开放式基础化学、化工实验模式研究与探索*

段金贵，段越凤

(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室&化工学院，江苏 南京 211816)

改革开放以来，中国教育发展和改革发生了天翻地覆的变化。进入新时代，针对教育模式的改革更是重中之重。近几年，高校逐年扩招，学生实践的教育问题面临着巨大压力，实验课程传授迎来全新挑战。所开展的验证性实验大多已年代久远，不能符合新时代培养化工人才的进程。本着因材施教，以人为本，教书育人，课程育人教育理念，有效推进实验室教学模式改革，根据自身条件和学生的实际情况，在高校教学改革中进行拓展与创新。

1 基础化学、化工实验教学现状

在我国，对于化学、化工实验室的安排大多都是根据课程相关来设置。主要分为有机、无机、分析、物理化学实验室和基础化工实验室，呈现出单调，不连贯的教学模式。整体资源共享程度低，综合能力低；教学过程中忽视学生个人能力问题，笼统地教授实验知识；缺乏专业间相互贯穿实验室人员。对于学校，实验经费有限，不能在某些实验中提供大批精密仪器，阻碍教学规划和布局；实验室承载学生数量大，学生不能单独操作，做到一人一台；玻璃仪器和相关的设备损耗较大，重购手续麻烦，严重阻碍实验教学的进程。

2 开放式实验室教学的意义

创新始于问题，源于实践。高校实验室作为大学生重要的实验实践场所，肩负着人才培养的重要使命[1]。开放式实验室为学生实现创新创造的主要场所，为大学生进行“互联网+创新创业实践项目”“挑战杯”“全国大学生化工设计竞赛”等项目提供坚强的后盾，可为大学生独立开展创新实验项目提供保障。学生是国家的栋梁之才，在开放式实验室教学的模式下，可为社会提供具备专业，有专业素养的技术性人才。下面将从以下三点阐述开放式实验室教学的意义。

2.1 开放实验室的理念

大学生开放实验室的建立本质是为培养具有更优秀动手能力的本科生[2]。开放实验室的建立不仅能让学生掌握课本知识，而且能强化动手能力，做到理论学习，实验巩固。开放式实验室不同于传统实验室，开放式实验教学是整个教学体系的开放，是不同教育理论的兼容并包，不仅是指时间和空间上的开放，还涉及理念的开放、内容的开放、方法的开放、评价的开放、管理的开放，学生可以自由组队，选择感兴趣项目进行实验，老师评价也可多样化，全方位促进学生思维发散，不遏制学生想象力。让学生在学习过程中不仅锻炼动手能力，也能加强友谊，增强团队意识。

2.2 开放实验理念，调动资源有效、合理利用

多数仪器设备仅会使用较少的次数，一年中大部分时间都被搁置，造成资源的浪费，让学生基于自己的兴趣爱好，在现有仪器设备的条件下，勇于设计各种实验和操作，并且大胆参加各种竞赛，将这些仪器真正的使用起来，发挥其作用。各功能实验室的开放让学生真正的动手，引导学生向自己感兴趣的项目和专业发展，让开放实验室真正的开放起来，资源真正的被学生利用起来。

2.3 开放实验理念促进科研成果的产生

研究发现，大多数科研成果由高校产生。在多数研究成果中，学生主导，老师辅导，学校提供资源，三者相辅相成，缺一不可。科研教学实验室的融合开放，不仅可以实现最新科研成果对教学的指导，将理论知识应用到实际问题中，同时，新的学生主体为科研活动提供新鲜人员供给，形成相互融合，相互促进的模式。

3 开放式实验室教学模式的改革措施

实验室是高校教育装备的重要组成部分，是进行教学和科研的主要场所，是提高教学质量与实践能力和创新能力的重要平台[3]。开放式实验室教学是其时间灵活，教学灵活，评分灵活得以建立，因此将从以下几点来对开放式基础化学、化工实验模式进行研究与探索。

