基礎化學“多”相融合實驗教學創新體系的構建

孫 丹 聶龍輝 王 薇 周寶晗 黃征青 趙春玲

(湖北工業大學 材料與化學工程學院,湖北 武漢 430068)

化學是高等工科院?；?、材料、生工、制藥等專業的一門以實驗為基礎的重要課程,化學實驗的主要任務是通過實驗教學使學生掌握基本技能和拓展技能兩種技能[1];同時還要進行科學素質的培養,包括求真求實的科學態度,開拓創新的科學品德,以及實驗中保持干凈整潔、有條不紊的良好習慣,培養學生具有“科學家的元素組成C3H3——Clear Head、Clever Hands、Clear Habit”[2,3]。隨著社會發展,激發和鍛煉學生的創新意識和實驗技能素質成為各高校的共同目標,大學化學實驗是培養大學生創新能力的重要途徑之一[4-6]。

1 傳統實驗教學的弊端

我?；A化學實驗覆蓋面廣,但學時非常有限,其中無機化學實驗、分析化學實驗和物理化學實驗對化工和生工專業分別開設32學時,材料專業24學時;有機化學實驗上下學期共開設48學時。在學時有限的情況下,傳統的實驗教學模式已落后于時代的發展[7],亦跟不上社會對人才需求的變化,存在諸多不足,主要體現在以下幾方面。

1.1 教學內容

實驗教學內容是否有趣、是否與專業相關,對于大一和大二的學生來說至關重要,關系到學生的學習興趣和對基礎知識的掌握,會影響后續課程的學習?，F有的實驗項目內容陳舊、驗證型實驗過多、綜合性創新性實驗偏少;專業針對性不強,同一個實驗面向所有專業開設,存在一些不合理的地方。

1.2 學生層面

我校主要面向湖北省內招生,目前湖北省高中化學實驗開課率普遍較低,調研顯示,我校2020 級化工類專業學生在高中階段進行3次以上實驗操作訓練的占比不到 20%,大多數學生只是通過觀看教師演示實驗來感知實驗現象[8]。學生在平時的實驗過程中存在重理論輕實踐、重操作輕設計、重低階輕高階等情況,導致學生綜合實驗能力欠缺,創新能力不足。

1.3 教師層面

教師在多年的教學中也偏向以教師為中心,忽略學生的學習效果,重教書輕育人,教學模式較為單一,這種傳統的教學模式已跟不上時代的變化和以00后為主的學生特點,教師要與時俱進,改變教學理念,以學生為中心,了解學生心理特點、學習方式和溝通方式,關注學生的學習效果和學生發展,全面提高實驗教學效果。

1.4 評價機制

考核評價機制在檢驗學生學習效果的同時,也客觀評價了高校本身的教學成果。由于教學的理念、內容、方式和手段的改革與考評機制是密不可分的,它在實驗中體現和衡量著改革的效果[9]。

目前,對化學實驗課程的評價機制我校仍然采用實驗操作考試成績(占40%)和平時成績(占60%)相結合的方法對學生的學習效果進行評定,考核形式過于簡單。平時成績主要是實驗報告成績;操作考試成績主要是以實驗教材上的基本實驗操作或某個實驗內容作為主要考試內容。學生為了應付考試,多表現為考前花大量的時間去背誦操作要點和實驗原理,“為考試而學,為60分而學”,操作考試成績不理想,并沒有達到開設這門課程的教學目的?？梢?目前的考核形式,實質上并不能培養學生的創新能力和知識的綜合運用能力[10]。

2 “多”相融合實驗教學創新體系的構建

針對社會和相關行業對化學化工類專業人才的需求,立足我校培養高素質工程技術人才的辦學方針,圍繞實踐教學改革,提出了“創新實踐能力培養貫穿人才培養全過程”理念,構建了“多”相融合實驗教學創新體系。

2.1 重構多維度的實驗教學內容

綜合型、設計型實驗對學生勤于思考-善于思考-創新思維的培養具有很好的作用[11-14],按照OBE工程教育認證理念,從多個維度重構化學實驗教學體系,依據專業類別(化工、材料、生工、制藥、生食等)、實驗條件、學生年級,調整和補充實驗項目及實驗類型與比例分配。按學生學習進程,逐漸減少基礎型實驗比重,加大綜合型、設計型和創新型實驗比重。其中大一學生設有基本操作型和驗證型實驗(70%)、設計型和綜合型實驗(20%)及創新型實驗(10%);大二學生設有驗證型實驗(40%)、綜合型實驗(40%)及創新型實驗(20%);大三學生驗證型實驗比重降至20%、設計型和綜合型實驗占40%、創新型實驗提高至40%。

