新工科背景下化学综合实验课程的改革

序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了1篇的新工科背景下化学综合实验课程的改革样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。

2016年，自教育部正式提出“新工科”建设以来，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1]。中南大学应用化学专业是介于化学和化工之间的应用理科专业，如何推动应用理科向工科延伸，体现化学面向应用的发展思路并与社会需求的紧密对接，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的新型人才[2]，是“新工科”建设以来面临的重要问题。应用化学综合实验是专业教学体系的重要组成部分，内容涉及化学、化工、材料、生命、环境、能源、医药等多学科交叉领域，知识面广，综合性强，在专业人才培养中发挥着基础性、关键性作用，也是体现专业特色和优势的重要抓手[3]。作为一门多学科交叉的综合性实验课程，如何更新教学理念，调整教学目标和教学任务，丰富教学内容，改进教学方法，加强知识应用能力的拓展，强化专业的应用特色，体现与行业企业的对接，使专业人才培养能够更好地适应新技术、新产业、新业态的发展需要，是当前新工科背景下亟待解决的关键问题[4]。本文对标国家“新工科”建设要求，结合本专业特点和优势，介绍了我校应用化学专业开设的应用化学综合实验课程近年来的有益探索[5]，期望为其他高校的相关专业及课程开展“新工科”背景下的改革提供参考。

1编写实验教材

我们凸显实验教学的中心地位，将实验教学由理论教学的“从属”转变为人才培养的“重要组成部分”，让实验教学成为创新教学的主体角色。早在2006年，就对原有的实验教学体系和内容进行了整体优化和整合，按照“强化设计、注重综合、培养创新、提高能力”原则[5]，率先单独设置了应用化学综合实验和应用化学科学训练两门课，强化综合实验和科研训练，并组织年轻教师撰写了实验讲义。2020年，课程组根据“新工科”建设要求，进一步更新教育理念，以提升学生解决复杂问题及实践创新能力为目标，在实验讲义的基础上，编写了实验教材《化学化工综合实验》，由中南大学出版社出版。此次编写，发扬了讲义原有的优点和特色，即采用模块化编写的方式，全书由研究类实验、工艺类实验和虚拟仿真类实验三大模块组成(表1)。及时更新了研究类实验的内容，以培养学生的科研素养和创新能力为目标，内容反映学科前沿知识和学科发展脉络，强调多学科知识的交叉、融合和综合运用，体现了综合性、设计性和研究性。在此基础上，融入了“新工科”内容[4,6]。一是增加了工艺类实验，以培养学生综合素质为主要目标，内容反映行业企业现行技术和实际应用成果，注重学生实践能力和工程能力的培养；二是增加了虚拟仿真类实验，推动信息技术与实验教学的深度融合；三是提供了附录，给出了“化学常用软件简介”以及“部分大型仪器的原理和使用方法”，注重大型仪器分析和虚拟仿真在教学中的应用，促成多元协同的混合式教学。

2丰富教学内容

在“新工科”背景下，我们重构并优化了实验项目，将其分为研究类、工艺类和虚拟仿真类。研究类实验涉及到半导体材料、发光材料、电池材料、高分子材料、吸附材料、生物医学材料、有机药物材料的合成、表征及应用，不仅要求学生合成出新材料，还要求学生研究材料的合成工艺，考察不同反应条件对材料结构和性能的影响，培养学生分析问题、解决问题的能力以及科研创新能力。工艺类实验涉及化工过程中的工艺流程，包括催化反应、萃取、膜分离、离子交换、干燥等工艺，考察工艺参数的变化对效果的影响，为工艺放大提供参考，培养学生的工程思维及实践能力。虚拟仿真实验教学可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，如高消耗、高污染以及安全隐患大的实验，大型仪器的操作与使用，化工生产过程中的参数调整，完整的工艺过程等，训练学生的安全意识，激发学生的学习兴趣[7]。根据我校应用化学专业的特点，我们精心挑选了“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”“氧化锌纳米粉体的合成及性能研究”“锂硫材料制备、组装及性能测试虚拟仿真实验”“有机稀土配合物的合成及其荧光特征”“聚磷酸铵的合成及阻燃性能测试”“食品危害因子的拉曼快速检测及基底材料的制备”“聚苯胺导电聚合膜的制备及表征”“气相色谱-质谱和液相色谱-质谱联合表征血浆中小分子化合物”“氯化氢催化氧化及反应动力学虚拟仿真实验”“固定床反应器中乙醇催化脱水制乙烯”“超临界二氧化碳萃取花生油”和“二氢吡啶类心血管药物硝苯地平的合成”等12个实验项目作为必修项目，总96学时。优化后实验项目不仅体现了综合性、设计性和研究性，可培养学生的综合素质和科研创新能力，还将专业知识和实际应用有机融合，培养学生运用所学知识和技能解决复杂问题的能力。

