双一流建设下基础课程交叉融合的教改实践探析
2022-10-14张瑞珍王晓敏许美贤
张瑞珍 王晓敏 许美贤
〔摘要〕为适应国家双一流建设下拔尖创新人才培养的迫切需求，高等学校在“新工科”框架下相继开启了以“宽口径、夯基础、重交叉、强实践”为特色的教改探索，着力培养各类创新型、应用型、复合型优秀人才，以满足新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济发展。文章以理工科大学基础课程的改革为例，提出基础课程的教学内容要重视理论和实践的融合发展，分析了新形势下基础课程课改的具体思路、方法、实践、措施和效果，并探究了组建教学团队、创新教学内容、改革教学模式、优化考核方式、加强思政教育等一系列举措对推进课程融合发展、培养高质量人才的重要意义。
〔关键词〕新工科;基础课程;无机及分析化学;教改
〔中图分类号〕G64〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-2689（2022）03-0319-06
在國家建设一批世界一流高水平大学和学科的伟大进程中，作为培养各类高素质优秀人才重要基地的高等学校，需要从基础做起，加大改革力度，提升其服务经济社会发展的能力，以支撑国家创新驱动发展战略。2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，指出新工科研究和实践主要围绕工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的高质量以及分类发展的新体系开展[1]。与传统工科相比，新工科以“宽口径、夯基础、重交叉”为特点，因此强调基础课的教学内容和实践环节要与时俱进，不断创新，主动进行交叉融合，并运用现代科技的新理论、新方法、新技术和新成果，提升学生分析问题和解决问题的能力，最终培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的复合型、创新型工科人才[2-6]。
一、交叉融合下的教改探索
近些年，各大高校对其课程体系进行了一系列的改革探索和实践。张雪辉等对新工科背景下材料类创新型人才培养模式进行了初探，通过产教融合和校企融合的方式进行协同育人，构建了基础与特色并重的“共性基础理论—专业核心理论—有色金属特色”的理论课程体系和“课程教学—学科竞赛—科研创新”的实践课程体系，不仅培养学生具备基本的科学素养，而且通过实践环节的训练使学生逐步建立工程思维，提升学生理论联系实际的能力和创新能力[7]。李涛等充分认识到现代生物医学学科相互交融、彼此交叉的发展现状，在其“免疫学”的教学实践中，打破条块化的学科隔阂，在突出生物医学共性问题的同时，适度穿插其它学科相关知识，从而对免疫学本体知识的教学产生烘托、迁移和升华作用，激发了学生的创新思维，并有效提高了免疫学教学质量[8]。无论是产教融合还是授课过程引入其它学科知识，都是非常有益的教改探索，均需在既定教学大纲基础上不断地改革旧的教学体系和教学内容，吸收新的知识结构，并借助现代化的教学手段开展教学，力求在目前学时普遍压缩的情况下更好地扩宽基础课的知识结构，最终适应现代科学发展的需要。因此基础课程的改革是全方位的，绝不是一蹴而就能完成的，需要沉下心来精心设计，并在教学实践中不断反思和修正，方能取得成绩。
在争创一流大学、一流学科的新形势下，我校积极推进了基础课程的交叉融合改革。比如过去“无机化学”和“分析化学”是两门独立开设的专业基础课，内容自成一体，“无机化学”主要讲授“四大平衡”相关理论，“分析化学”更侧重于在平衡理论指导下的“四大滴定”分析实践，分别在两个学期开设，教学战线较长，课时较多，但教学效果不理想。对此，我们在充分借鉴国内外高校相关改革实践基础上[9-15]，将两门课程科学地整合为一门“无机及分析化学”，整合中摒弃简单的机械堆砌，而是将平衡理论和滴定分析进行同步融合教学，实现理论与实际的密切联系，加深了学生对平衡理论的理解，提高了学生运用理论知识解决实际问题的能力，激发了学生的学习兴趣。因此尽管课时大幅缩减，但融合教学确实高效地帮助学生构建了完整的知识框架和思维模式，大大提高了教学效率和教学质量，真正做到了事半功倍。这种基础课程的交叉融合改革对后续专业课程的学习、专业培养目标的实现以及学生实践能力、发展潜力的提升等都至关重要。
