新工科视域下模块化无机化学实验体系探索*

2023-12-16王炎英李襄宏赵燕熹张炳广李春涯

云南化工 2023年10期

王炎英，李襄宏，赵燕熹，张炳广，庄媛，李春涯**

(1.中南民族大学实验教学与工程训练中心，湖北武汉 430074；2.中南民族大学化学与材料科学学院，湖北武汉 430074)

2017年，教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》，首次提出新工科建设并积极推进，希望形成具有中国特色的工程教育模式。新工科的主要内涵是：以需求为导向，开放办学，培养应用型复合人才，即面向服务，突出特色，培养出满足未来新产业需要的、有创新创业能力、动态适应能力、高素质的各类交叉复合型“卓越工程”科技人才[1-3]。传统工科教学，强调“基础性、知识性、理论性”，培养的工科学生常常与工业企业及科学研究实际需求脱钩。新工科建设强调更注重“实用性、交叉性和创新性”，重视相关的职业能力和素质培养，重视理论与实际相结合，重视各学科交叉融合，重视创新理念，强化科研素养，使学生综合素质全面提升，与企事业单位实际需求及科研能力更相匹配。

无机化学实验，作为部分工科类专业(如化学化工、环境工程、生物工程、药物制剂等)基础课程体系中的重要组成部分，它的教学内容和教学效果直接影响到后续专业基础实验课的学习。无机化学实验除了培养学生的实验技能，奠定后续化学实验课程基础外，还是培养大学生动手能力、增强科学素养、培养科技创新能力的重要手段。其在夯实理论基础，培养学生基本实验技能、工程实践、创新思维、科研素养、组织协调能力等综合素质方面具有不可替代的作用。以新工科建设为改革发展契机，加强无机化学实验教学的创新和升级，强化学生创新创业能力的提升，可推进新工科背景下人才培养模式探索。目前，国内各高校已启动无机化学实验教学改革，但尚处于探索初期，未形成最优化范式，仍存在以下问题[4-6]：

1)沿用经典无机化学实验教材，部分实验内容老旧，实验项目单调，多属验证性实验，缺乏综合性、探索性实验，更难觅专业特色型实验；学生照方抓药，遵循实验原理、实验步骤机械操作，缺乏自主思考的主观能动性。

2)实验教学模式多以教师讲解实验目的、实验原理、实验步骤、实验操作，学生再照单抓药完成实验，按部就班，缺乏深层次思考，缺少探究过程，同时也会导致学生实验操作基本功不扎实。

3)理论知识与实验内容缺乏关联性，二者学习时段不能有效协同，易致学生难以用理论知识驾驭实验原理，盲目实验，不求甚解，事倍功半，达不到学以致用之目的。

4)考核形式单一。课程考核多侧重于实验报告，而报告中的实验目的、原理和步骤仅照搬课本，不求甚解，实验数据及结果解析也不甚明确，教师仅能依据报告及操作粗略评估，难以切实体现学生的实验水平。

5)经典无机化学实验常与科学研究前沿、行业特色需求脱钩，与专业背景分离，难以适应新工科建设目标需求。

针对无机化学实验现存的问题，需在保存经典知识体系完整的先决条件下，结合行业及专业特色对无机化学实验体系中的部分内容进行调整重构，去芜存菁，将无机化学领域最新的科研成果、热点问题引入无机化学实验教学；以学生专业为背景，构建具有专业特色的、模块化无机化学实验课程新体系，同时转换教学模式、考核评价机制，切实增强学生的专业归属感，提升实践动手能力，培养学生创新创业意识。在新工科视域指导下的无机化学实验体系，需完成实验内容重构，避免传统课程实验内容陈旧、学用分离、教学模式及考核形式单一等缺陷；探讨以行业应用领域为目标、专业特色为引导、学科创新为先导、产学研协同的无机化学实验教学方案；改进教学模式及评价机制，提高教学质量，获取可满足行业需求、专业特色明显、且与新工科建设吻合的模块化无机化学实验课程新体系。

1 构建模块化实验内容体系

无机化学实验课程历史悠久，大多是以验证性实验为主导的经典实验，与当前的生产实践及科学研究脱离，难以激发学生创新思维。面对这种现状，可以围绕无机化学实验课程目标，革新实验内容，构建模块化实验内容体系，弱化验证性实验占比，增加创新性、综合性、科研引导性实验，有助于激发学生自主学习、勤于思考、敢于创新、乐于实践的热情。针对实验体系内容，拟构建以下五个实验模块：

