工程教育认证理念下的无机化学实验课程教学改革探索

＊林璟 乔智威 左建良 杨伟 王琪莹 刘自力

（广州大学化学化工学院 广东 510006）

引言

中国高等工程教育规模世界排名第一，并且中国工程教育承载着为中国工业乃至世界工业的可持续性发展，提供工程科技人才支撑的责任和使命。一方面是庞大的世界经济体和市场对工程科技人才的急切需求，而另一方面是目前工程师数量和质量的供需不平衡，促使了我国现阶段必须探索出一条适合本国国情的中国高等工程教育改革的正确道路[1-5]。我国工程教育专业认证是在中国工程教育专业认证协会领导下，组织有一定基础一流专业开展申请评估认证的，我校化学工程与工艺专业进入了国家一流本科专业（双万计划）建设名单，并且化学工程学科已进入软科2020年“世界一流学科排名”榜单，旨在培养适应国家社会经济发展以及粤港澳大湾区经济与科技发展需求，能够在化学工业及相关过程工业，特别是精细化工领域从事产品研制、技术开发、过程控制以及经营管理等方面工作，具有家国情怀、德才兼备、视野开阔、能力发展性强的应用型工程技术人才。“无机化学实验”是我校化学工程与工艺专业独立开设的一门课程，该课程既是对无机化学理论课的延伸，又可以培养学生理论联系实际的实践能力，综合分析和解决问题的能力，但工程教育专业认证背景下，要求我们更加注重培养学生应用知识的能力、工程素养和创新发展能力。那么作为化工专业的一门专业基础类实验课，“无机化学实验”应该如何进行教学改革才能符合工程教育专业认证对学生培养目标的要求，这需要充分认识工程教育专业认证的理念，了解工程教育专业认证对化工类学生的培养目标和毕业要求，科学设计和优化教学内容，改革教学方法，改进其课程考核评价等针对性开展教学改革[6-9]。

1.工程认证下无机化学实验课程教学改革思路

本化工专业的培养目标是培养适应国家社会经济发展以及粤港澳大湾区经济与科技发展需求，能够在化学工业及相关过程工业，特别是精细化工领域从事产品研制、技术开发、过程控制以及经营管理等方面工作，具有家国情怀、德才兼备、视野开阔、能力发展性强的应用型工程技术人才。无机化学实验课程为培养目标的达成，培养学生能够选用或搭建实验装置，采用科学的研究方法，安全地开展实验，在专业能力、工程素养、发展能力三方面得到提升。秉承工程教育认证所注重的过程性评价理念，采用新工科培养模式，以学生为中心，优化课程内容设置，突出模块化教学改革，锻炼实验方案设计能力，提升分析和解决问题能力，提升实践和创新能力，提升学习的积极性，构建灵活且严格的成绩量化评定方式，不断持续性改进，提升教学质量，达到工程教育专业认证要求（图1）。

图1 达程度导向教学设计流程和教学改革思路

2.无机化学实验课程教学目标任务和要求

无机化学实验是学习和掌握无机化学知识和技能的重要环节，其目的是以实验为手段来研究无机化学的重要理论、典型元素及其化合物的性质和反应变化。通过无机化学实验课程的的基本操作、基本技能训练，培养学生规范地掌握基本操作与基本技能，让学生掌握无机化合物的制备、分离、提纯和鉴定等化工研究方法，培养学生具有自我获取知识、提出问题、分析问题、分析数据、提出方案解决问题的独立工作能力，培养学生的创新思维与创新能力。要求实验前做好预习，对实验目的、装置流程、测取的数据等有清楚的了解后方可进行实验；要求独立或协助完成实验，实验过程中正确操作、准确读取数据，处理实验过程中出现的问题，解释实验现象；应具备对实验数据分析和处理的能力，按要求独立完成实验报告并对实验进行评价；最终实现训练学生运用理论知识进行实验操作、实验数据处理和实验结果分析的能力的课程教学目标。设定的内涵观测点是能选用或搭建实验装置，采用科学的研究方法，安全地开展实验。以达到训练学生运用理论知识进行实验操作、实验数据处理和实验结果分析的能力的课程教学目标，并培养学生达到能够基于科学原理并采用科学方法对复杂化学工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论的毕业要求（见表1）。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系

3.无机化学实验教学内容模块的优化和改革

课程达标要求：图2所示，根据课程培养目标，我们将课程内容分为四大模块：基本知识模块、验证性实验模块、综合性实验模块、创新设计性实验模块。以下为各模块的具体要求。

图2 实验教学内容模块

基本知识模块：培养学生练就扎实的实验基本操作和技能，要求学生熟记实验室规则和安全注意事项；熟悉玻璃仪器的洗涤、酒精灯的使用、加热操作、试剂的取用与称量、溶液的配制；熟悉常用仪器的名称、规格和使用方法；学会酸碱滴定操作；了解常用试剂的分类与保管、安全防火知识、常见意外事故中的急救和处理，为后续其它实验课的开展以及将来从事化学化工行业的工作打下基础。

验证性实验模块：通过掌握滴定的原理，练习滴定操作技术和滴定终点的判断，掌握滴定数据结果的处理方法，以熟练酸碱滴定操作，并了解展望滴定在化工产品开发和检测中的应用。

通过掌握移液管和吸量管的使用，掌握测定醋酸解离度和解离常数的方法，加深对弱电解质解离平衡的理解，学会pH计的使用方法，以掌握解离度和解离常数的测定；掌握ds区元素及其化合物的制备及性质，熟悉化学反应实验的基本操作，学习离心机分析提纯物质，并了解展望ds区元素及其化合物在化工纳米材料中的制备应用；验证性实验模块可锻炼学生的基本操作技能，加深对理论知识理解和实践应用，培养观察实验过程及现象的能力。