3.1 构建开放实验培训体系，由单一指导变为多元化指导

随着我校近几年发展，化学实验室建设提高，实验仪器的大量更新以及实验教学人员的补充，现在已经初步具备了对课程进行改革的硬件条件。学校学科梯队层次合理，突出教学中心地位，不断进行教学改革，提高教学质量。围绕主干课程和单元操作过程，高标准建成了20个教学实验。此外和材料化学工程国家重点实验以及化工学院教授课题组联动，打通本科实验教学和科研初探的路线。

以往教学模式主要表现为某一位老师指导对应班级学生开展相关实验探索。但这位老师的知识局限性不利于学生在该类别知识点的全面把握。鉴于此，针对基础验证性实验，综合性实验，设计性实验给出不同方案，由任课老师负责，学院以及国家重点实验室相关老师配合，开放专门的研究型实验室，开创由一师多生到共享型的多师—生、多师多生之间机制。对实验的内容、存在的难题、有待改进和创新等方面进行及时地交流，交流结果通过网络平台共享。此外，学校以创新实验项目为平台，新实验项目开发为辅的举措，根据不同主题，每月在网上征集相关主题讨论稿，报告，答辩，视频等形式落实知识体系的良好掌握。例如以Chem Car化工设计竞赛为例，在化学基础、能源、动力、传递等多为老师指导下，学生围绕题目制定可行方案，用软件建立模型，选取最佳材料，设计完成比赛。运用多学科知识解决实际问题，展现了化工学子扎实的专业基础、实践能力和创新精神，为适应新时代化工行业的发展奠定坚实的基础。

3.2 构建开放实验培训体系，重点打造交叉教学内容

改革开放以来，教学内容反复改革，已经形成了较为完善的教学体系，但是各个学科之间还缺乏交叉性，同时，大多数的实验更倾向于理论验证性实验。这样的教学内容设计，阻碍学生实践动手能力的培养和提升。实践课程的有效融合衔接，能够使培养效果最大化，培养出初具实践能力的专业人才，通过梳理培养方案中的实践关键课程，分析各课程间的前后衔接关系，科学合理安排课程讲授顺序，同时在各实践课程中设计实践载体——“外设实验板”[4]。

因此，学生可以选择自己感兴趣的内容进行实验，在充分利用学校资源的前提下提升自己的实验技能，使理论与实践得到全面的发展，为走向社会打下良好的基础。学校将不同学科进行组合，打造全新的实验教学。将化学的氧化还原实验和物理的点亮小灯泡相结合，展现物理与化学的结合之美；将生物发酵与膜分离过程相结合，开设了乙醇精制工艺等全流程化学化工实验，使学生具有掌握交叉学科学习的能力和推动力。

综合能力是多项能力协同提升的人才培养实质，决定了理工型院校人才培养的特殊规律：既要坚持统一人才标准，又须兼顾个体发展需要。只有实行以学生为主体，强调因材施教的教学理念，建立层次分明的开放实验教学体系，多维度开发教学实验资源，才能适应理工型院校人才培养的要求[5-6]。因此，可以按照从科普阶段到提升阶段的思路构建阶梯式开放教学课程体系，如表1所示。

表1 开放性化学实验选修课程分类Table 1 Classification of elective courses of open chemical experiment

3.3 构建开放实验培训体系，建立灵活实验机制

实验开放项目教学采用“整体统筹、调度有序、时间灵活”的方式管理[7]。各实验项目以实验老师为主要负责人，实验室科研团队研究人员为辅助，根据研究计划，制定开展方案。实验开展既可以教学时间实现灵活安排，同时鼓励以化工背景学生为主导的多重学院之间的组对，使学生了解和学习到交叉学科前沿领域的新知识和先进的现代技术实验，提高学生的科学研究兴趣和培养创新能力。让学生有“学以致用”的感觉，提高学生学习的兴趣，培养学生的创造动机。有利于实验室的建设和管理，提高仪器设备的使用效率和效益。

