新工科背景下化工專業(yè)實驗課程教學研究

＊王松林 王振杰 李元超 黃衛(wèi)峰 王丙星 范文秀

（1.河南科技學院化學化工學院 河南 453003 2.南陽職業(yè)學院 河南 474500）

教育部在2017 年提出“新工科”理念，旨在推動中國高校工程教育的發(fā)展，培養(yǎng)高素質(zhì)的應用型人才。隨著“復旦共識” “天大行動”和“北京指南”高校共識三部曲的達成，新工科正式走入高校視野。新工科建設(shè)為高等工程教育的變革創(chuàng)新提供了發(fā)展方向，并向培養(yǎng)新興工程科技人才的院校提出挑戰(zhàn)。

國家需要更多適應社會需求的應用技術(shù)人才，要滿足社會的需要，化工專業(yè)也要迅速適應新工科的要求。實驗教學是高校開展新工科教育的重要環(huán)節(jié)，是提高學生動手能力和知識轉(zhuǎn)化能力的重要平臺，更是培養(yǎng)適應化工行業(yè)發(fā)展所需人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。化工專業(yè)實驗課是理論聯(lián)系實際的基礎(chǔ)性實驗，要求學生掌握實驗的操作方法和處理數(shù)據(jù)能力，加強對專業(yè)知識的理解和應用，才能使學生具有較強的競爭力。

1.實驗教學現(xiàn)狀

化學實驗是理論和實踐的結(jié)合，對學生的理論知識和實踐能力要求較高。實驗教學與科學研究相輔相成，教師既要完成課堂教學，又要精深科學研究，對教師的能力提出雙重考驗[1]。高校的化學實驗多為驗證性實驗，內(nèi)容脫離生產(chǎn)實際，知識點之間的銜接存在不足，且受場地空間、設(shè)備短缺和危險化學品的實驗條件限制，許多探索性的實驗內(nèi)容無法在實驗室進行，這對高校實驗課程教學提出新的標準和要求。

（1）學生缺乏學習動機。學生在學習過程中被動地接受專業(yè)知識，沒有明確的目標，缺少主動挖掘?qū)I(yè)內(nèi)容的探究欲，缺乏專業(yè)自信，會由于自身學習動機不足導致學習能力差，這一現(xiàn)象在實驗課程中表現(xiàn)得尤為明顯。個別同學在課堂上表現(xiàn)出消極態(tài)度，很容易影響到其他同學的學習動力，當這種負效應逐漸擴大，原本能上好實驗課的學生會受到來自群體的消極影響，最終的教學效果很難達到預期目標[2]。

（2）實驗教學管理不足。實驗室儀器設(shè)備數(shù)量有限，教學評價不夠完善。化工類實驗課程要求配備較多的實驗設(shè)備和充足的實驗場地，并且保證設(shè)備的日常維護，這需要高校保證大量的資金投入[3]。在儀器選擇和使用的限制下，學生通常分成4～6 人的小組完成實驗，有助于學生合作、協(xié)作能力的提高，但將一個完整的實驗分割進行，會局限于學生個人部分的操作，對整個過程缺乏鍛煉。

教師準備好儀器，在課堂上先進行實驗演示和講解，強調(diào)注意事項。學生依靠教材和教師講解按部就班地完成操作，缺少自己動手配置試劑和使用儀器的機會。學生是教學的主體，這種教學模式使學生過度依賴教師的幫助，探究能力無法得到鍛煉，因此往往不能達到預期目標。有些班級的人數(shù)過多，學生擁擠在前排學習教師的操作，后排學生可能看不清操作而產(chǎn)生信息誤差。當他們自己做實驗時，會根據(jù)自己的模糊印象進行不規(guī)范操作，可能引起實驗偏差和失敗，甚至存在安全隱患[4]。

（3）實驗課程學時量少。化工類專業(yè)實驗課程的學分和學時量少，以河南科技學院化學化工學院的普高生培養(yǎng)方案為例，實驗課和理論課的學分比重差別明顯（表1），學生會忽略實驗課的作用，投入相比于理論課較少的時間和精力，然而實驗需大量的時間才能完成，導致學生學習的積極性下降，對教學效果帶來影響。此外，實驗課與理論課不能保持合理的協(xié)同節(jié)奏，甚至實驗課的上課時間早于理論課，導致學生基礎(chǔ)知識掌握不足而不能很好地開展實驗，也造成教學效果不佳。

