學協調起來，培養高素質的創新型應用型人才，以達到社會產業對學生能力的要求。同時開展與“一體化，三層次”實驗教學模式相適應的精品課程建設，以及與之匹配的實驗教材編寫。通過此次改革，師資隊伍的“雙師”素質得以提高，素質結構得以優化，從而使更多的教師成為工作一線的內行或專家，提高解決技術問題的實際能力。與此同時，建立新型的師生關系，提高教師引導學生構建知識體系的能力，使學生不再是簡單地對課本照搬照抄，而是能夠真正消化和運用所學知識于實際應用中。

2.3 改革實施方案及方法

首先，精心選擇三個層次的實驗內容，優化實驗項目，在保證必要的基礎性實驗的基礎上，增加和強化綜合性實驗，積極開展研究與探索性實驗，將教師的科研項目適度引入設計探索性實驗中。編寫合理的、系統的實驗教材也是實踐中關鍵一環。本校應用化學專業方向確定為“天然產物資源開發利用”和“化妝品技術”，應針對培養目標對教學中使用的《應用化學專業實驗教學大綱》和《應用化學專業實驗講義》進行完善和修訂，從人才培養目標出發，體現創新教育觀念、改革精神和素質教育的思想，吸收學科的新知識、新內容和課程體系改革研究成果，更新實驗項目，增加綜合性、設計性、創新性的實驗項目，有效培養和提高學生的動手能力和創新意識。

其次，營造適應“一體化，三層次”實驗教學體系所需的實驗教學環境；建立合理的評分標準，在評價體系中體現對學生自主性和創新性的鼓勵。

此外，為開放實驗室做好準備，創建合理高效的實驗預約平臺，方便教師對儀器和設備統籌安排，合理共享，解決資源有限問題。

3 結 語

“一體化，三層次”的實驗教學改革，以服務地方產業和適應新型產業結構出發，以培養高素質、創新性、應用型人才為導向，進行實驗教學改革，尤其注重理論知識與實踐技能的結合，整合構建分層次，有規劃的實驗教學體系。驗證性實驗作為第一層次，鍛煉和培養學生的動手能力和嚴謹的治學態度；第二層次的綜合性實驗，以幫助學生構建完整的知識體系為目標，從而提高了學生實際解決問題和分析問題的能力；在第三層中，設計探索性實驗通過解決生產上的實際問題，激發學生對本專業的興趣與熱愛，從而提升自身的科研水平，包括文獻閱讀、獨立思考、發現問題、解決問題以及團隊協作等能力。改革中應用的新型教學和實驗室管理模式，有利于提高教師整體素質水平，推動學校建設和發展一流的應用化學專業實驗室。改革實施中，會將積累經驗，吸取各方的建設性建議與意見作為主要方向，為全面推行“一體化，三層次”的實驗教學模式做好充分準備。