能源化工新专业实验教学改革与探索

李春香， 姚忠平， 甘 阳， 杨春晖， 姜兆华

(哈尔滨工业大学 化工与化学学院， 哈尔滨 150001)

0 引 言

随着产业结构的变化，与之相应的高校专业设计、课程设置也需要改革。以太阳能电池、LED等新技术产业为代表的现代化工对传统化工高等教育提出新的专业需求[1]。2011年，全国首批新建立了10个能源化工专业，我校也被列为其中，相应的能源化工专业实验也伴随而生[2]。结合能源化工专业特色、地方特色以及国际研究热点与前沿，能源化工专业实验以专业课程为依托，开设太阳能电池、生物质能源(玉米秸秆产乙醇)、LED、上转换发光晶体、有机硅五大方向实验。由于能源化工新专业依托的太阳能电池、LED等产业，为国际、国内近几年发展起来的新兴产业，产业模式尚处于摸索阶段，虽然对相应的人才需求特征还不十分明确，但均有产品研发设计能力的潜在需求。为此，能源化工专业实验引入了产品递进式实验教学理念，对传统专业实验教学学时受限、演示实验为主、各实验独立、实验结果局限数据分析等方面进行改革。目前，经过三轮实验教学实践，证明产品递进式实验教学极大地调动了学生的主观能动性和积极性，有利于教学质量的提高和学生工程能力的培养[3-6]。

1 实验总体改革设计思路

本次实验教学改革是在调研国内外知名大学优势学科专业实验设置的特点，结合本校能源化工专业的专业课程内容设置，考虑大学四年级的学生基础课、专业课已学习完毕，具有一定的知识储备和实验操作技能，以及将要面临的毕业设计等实验“大课题”，有能力设计、完成一些综合性较强的探究性实验。因此， 能源化工专业实验教学内容的改革实行产品递进式，要求从初级化学试剂循序渐进地获得科技前沿器件(产品)；教学学时设计上按实验方向划分，突破传统专业实验学时受限的瓶颈[7-8]。希望改革后的能源化工专业实验教学不仅能在内容上夯实学生的基础知识与基本技能，也能为学生创造更多的设计、思考与提升空间，促进学生工程能力的发展。

2 实验改革特色

2.1 实验学时数以实验方向进行分割，专业实验教学学时不再受限

能源化工专业实验共设100学时实验教学课时，五大实验板块，具体分开16个小实验(见表1)。与传统专业实验设置不同，16个小实验不再规定具体学时数，而是以其归属的具体实验方向总学时数为准。以生物质能源实验方向为例，该实验板块计划实验教学22学时，实际操作从田地玉米秸秆处理到精馏出乙醇，实际需至少5 d的操作时间。教学学时少于实际操作学时，一方面可以将如摇床震荡发酵等耗时环节不归入教学学时之内，节省教学学时数；另一方面，学生做实验将更有紧迫意识，传统实验教学中“磨洋工”现象不复存在。同时，学生为了在计划教学学时内完成实验内容，不得不提前预习内容，将操作步骤烂熟于心，弄懂、弄通实验原理与诀窍，避免实验失败与重做[9]。这与传统的“被迫式”实验预习方式相比，不仅能减轻实验授课教师的预习核查、督促的负担，而且能让学生主动学习，甚至在预习过程中翻阅相关专业原理，获得最佳的实验预习效果，从而达到专业课程支持专业实验，专业实验检验、复习专业课程教育的实验教学要求。

2.2 按实验方向分割，小实验逐个连续

能源化工专业实验内容设计以产品递进式为理念，突破传统专业实验各实验内容独立的现象。以太阳能电池方向为例，该实验方向由掺杂改性TiO2的制备、由掺杂改性TiO2粉体制备TiO2纳米管、TiO2纳米管染料敏化太阳能电池的制备、TiO2纳米管染料敏化太阳能电池光伏特性测试4个具体小实验组成，前一个实验的产物均为后续实验的原料，最终实现从四氯器件相应的参数性质。由于实验产品递进式，迫使学生在实验过程中谨慎操作，避免后续实验无原料的现象出现。实践证明，产品递进式实验内容设计，在实验操作过程中学生责任心更强，两名同组实验者也更能团结协作，杜绝了以往实验教学过程中一人“操刀”一人围观的现象。学生在实验课程教学过程自觉遵守实验纪律，传统实验教学中的迟到、早退、随意调、串、旷课的现象基本无发生。