表1 河南科技學院化學化工學院普高生培養(yǎng)方案（2021 年）

（4）課程考核標準不明確。實驗課程通過小組協(xié)作來完成實驗，大家獲得相同的實驗結(jié)果，即使部分學生未能達到實驗標準，可能會抄襲其他組員數(shù)據(jù)，教師也很難對成績做出客觀的評價。考核是評價學生學習效果的手段，通常包括課堂考勤、平時作業(yè)和期末考核三個部分。其中，課堂考勤是對學生出勤率和課堂紀律進行考察，平時作業(yè)多是指課前預習和實驗報告的完成情況，二者部分考核的標準內(nèi)容重復，不能對學生做出很好評價。實驗報告主要從實驗原理和實驗現(xiàn)象兩方面評定，期末考核多是綜合性的簡答題，評分標準未詳細劃分，最終結(jié)果不能反映學生在實驗過程中的整體表現(xiàn)，考核的作用和意義明顯降低。

2.教學體系的改革措施

（1）加強工匠精神教育。工匠精神是培養(yǎng)技能型人才的重要目標，蘊含著堅持不懈、精益求精、開拓創(chuàng)新、盡職盡責等內(nèi)容。2020 年，國家領(lǐng)導人將工匠精神概括為“執(zhí)著專注、精益求精、一絲不茍、追求卓越”[5]。高校作為培養(yǎng)人才的核心機構(gòu)，堅持以人為本的原則，追求專業(yè)技能的教學，應引導學生樹立良好的責任和創(chuàng)新意識，著力培養(yǎng)大學生的工匠精神，實現(xiàn)應用技術(shù)人才的良好發(fā)展。

教師可通過啟發(fā)教學、案例教學等方法，挖掘愛國主義、職業(yè)品格、創(chuàng)新精神和合作意識等元素融入實驗教學，把顯性教育與隱性教育相結(jié)合，在潤物細無聲中弘揚工匠精神，加快學生正確職業(yè)觀、價值觀的形成[6]。例如，學生隨意撥動真空泵開關(guān)，會導致循環(huán)水倒流從而污染溶液；在污水化學耗氧量的測定實驗中，溶液的溫度、酸度和時間會影響最終的實驗結(jié)果，而學生在實驗過程中進行打鬧、玩手機等行為都會影響對實驗現(xiàn)象的準確觀測。教師應適時普及安全教育，提高學生對實驗室安全的重視程度，認識到規(guī)范操作是技能素養(yǎng)的體現(xiàn)，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。

（2）優(yōu)化實驗教學方法。重視學生預習效果，摒棄單一的課前提問，遵循“以學生學習為中心”的教學理念，堅持“問題導向、注重實效”原則，師生雙方形成協(xié)作關(guān)系，探索線上、線下混合教學的新模式，通過雨課堂、對分易等平臺發(fā)布微課視頻，要求學生結(jié)合MindMaster、Xmind 等軟件繪制思維導圖，凝練框架，提高預習效果。學生預習實驗內(nèi)容，不僅能激勵學生帶著思考查找相關(guān)知識，而且能快速理解實驗操作，在有限的時間內(nèi)加強學生對實驗原理和流程的記憶。例如，氧化還原平衡是無機化學中的重要知識點，學生在學習過氧化還原反應后，能判斷反應中的氧化劑和還原劑，達到能夠正確書寫氧化還原電子對和反應方程式配平的教學目標。配平原則和書寫標準通過思維導圖的形式呈現(xiàn)（圖1），更有條理性，方便學生理解，也為后面學習電極電勢知識打下良好的基礎(chǔ)。

圖1 氧化還原反應思維導圖

充分利用仿真實驗進行教學，虛擬仿真實驗不受場地和設(shè)備限制，能實現(xiàn)學生異地登錄電子終端，完成實驗教學，例如碘化鉀—高錳酸鉀法測定高氯廢水中化學需氧量，需提前配制氫氧化鈉、高錳酸鉀、疊氮化鈉和硫代硫酸鈉等多種溶液，其中疊氮化鈉有毒且易爆，不適合大規(guī)模的教學實驗。因此，在學習該內(nèi)容時，學生缺少對實驗準備工作的認識。虛擬仿真實驗教學能很好地解決這樣的教學問題，教師可搭建仿真實驗室，建立與真實實驗完全相同的操作過程。學生使用電腦、手機等電子端進行模擬訓練，建立對實驗整體的認識，能有效減少錯誤操作。學生的答題情況會實時反饋到教師端，有助于教師對各個實驗步驟分析[7]。學生在課后也能針對不足之處重復練習，加深對實驗過程的理解。在后續(xù)的教學中，教師可以對學生的薄弱環(huán)節(jié)進行針對性指導，有效提升教學效果。

（3）加強教學管理。課堂是開展教學活動的主要場所，對提高教學效果和質(zhì)量具有重要作用。因此，教師需加強課堂監(jiān)督。對跟不上課程的同學，可采用定位指導法進行一對一教學，仔細觀察學生的實驗操作，及時糾正存在的問題，培養(yǎng)學生實事求是的實驗態(tài)度。