综合性实验模块：了解结晶法提纯物质的原理和方法，掌握溶解、蒸发、结晶的原理和方法，掌握减压过滤的基本操作，巩固学习电子天平的使用，掌握结晶过程的影响因数和过程控制分析，以掌握化工产品结晶制备和分离提纯操作；了解复盐的产品特性，掌握水浴加热、溶解、过滤、蒸发、结晶等基本操作，制备硫酸亚铁铵复盐，了解分光光度计法定量分析硫酸亚铁铵杂质含量。训练学生综合应用所学知识和技能来分析和解决一些实际问题的能力，与基本操作实验和单纯的验证型实验相比有一定的难度；完成这些实验时，有的要综合应用无机化学实验和分析化学实验的方法，有的要综合运用无机合成、有机合成的方法和技术以及现代分析测试技术。

创新设计性实验模块：了解常见25种阳离子的鉴定方法，了解混合离子的系统分离法，训练常见阳离子的分离与鉴定，锻炼学生自主设计未知阳离子的分离与鉴定方案设计能力；任课老师可探索以下前沿性的化工纳米材料的实验供学生作为创新设计实验，（1）了解石墨烯的结构与性质，熟悉氧化石墨烯的制备方法，拓展学习石墨烯在增强、导电、导热化工产品的应用；（2）学习水热法制备纳米氧化锌形态的调控，学习纳米氧化锌微观形貌表征，认知纳米氧化锌在抗菌化工产品中的应用；（3）探究纳米银三角片的合成，了解影响纳米银三角片粒子生长的因数，学习紫外-可见吸收光谱表征纳米粒子的方法，熟悉纳米银三角片的形貌与表面等离子体共振吸收的关系，认知纳米银三角片在抗菌化工产品中的应用；通过以上创新设计性实验的训练，可以显著提高学生查阅科技文献或专利的能力，并能运用相关理论知识和加工整理后的文献资料设计实验方案，可以提高学生的学习兴趣，培养独立思考的能力、分析和解决问题的能力，创新意识和创新精神。

4.创新设计性实验设计探究

创新设计性实验设计探究应以无机化合物的制备及性质在化工产品中的实践应用为基础，设计和更新创新设计性实验设计内容，采用科学的逻辑思维配合实验方法和技术，对拟定研究的目的（或问题）进行的一种有明确目的的探索性研究。创新设计实验有别于基础性实验，是在借助前人的研究工作与经验的基础上，通过研究对象进行积极的思考与归纳，对未知因素进行创新设计、探究创新科学的一种研究实验。此实验环节可以引导学生掌握科技文献查阅的能力、阅读科学文献和分析归纳科研课题国内外研究进展的能力，了解前沿性科技动态，洞察和掌握未来科技发展方向，激发学生的科学研究兴趣，锻炼提出科学合理的实验方案的能力，观察实验现象、分析和解决问题的能力，培养创新思维。可以结合无机化学研究的前沿性问题，可结合任课老师的研究基础，设立研究无机化学材料的性质、组成、结构、制备、功能等一系列相关领域的创新设计性实验，如新型配合物、有机金属化合物、生物无机配合物、具有光、电、热、磁特性或生物功能配合物、具有特异性能及新结构的化合物，如高温超导材料、纳米材料、光学材料、多孔晶体材料、纳米相功能材料、无机膜敏感材料等。创新设计性实验设计探究示例见图3，加深了学生对无机化学理论知识的理解，拓展其在化工产品中的应用，为社会培养工程人才奠定更扎实的基础。学生反馈效果良好，实验过程非常投入，锻炼了其设计方案的能力和动手能力，为以后的其它课程实验打下了扎实的基础，并为以后参加科学研究也奠定了良好的理论和实践基础。

图3 创新设计性实验设计探究示例

5.构建科学有效的成绩评价体系和持续改进机制

构建科学有效的成绩评价体系是全面真实反映学生对无机化学实验课程参与度和课程目标达成度的保障，为此，我们设立实验准备、实验过程、实验报告三大部分进行评价，其中，实验准备考察学生课前预习、实验前教师课堂讲解的互动程度、实验方案的设计等（比重：20%）；实验过程考察学生实验过程的操作、数据记录、实验现象观察等（比重：20%）；实验报告考察学生的实验数据处理、实验结果分析、实验评价等情况（比重：60%）。

建立有效的评价反馈和持续改进机制更是保障教学质量评估和持续改进、学生的培养目标达成度进行跟踪反馈的保障，评价内容可包括：课程目标分解是否合理，课程目标是否达成，教学内容和环节的设置是否合理等，强调合格评价与质量持续改进[10-13]。

6.结语

本文以化工专业工程教育认证为契机，基于新工科培养模式和工程教育专业认证理念，贯彻“以人为本”的评价理念，探究了改革无机化学实验课程教学模式，修订无机化学实验教学大纲、优化和改革其教学内容和教学方法、改进其课程考核评价和构建持续改进机制等措施，对现有教学的分析，以无机化学实验课程实验工程实践为抓手，以学生学习产出为导向，强调合格评价与质量持续改进，培养了化工专业学生的实践能力和创新能力、跨学科交叉融合能力、解决复杂工程问题能力，为培养学生满足化工专业工程教育认证达成度提供教学参考。