面向应用型人才培养的化工类专业基础化学实验教学改革

2017-03-06 06:29沈国良张梨黎朱海峰赵文凯

化工时刊 2017年2期

沈国良张梨黎朱海峰赵文凯侯玲薛斌张静

(沈阳工业大学石油化工学院，辽宁辽阳 111003)

化学学科是化工类专业的主干学科，化学类课程是培养化工类专业应用型人才的基础核心课程，化学类实验教学是培养高水平应用型人才的重要环节。

在化工类院(系)中，一般把化工类专业开设的无机化学、分析化学、有机化学、物理化学课程称为基础化学(又称四大化学)课程，基础化学课程都是地位非常重要、实践性非常强的核心课程。长期以来，在化工类专业人才培养方案中，基础化学的理论课和实验课缺乏整体考虑，基础化学的理论课和实验课各自独立设置，缺乏有机联系，部分内容重复；每门课的理论课和实验课分工太明确，相互融合和贯通不好，实验内容零散[1]。

基础化学实验教学在基础化学教学过程中占有很重要的地位[2]。要培养出高水平、高质量的应用型人才，在基础化学实验教学中不仅要注重学生动手能力的培养、注重分析问题与解决问题能力的培养，还应加强学生工程能力的培养以及对新型科学仪器、新技术的详细了解和掌握[3]。

为了更好地发挥基础化学实验教学在化工类专业应用型人才培养方面的独特作用，我们对基础化学实验教学进行了大幅度改革，并开设出了化学虚拟仿真实验，这些改革明显地提高了基础化学实验教学水平和学生工程能力。

1 基础化学实验改革的必要性

以前，原基础化学实验教学各成体系，存在着内容重复，例如天平的使用、酸度计的使用、分光光度计的使用等内容在无机化学和分析化学实验中均有，在实验学时压缩的情况下，必须避免低水平的重复；基础化学实验课中验证性实验项目较多，综合、设计性的实验很少，对应用性实验教学重视不够，学生训练的机会很少，这种传统的实验体系已不能满足应用型人才培养的需要；在制订新的实验教学大纲时，虽然将分析化学实验在原有的容量分析实验基础上增加了仪器分析，但总体上仪器分析学时较少，仅开出酸度计、分光光度计、气相色谱等3个实验项目，无法满足学生对现代仪器使用的需要，远远不能跟上科技进步和仪器发展的步伐。

近年来，在全球范围内明显重视化工环保和可持续发展问题，特别是中国政府提出现代绿色化工、化工清洁生产、循环经济的新理念，化工领域要突出做好绿色环保、节能降耗、减排增效和可持续发展的工作[4]。基础化学实验中存在着危险性、污染性、高成本、不直观性等问题，使很多基础化学实验过程难于在实验教学中具体实施或者即使进行实验也很难看到现象的本质。同时，实验中涉及的大型仪器设备造价昂贵、运行成本高，在教学中难以广泛使用，而且绝大多数仪器核心工作部件封闭，在工作状态下不可以观察其工作过程。

随着科学的迅猛发展和人才培养质量要求的不断提高，基础化学实验教学的内容愈来愈丰富，要在有限的实验教学学时下扩充实验教学内容，提高实验教学质量和效率，必须对传统的基础化学实验教学内容和方法进行改革。

目前，先进的网络和信息技术已将化学领入了信息时代，随着现代教育技术的发展，采用模拟仿真技术，计算机图形图像技术等生成逼真的实验场境，在虚拟的情境中完成真实情况下难以甚至不能实现的实验已成为可能。化学虚拟仿真实验作为真实实验的重要补充可扩展，具有仿真性、沉浸感、安全等特点，与实物实验有机结合，可以使学生获得全面的训练，对培养学生动手能力、观察能力、独立思考能力和创新能力具有重要意义。

2 基础化学实验改革的做法

根据现代化学实验教学需要，在反复论证利弊的基础上，成立了“基础化学实验教学中心”、“化学虚拟仿真实验教学中心”。

首先，及时调整了部分实验仪器设备的管理和使用，合并了无机化学、分析化学、有机化学、物理化学的天平室，将原有的天平集中管理和使用。调整的结果完全能够满足基础化学实验的需要，且基础化学实验教学中心的天平室还可对其它学生实验开放，既避免了重复购置，又提高了天平的使用率。总之，显著地提高了基础化学实验室和仪器设备的利用率，为基础化学实验教学改革打下了良好的基础。

其次，加强了基础化学实验主讲教师的力量，采取从事理论教学教师都要担任实验主讲教师，新到校的青年教师直接先到实验室专职做1年以上的实验主讲教师，充分发挥任课教师参加实验教学和实验教学改革的积极性。基础化学实验教学实行主讲教师制度，实验主讲教师负责实验课教学内容的改革与修订、实验教学过程的把关、实验教学考核的实施；对首次指导实验的新教师和首开新实验的教师，实行试讲试做工作制度。加强师资力量和提高实验教学水平为基础化学实验教学改革提供了有力的支撑。