3改革教学形式

中南大学化学实验教学中心是国家级实验教学示范中心，现有实验用房5793m2，拥有60余台套大型精密分析测试设备及配套运行设施，设备资产总值8000余万元，能够从事物质的形貌、成分、物相、结构及性能等分析测试工作。为了让学生了解大型仪器的工作原理和操作规程，节约课堂时间，提高课堂效率，并能让学生有足够的时间操作大型仪器，2018年以来，我们借助虚拟仿真平台，开发了系列虚拟仿真实验(包括台式X射线衍射仪、台式扫描电镜、核磁共振、红外光谱、紫外-可见分光光度计、电化学分析、液相色谱仪、原子吸收光谱、液-质联用、气-质联用等虚拟仿真实验)，构建了线上线下协同教学的模式。线上的实验要求学生在实验前预习，预约并进入大型仪器平台学习。平台中根据仪器设备特点，设置了工作原理、仪器操作、仪器维护、数据分析等模块。学生可在任何时间、任何地点登陆虚拟仿真实验平台，在系统指令引导下进行操作练习，掌握仪器操作流程，保证在线下的实验过程中能正确操作仪器，加快实验进程，并防止仪器损坏。实践表明，课前进行虚拟仿真实验的预习，能弥补传统教学中的不足，实现传统和仿真模拟教学两者的有机结合，可调动学生的积极性和参与性，有效提高实验教学质量，对培养学生的学习兴趣、动手能力以及创新能力具有重要的作用[3]。线下的实验部分更注重学生科学素养的训练和创新能力的培养。为迎合“新工科”建设，本课程已实现了学生“实验预习→文献调研→分组讨论→材料制备→结构表征→性能评价料→数据分析→科研小论文”的全过程培养[5]，强调了多学科知识技能的交叉、融合和综合运用，突出了“学生中心”，培养了学生的提出问题、分析问题和解决问题的能力。实践表明，学生对开设的综合实验项目表现出极大的兴趣，在全过程的培养中，学生获得了自信感和成就感。

4改进教学方法

教学过程中，我们突出学生为主体、教师为主导的教学理念，培养学生解决复杂问题的能力，达到提升实验教学实效性的目的，具体如图1所示。上课之前，进行线上预习，并将学生分成若干个小组，每组2–3名学生。要求学生以组为单位进行文献调研，掌握与实验相关的背景知识和研究前沿，写出文献综述。在此基础上，小组对实验方案进行设计，可适当修改实验方案或修订反应条件，提交给指导老师并与指导老师讨论，如老师提出质疑，学生需对实验方案进一步修改完善。通过这种方式提高学生综合运用理论知识的能力，激发学生的创新意识。例如，在“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”实验中，我们允许学生采用简单的共沉淀法制备氯氧铋，并研究它们的光催化性能，具体的实验步骤和实验条件由学生查阅文献后讨论确定。在氯氧铋的制备中，需要将硝酸铋的硝酸溶液和氯化钾溶液混合，但教材中并没有明确给出溶液的滴加顺序以及滴加的速度，学生查阅有关资料，了解影响无机纳米颗粒形貌和粒径的因素后，再拟定具体实验方案验证滴加的顺序和速度对形貌和粒径的影响。实验过程中，也不断进行着发现问题、解决问题、改进方案的过程。而且，讨论方案和修改方案也是一个持续改进的过程，体现了工程教育认证中的“持续改进”要求。实验过程中，小组随时开展讨论会，分析和讨论实验现象、实验结果以及实验过程中遇到的问题，教师可参与讨论并给予建议。实验完成后，学生对数据进行处理，在查阅文献的基础上对实验结果进行分析和讨论，要求学生按照《化学学报》格式撰写科研小论文。对有较高创新性的论文，教师可引导学生进一步完善实验内容，可能的情况下可将论文投稿发表，或参加国家的创新实验大赛。实践表明，通过全过程的培养，激发学生的学习兴趣，提高了学生的实验技能，强化了学生的团队合作精神，锻炼了学生的科研论文写作能力。在教学过程中，我们还加强课程思政，注重工程伦理教育[6,7]。例如，在聚磷酸铵APP的制备及阻燃性能测试实验中，让学生了解发展无卤阻燃剂的紧迫性，激发学生为国家做贡献的社会责任感。在制备APP过程中，通过有机溶剂苯的使用，培养学生安全、环保以及责任意识。通过引导学生对所得结果进行比较与分析，总结在实验中出现失败的原因，引导学生多次实验，准确记录APP的产率、溶解度以及氧指数等数据，树立严谨求实的科学态度以及热爱科学的价值观念等等。

