基于科研創(chuàng)新思維培養(yǎng)的化工專業(yè)實驗教學(xué)改革探索

＊劉 棟

（北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 北京 100029）

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高等教育的首要任務(wù)，也是建設(shè)創(chuàng)新型國家的需要[1-2]。創(chuàng)新型人才對化工行業(yè)的發(fā)展尤為重要。我國高校化工人才的培養(yǎng)，肩負(fù)著為國家重大科技工程攻關(guān)培養(yǎng)建設(shè)者的重任[3]。實驗課是培養(yǎng)本科生科研興趣和創(chuàng)新能力的重要課程，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的作用[4-5]。化工專業(yè)實驗課是提升化工專業(yè)本科生實踐創(chuàng)新能力的重要課程[6]。因此通過該課程教學(xué)的變革，提高化工專業(yè)本科生的自主創(chuàng)新能力至關(guān)重要。在新工科背景下，基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的化工專業(yè)實驗教學(xué)對培養(yǎng)大化工卓越工程人才具有重要意義[7]。

化工專業(yè)實驗是我校化學(xué)工程與工藝專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)核心實踐課，與理論課程相輔相成。該課程是一門為本科三年級學(xué)生獨(dú)立開設(shè)的課程，2學(xué)分，共40學(xué)時。本課程主要開展的實驗包括：（1）二氧化碳臨界狀態(tài)觀測及P-V-T關(guān)系；（2）多相流流動特性冷模實驗及放大實驗；（3）管式循環(huán)反應(yīng)器停留時間測定實驗；（4）壓縮制冷性能測定實驗；（5）多功能膜分離實驗；（6）石腦油熱裂解制烯烴實驗等。通過該課程的實踐學(xué)習(xí)，加強(qiáng)了對專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識的認(rèn)識和理解。更重要的是通過該課程，培養(yǎng)學(xué)生實踐的能力，掌握化工專業(yè)實驗的基本操作，理解實驗的目的和意義，了解設(shè)計實驗的基本思想，學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗數(shù)據(jù)和思考數(shù)據(jù)背后的物理意義。通過該課程有助于提高學(xué)生探索科學(xué)的興趣和創(chuàng)新思維的能力。

此外，本校化工專業(yè)實驗平臺建設(shè)規(guī)范，設(shè)備充足，每個實驗配備了3～4套的實驗設(shè)備。每4個學(xué)生為一組開展實驗，充足的設(shè)備保障了每個學(xué)生能獨(dú)立開展實驗。在師資方面，配備了從教授、副教授、講師和工程師的教學(xué)梯隊，每個老師負(fù)責(zé)一個專業(yè)實驗的教學(xué)工作，保證了化工專業(yè)實驗的專業(yè)性和教學(xué)質(zhì)量。

目前該實驗課教學(xué)中存在的問題如下：（1）目前該課程的授課以老師講解實驗原理、目的、意義和過程為主，然后由老師演示實驗過程后由學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立的實驗。實驗原理和過程較為復(fù)雜，通過口頭講解的方式，學(xué)生理解和吸收較為困難；（2）學(xué)生預(yù)習(xí)實驗不夠深入仔細(xì)，沒有真正理解實驗原理，沒有較好掌握實驗方法和過程；（3）實驗內(nèi)容缺少生動的案例，不易于激發(fā)學(xué)生的科研興趣；（4）實驗儀器受限于昂貴的設(shè)備和有限的實驗室面積，通常為4人一組，同組組員相同的實驗數(shù)據(jù)，千篇一律的實驗報告，難以區(qū)分同組人的實驗成績，易造成實驗成績評定的不公正；（5）實驗成績的評判主要以實驗報告為主，缺乏全流程的評分依據(jù)；（6）化工實驗課中缺少專門的安全教育。