2.2 構建多層次的實驗能力標準體系

我校物理化學課程組的聶龍輝教授牽頭研究并制定了基礎化學實驗能力標準體系,該體系包括5個基本技能和7個拓展技能(見圖1),具體含12個一級能力指標和39個二級能力指標,并給出二級能力指標的內涵[1]。構建了更科學更合理的實踐能力標準新體系,即基本技能、綜合技能和創新技能。低年級學生重在培養學生的基本實踐操作技能:認識常見的化學儀器并了解其用途及工作原理、熟練掌握基本操作及常見儀器的使用注意事項、會通過實踐來驗證教材上的理論及原理并加深對理論的理解;大二、大三的學生要求在基本實驗技能的基礎上,進一步加大對綜合能力和創新能力的培養,能夠運用已掌握的實驗基本技能分析化學和化工生產中的一些工程問題,進而在科研創新上有所突破。

2.3 實現多學科的實踐創新培訓

基礎化學課題組主要承擔了普通高校大學生化學實驗技能競賽的培訓、全國大學生化工設計大賽的指導,并積極推薦學生參加化學化工創新成果報告會和全國大學生制藥工程設計大賽等,包括化工專業、制藥專業和機械能源專業等實現了多學科的交叉培訓,極大地提高了學生的綜合設計能力和創新能力。

2.4 進行多樣化的實驗室管理措施

高校實驗室的安全管理工作對教學和科研順利進行起著至關重要的作用,實驗室的安全不僅關系到國家財產的安全,也關系到師生科研成果的安全[15,16]。我校有機化學課程組的周寶晗副教授牽頭前往挪威等國際高校學習先進的實驗室管理方法,進行了“規范化、精細化、微型化和綠色化”的改革與實踐,制定出相應的管理方法與措施,引導化學實驗教學朝“多樣化”方向發展,有效減少化學實驗中的廢液與污染等突出問題,提高學生的環保與安全意識,強化綠色概念。

2.5 落實多環節的實驗考核評價方式

傳統的實驗考核重終結性評價輕過程性評價、重教師評價輕學生評價、重書面評價輕創新能力和科學素養評價。在多年的實驗教學改革中逐步落實“課前預習-課中表現-課后反思”多環節的考核評價方式(見圖2),即課前,教師提前發布學習任務、分享視頻資源、創建在線答疑討論;課中,分小組協作完成實驗、教師根據學生課堂表現和實驗結果給予評價;課后,學生進行總結與反思,完成課后小測驗、答疑討論、拓展思考題等。將課前、課中和課后全過程聯系起來,將 OBE 理念貫穿教學全過程,引導學生思考和分析,有利于培養學生的科研素養和創新能力。這種多環節的實驗考核評價方式更全面、更綜合、更客觀、更公正。

3 幾點舉措

經過幾年的探索與實踐,緊緊圍繞工程教育專業認證的核心理念和學校辦學方針,針對如何培養高素質工程應用型人才,從轉變教學觀念、強化課程建設、狠抓科技競賽、強化綠色理念等多方面,綜合實施了如下舉措。

3.1 更新教學理念,構建“立德樹人,課上課下一體”教學模式,重在培養學生的綜合能力

更新傳統的“以教師為中心”的教學理念,根據專業培養目標和畢業要求,教學活動以學生為中心展開,構建“立德樹人,課上課下一體式”教學模式,一是以學生的發展為主體,著重培養學生的能力并堅持實施全員育人、全程育人與全方位育人的“三全”教育,不僅傳授學生知識與技能,更要培養學生優秀的道德品質,培養學生與人良好的溝通交流能力及對社會的適應性與貢獻力。二是指學生的培養模式以課上為主,課下為輔,選用多種培養方式取得了培養學生綜合能力的效果。

3.2 加強教學改革,重構課程體系,把提升學生的創新實踐能力作為高素質人才培養體系的重要內涵

圍繞現行化學實驗教學存在的不足,物理化學課程組開展了“BOPPS教學模式下成果導向型物理化學‘金課’的構建”,無機及分析化學課程組開展了“TRIZ創新理論在分析化學實驗教學中的應用研究”“慕課環境下的大學普通化學實驗教學改革的研究”“新工科背景下,培養學生實踐能力、創新精神和創業能力的新對策研究”等省級和校級教學研究項目的研究,加強創新教學理論改革研究。增加研討型課程,強化綜合化學實驗課程與設計實驗,將知識傳授與能力培養有機結合,前沿研究成果融入基礎課程,消除基礎知識與前沿研究之間的鴻溝,逐步提升學生的創新實踐能力。

3.3 “以賽促教,以賽促學”,實現了真正意義上的教學相長

本專業高度重視學科競賽,組建專業教師指導團隊,每年組織學生積極參加全國大學生化工設計大賽、全國大學生化工實驗大賽、全國大學生節能減排大賽、湖北省大學生化學化工創新成果報告會、湖北省大學生化學實驗技能競賽等課外科技競賽。學科競賽的全面化和交叉化培養了學生的創新能力、實踐能力與團隊協作能力,提升了學生-導師-企業的循環互動,專利-論文-成果轉化的良性結合,實現了專業特色與科技創新相契合的目標,成為學生科技創新創業活動的良好實踐平臺。同時教師通過各類競賽反饋的信息和問題,及時調整實驗教學體系、改進教學方法,不斷提升教師教學水平,達到了真正意義上的教學相長。

