面向应用化学专业“综合实验”课程的项目式教学改革探索

尹成杰,胡劲松,杨 萍,李亚男,李 智

(安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引言

目前,中国的化学工业进入快速发展和转型期,年总经济量占全国规模工业的13%,特别是化工新材料、精细化学品、新能源配套材料等保持快速增长.新时代对化学工业发展的新要求是原料专用化、材料功能化、功能复合化、产品绿色化、过程低碳化、生产智能化、技术创新化[1,2].习近平在中国共产党第二十次全国代表大会上明确指示,加快建设国家战略人才力量,努力培养造就更多大师、战略科学家、一流科技领军人才和创新团队、青年科技人才、卓越工程师、大国工匠、高技能人才[3].化工产业的转型及国家科技创新强国战略成功实现的关键是高端人才培养,而人才培养依靠全方位系统的化学人才培养体系.应用化学是中国普通高等学校本科专业,属于理学大类下的化学类,基本修业年限为四年[4].安徽理工大学应用化学专业是安徽省重点学科,以培养理工兼备、应用型复合人才为特色,培养具备扎实的高分子化学及有机合成化学基本理论、基本实验技能和现代实验技术,拥有一定的工程基础知识和计算机基础知识,熟悉学科的现状、前沿及其在生产实践中的应用,能在涉及高分子材料合成、改性及加工成型、精细化学品特别是药物中间体合成、工业催化、能源及环境保护等相关领域从事研发与管理等工作的高级专门技术人才.学生除了学习无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、有机合成反应、高等有机化学、高分子化学、高分子物理、功能高分子、复合材料、化工原理、催化原理、现代仪器分析等基础理论课程外,还需要进行专业实验、综合实验等课程的训练.

高等教育包含公平和可持续地享有高等教育,为学生提供更全面的学习体验,推动跨学科、超学科的开放与交流,提供满足青年人和成年人终身学习需求的途径,构建内容多样、方式灵活的综合学习体系,技术赋能高效的教学与研究六大变革方向[5].目前,大学生教育以专业素质能力培养为主,但对创新能力、评价体系及评价指标构建的研究并不深入.本文基于安徽理工大学化学工程学院应用化学专业学生的培养特点、培养目标及培养定位,以综合实验为载体,研究并构建大学生专业综合素质、科研创新能力评价体系,旨在为学院应用化学专业的双一流建设提供参考和支撑,同时也为学生的继续深造打下良好基础.

1 应用化学专业综合实验课程的现状及存在的问题

1.1 综合实验课程的现状分析

应用化学专业综合实验是一门独立的综合性实验课程,学生在已掌握四大化学(无机化学、有机化学、物理化学、分析化学)、高分子化学、高分子物理等基本理论、基本知识及基本实验技能的基础上,进一步掌握有关材料的制备及性能等方面的实验原理和实验技能.通过本课程的学习和实践,熟悉和掌握各种方法的要点和关键实验技能,培养学生动手能力、设计能力及创新能力,使学生具有初步的科学研究能力.课程的培养目标主要有: (1)掌握材料的制备及性能等方面的实验原理和实验技能,为后继的专业学习及工作奠定良好的基础;(2)初步具备材料合成和复合材料制备等能力;能根据应用需求进行材料结构和组成的设计及选择特定的表征方法和性能检测方法;(3)培养学生实事求是的科学精神和严谨、细致的工作作风,初步具备综合运用应用化学理论分析、解决实际问题的能力[6～8].在内容上设置: 交联羧甲基纤维素制备、结构表征及吸附染料MB 性能检测,甲基丙烯酸甲酯(苯乙烯)的微乳液聚合及聚合物热分解,γ-Al2O3的制备及其表面酸性的测定,四羧基锌酞菁的制备、表征及其对饮料、白酒中乙醇含量的测定,TiO2光催化剂的制备及其催化性能测试,磁性金属掺杂ZnO 纳米材料的制备、结构表征及光学、磁性能检测,柠檬酸碳源碳点的制备、光学表征及电化学性能测试,水性胶粘剂的制备与性能测试等实验.