因此，為了順應(yīng)新時代高等教育的要求，提高培養(yǎng)新工科人才的質(zhì)量，化工專業(yè)實驗課的改革勢在必行。通過教學(xué)改革，解決上述化工專業(yè)實驗課中存在的問題，提高學(xué)生的動手能力，深化對專業(yè)理論知識的認(rèn)識。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，我們引入安全教育—專業(yè)實驗應(yīng)用案例教育—學(xué)科前沿創(chuàng)新性教育相結(jié)合的教學(xué)方法具有明顯的創(chuàng)新和優(yōu)勢。專門開設(shè)的安全教育讓學(xué)生對實驗室安全的重要性有充分的認(rèn)識，并且學(xué)會專業(yè)的急救措施，這是保證化工專業(yè)實驗順利開展的第一步。專業(yè)實驗應(yīng)用案例教育讓學(xué)生充分認(rèn)識到開展基礎(chǔ)實驗的重要性和基礎(chǔ)專業(yè)實驗背后所蘊(yùn)藏的巨大的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣。學(xué)科前沿創(chuàng)新性教育通過介紹該領(lǐng)域最前沿的研究成果，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)前沿，思考科學(xué)問題，并嘗試提出一些創(chuàng)新型的解決思路。通過以上化工專業(yè)實驗教學(xué)上的創(chuàng)新，對拓展化工專業(yè)學(xué)生的科學(xué)視野，提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)有家國情懷的高素質(zhì)本科生具有重要的意義。

筆者主講化工專業(yè)實驗課。本文將從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法和課程考核等方面進(jìn)行探討，并提出行之有效的改進(jìn)方法。在案例引入方面，將重點(diǎn)以化工專業(yè)實驗中的膜分離實驗為例。

1.重視實驗室安全教育，單獨(dú)開展安全教育課

實驗室安全是實驗課的重中之重，是實驗課教學(xué)順利進(jìn)行的前提和保障，必須放到非常重要的地位，讓每個學(xué)生都意識到實驗安全的重要性。傳統(tǒng)的實驗課缺乏單獨(dú)的安全教育課，安全教育以老師提醒一些注意事項為主，缺乏有效的安全教育案例，對學(xué)生難以起到警示的作用。因此實驗室安全教育應(yīng)該獨(dú)立出來，在所有實驗課開始之前安排兩個學(xué)時的課程給學(xué)生講解安全的重要性和實驗防護(hù)的必要性。通過安全事故案例的引入，讓學(xué)生意識到疏忽實驗室安全引起的嚴(yán)重后果。例如，2018年北京某高校在垃圾滲濾液污水處理試驗中，鎂粉和磷酸攪拌反應(yīng)時產(chǎn)生的氫氣與攪拌機(jī)摩擦產(chǎn)生火花點(diǎn)燃爆炸，事故造成3名學(xué)生遇難。該事故因?qū)嶒炇疫`規(guī)開展試驗和安全管理不到位造成。通過單獨(dú)開展安全教育，提高了學(xué)生的安全意識和防護(hù)意識，為實驗課的順利開展打下堅實的基礎(chǔ)。

2.合理安排教學(xué)內(nèi)容，凸顯創(chuàng)新性內(nèi)容引入

內(nèi)容設(shè)置上，在現(xiàn)有的實驗原理、目的、內(nèi)容、過程和思考題的基礎(chǔ)上，引入該實驗技術(shù)最新的研究進(jìn)展，提出存在的科學(xué)問題。教授學(xué)生尋找前沿科學(xué)問題的思路和方法，引導(dǎo)學(xué)生針對存在的科學(xué)問題，嘗試提出用自己的專業(yè)知識解決科學(xué)問題的方法和策略。以膜分離實驗為例，探討膜分離技術(shù)在氣體分離，高附加值產(chǎn)品分離，提高電池性能等方面的應(yīng)用。膜分離儀器最關(guān)鍵的部分是分離膜，然而分離膜在去除一價離子方面仍然存在一些問題，比如分離率和過濾通量仍然比較低。針對該問題，國內(nèi)外的科學(xué)家在膜分離方面進(jìn)行了研究，并取得了突破性的進(jìn)展。例如，諾貝爾化學(xué)獎獲得者蓋姆教授在膜分離領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展，這些重要的成果發(fā)表在國際頂級期刊《自然》和《科學(xué)》雜志上[8-9]。我國學(xué)者在該領(lǐng)域也取得了重要的進(jìn)展，武漢大學(xué)的袁荃教授等人在《科學(xué)》雜志上報道了大面積石墨烯-納米網(wǎng)/單壁碳納米管雜化膜納濾膜的研究，實現(xiàn)了石墨烯納濾膜的規(guī)模化制備，為海水淡化帶來了希望[10]。通過這些重大進(jìn)展的介紹，引導(dǎo)學(xué)生思考化工專業(yè)的前沿方向，進(jìn)而對自己的專業(yè)充滿信心。引導(dǎo)學(xué)生了解科技發(fā)展的前沿，進(jìn)而在研究生階段繼續(xù)進(jìn)行化工專業(yè)方向的研究，為化工行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才打好基礎(chǔ)。