3.4 優化實驗室安全管理制度,強化綠色理念,促進創新教學和人才培養的良性循環

通過與挪威等國際高校實驗室管理進行比較,進一步優化實驗室安全管理制度、強化綠色化學概念,探索微型化實驗,不僅可以減少污染物的排放,還可以節約成本,降低實驗消耗,樹立師生的環保意識,促進創新教學和人才培養的良性循環。例如:聶龍輝教授在“二元液系相圖實驗的改進”中采用“等量移出添加法”的溶液添加新方式[17],大大減少了毒性較大的環己烷的消耗量,節約了成本,取得了良好的社會經濟效益,符合化學實驗綠色化、精細化管理的社會發展要求。

3.5 充分利用短學期制度,保障“多”相融合實驗教學創新體系的實施和落實

我校推行短學期制度,即春季學期執行“18+4”教學模式(18周教學+4周短學期);秋季學期執行“18+2”教學模式(18周教學+2周短學期),利用短學期開展各類實習實踐、創新創業教育、課外科技活動和社會實踐,充分鍛煉了學生實踐能力和創新能力。專業教師成為短學期實踐指導的主力軍,指導包括實踐過程指導和實踐答辯指導,學生實踐活動進展以日志、周志等形式在《校友邦》網絡平臺實現管理。

4 “多”相融合實驗教學創新體系的初步成果

構建的“多”相融合實驗教學創新體系在我?；?、材料、高分子、輕化、環境、生工、食品、制藥、防水、生技等專業進行了實踐和改革,同時還面向我校非化學相關專業如土木工程、機械工程等專業,以期研究成果與經驗能在武漢市鄰近兄弟院校相關院系的實踐教學得以借鑒和推廣。在近幾年的推廣應用研究過程中,產生了如下成果(以化學工程與工藝專業為例)。

4.1 學生競賽及科研成果顯著

我省每兩年舉行的大學生化學實驗技能競賽,重在考查學生獨立思考、獨立操作和獨立解決問題的能力。通過實驗教學改革,我院參加湖北省化學技能競賽,由2017年只獲得2個三等獎到2019年一等獎1 名、二等獎1 名,三等獎1 名的好成績,學生學習化學的興趣明顯增強,參與度明顯增大。此外,通過實踐教學改革,90%學生能積極進入教師科研團隊。積極參加全國大學生化工設計大賽,由2017年獲得4個叁等獎到2018年獲得1個二等獎、3個三等獎,到2020年獲得1個一等獎和1個二等獎的好成績,近四年共獲國家級和省級競賽獎勵近20項。近四年化學化工專業學生參與大學生創新創業項目40項,參與發表論文35篇,其中SCI/EI收錄論文24篇,第一作者7篇,參與申請專利20項,其中授權專利3項,詳情見圖3。

圖3 學生近年競賽及科研成果

4.2 學生更加喜愛化工專業,分流選擇化學化工專業的學生占比逐年升高

通過實踐教學改革,學生對化工專業有了更加客觀的認識,越來越多的學生喜歡上了化工專業,近四年,在化工制藥大類分流中第一志愿選擇化學工程與工藝專業的學生占比逐年升高,每年保持兩個班,班級規模逐漸增大,表1為近四年化工制藥類分流情況;從外院轉入到化學與化工專業的學生人數也非?？上?。

表1 近四年化工制藥類分流情況

4.3 近四年本專業畢業生一次性就業率約為97.3%

該實驗教學創新體系實施以來,不斷加強學生實踐能力培養,本專業畢業生以扎實的專業知識和較強的動手能力受到廣大用人單位的歡迎和好評,2017—2020年一次性就業率分別為96.0%,98.4%、97.8%、96.9%,平均為97.3%。

4.4 學生工程能力和職業能力得到良好的培養,社會認可度逐年提升

本專業考研的學生多進入浙江大學、華中科技大學、四川大學、華南理工大學、中南大學、北京化工大學、華東理工大學、武漢理工大學等高校進行深造,學生的學習能力和實踐動手能力均得到高度評價。我?；瘜W工程與工藝于2021年1月通過中國工程教育專業認證,專業建設工作與成果均得到專業教指委和認證協會專家的一致認可,我院學生的工程能力和實踐動手能力也受到專家的高度肯定。

5 結語

“多”相融合實驗教學創新體系的構建與改革,在我校已取得初步成果,但是隨著2021年新高考的實行,生源特殊,學情特殊,關于化學實驗教學還有很長一段路要走,道阻且長,我們將在后面的教學中不斷摸索不斷改革,為培養人才再接再厲!