5探索开放模式

除了必修的12个实验项目外，学有余力的学生还可根据自己的兴趣，或通过开放实验，自由选择并完成其他实验项目，进行科研训练。例如，学生在完成“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”的实验后，可开展“氯氧铋的表面修饰及光催化性能研究”实验。中南大学的实验室24小时开放，学生可利用课余时间通过平台预约实验，同一个实验项目也可进行多次实验。实践证明，通过开放实验，学习能力强的学生得到了更多自主实验的机会，激发了学生的科研热情。

6多元评价体系

中南大学规定，实验总成绩按“平时70%+期末考试30%”组成。平时成绩考核中，我们采用多元方法完善过程性评价(表2)，主要由实验前的线上预习、文献调研和实验方案设计，实验中的操作规范性、内容完成情况和实验结果，以及课后的科研小论文和小组汇报等三时段组成。同时引入指导教师评价、实验员评价、学生自评、组内互评、小组间互评的多元方式，也注重PPT制作能力和语言表达能力。结果发现，过程性评价能激发学生的学习兴趣和主动性，有效提高学习效果和教学质量，能全面客观评价学生的科研素养和创新能力，真实地反映学生的基本情况。

7改革成效

通过以上教学改革，我校应用化学专业的学生对综合实验的兴趣普遍提高，参加开放实验的积极性明显提高。近3年(2019–2021)参加开放实验的学生人数分别为114人、112人、126人，占专业总人数的70%、86%、90%。通过综合实验的系统训练，学生的文献调研能力、实验设计能力、实验操作能力和科研创新能力都大幅提高，综合素质得到了进一步提升，符合“新工科”对人才培养的新要求。近3年来，专业学生承担的国家级创新训练项目50余项，参与发表学术论文30余篇；学生积极参加“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生化学实验创新设计大赛、中国大学生Chem-E-Car竞赛、全国大学生化学实验邀请赛、全国大学生化工实验大赛、全国大学生化工设计等竞赛，获国家级奖励40余项。

参考文献

[1]王强.大学化学,2019,34(7),42.

[2]张树永,朱亚先,霍冀川,宋丽娟,徐华龙,郑兰荪.大学化学,2020,35(10),6.

[3]雷洪,霍冀川,张廷红,黄鹤燕.大学化学,2021,36(5),2010083.

[4]张树永.大学化学,2019,34(11),4.

[5]黄健涵,陈立妙,李亚娟,王海燕,唐俊涛,桑商斌,潘春跃,宋相志,罗一鸣,刘又年.大学化学,2021,36(11),2104015.

[6]张树永,朱亚先.大学化学,2021,36(5),2012036.

[7]姜新东,肖林久,李志义,于三三,耿秀娟,封禄田,陈永杰,关瑾,张东享,阎峰,等.大学化学,2020,35(10),104.

作者:陈立妙 李亚娟 周发 厉江华 李嘉伟 刘又年 黄健涵 单位:中南大学化学化工学院