3.4 构建开放实验培训体系，开放实验考核形式

在每一个环节结束后，经老师的许可后方可进入下一个阶段。如果中途发生变故后，学生应提前与老师协商更改方案。其次老师设置时间节点，要求学生在节点前完成实验，并制作PPT，进行汇报，讨论后方可继续下一个工作。另外，实验室采取预约制，列明所预约时间，所需药品种类，用量和设备，经实验负责老师和实验室管理员审核后，对学生进行必要的安全培训后方可开展实验。

为了让教师在评定学生实验成绩时有据可依，学生根据成绩能够对自己的学习情况进行有针对性地自查自纠，即实验成绩不仅能充分反映学生对实验项目的掌握情况，还能为教师后续实验教学的开展提供指导性的意见及建议。因此，要想改革实验教学，就必须改革实验评估体系，在评估过程中考虑多重因素，多方式进行评估，因此，评分主要从基础实验考核，创新和实验三大方面进行评分，基础实验占比20%，创新占比20%，实验占比60%。其中，基础实验由学院老师统一出题，学生作答；在创新方面注重理念，主要从新颖度，可实施度方面打分；而实验方面则注重过程，对实验的操作是否规范打分和结果的呈现进行打分。这不仅有利于学生更好的理解课程中所学习到的内容，提高学生学习的主动性和创造性，同时，有利于拓宽学生的知识面，把所学到的知识与生产实践相结合。

3.5 构建开放实验培训体系，线上向下互补

针对线上教学存在的问题，我们提出了线上、线下教学的互补的模式。系列理论性验证性实验多以线上的教学模式展开，然而还有大批探索性实验需要实际的操作，理解操作过程和实验原理的目的。线下结合学生个人能力，自由设计综合实验，提升学生的综合能力；线上，对于难点，重点进行演示，分步讲解，让学生将知识点吃透。另外，可以将线上、线下两种教学模式相互结合，全方面培养学生，提升学生的能力(见图1)。

图1 线上、线下相结合教学模式Fig.1 Teaching mode combining online and offline

在线上开课前，老师将本课教授内容上传在群里，供学生下载预习。然后制定教学目标，简单提几个课前问题，供学生自主学习并解答。对于实验内容环节，分小组讨论，将实验过程中比较难，不容易懂的问题列举出来，或者比较危险，要多加注意的地方列举出来。让学生自己预先熟悉整个流程，做到心中有数。录制实验过程，通过直播软件重点讲解实验过程中可能遇到的难点问题，对于较容易发生错误的步骤可以进行拆分或者进行缓慢放大演练，使学生更容易理解。对于课前提出的问题让学生进行解答，激发学生的积极性，提高学生对实验学习的兴趣。同时融入课程思政元素，提高课程“两性一度”和学生学习的积极性、主动性[8]。课后老师布置一些纸质作业，内容主要是实验操作布置，内容形式可以多样化，可为选择、判断、解答、画图题。主要目的是让学生巩固教学内容，检查教学效果。其次，提出一些提升问题，分小组讨论，共同激励，刺激学习，培养团队意识。

4 结 语

开放式实验教学的研究已成为世界性的热点，开放式实验教学是整个教学体系的开放，是不同理论和模式的兼容并包，不仅是指时间和空间上的开放，还涉及理念的开放、内容的开放、方法的开放、评价的开放、管理的开放等等。开放式实验教学终将取代传统实验教学，走进学生的课程中。通过开放性实验教学，原有的教学模式得到改变，使学生从“封闭、被动、受束缚的状态”，变成“开放、主动、较自由的状态”，真正成为实验的主人、教学的主体。自教学改革以来，学生学习积极性增强，教学效果明显提高，成果丰硕，各种能力得到充分体现，这对学生将来在工作、科研道路上奠定坚实的基础，也为基础化学实验和本校的实验教学改革提供借鉴。此外，开放式实践探索为教书育人，课程育人的目标奠定重要基础。开放式实践探索有利于激励教学主体，充分调动学生学习科研的主观能动性；有利于改革教学方法，为学生成人成才提供宽广的发展空间；有利于明确教学目的，培养学生的科学意识和创新能力；有利于推进教学改革，促高校全面协调可持续发展。