以化学技术为主线的层次模块化实验教学体系改革与实践

王小平，王崇均，郑旭煦，傅　敏，李　宁

(环境与资源学院环境与资源化学技术实验教学示范中心,重庆工商大学，重庆　400067)



以化学技术为主线的层次模块化实验教学体系改革与实践

王小平，王崇均，郑旭煦，傅敏，李宁

(环境与资源学院环境与资源化学技术实验教学示范中心,重庆工商大学，重庆400067)

以国家级实验教学示范中心建设实际情况为基础，结合国内高校化学实验教学改革的成效和不足，提出了以化学技术的递进关系为基础的层次模块化实验教学改革思路，并从实验教学体系和教学方式方法两方面阐述了实验教学中心的实验教学改革和实践情况。通过层次模块化实验教学改革，可以实现实验教学与工程实践、科研工作和创新创业的有机结合，逐步培养学生解决实际问题的实践创新能力，并能为其他高校的化学实验教学改革提供借鉴和参考。

化学技术；层次模块化；教学体系；教学方式；改革与实践

化学实验是化学相关学科人才培养目标达成的重要环节。著名化学教育家戴安邦院士曾指出：“实验室是实施全面化学教育的最有效的场所”，在人才能力目标过程中发挥着不可替代的作用。目前，很多高校化学实验基本与化学理论课程对应，按无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验、物理化学实验4大板块设置，实验教学目标也基本停留在要求学生掌握实验基本原理、基本知识和基本操作的“三基”层面[1]，学生创新实践能力的培养力度偏弱。为改变这一现状，适应人才培养的新要求，各高校广泛开展了针对化学实验教学的改革和实践，其中大量改革的思路是实施模块化实验教学[2-7]。现有的模块化实验教学改革基本上仍以理论化学知识为脉络设置实验模块，实验内容不能满足跨学科、跨专业的需求，也不能满足时代发展的要求，对学生学习兴趣和学习主动性提升的帮助也不大。

鉴于此，本实验教学中心以国家级实验教学示范中心建设为契机，综合考虑我校环境科学与工程、化学工程与工艺、材料科学与工程、食品科学与工程、应用化学、制药工程等学科专业对化学实验的共性和个性需求，开展实验教学体系和教学方式方法改革，取得了一定成效。

1　化学实验教学改革指导思想

本实验教学中心改革的主要思想为：以能力达成为目标，以化学技术为主线。按能力由低到高，将化学实验的能力培养目标分为规范化操作能力、知识应用能力、综合实践能力和创新创业能力4个层次；按化学技术由简单到复杂，将化学实验分为通用基础实验、专业应用实验、综合提高实验和创新创业实践4个层次。通过层次化、模块化教学，达到各专业的人才培养目标。

2　实验教学体系改革

以化学技术为主线，逐层递进构建4层次实验，包括通用基础实验、专业应用实验、综合提高实验和创新创业实践。4层次实验分别对应培养学生的规范化操作能力、知识应用能力、综合实践能力和创新创业能力。

鉴于不同专业对化学技术的侧重需求不同，每一实验层次分别设计5个模块的实验项目库，构成“4层次×5模块”的实验教学内容体系(见图1)，各专业选择与专业人才能力培养目标最贴合的模块开展实验教学。

图1　“4层次×5模块”的实验教学内容体系

第1层次——通用基础实验层次及其模块

通用基础实验层次为实验教学的第一阶段，是所有化学相关专业学生必须掌握的实验技能，重点体现各专业的基础化学技术需求。主要目的在于训练学生的基础化学技能，规范学生的基本化学行为，如溶液配制、滴定分析、热值测定、黏度测定、光谱分析、色谱分析、生物成分测定、微生物培养与检测、过滤操作、精馏操作等。

本层次实验突破传统的化学课程壁垒和学科专业壁垒，将基础化学技术分为化学基本操作技术、物性参数测定技术、仪器分析技术、基础生物技术和化工单元操作技术5个模块的实验项目库，各专业根据人才培养方案在各实验项目库中选择最利于学生能力培养的实验课程和实验项目。

第2层次——专业应用实验层次及其模块

专业应用实验层次为实验教学的第二阶段，是学生经过第一阶段学习并掌握了基本化学规范和基本化学技能后方可进入的阶段。它要求学生将化学基础知识和基本技能充分融合和合理应用，形成本学科专业领域的支撑技术，注重训练学生的知识应用能力和工程实践能力。在本层次课程教学中，不同学科专业根据各自专业特性和能力要求，合理选择各模块中的实验项目并有机组成相应课程，形成有效培养专业应用能力的实验教学课程体系。

