新工科背景下物理化学实验教学改革与探索

李盼,瞿鹏,王立晶,刘应敏,魏伟

(商丘师范学院 化学化工学院,河南 商丘,476000)

为了应对新一轮的产业变革和科技革命,支撑与服务“中国制造 2025”、创新驱动发展等重大战略,我国正在积极推进新工科建设.以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展,对新经济现有从业者及后备技术人才的综合素质提出了更高、更全面的要求.我国高等院校传统的工科人才培养模式已经不能适应当下社会的发展需要,因此,迫切需要加快高校的工科教育改革[1-3].物理化学实验作为一门理论性和实践性较强的独立课程,不仅在化工相关专业课程体系中起到承前启后的作用,而且也是学生毕业后从事科学研究或生产实践的基础,对培养新工科背景下高素质复合型人才具有十分重要的作用[4-5].传统的物理化学实验教学很难满足“新工科”背景下人才培养的需求,存在很多亟需改进的地方.本文主要以商丘师范学院新能源科学与工程专业的本科生为研究对象进行实践探索,针对物理化学实验在教学内容、教学方法与模式及课程考核等方面存在的问题深入思考,并初步提出了一些建议及改进措施,拟探索出物理化学实验教学改革新模式,以期提高复合型人才培养质量.

1 新工科的提出及人才培养目标

近些年来,我国面临实践人才不足、高技能人才缺乏等严峻挑战.据统计,到2025年,新一代信息技术产业人才缺口将达到950万人,电力装备的人才缺口将达到909万人[3].基于此,2017年2月18日,教育部在复旦大学召开了综合性高校工程教育发展战略研讨会,形成了《复旦共识》；随后,教育部印发了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》；2017年 4月 8日在天津大学召开了“新工科”建设研讨会,发布了《天大行动》[6-8].由此,“新工科”建设的研究与实践在全国各大高校中全面展开.

与“老工科”相比,“新工科”更强调学科的实用性、综合性及各学科之间的交叉性.新工科背景下对人才的需求,不仅要求具有扎实的理论知识和一定的实践经验,还需要具备较强的分析和解决多学科环境中复杂问题的能力,具备良好的沟通能力、团队协作能力和创新精神等[3].以上对人才培养的要求促使我们急需改变现有的人才培养模式,不仅要求学生掌握所学基本理论知识,还要让他们了解当前科学研究前沿问题及企业生产急需解决的关键问题,提高学科的应用能力和实践能力.同时加强多学科的交叉融合,培养学生团队协作能力和创新思维,使学生知识、能力和素质全面协调发展,以适应新工科背景下复合型人才培养的要求[9].

2 物理化学实验教学现状

物理化学实验是继无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验之后一门独立的基础实验课程.目前,主要存在如下一些问题：(1)教学内容选择的经典验证性实验偏多,而开放性和综合性实验所占的比重较少,缺乏选择性和灵活性,这导致学生仅仅机械性地按照实验教材内容去验证实验结果.教学内容也缺乏应用性,脱离现代生活与应用实践,未让学生产生学以致用的感受,难以激发学生的学习激情和求知欲；(2)教学方法单一,仍以灌输式的教学方式为主,教师在课堂上讲解实验原理、操作步骤、注意事项等,学生按部就班地动手操作.在这一教学模式下,难以发挥学习的积极性和创造性,使学生的创新想法、创造能力及发现问题、分析和解决问题的能力逐渐丧失；(3)考核方式和评价体系不完善.目前考核方式通常只注重实验报告和期末实验两部分内容,这种考核评估具有较大局限性,不能真实反映学生的综合素质.总的来说,当前采用的物理化学实验教学模式已不能满足新工科背景下人才培养的需求,亟需探索一种新的物理化学实验教学模式.

3 新工科背景下物理化学实验教学改革措施

3.1 优化教学内容,贴近实际生产实践

在新工科背景下,物理化学实验课程不仅要完成对学生专业基础知识和实验能力的培养,还要尽可能地与实际生产生活紧密结合,使学生应用所学知识来解决实际生产生活问题,从而打消“学习课本知识无用论”的认识.依照这个教学目标,验证性实验的比重可以适当降低,通过增加综合性或者设计性实验的内容激发学生的学习积极性,逐步培养其综合能力.比如在讲授“电导率仪的使用”实验时,可以设计实验为“纯净水、自来水和矿泉水的鉴别”；“旋光法测定蔗糖转化反应速率常数”可以改为“旋光法测定药物有效含量”等,通过走进学生的生活,将实际生产生活中企业关注的问题与实验课程相结合,让学生产生学以致用、学有所成的感受,激发学生对物理化学实验的兴趣和热情.