模块一，基本操作训练

基本操作训练模块主要以训练学生的无机化学实验基本技能为目标。比如，溶液的配制，氯化钠的提纯，训练内容包括药品的称量、反应的加热、浓缩结晶，固液分离等基本操作。

模块二，经典验证性实验

主要是元素化合物性质的实验，用于验证元素及其化合物的相关知识。如p区元素一、p区元素二、ds区元素的性质。结合理论课程的知识验证各类元素的鉴定方法、特征反应等。

模块三，综合性实验

以无机化合物的制备及性质测试为教学内容，学生在掌握了无机实验的基本操作技能后可以根据所学的理论知识综合分析实验中出现的各种问题，提高学生在实验过程中独立分析问题和解决问题的能力。比如，硫代硫酸钠的制备和性质、二草酸根合铜酸钾的制备等。

模块四，开放创新性实验

创新性实验是提高学生创新精神和实践能力的有效途径。比如，化合物的鉴定，给出几组化学性质相似的化合物，让学生利用不同的试剂设计出几种合理的鉴别方法。也可以让学生根据自己感兴趣的无机化学知识点，通过师生之间的讨论，自行设计实验方案，既激发了学生自主创新的热情，也有效增强了他们独立设计、综合应用所学知识的能力。

模块五，科研引导性实验

该类实验以老师近年来的科研成果为导向，将学术研究成果引入实验课程，紧跟科技前沿，由学生在老师拟定的实验项目中自主选择，经文献调研后设计实验方案，再由教师协助完善，进入实验室完成实验。这类实验可以充分调动学生主动性、积极性，也培养了学生科研的思维以及关注科研动态的好习惯。

调整后的实验教学内容，增加了创新性、综合性、设计性及科研引导型实验比重，在夯实理论基础及基本实验技能的同时强化学生主体地位，激发学生创新思维，养成独立思考、自主设计、探究完成的科研范式，培养学生解决实际问题的能力，满足了新工科建设对学生能力培养的要求。

2 创新实验教学模式

传统的实验课堂教学，一般由老师讲解实验基本原理、实验方案、实验操作步骤等，然后进行仪器操作示范。学生按照老师的要求完成实验，整个教学过程以教师为中心，学生缺乏独立自主性，缺乏主动探究性，不利于提高学生的积极性。创新实验教学模式包括：

1)更新实验教学手段。在现代多媒体技术发展的今天，各种网络教学平台也是线上获取知识的有效途径，基于超星学习通网络平台，为每个实验提供了课前和课后多个学习模块。课前模块主要包含实验室安全、实验操作视频、常用仪器的使用方法、小测验等，测试通过后再进入实验室；课后模块有实验报告的提交，问题讨论，实验过程测试等，这些平台的视频学习模块更加直观全面，可极大地提高学生的学习效率和学习积极性。对于一些毒性较大、安全系数较低的实验，还可以引进虚拟仿真教学实验，通过这种多渠道的线上教学手段与线下教学的有机结合，更加有利于学生全面掌握无机化学实验的理论知识和实验技能。

2)采用互动式线下教学。课堂上采用课堂提问的方式考察学生对实验基础知识，基本原理的掌握情况，对仪器操作部分采用对分课堂的模式，提前让学生通过线上图片、视频部分自行学习；课堂上让学生独立讲解和示范，这使学生由过去的教学受体变为教学主体，有利于提高学生的主动性。当然，学生在讲解和示范过程中难免会出现错误，这时可以鼓励其他同学进行检验和补充，必要时老师及时给予纠正和指导，这样可以加深学生的印象，更好地达到教学目的。

3 革新考核模式

传统的实验课程考核模式单一，缺乏综合评价效能，成绩评定中实验报告占比太大，重结果轻过程，忽视了对实验技能、协作精神，以及分析问题、解决问题等综合素质的考核。为了加强对实验过程的全面考核，革新实验课程评价机制，结合在线学习、实验操作、数据记录及处理、结果分析、生间协作、创新思考、实验设计，以及实验报告撰写等进行综合评价，实现由“学习-考试”型向“学习、研究、思考、创新”型课程评价机制转变。实验课前，学生在超星学习通平台预习实验目的、原理、方法和步骤，完成预习报告，并通过平台提交；老师根据平台记录的学习时长，预习报告的书写的情况给出成绩。实验过程中，老师全程考察学生的实验操作过程，生间协作给出实验操作过程成绩。实验报告提交后，老师会根据实验数据的记录和结果给出报告的成绩。为了更好地考查学生对基础知识、基本理论的掌握程度，可针对每个实验设计小测验，该测验成绩也纳入到最后的总成绩中。从实验前到实验后，全程跟踪实验的整个过程，全面且合理衡量学生对基础知识，实验技能的掌握情况。