第三，将无机与分析化学、有机化学、物理化学课程涉及的实验内容作为一个整体统筹安排，对基础化学实验内容进行重组，使实验内容合理衔接，删除内容存在低水平重复的实验，突出基础化学实验的应用性，减少了验证性实验项目，增加了技能性、综合性、设计性实验项目。

第四，按照应用型人才培养定位，化学虚拟仿真实验教学已基本构建了两大层次教学资源：第一层次——以强化双基教学为主导的基础化学虚拟仿真，该层次的虚拟仿真实验课程设置主要以无机化学、分析化学、有机化学、物理化学等基本实验的实训，设置目的是让学生系统学习化工类专业的基础实验知识，掌握基础技能，强化基本操作能力训练。同时培养学生独立思考、团结协作的精神，加强分析问题和解决问题能力的培养，从而达到提高学生专业学习的兴趣。根据虚拟现实教学的特点，深化改革，加强课程建设，对实验基本操作类内容加强练习，保障学生动手能力的培养是实物实验的安全。本层次为学生开设虚拟仿真实验内容有：化学实验基本操作与实验室准入、无机化学虚拟仿真实验、分析化学虚拟仿真实验、有机化学虚拟仿真实验、物理化学虚拟仿真实验。第二层次——以强化应用能力为主导的大型分析仪器虚拟仿真，该层次的虚拟仿真实验课程设置主要以化学相关的仪器分析课程为主，包括电化学分析、色谱分析、光谱分析及其它大型仪器等实验项目的设置，设置目的是培养学生的查阅、动手、观察、记忆、思维、想象和表达等能力，促进学生的全面发展。具体到教学内容上则是重在使学生掌握常用大型分析仪器的结构原理、基本操作及应用等，掌握仪器分析中仪器维护、样品处理和处理数据的基本方法，了解仪器分析领域的最新发展动向及其趋势，巩固课堂所学理论知识，培养学生发现、分析、处理、解决问题的能力，加强学生素质教育，激发学生的创新精神，把学生培养成为适应化工行业发展要求的新型人才。

3 基础化学实验课程体系的构建

构建了与理论教学相结合的实验教学体系及其实验教学内容，实现实验教学与理论教学紧密结合、实验教学内容与工程应用能力培养紧密结合。按照“强化基础、循序渐进、逐步提高、注重应用”的原则，构建注重全面素质、突出应用能力培养的实验教学课程体系，改革现有实验教学内容，减少重复内容，增加接续性实验；减少演示性实验、验证性，增加综合性、设计性实验，开发新技术实验内容，增加了化学仿真实验。

将过去单独开设的无机化学实验、分析化学实验完全融合统一考虑。在实验教学中，实验课为60学时，与改革前两门实验课的学时总和相同，但在实验内容上进行了重新安排。在定量分析的实验方面，使学生能够熟练掌握像分析天平、酸度计、电导率仪等常规仪器的正确使用，精选了实验内容与阴、阳离子定性分析鉴定相结合的元素性质实验，目的是使学生在了解典型元素不同价态化合物的酸碱性和氧化还原性的同时，能利用其化学性质进行分离和鉴定。开设了多个综合性实验及1个初步的设计性实验，以培养学生分析和解决问题的能力。

在实验教学方面，除无机化学实验、分析化学实验进行了大幅度改革外，有机化学、物理化学方面实验也进行了有效改革。物理化学实验新开出了燃煤质量测定1个综合性实验项目和乙酸乙酯皂化反应速率常数及活化能的测定、二元液系相图及工作曲线的绘制2个设计性实验项目，着重培养学生的实践动手能力、知识应用能力。

十分注意将基础化学的理论课和实验课统一考虑，有一些理论课内容与实验课内容联系紧密，放在实验课上讲，让学生边学理论边做实验，既丰富了实验内容，又缓解了理论课时间少内容多的矛盾。