1.2 存在的问题

随着国家经济发展方向、能源战略部署对人才需求的改变,目前的实验教学已无法满足人才培养需求,大部分内容与四大化学的基础实验相似,都是验证性实验,内容上已无法满足学生专业素养和创新能力的培养目标.因此需要按照教育部对于化学人才的培养要求和国家的战略需求,重新对内容进行规划和编排.近年来,安徽理工大学应用化学系有不少教师退休,同时也补充了一些新鲜血液,教师队伍发生了较大调整,而教师的科研方向不同,因此需要根据新进教师的科研方向调整教学内容.另外,教学效果评价过于单一,无法支撑毕业培养目标.目前对学生的考核主要由实验预习报告、实验操作、实验报告三部分组成,达不到对学生的客观评价.综合实验教学方式和基础实验的过程一致,以教师讲解为主,然后学生动手操作,学生无法主动思考,造成被动学习、学习兴趣不高等现象.每个实验的教学课时过于固定且课时偏少,这样虽然有利于教师教学,但是不利于培养学生的兴趣、创新性等,学生无法及时验证自己的科研思路[9～11].基于此,以应用化学专业为试点,从实验教学内容、教学方式、评价方式等方面进行改革,希望能够探索出具有特色的实验教学创新模式.

2 项目式课程教学改革

2.1 研究对象

研究对象为安徽理工大学 2020—2023 学年主修课程的应用化学专业大三本科生.

纳入标准: (1)大学三年级;(2)已学完物理化学、有机化学、无机化学、分析化学、仪器分析、科技文献检索与论文写作等化学基础课程.

排除标准: (1)重修应化综合实验课程;(2)缺课1 周以上;(3)留级人员等.

2.2 教学方案

改变传统教学模式,将教学贯穿大学四年及后继教育,由“教学生ABC 等理论,然后用学过的知识去设计及解决问题”,转变为“给他们一个项目要求,然后思考在项目实施过程中哪些地方会用到A、B、C等理论”.项目式教学能让学生发现更多的问题,引发主动思考、活跃课堂、培养创新思维,知识的掌握最终落脚于解决具体问题,打破理论和实践的隔阂[12].连续性培养方式构建的主要思路: (1)以学生为教学主体,大一开始设置课程内项目以培养学生的兴趣及化学、数学、物理等理论基础;(2)大学二年级主要结合课内项目训练,培养学生的沟通能力、团队协作能力、工程设计能力等;(3)大三主要结合学生的科研训练及综合实验课程,培养学生的动手能力、科技文献检索能力、论文阅读与写作能力、创新意识、数据问题的分析判断力等,将初步构建的项目式教学体系应用于实践中并进行检验和修订;(4)大四主要依托科研训练及本科毕业论文教学,培养学生解决复杂问题的能力、思维的系统性和创新能力,进而形成完整的项目式实践教学体系(图1).通过大学本科四年的贯穿式培养,可以培养学生实践的综合素养及创新能力[13].在大三的综合实验开展中采用时间灵活的教学方式,实验室在上班时间随时为学生进行实验做好准备.