表1 能源化工专业实验项目内容及学时安排

2.3 遵照而不恪守实验讲义，实验内容包含设计成分

一般实验教学采用参照实验讲义，教师指导实验步骤为主，实验内容主要集中在验证、演示两部分，学生只要按照讲义操作步骤进行实验，均可获得预期实验结果。一个教学自然班实验产物千篇一律，对学生无吸引力[10]。能源化工专业实验在讲义设计以及教学过程中，采用试剂量范围化、试剂种类选择化、实验条件多样化等措施，使学生参与实验的设计过程，让书本上的实验变为学生自己的实验。比如，在上转换发光晶体方向实验中，学生可以在杂原子种类、配位比例、反应温度、反应时间4个方面进行实验设计，使得一个教学自然班的实验产物各不相同，如发光晶体的形貌差异、发光颜色不同等。让学生在整个实验过程中保持对实验产物的期待心里，并在实验结束后相互比较实验产物的不同，探讨产生差异的深层原因，从而揭露晶体成核、生长规律以及上转换发光机制。这种实验教学方法，相比“填鸭式”课堂教学，验证性实验教学，更让学生印象深刻，真正实现理论与实践结合，达到实验课程设置的教学目的[11-13]。

2.4 遵循产业生产模式，实验终产品器件化

由于能源化工专业开设的行业背景是太阳能电池、LED等器件化产业，行业的分工、细化尚不十分明确，如LED，大部分企业集荧光粉的制备、LED电路设计、LED封装于一体。因此，能源化工专业实验中LED方向实验内容也按照基础试剂→荧光粉→电路设计→LED封装→LED检测的顺序进行。在实际实验教学中发现，在实验产品器件性能测试后，大部分学生会将器件珍藏，甚至在找工作过程中向用人单位展示。一个会发光、能发电的小器件，不仅大大提高学生对专业实验的兴趣与热情，也是学生工程能力培养与展示的平台。

3 实验教学效果

3.1 锻炼学生综合解决问题的能力以及发散性思维

学生在能源化工专业实验中遇到的问题，通常不是孤立的，不能只靠单一的知识点甚至单一的专业课知识来解决，需要综合运用多种专业知识、技术、方法来解决。在实验室条件许可的情况下，充分利用实验室软硬件资源，为专业知识的学习以及工程能力的培养搭建高水平平台。譬如在学生掌握了LED封装工艺的基础上，实施LED封装实验，不仅需要运用LED专业知识，也需涉及电路知识、电化学等多种综合知识。在此过程中，不仅在潜移默化中培养了学生综合运用所学知识解决问题的能力，而且使学生对于实验设计的前瞻性、科学性、系统性有了更直观的认识，锻炼学生的发散性思维，提高学生综合解决问题的能力[14-15]。

3.2 学生求同存异心理养成

心理的健康才有身体的健康，心理是改变生活的关键。通过能源化工专业实验，不同实验小组间实验结果(产品)是有所不同的，这些产品的差异性使产品多样化，学生对差异性的认识，不仅需要克服以往教学中答案唯一化给学生带来的惯性思维，更要意识到“异”的合理存在，“异”不等同于“错”。这种求同存异心理的养成，有助于学生在后续的毕业设计、研究生继续学习或工作中少一分盲目，少一分沮丧，多一分自信与从容。

3.3 从基层到前沿，实现高层次实验的过渡

专业实验内容由易到难，专业知识由浅入深，循序渐进地让学生接触到学科前沿成果、技术，不仅有利于学生从基础层次到更高层次实验的顺利过渡，也有利于学生灵活、熟练运用基础实验中获得的新知识、技术，最终在更高层次的实验中获得突破和创新。让学生真正的消化专业知识，了解本专业，在将来的择业、就业中少些茫然，能够更早地找到自己感兴趣的领域，从而进一步拓展专业知识和实验技能，丰富学生个人发展的空间。

4 结 语

依据能源化工新专业的产业背景，在传统专业实验的基础上，从实验课程内容设置、学时安排等多方面进行了实验教学改革。克服了传统专业实验教学学时受限、演示实验为主、各实验独立、实验结果局限数据分析等方面的限制与缺点。运行3年来，获得良好的教学效果，且学生课程结束后对课程反馈满意度高，毕业后对课程反馈收益大。时代在前进，科技在进步。能源化工专业的教学内容设计要与时俱进，逐年不断改进，才能与科技前沿、产业发展同步。

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