二、基础课程理论教学的改革现状
（一）交叉融合下的课堂教学安排
“无机及分析化学”课程是系统研究物质结构基础理论、化学反应基本原理以及如何获得物质化学组成和结构信息的科学，该课程综合应用多门有关学科知识，突出量的概念，重视基本技能训练。通过“无机及分析化学”课程的学习，可使学生掌握基本的化学反应原理，并能运用所学化学知识去解决一般的无机及分析化学问题，具备选择正确的分析化学测试方法、正确表达分析测试结果的能力，为解决生产与科学研究的实际问题打下基础;同时培养学生良好的学习习惯、严谨的工作态度、实事求是的科学作风和分析、解决问题的能力，使其逐步具备科技人员应有的科学素质。它既为学生学习后续课程提供必要的理论知识，又直接联系生产实际为其提供检测技术等知识，为学生从事科学研究和工业、工程第一线的实践提供理论基础和技术技能。
对于材料科学与工程、环境科学与工程和生物科学与工程等学科大类来说，改革后的“无机及分析化学”课程授课学时为40 h，比改革前“无机化学”和“分析化学”总授课学时减少了24 h，主要讲授四大部分：物质结构（16 h）（原子结构、分子结构、晶体结构、配合物的结构）;元素及其化合物（8 h）;四大平衡及其滴定分析（12 h）;分光光度分析和电位分析（4 h）。
（二）交叉融合下的课堂教材安排
“无机及分析化学”教材很多，内容和侧重点均有所不同。考虑到化学在很多省份不是高考必考科目，学生对化学学习的重视程度不高、基础较薄弱，我们在遵循教学大纲的基础上，立足于为本学科教学服务的目标，选择浙江大学贾之慎老师主编的普通高等教育十一五国家级规划教材《无机及分析化学》作为授课教材，该教材是一本近化学类专业的通用型化学基础课教材，其主要内容为“化学反应的基本原理、物质结构和元素的基本知识、溶液化学平衡及在定量分析中的应用、常用仪器分析简介、化学信息的网络检索”等，教材同时具有配套的多媒体光盘[16]。其中“化学反应的基本原理”与“普通化学”相关章节重复，所以不做讲授。
该教材可圈可点的地方就是将“四大平衡”和“四大滴定”的相关理论和应用知识进行同步教学，使学生通过一门课一次性完成四大化学平衡理论的输入和输出，加深了学生对化学平衡的理解和掌握，激发了学生的学习兴趣，极大提高了教学效率和教学效果。
另外，该教材在例题、习题的编写上更注重综合性，旨在培养学生的系统思维和创新能力。如“氧化还原平衡与氧化还原滴定法”一章中，有一道习题：
该教材中类似编排的例题和习题很多，既兼顾了知识点的系统性，又兼顾了学生整体知识结构体系的建立，可真正实现基础理论知识的迁移和升华，提高学生的理论水平和创新能力，符合新工科背景下创新型人才的培养目标。
三、基础课程实践教学的改革探索
“无机及分析化学实验”旨在让学生深刻认识分析实验中各有关误差的来源及其规律，掌握酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡、配位平衡的基本理论以及利用这些基本理论进行定量分析的方法，深刻理解元素化学基础知识和基本理论，应用所学知识进行无机材料的合成、提纯和成分分析。改革之前，实验教学内容基本上以验证性实验为主，学生只需要按照实验流程完成实验即可。改革之后，引入了设计性综合实验，多个知识点融合到一个实验中，环环相扣，充分调动学生的积极性和主动性，加深学生对相关理论的理解和掌握，培养学生的探索精神和创新能力，为后续专业课程学习和从事工业生产、科学研究打下坚实基础。
（一）实验内容及学时分配