按照相关学科专业的支撑技术或工艺类别，将专业应用实验分为合成与制备、转化与降解、分离与提取、分析与表征、加工与生产等5个模块的化学实验。学生在合成和制备模块，主要学习和掌握无机化合物、有机化合物、高分子材料和药物中间体的合成与制备方法和技术；在转化与降解模块，主要学习和掌握环境污染物迁移转化与降解、废弃物资源化转化、食品酶解与转化等方面的知识和技术；在分离与提取模块，主要学习和掌握目标产物和绿色化工产品的分离纯化、天然产物分离提取、环境污染物分离富集等方面的方法和技术；在分析与表征模块，主要学习和掌握各种物质的成分分析、含量测定、理化检验、结构性质表征和功能评价等方面的方法和技术；在加工与生产模块，主要学习并掌握各种产品的加工或生产工艺和技术，了解工业产品加工生产中的常用设备。

国内关于如何帮助学生提高英语水平的研究很多。一部分侧重研究教师、教法或教材，如：付英[1]、彭晓蓉[2]、丰玉芳[3]、蔡基刚[4]等。这些学者认为，只要有高水平教师或好的教学法或好教材，学生的学习效果就会好。一部分侧重研究学生的学习动机或学习策略使用，如：高一虹[5]、张殿玉[6]等。这些学者认为只要学生学习动机强或恰当地运用学习策略，学习效果就会好。还有一些研究专注于英语测试的反拨作用，如：杨维秀[7]等。这些学者认为只要考试设计合理，在这根“指挥棒”的带领下，学生的学习就会走上正确的道路，学习效果就会好。

第3层次——综合提高实验层次及模块

综合提高实验层次为实验教学的第三阶段，是学生通过第二阶段学习并掌握了相关专业的知识应用能力和工程实践能力后方能进入的阶段。该层次实验项目主要由各学科专业最新理论成果、中心教师成熟科研成果、合作企业生产应用成果转化以及前沿问题衍生而来，它要求学生能合理选择和组合相关专业技术与工艺，完成给定的研究目标任务。本层次实验按照学科专业方向设置，通过对综合性、前瞻性化学技术的学习，培养学生综合应用化学技术解决环境保护和资源利用中实际问题的能力，是培养高素质复合应用型人才的重要环节。

根据本实验教学中心所覆盖专业的学科性质和专业要求，选择设计了功能材料研究与应用、污染控制与废物资源化、健康产品绿色加工、精细化学品研究与开发、绿色化工产品开发等5个模块实验项目，对应设计为功能材料研究与应用、环境与资源综合实验、功能食品研究与开发、天然药物研究与开发、精细化学品研究与开发、绿色化工产品研究与开发等课程。

第4层次——创新创业实践层次及模块

创新创业实践层次集中培养学生的创新新创业意识和精神，提高学生的创新创业能力。根据创新创业实验项目类型和来源，本层次包含学生创新创业基金、学科竞赛孵化、产学研合作项目、开放实验项目超市和社会实践项目5个模块。本层次实验完全打破打破学科专业界限，采取完全开放形式，每一位学生只需选择其中至少2个模块的部分实验项目，并完成规定的累积学时(学分)。

3　教学方式改革与实践

与“4层次×5模块”实验教学体系相对应，中心采用了分层递进的“互动式、研讨式、仿真式”的实验教学方式，如图2所示。

图2　分层递进的“互动式、研讨式、仿真式”教学方式

第1层次——通用基础实验层次教学方式

一是在每次实验课之前，要求学生必须利用电脑或手机在实验教学中心网站和手机APP平台中的“化学基本操作仿真动画资源”和“化学基本操作演示视频资源”开展对应实验项目的仿真预习(化工单元操作实验还要在中心虚拟仿真室中利用“化工原理实验仿真系统”进行仿真预习和上机操作)，预习完成后方可进入实验室开展实验；二是在实验过程中，教师先对学生进行实验原理、重点难点及实验注意事项的提问讲解，然后再演示规范化的实验操作；三是学生自主开展操作训练，独立完成实验以及实验结果和现象的测量与记录，并在此基础上撰写实验报告。通过本层次的基本化学规范化和基本化学技能训练，达到巩固和加深基础理论知识、规范学生的基本化学技能的目的，为后续三层次实验奠定基础。

第2层次——专业应用实验层次教学方式

专业应用实验层次，采用基于典型案例的“练习-实作-总结”和“仿真练习与实际操作相结合”的教学方式。

本层次实验常常用到大型仪器设备和工程设备，学生首先在教师指导下按照实验教材或实验指导书预设的典型案例和方法设计实验，并利用实验教学中心引进的“大型分析仪器仿真系统”、“化工原理实验仿真系统”、“环境工程实验仿真系统”、“化工基本过程单元控制培训系统”等进行仿真练习；然后进行实际操作，获取实验数据，分析实验现象和结果，阐述实验过程存在的问题及可能的原因；最后教师对实验过程和学生的实验结果进行总结评述，加深和巩固学生对专业知识点和相关设备的理解。例如，在污染控制工程实验课程中的“活性污泥沉降性能实验”项目，以正常运行的城市污水处理厂AAO工艺中的活性污泥为对象，采取“仿真练习-实际操作-总结评述”等学习过程，通过分析具有不同沉降性能的污泥由于活性不同可能造成的处理效果差异，以及分析造成沉降性不同的影响因素，加深了学生对活性污泥沉降性能的理解和认识。