3.改革傳統(tǒng)教學(xué)方法

預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)在實驗課中發(fā)揮著重要的作用，是實驗教學(xué)能否成功開展的先決條件。從以往實驗課的提問過程來看，學(xué)生對實驗原理等缺乏足夠的理解。該現(xiàn)象對提高實驗課的教學(xué)效果造成了一定的困難，通過實驗學(xué)生未能有效掌握實驗課要求的知識和實驗技能的提升。因此，需要提出新的預(yù)習(xí)方式，加強(qiáng)學(xué)生對實驗課程的理解。在此，我們提出了采用思維導(dǎo)圖法預(yù)習(xí)實驗的方法，請學(xué)生用最精簡的語言總結(jié)出實驗課的邏輯框架。通過該方法既加強(qiáng)了學(xué)生對實驗的理解和思考，同時又減輕了學(xué)生預(yù)習(xí)實驗的負(fù)擔(dān)。

目前實驗課仍以教師口頭講述為主，這種方式仍然存在一定的弊端，比如對原理的講解不夠生動直觀，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)展示不夠清晰，引入一些精彩的案例存在困難。為了解決以上問題，應(yīng)該在實驗課中加強(qiáng)多媒體技術(shù)的運(yùn)用，通過實驗課課件向?qū)W生形象生動的展示整個實驗的背景、目的、意義、過程和存在的問題等。采用多媒體技術(shù)講授實驗，不僅有助于加深學(xué)生對實驗的理解，而且還可以通過精彩案例的展示激發(fā)學(xué)生的科研熱情。通過激發(fā)學(xué)生對化工實驗課的興趣，從而引起學(xué)生對理論課的重視，使實驗課和理論課的教學(xué)相輔相成。

針對實驗內(nèi)容缺少應(yīng)用案例的問題，可以用多媒體技術(shù)突顯該技術(shù)的重要應(yīng)用價值。以膜分離實驗為例，可以用多媒體技術(shù)講解膜分離的原理，用直觀的動畫展示膜分離的過程，使得學(xué)生易于理解膜分離的原理。此外，向?qū)W生展示膜分離在物質(zhì)分離，水凈化等領(lǐng)域的重要應(yīng)用和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值。如膜分離技術(shù)是分離提取鹽湖中鋰金屬等資源的重要手段，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價值，對新能源產(chǎn)業(yè)乃至國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起重要作用。青海鹽湖所馬培華研究團(tuán)隊發(fā)展了“選擇性離子遷移”高效膜分離技術(shù)，實現(xiàn)了高鎂鋰比鹽湖資源的有效綜合利用，建成了年產(chǎn)萬噸級碳酸鋰生產(chǎn)線。該技術(shù)獲得專利許可費(fèi)4000萬元，相關(guān)企業(yè)在2014年1月至2016年8月之間實現(xiàn)了7.66億元的銷售收入和5.41億元的利潤，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[11]。通過案例的引入激發(fā)學(xué)生化工報國的熱情，讓學(xué)生了解學(xué)好化工專業(yè)知識可以解決國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的重大科學(xué)和技術(shù)難題，從而增強(qiáng)化工專業(yè)學(xué)生的身份認(rèn)同。