改革后的“无机及分析化学”实验，我们选择四川大学化学工程学院和浙江大学化学系合编的《分析化学实验》（高等教育出版社）作为配套实验教材[17]。实验内容由浅入深地分为基本操作训练、分析方法技能训练、分析验证性实验和无机设计性综合实验四个层次，循序渐进、前后衔接。学时数为16 h，比改革前共减少16 h。对此，我们在课程安排上，实验课与理论课几乎同步进行，这样便于理论联系实际，既节省了实验教学时间，又不影响教学效果。具体内容和学时分配为：（1）分析天平、滴定管、容量瓶和移液管的使用和校准练习（1 h）;（2）酸标准溶液的配制、标定及碱液中氢氧化钠和碳酸钠含量的测定（双指示剂法）（3 h）;（3）EDTA标准溶液的配制、标定和水的硬度测定（配位滴定法）（3 h）;（4）过氧化氢含量的测定（高锰酸钾法）（2 h）;（5）硫酸铜的制备与提纯（3 h）;（6）硫酸亚铁铵的制备及铁含量的目视比色法分析（3 h）;（7）邻二氮杂菲分光光度法测定铁（1 h）。
（二）综合性实验对高素质工科人才培养的重要性
以“硫酸铜的制备与提纯”综合实验为例，首先需要提出合理的工艺路线，如：Cu不溶于非氧化性酸，所以CuSO4不能由H2SO4和Cu直接制备，而需要由浓HNO3先将单质Cu氧化为Cu2+，再与H2SO4反应生成CuSO4·5H2O，当硫酸铜溶液的离子积大于其溶度积时，则有硫酸铜晶体从溶液析出，最后经由过滤、洗涤和干燥制得CuSO4·5H2O晶体。一个看似较简单的制备实验，其工艺过程融合了多个科学问题，如：（1）在Cu和浓HNO3的氧化还原反应过程中会生成NOx污染性气体，为此需要引入铵盐将NOx还原为无毒无害气体N2，但是如果反应温度过高，则生成NOx的反应速度过快，NOx来不及与铵盐反应转化为N2，排放到空气中造成污染，因此实验过程需严格控制反应温度;（2）浓HNO3和铵盐的引入使实验过程除了生成主产物CuSO4外，还会生成Cu（NO3）·6H2O、（NH4）2SO4·12H2O和（NH4）2SO4盐类副产物，正因为室温下硫酸铜的溶解度远小于其它盐类，从而可得到高纯CuSO4·5H2O;（3）CuSO4·5H2O晶体的析出需要一定的过饱和度，可借助水浴加热使溶液快速蒸发达到过饱和，也可以在室温下通过水分的自然挥发而使溶液慢慢达到过饱和，前者形核较快，可得到大量粒径较小的晶体，后者形核较慢，可得到少量粒径较大的晶体。而且如果蒸发工艺控制不当，会导致过度蒸发而得不到含结晶水的深蓝色CuSO4·5H2O晶体，最终产物是浅蓝色的、失去部分或全部结晶水的CuSO4粉末。实验结束后，针对上述工艺问题展开讨论，分析引入铵盐抑制NOx工艺设计的巧妙性、科学性和环境相容性，引导学生思考材料制备工艺优化的重要性，帮助学生树立材料加工工艺的环保意识;针对所得晶体产物形貌和粒径大小不同的问题，启发学生从制备过程每一个细节入手，分析硫酸铜溶液的浓度、蒸发方式、过饱和度、冷却速度等因素对晶体形核、生长速率以及晶粒尺寸、形貌的影响，让学生认识到过程控制的重要性，引导学生树立产品质量管理意识……。总之，完成这类融合多个科学问题的综合性实验，不仅提高了学生们理论联系实际的能力，而且培养了他们严谨认真的科研精神和团队协作精神，极大激发了他们的科研热情和科研潜力，在他们心中播下一粒粒探索未知世界的种子！
四、基础课程的教改经验分析
“无机及分析化学”作为一门专业基础课，知识点较多，受众面较大，我们通过“組建课程团队、创新教学内容、融合多种教学模式、优化考核方式和思政进课堂”五个层次推进改革，从而有效保障教学质量和育人质量的稳步提升[18-21]。
（一）组建课程团队，探索教研新形态
新工科背景下建立有利于教学交叉融合和创新发展的长效机制、组建以课程为纽带的教学团队势在必行。在我们的“无机与分析化学”课程团队中，团队成员既要围绕明确的、统一的教学目标开展教学活动（比如集体备课、统一制作教学课件、共享教学资源等），又需要通过“新老教师结对子、互相观摩、交流学习”等方式帮助年轻教师快速成长，同时提升老教师在教学中的信息化应用水平。这种教研实践活动同时也为探索基层教研组织的新形态、新形式积累经验。
（二）创新教学内容，培养创新能力