學校根據(jù)實驗室的儲備和使用量增加經(jīng)費投入。實驗管理人員提前匯總實驗清單，做好及時補充。采用教學與研究相結(jié)合的方式，鼓勵學生參加創(chuàng)新型研究項目和實驗競賽[8]。學生根據(jù)自己的安排選修不同的實驗項目，獨立查閱文獻并制定實驗方案，經(jīng)指導教師審批方案后，可預約實驗室進行實驗。合理分配儀器的使用，初學者可先使用舊儀器提高熟練度，操作熟練規(guī)范后再使用精準度高的新儀器，不僅減緩學生對儀器操作流程的遺忘程度，也減少錯誤率，還能有效提高教學效率。向?qū)W生開放實驗室，幫助學生更好地掌握大型儀器設(shè)備，提升學生的自我學習能力和創(chuàng)新實踐能力，加強理論聯(lián)系實際的應用能力。

（4）改進實驗內(nèi)容。以氯化鈉的提純?yōu)槔瑢W生不僅要學會提純的原理和方法，還要掌握溶解、沉淀、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥等操作。教師可提前將實驗主題告知學生，學生在課前通過教材或網(wǎng)絡(luò)查找基本原理、操作步驟和注意事項等，收集、整理資料后以PPT 的形式匯報，講解原理、雜質(zhì)類別及去除方法。在抽濾裝置、蒸發(fā)濃縮和純度檢驗等講解環(huán)節(jié)，教師可補充作答，拓展更深層次的知識。經(jīng)教師講解后，學生重新完善實驗方案。教師對學生的方案進行評價，并在實驗開始前進行操作演示，對操作不當?shù)耐瑢W進行指導，這種理論聯(lián)系實際的教學方法可增進師生互動，加強教學效果。

聘請企業(yè)技術(shù)人員擔任助教，加強理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。當前化工實驗的突出問題是課程內(nèi)容與生產(chǎn)實踐脫節(jié)，為解決這一問題，可邀請相關(guān)的技術(shù)人員講解生產(chǎn)實踐的相關(guān)知識和發(fā)展前景，指導學生開展實習，及時解決實驗過程中的技術(shù)問題。鼓勵學生參與生產(chǎn)實踐和技術(shù)革新的過程，不僅要了解企業(yè)的生產(chǎn)內(nèi)容，注意工藝流程細節(jié)，全程帶著問題去思考，做到“產(chǎn)、學、研”融合發(fā)展[9]。結(jié)合企業(yè)實際情況開展教學，培養(yǎng)能滿足企業(yè)在生產(chǎn)、建設(shè)、管理等方面的人才，為學生就業(yè)提供更多選擇。

（5）完善考核標準。根據(jù)培養(yǎng)方案對考核標準進行優(yōu)化，建立科學合理的考核標準。教師要加強在實驗教學過程的監(jiān)督力度，保持一定的隨堂測試率，提高學生的參與度，確保成績的真實性和公平性。

將考核分成“預習成績10%+平時成績40%+期末成績50%”的評價體系，即在學生完成對分易等線上平臺練習后，根據(jù)作答結(jié)果進行成績評定。平時成績主要考察組織紀律和學習態(tài)度及實驗報告中的實驗原理、實驗流程、實驗參數(shù)和書寫規(guī)范，教師結(jié)合平時表現(xiàn)和實驗報告進行評分；期末成績包括理論筆試和現(xiàn)場操作兩方面，主要考察實驗原理和操作。學生輪流抽取試題進行考核，考察實驗技能是否達到教學標準。思考題增加考核環(huán)節(jié)，學生描述設(shè)計思路，教師進行提問，問題的設(shè)定可引入專業(yè)前沿研究成果，引導學生關(guān)注學科前沿，培養(yǎng)學生的科研精神和家國情懷。考核結(jié)果及時反饋學生，幫助他們發(fā)現(xiàn)自身的不足并改進，達到提升理論知識和實驗能力的目的。

3.結(jié)語

通過對化工專業(yè)實驗課程教學現(xiàn)狀進行分析，改革創(chuàng)新將是一項長期工作，高校要把握好新工科建設(shè)的戰(zhàn)略背景，根據(jù)自身辦學特點不斷探索行之有效的新策略，激發(fā)學生的創(chuàng)新實踐能力，提升實驗課程的教學質(zhì)量。化工專業(yè)實驗課可結(jié)合虛擬實驗平臺開展教學，對科學前沿領(lǐng)域進行探討，不僅提升教學質(zhì)量，也可激發(fā)學生的探索興趣，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。