化学虚拟仿真实验教学结合应用型人才的培养定位，分别构建了基础化学在线虚拟仿真实验、大型分析仪器虚拟仿真实验。充分利用虚拟仿真的优势和特点集中解决各部分在实物实验中的瓶颈问题，仿真实验与实物实验相互搭配，形成虚实结合、动静结合、理论与实际相结合的有机整体。突出了虚拟仿真实验的灵活高效性、安全环保性，以及涵盖面广和成本低廉的特色。首先，在基础化学虚拟仿真实验阶段，利用虚拟仿真实验具有的可重复型的特点，学生在虚拟实验工程中，可以反复练习，不拘泥于实验时间、仪器设备和药品的限制，更好地强化了学生的基本操作，解决了学时与学习效果之间的矛盾；利用虚拟仿真实验的可视化特点，使学生在虚拟实验中观察到经典化学实验难以跟踪、肉眼甚至仪器无法观察的分子微观变化以及相互作用，更真实和形象的描述化学反应的过程、揭示化学的本质，丰富学生的想象力和领悟力，激发学生的创造力；利用虚拟仿真实验绿色环保、仿真度高、交互性强的特点，突破传统实物实验的限制，达到实验过程绿色化、实验手段现代化和实验结论科学化的效果，让学生在安全、低毒、环保的实验环境中获取知识。其次，在化学实验仪器工作过程中仿真及虚拟操作训练，突破封闭化仪器设备内部结构及运行机制的不可视化，有利于学生对仪器设备的掌握和深刻理解。因为大型科学仪器设备价格和运行成本昂贵。同时，大多数仪器核心工作部件封闭，特别是在工作状态下不可同时观察其内部工作过程。这些特点严重制约学生对仪器工作原理、运行机制的理解和掌握。而即时学生实际能够上机操作，时间也非常有限。化学虚拟实验利用计算机仿真，以仪器原理的逻辑顺序为依据，以可视化的反应仪器工作过程，增强学生对仪器原理和工作过程的理解，提高了大型仪器的操作能力和仪器利用率。虚拟仿真实验的引入，大大提高了实验的效率，解决了设备不足的矛盾，降低了成本，增强了学生的积极性和创造型，达到事半功倍的效果。

4 基础化学实验改革的效果

基础化学实验的教学改革，经过实践、完善、提高，广大师生对实验教学改革持赞同和支持的态度。教师一致认为，基础化学实验课开设技能性、综合性以及设计性实验，有利于调动学生主动学习的积极性，有利于锻炼动手能力，有利于应用型人才培养。根据现在社会对毕业生的要求和国家教育部开展的应用型人才培养要求，必须要开出综合性实验、设计性实验，这样才有利于学生素质和知识应用能力、工程实践能力的培养。学生对基础化学实验改革参与的积极性普遍较高，在对学生毕业前的调查中，学生认为收获较大。

化学虚拟仿真实验是实物实验的补充，仿真实验与实物实验相互搭配，形成虚实结合、动静结合、理论与实际相结合的有机整体。突出了虚拟仿真实验的灵活高效性、安全环保性，以及涵盖面广和成本低廉的特色，以虚拟实验作为一种新型知识载体和实物实验的补充和延伸，通过强化虚拟实验与实物实验协同培养化工类人才，利用课内外一体化的实验教学模式，探索了虚实结合的化学实验新途径。

近年，在化学工业出版社出版了无机与分析化学实验、有机化学实验、物理化学实验3部特色实验教材，已应用于化学实验教学中，学生、教师反映良好，并被评为学校优秀教材。

5 结语

基础化学实验教学是高等学校化工类专业实现应用型人才培养目标的重要环节，它对提高学生的综合素质，培养学生的创新意识与创新能力，培养学生的知识应用能力和实际工程能力，有着非常重要的作用。

加强实验教学中基本技能和综合实验的训练，对实验内容、实验的方法等方面实行全方位的优化。增加综合性实验数量，并不断将最新的科技成果引用到实验教学中，提高实验教学水平。开放实验室，加强学生的独立思考能力、动手能力和科学研究方法的培养和训练，以适应面向现代企业发展的要求，培养出高水平的应用型人才。

加强基础化学实验项目绿色化建设，从实验药品与溶剂的选用、原子经济反应、产品与工艺的安全性等方面考虑，对已开出的实验项目进行全面改造，真正达到绿色化要求，增加绿色实验项目，增强学生的环保意识。

按照现代实验教学理念以及当代先进科技水平，建设高度仿真、极具代表性的化学虚拟仿真实验，丰富实验教学资源，降低实验教学成本，提高实验教学水平，更好的完成工科学生的工程实践能力、创新能力的培养。实现“虚实结合，相互补充，能实不虚，以虚补实”，对代表性的过程，要尽量建立“实物”，通过实训阶段，实现“虚实结合”，强化学习效果。对于复杂过程，以虚补实，实现“虚实互补”。

[1] 范望喜，秦中立. 整改实验教学提高教学质量[J]. 武汉生物工程学院学报，2006，2(1)：60～62.

[2] 高世萍，翟滨，于长顺等.无机及分析化学实验改革的研究与思考[J]. 实验室科学，2006，(3)：42～43.

[3] 林璜，丛修杰，姜润田等.无机与分析化学实验课教学改革初探[J]. 中山大学学报论丛，2003，23(1)：14～18.