“无机及分析化学”知识点多、理论性强，在保证课程系统性的前提下，需重视学科前沿知识的融合，主动将自身相关科学研究中涉及到的新课题、新理论和新方法融入教学内容中。因此任课教师需精心备课、大量查阅中外文献，及时将材料学科的最新研究成果带进课堂，拓展学生的认知广度。具体做法是：团队成员每人每学期整理并编写至少4个前沿性学术研究和应用案例，然后通过钉钉平台共享给团队的老师和所有学生;同时也鼓励学生针对自己感兴趣的方向积极查找文献并认真学习、归纳整理并与同学分享，使同学们积极参与到课程改革的实践中来，他们既是课程改革的受益者，又是课程改革的执行者。
（三）改革教学模式，提高教学效率
在教学时数大幅缩减的客观情况下，我们充分利用信息平台，将多媒体课件、板书、录制的教学视频以及大学MOOC、钉钉平台等多种教学手段融入教学实践中。课前将教学大纲、课件、参考书目、慕课视频等相关内容及时上传到网络平台，并督促学生提前预习、深度预习;课堂上利用精心制作的多媒体课件对重点理论知识进行梳理和讲解;课后利用钉钉平台与学生充分交流、互动，及时为学生答疑解惑，突破了传统的面对面课堂教学模式，使学生更便捷地、多渠道地获取学习、生活所需的一切帮助，加强了师生之间的联系，极大提升了学生学习的积极性、主动性和创造性，高质量、高标准完成教学任务。
（四）优化考核方式，提高教学效果
在考核机制上，采用与创新教学内容和教学模式相匹配的考核方式。首先，课堂效果的考核更注重课堂表现（占20%），包括课堂讨论的参与程度（提问和回答问题）、线上学习的时长、线上提问的踊跃程度、线上单元测试以及课后作业的完成情况;其次，课程学习效果的最终检验通过期末考试完成（占60%）;最后，配套实验的完成效果占20%。针对实验环节，为了有效保障学生实践能力和科研能力的提高，教学团队严格实验环节的过程考核，具体做法为：每次实验之前先发给学生相关实验视频，要求学生线下认真学习实验原理和实验方法，并提前写好实验的预习报告;学生进入实验室后，任课老师对具体实验步骤和操作要领进行细致地讲解，要求学生做好实验的原始记录;实验结束后，要求学生在规定时间内完成实验报告并将原始记录交老师审阅、签字;最后实验成绩由线下视频学习时间、预习报告、实验过程表现和实验报告按比例组成。通过高质量完成课程实验，提升了学生动手实践的能力，并激发了学生的研究兴趣，学生课后纷纷加入老师的科研团队，继续科研探索，这就是对课程实验价值的极大肯定。
（五）加强思政教育，提升教学目标
习近平总书记在全国教育大会和院士大会上的讲话：教育是国之大计，党之大计，必须把培养社会主义建设者和接班人作为根本任务，着重培养创新型、复合型、应用型人才，大力造就一大批具有全球视野和国际水平的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队[22-23]。为此，我们教学团队从备好讲好每一节课到设计好每一个课程实验做起，一切为学生着想，高质量完成教学环节。通过这种润物细无声的示范效应，切切实实培养学生爱岗敬业、求真务实的工作作风;同时通过高质量完成实验环节，培养学生的环保意识、质量意识、团队意识以及严谨的工作作风;而且我们坚信模范的力量远大于说教，每周我们通过钉钉平台推送2～4位我国各条科研战线老中青科学家的科研事迹，鼓励学生向老一辈革命家和科研工作者学习，激发学生树立为中华崛起而读书、为祖国强盛而研究的远大理想，同时激励学生向我国平均年龄不超过35岁的中国航天人学习，树立脚踏实地、求实创新的学习作风以及争创一流的坚定信心，提升学生的学术文化自信、民族自豪感以及科研报国的决心！
（六）存在的问题及解决办法
在多学科交叉融合的大趋势下，理论性和实践性均较强的“无机及分析化学”实验仍存在一些问题，比如实验学时较少、实验设备和分析方法过于陈旧、无机合成实验与尖端材料的联系不紧密、学生对实验环节重要性认识不足等，严重制约了“无机及分析化学”的教学改革，影响了创新型人才的培养。因此，我们应随着改革的进行逐步优化调整教学大纲，增加实践环节的教学时数;同时积极争取学校大型仪器平台共享的机会，最大限度利用学校的现有硬件支持为学生提供更加先进的实验条件;主动增加更贴近生产实际的实验内容，开拓学生视野，满足学生创新发展需求，从而构建更加完整、更加先进的学科结构和知识体系，为学生从事科学研究和工业、工程实践提供完备的理论基础和实践技能，培养满足社会发展所需要的“无机及分析化学”高级人才。