图1 项目式综合实验教学培养安排

2.3 教学内容的更替

根据应用化学专业对人才创新能力的培养要求及国家科技强国战略的要求,以设计理工学科交叉、科学研究与基础教学相结合、综合性强的实验内容为目标,建立应用化学综合实验项目式教学体系.通过实践教学从四个方面培养学生的创新能力(即创新意识: 很强的求新、求变的理想和偏好;创新思维: 思维具有自主性、变通性、独特性、流畅性、统摄性;创新技能: 文化修养深厚、知识广博专精、表达简洁明快、信息加工能力超群、操控能力强;创新品格: 积极的价值取向、强烈的成就动机、意志坚强、实事求是,具有质疑精神、开放的意识和合作精神,抗干扰能力强),最终构建创新人才能力培养教学体系[14].在现有80 学时的教学计划下,应用化学专业综合实验课程主要基于基础练习型、综合设计型、研究探索型三个类型,设计了丁苯橡胶的制备、交联及性能测试,新型吸波材料的制备及应用改性,新能源电池电极材料的制备、器件组装与电化学性能评价,有机药物阿司匹林的制备、物理表征及药效分析等项目式实验.实验特色为: 引入课程思政元素,有利于培养学生的家国情怀、职业道德规范、社会责任感等,每个实验项目都包含利用实验技术方法认识概念和原理,利用概念和原理解决问题,应用所学知识探索产生新知识.通过实验掌握文献的调研、阅读和实验基本技能,培养发现与解决问题的能力和科研创新思维,学会各种仪器分析表征与数据处理分析,最终构建全方位的人才能力培养模式.

2.4 教学过程实施

项目的具体实施过程如图2 所示.首先是课堂基础知识讲授,介绍基础知识,学生进行分组、选题及开题准备;然后学生自由组队,激发学生自主学习能力,锻炼实践能力与创新精神;最后进行数据分析、归纳总结,提高交流表达的能力.一个实验项目的成功实施,需要从文献调研、队伍组建、实验方案设计优化、实验验证、材料表征、数据处理分析、结果讨论,到最终的实验项目书的撰写等均由学生独立完成.任课教师只负责项目确定、实验进度安排、答疑解惑.充分发挥学生的主观能动性和自主创新性,让学生做实验就像参与企业的产品研发过程一样,每个人合理分工,都能得到不同方面的锻炼[15].针对学生的考核,摒弃传统的以实验报告为单一依据的考核方式,突出过程评价机制.学生的最终成绩主要由前期文献调研、实验方案的设计及团队组建(20 分),实验项目实施过程中的表现(40 分),实验数据处理分析、实验报告撰写(20 分),项目成果PPT 汇报(10 分)及对教学合理化建议(10 分)组成.该考核方式促使每个学生都要全身心投入实验,调动每个学生的积极性、参与度,提高学生交流汇报、团队协作等能力.另外通过学生对教师教学的合理化反馈,不仅可以体现学生在教学过程中是否真的用心,也能培养他们发现问题、勇于质疑的批判精神,还能对教师的教学起到良好的促进作用.

图2 项目式综合实验教学实施过程

3 项目式综合实验改革成效

项目式综合实验的教学效果主要体现在以下几个方面:

(1)以学生为教学主体,学生为主,教师为辅,极大提高了学生的主观能动性,培养学生主动学习、发现问题并解决问题.改变了以往实验学生参与度低、教师讲解然后学生验证的传统机械模式.项目式的内容可激发学生的学习兴趣,从实践中学习知识,做到理论与实践的有机结合.

(2)有效培养学生的创新思维.让学生参与从文献调研到项目方案确定、修改等过程,训练其主动创新思维,能够取得举一反三的教学效果.

(3)显著提高学生的专业技能和解决实际问题的能力.教师提出项目要求规划,学生自己去寻找解决方案,通过实验验证方案的可行性,并反馈修改优化,可以将实践、理论、思维、动手能力、分析解决问题能力进行融合.

(4)培养团队协作与表达交流的能力.在整个项目的实施过程中,需要每个成员的分工合作,通过PPT展示自己的思路、方案和研究成果,可以锻炼学生的文字表达和口头表达能力.

4 结束语

本文以培养学生创新思维和综合专业技能为目标,构建了应用化学综合实验的项目式教学体系,明确了教学内容、项目实施过程与评价体系等.通过项目式教学的实施,将理论与实践进行有机融合,通过以学生为中心的教学站位,可以有效培养学生的自主创新思维和专业综合技能.同时也体现了教师的“教”与学生的“学”之间的反馈优化,为教师的教学改革提供有力参考,为学生未来可持续创新发展打下良好基础,也为实验教学的人才培养提供了一定的教学思路和方向.