3.2 问题导向(PBL)教学模式的探索

传统的实验教学模式虽然使学生掌握了物理化学基本理论知识,但学生可能仅停留在对实验内容的理解层面,却对整个实验的研究方法和研究思路并不清楚.在新工科背景下,教师应该更注重培养学生理解和掌握实验的研究方法与研究思路,真正做到“授人以渔”.问题导向(PBL)教学模式,强调以学生为主体,教师为主导.教师通过提出问题,留给学生更多独立思考的空间,通过小组分工协作的方式引导学生去分析和解决物理化学实验中所遇到的问题.PBL教学模式可以充分调动和发挥学生的积极性,更注重对学生发现问题、分析问题和解决问题能力的培养.同时,学生的逻辑思维能力和团队合作能力也会得到显著提高[10].

譬如物理化学实验“希托夫法测定硫酸铜溶液的离子迁移数”,教师可以提出如下一些问题(图1),然后把学生分为几个小组,选出小组长并带领自己的组员查阅资料,协同合作解决问题,最后每个小组选派代表进行汇报展示.在此过程中,教师和各小组积极交流讨论,小组之间互相点评.这种教学模式让学生成为课堂的主体,极大地提高了学生的学习积极性,同时也锻炼了学生自主分析解决问题的能力,培养了学生团队合作的精神.

3.3 科研融于教学,提供开放式实验平台

作为高校教师,要及时跟进学科发展前沿动态,通过将最新的科研成果转化为教学资源融于教学来开阔学生的学术视野.在教学过程中应更加注重培养学生的综合素质,切实提高学生分析问题、解决问题的能力.高校开放式实验平台是培养学生创新能力的重要场所,通过使学生直接参与到教师的科研项目中,可以激发学生的学习积极性和主观能动性,提高学生的自主学习能力、运用知识能力以及实验过程中分析问题、解决问题的能力,对于提高学生的综合素质具有关键的作用.如与能源和环境相关的半导体光(电)催化领域的研究,具体课题可以设计为金属硫化物半导体纳米光催化剂的制备、表征及在光催化领域中的应用.其应用到的电化学表征、催化剂的评价及催化反应机理方面的知识均属于物理化学理论课所讲授的内容.学生通过文献阅读、设计具体实验方案、自己动手操作、分析实验结果等方面的训练,不仅加深了对所学物理化学理论知识的理解,还学习了科学研究的思路和方法,提高了创新思维能力,为今后毕业论文撰写和科研工作打下坚实基础.

3.4 增强校企合作

目前大多数高校缺少校外实践教学基地,学生主要以参观为主,难以将学校里所学知识技能转化为实践能力,实践教学效果较差.建立校外实习实训基地,尽可能地创造条件让学生到校外实习实训基地,亲身体验企业实验室工作,是增强学生实践能力的一种重要手段.商丘师范学院现有 3 个校内实训基地(电化学实训室、锂离子电池实训室、太阳能电池实训室),通过校企合作将实训基地引入学校,使学生更多了解现代化生产实际情况,更深刻地感悟物理化学理论在生产实践中的应用.同时,引进企业工程师走进课堂,讲授实践经验,实行校企联合培养学生.此外,高校教师普遍缺乏企业实践经验,在授课过程中,偏重基础理论知识的讲解,而缺乏与生产实际的联系.应当鼓励高校教师走进企业顶岗,以此提升教师的实践技能.商丘师范学院已和河南顺之航能源科技有限公司、河南金迈科科技有限公司等建立了良好的合作关系,通过学校和校企之间建立产学研合作模式,充分利用学校和企业的人才和设备资源,在不断提高学生综合素质的同时也打造一支“双师双能”型的教师队伍.

3.5 建立过程考核导向的课程考核模式

传统的实验考核方式,着重于对实验结果的评价,而忽略实验过程的评价.新工科背景下我们应该改变传统实验课程的考核机制,不应该只简单地把实验报告和期末成绩作为考核标准,应该更关注学生课前预习、课堂表现和实际操作等环节的表现,更多地把实验过程中学生的积极性和主观能动性纳入最终考查范围.学生在实验课前预习、课堂交流讨论、实验操作、实验报告、实验数据分析处理及思考与讨论等各个环节的表现,需要按不同比例分别赋分,综合评判,采用全方位的考核方式评定学生的最终成绩.

4 结 语

综上所述,物理化学实验作为化工学科基础课程,在培养综合素质高、适应能力强的复合型人才过程中起着举足轻重的作用.为了更好地将新工科理念融合到物理化学实验教学中,加强对当前课程的改革与创新是十分必要的.在新工科背景下,教师需要改变传统的人才培养模式和理念,充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用,将培养学生分析和解决问题能力、创新能力、团队协作能力等优良综合素质作为教学主要目标,为高校、研究所以及企业单位培养输送高素质的复合型人才.物理化学实验教学改革是一项长期的复杂系统工程,需要学校、教师、企业等各方面的积极参与,在实践教学过程中需不断探索和实践.