五、结语
世界范围内工业革命的加速推进以及我国国内产业的转型升级，越来越依赖于基础扎实、知识面宽、能力强的创新型、复合型人才的培养，因此，高等学校要坚持深化“宽口径、夯基础、重交叉”的教改探索。本文以专业基础课“无机及分析化学”的改革为例，通过课程内容的交叉融合、配套教材的合理选择、综合性实验教学的高效组织和实施，帮助学生建立完整的知识构架、提升学生的系统思维能力和创新能力。同时通过“强化课程团队建设、融合学科前沿知识、依托网络信息资源、注重实践能力培养以及加强思政教育”五位一体交叉融合的模式积极推进教学改革，为学生的快速成長提供高效的软硬件教学环境，极大提升了教学效果和育人效果，对培养基础扎实、素质过硬的卓越工科人才以及国家硬实力的提升均具有重要的意义。
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Exploring of Teaching Reforms on the Cross-integration of Basic Courses under the “Double First-Class”University Project
ZHANG Rui-zhen，WANG Xiao-min，XU Mei-xian
（College of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）
Abstract：In order to adapt to the urgent needs of training innovative talent under double first-class university project，higher education begins to explore the teaching reforms featuring “broadening the caliber，consolidating the foundation，paying attention to the cross-integration of disciplines and strengthening the practices”，which at last serve for the development of the new economy characterized by new technologies，new industries，new forms of business and new models. In this paper，it is proposed that the teaching contents of basic courses should pay attention to the cross-integration development of theory and practice. Also，the specific ideas，methods，practices，measures and effects in the basic curriculum reform are analyzed，and the significances of the reforming measures are explored for cultivating high-quality talents，such as establishing teaching teams，innovating teaching contents，reforming teaching modes，optimizing assessment modes and strengthening ideological and political educations.
Key words：emerging engineering education;basic courses;inorganic and analytical chemistry;teaching reforms