第3层次——综合提高实验层次教学方式

综合提高实验层次，采用基于问题的“设计-讨论-实作”和“仿真模拟与企业实习相结合”的教学方式。

本实验层次是由教师给出实验任务(问题)，学生自主设计和实施实验。首先，学生根据任务(问题)查阅资料，拟订实验研究计划；然后与指导教师讨论确定具有的可操作性的实验方案，并向实验室提交实验所需仪器、设备和药品清单；最后由学生自主实施实验过程。同时，部分专业的学科综合实验需要先在实验教学中心的大型仿真实验室进行仿真模拟，然后再进入企业生产实习。如在垃圾焚烧发电仿真实验(含水、气净化)中，学生先在虚拟仿真室完成相关仿真模拟实验后，再赴垃圾焚烧发电厂进行生产实习，进一步加深对垃圾焚烧发电原理和工艺的理解，了解生产操作过程。

第4层次——创新创业实践层次教学方式

创新创业实践层次，采用基于项目的“引导-合作-探究”和“信息检索与实验研究相结合”的教学方式。

本层次的实验项目大都属于科学前沿和产业应用的范畴。指导教师仅指定研究方向或给出引导性项目，学生首先根据自己的兴趣爱好，在教师的指导下，检索文献，拟订研究方案，并通过撰写项目申请书获得研究资格；然后以课题小组的形式合作完成项目实验研究任务。创新创业实践实质上是学生模拟科学研究的过程，通过对基础理论、应用技术或工程应用项目研究，促进学生对多学科专业知识的综合，这对激发学生的好奇心、开发创新潜能、发挥创新灵感、培养创新能力具有极为重要的作用。比如，学生创新基金项目——“膨润土改性及其在印染废水处理中的应用研究”，教师以学生对膨润土这种“万能黏土”的好奇心为契机，引导学生多方面了解它的特性，讨论其优点、劣势及现行应用，指导学生完善解决问题的思路、方案和可行性评价，并以学生或学生团队为申报人，申请获得国家、重庆市或学校的创新创业基金，最后在教师指导下合作完成研究项目的实施。通过 “引导-合作-探究”的学习方式，学生创新创业能力得到了进一步提升。

4　结　语

本实验教学中心构建的“4层次×5模块”实验教学体系和分层递进的“互动式、研讨式、仿真式”的实验教学方式，旨在通过实验教学与基本理论的紧密结合、实验教学与工程实践的无缝衔接、实验教学与科研工作的有机结合、实验教学与创新创业的互动融合，逐步培养学生解决实际问题的实践创新能力。实践结果表明，在新的实验教学体系和教学方式下，实验教学效果明显提高，中心所覆盖学科专业人才培养目标的达成得到了有力保障。

[1]张树永,张剑荣,陈六平. 大学化学实验教学改革的基本问题和措施初探[J].大学化学，2009,24(4):24-28.

[2]丁爱琴,孙芹英. 应用型本科院校基础化学实验模块化教学的思考和实践[J].中国大学教学，2008(9):78-79.

[3]袁梅,袁艳斌,李晔,等. 资源与环境类专业多层次模块化实验教学体系改革研究[J]. 科教导刊，2013(03):18-19.

[4]张志秋,张健伟,胡冰. 大学化学实验“模块化”教学模式改革的研究与实践[J]. 教育教学论坛，2014(5):251-252.

[5]杨昌跃,蔡绪福,周天楠,等. 多层次、模块化实验教学体系的构建与改革[J].实验科学与技术，2015,13(2):119-121.

[6]毛献萍,李金芳,黄志强. 大学基础化学实验模块化改革初探[J]. 人力资源管理，2010(2):75-76.

[7]何坤欢,李家明,黄学仁,等. 能源化学工程专业无机及分析化学实验模块化教学模式改革的研究与实践[J]. 广东化工，2015,42(19):204-205.

Layer-modularization Reform and Practice of Experimental Teaching System Based on the Chemical Technology Main Line

WANG Xiao-ping, WANG Chong-jun, ZHENG Xu-xu, FU Min, LI Ning

(College of Environment and Resources, Experiment Teaching Demonstration Center of Environment andResourcesChemistry,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

The layer-module experimental teaching reformation and practice were described according to the construction of the national experimental teaching demonstration center and the achievements and shortcomings of chemical experimental teaching reformation of domestic universities. The layer-module experimental system based on the progressive of chemical technology was introduced. And the reformation and practice were described from the two aspects of the experimental teaching system and teaching methods. The combination of experimental teaching and engineering practice, scientific research, innovation and entrepreneurship can be realized through this experimental teaching reformation. The practice and innovation ability of students to solve actual problems can be trained gradually. And the reformation experience can be referenced by other colleges and universities when reforming their chemical experiment teaching.

chemical technology; layer-modularization; teaching system; teaching method; reformation and practice

王小平(1984-)，男，讲师，主要从水污染控制技术研究与教学和实验室建设。

G642.0

B

1001-9677(2016)014-0218-03