針對實驗報告千篇一律的問題，應(yīng)重新提出書寫實驗報告的要求。提高數(shù)據(jù)處理，分析和討論方面的要求。加強(qiáng)思考題的設(shè)計，注重提出實驗技術(shù)仍然存在哪些問題，前人已做了哪些主要的研究，提出了哪些新的方法，結(jié)果怎么樣。通過對前沿領(lǐng)域的探討，讓學(xué)生了解熟悉科學(xué)研究的思路，培養(yǎng)創(chuàng)新性的科研思維。采用綜合的考核方式，實驗預(yù)習(xí)，操作和總結(jié)報告在成績評定中的占比分別為10%、40%和50%。結(jié)合實驗動手能力的表現(xiàn)和有區(qū)分度的實驗報告，可以公平公正的評定化工專業(yè)實驗課的成績。通過在考核中加強(qiáng)提出問題，解決問題和了解科學(xué)前沿領(lǐng)域方面的要求，提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力和培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。

4.實踐教學(xué)改革效果

在新工科背景下，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新思維能力尤為重要。通過本課程的改革和實踐，取得了顯著的教學(xué)效果。

（1）青年教師教授實驗課程的積極性明顯提高。在教授化工專業(yè)實驗內(nèi)容的同時，引入前沿的研究進(jìn)展，用科研反哺教學(xué)，發(fā)揮了青年教師的長處，增加了教師的教學(xué)主動性。同時和學(xué)生的討論中教師也可以得到新的啟發(fā)，教師也可以與學(xué)生共同成長，實現(xiàn)教學(xué)支撐科研。例如，通過與學(xué)生討論，我們共同提出了可以用納濾膜抑制鋰硫電池中多硫化物穿梭問題的想法。

（2）實驗教學(xué)的質(zhì)量得到顯著提升。學(xué)生上實驗課的積極性明顯提高，在課堂上提問的次數(shù)增加，積極參與實驗課和前沿研究的討論。在實驗報告里增加了對科研問題的思考，實驗報告的質(zhì)量得到顯著提高。例如，學(xué)生在報告中提出石墨烯納濾膜是膜材料研究的前沿方向，但在苛刻的實際情況下以高穩(wěn)定性工作仍然面臨挑戰(zhàn)。此外，對2017和2018級學(xué)生化工專業(yè)實驗（以膜分離實驗為例）成績進(jìn)行了分析，2017級為改革前教學(xué)年級，2018級為改革后教學(xué)年級。從改革教學(xué)方法前后成績對比可知（見表1），改革后年級實驗成績的優(yōu)秀率明顯提升。初步結(jié)果表明，化工專業(yè)實驗教學(xué)改革顯著提高了學(xué)生的成績，提升了教學(xué)質(zhì)量，改革效果良好。

（3）初步培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維。通過該實驗課的教學(xué)，學(xué)生對科學(xué)研究的積極性明顯提高，課后有多名學(xué)生積極討論科學(xué)研究的前沿，并嘗試尋找未解決的科學(xué)問題。學(xué)生對科學(xué)研究的興趣明顯增加。例如，本科三年級學(xué)生程如意等人課程結(jié)束后提前進(jìn)入了實驗室，開展了高性能電催化膜材料的研究。

5.結(jié)語

總之，通過對化工專業(yè)實驗課存在問題的分析，我們嘗試從不同層面提出解決問題的方法，并對授課內(nèi)容和方式，考核的方式進(jìn)行了的變革。從教學(xué)過程看，學(xué)生對實驗課更加感興趣。從實驗過程和實驗報告看，學(xué)生思考問題的能力明顯提高，實驗報告寫的更加深入，對前沿的研究領(lǐng)域有了一定的了解，初步具備了科研創(chuàng)新思維。化工專業(yè)實驗課的改革和實踐不僅有助于加強(qiáng)學(xué)生對該實驗課的理解和學(xué)習(xí)，同時會培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維。該課程的改革探索對其他實驗課的教學(xué)也有一定的借鑒意義。