基于科研创新思维培养的化工专业实验教学改革探索

＊刘 栋

（北京化工大学化学工程学院 北京 100029）

培养创新型人才是高等教育的首要任务，也是建设创新型国家的需要[1-2]。创新型人才对化工行业的发展尤为重要。我国高校化工人才的培养，肩负着为国家重大科技工程攻关培养建设者的重任[3]。实验课是培养本科生科研兴趣和创新能力的重要课程，在创新型人才培养方面发挥着重要的作用[4-5]。化工专业实验课是提升化工专业本科生实践创新能力的重要课程[6]。因此通过该课程教学的变革，提高化工专业本科生的自主创新能力至关重要。在新工科背景下，基于创新思维培养的化工专业实验教学对培养大化工卓越工程人才具有重要意义[7]。

化工专业实验是我校化学工程与工艺专业学生必修的一门专业核心实践课，与理论课程相辅相成。该课程是一门为本科三年级学生独立开设的课程，2学分，共40学时。本课程主要开展的实验包括：（1）二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系；（2）多相流流动特性冷模实验及放大实验；（3）管式循环反应器停留时间测定实验；（4）压缩制冷性能测定实验；（5）多功能膜分离实验；（6）石脑油热裂解制烯烃实验等。通过该课程的实践学习，加强了对专业基础课理论知识的认识和理解。更重要的是通过该课程，培养学生实践的能力，掌握化工专业实验的基本操作，理解实验的目的和意义，了解设计实验的基本思想，学会观察实验现象，分析实验数据和思考数据背后的物理意义。通过该课程有助于提高学生探索科学的兴趣和创新思维的能力。

此外，本校化工专业实验平台建设规范，设备充足，每个实验配备了3～4套的实验设备。每4个学生为一组开展实验，充足的设备保障了每个学生能独立开展实验。在师资方面，配备了从教授、副教授、讲师和工程师的教学梯队，每个老师负责一个专业实验的教学工作，保证了化工专业实验的专业性和教学质量。

目前该实验课教学中存在的问题如下：（1）目前该课程的授课以老师讲解实验原理、目的、意义和过程为主，然后由老师演示实验过程后由学生进行独立的实验。实验原理和过程较为复杂，通过口头讲解的方式，学生理解和吸收较为困难；（2）学生预习实验不够深入仔细，没有真正理解实验原理，没有较好掌握实验方法和过程；（3）实验内容缺少生动的案例，不易于激发学生的科研兴趣；（4）实验仪器受限于昂贵的设备和有限的实验室面积，通常为4人一组，同组组员相同的实验数据，千篇一律的实验报告，难以区分同组人的实验成绩，易造成实验成绩评定的不公正；（5）实验成绩的评判主要以实验报告为主，缺乏全流程的评分依据；（6）化工实验课中缺少专门的安全教育。

因此，为了顺应新时代高等教育的要求，提高培养新工科人才的质量，化工专业实验课的改革势在必行。通过教学改革，解决上述化工专业实验课中存在的问题，提高学生的动手能力，深化对专业理论知识的认识。在传统实验教学方法的基础上，我们引入安全教育—专业实验应用案例教育—学科前沿创新性教育相结合的教学方法具有明显的创新和优势。专门开设的安全教育让学生对实验室安全的重要性有充分的认识，并且学会专业的急救措施，这是保证化工专业实验顺利开展的第一步。专业实验应用案例教育让学生充分认识到开展基础实验的重要性和基础专业实验背后所蕴藏的巨大的经济价值和社会效益，激发学生的实验兴趣。学科前沿创新性教育通过介绍该领域最前沿的研究成果，引导学生关注科学前沿，思考科学问题，并尝试提出一些创新型的解决思路。通过以上化工专业实验教学上的创新，对拓展化工专业学生的科学视野，提升学生的专业素养，培养有家国情怀的高素质本科生具有重要的意义。

笔者主讲化工专业实验课。本文将从教学内容，教学方法和课程考核等方面进行探讨，并提出行之有效的改进方法。在案例引入方面，将重点以化工专业实验中的膜分离实验为例。

1.重视实验室安全教育，单独开展安全教育课

实验室安全是实验课的重中之重，是实验课教学顺利进行的前提和保障，必须放到非常重要的地位，让每个学生都意识到实验安全的重要性。传统的实验课缺乏单独的安全教育课，安全教育以老师提醒一些注意事项为主，缺乏有效的安全教育案例，对学生难以起到警示的作用。因此实验室安全教育应该独立出来，在所有实验课开始之前安排两个学时的课程给学生讲解安全的重要性和实验防护的必要性。通过安全事故案例的引入，让学生意识到疏忽实验室安全引起的严重后果。例如，2018年北京某高校在垃圾渗滤液污水处理试验中，镁粉和磷酸搅拌反应时产生的氢气与搅拌机摩擦产生火花点燃爆炸，事故造成3名学生遇难。该事故因实验室违规开展试验和安全管理不到位造成。通过单独开展安全教育，提高了学生的安全意识和防护意识，为实验课的顺利开展打下坚实的基础。

2.合理安排教学内容，凸显创新性内容引入

内容设置上，在现有的实验原理、目的、内容、过程和思考题的基础上，引入该实验技术最新的研究进展，提出存在的科学问题。教授学生寻找前沿科学问题的思路和方法，引导学生针对存在的科学问题，尝试提出用自己的专业知识解决科学问题的方法和策略。以膜分离实验为例，探讨膜分离技术在气体分离，高附加值产品分离，提高电池性能等方面的应用。膜分离仪器最关键的部分是分离膜，然而分离膜在去除一价离子方面仍然存在一些问题，比如分离率和过滤通量仍然比较低。针对该问题，国内外的科学家在膜分离方面进行了研究，并取得了突破性的进展。例如，诺贝尔化学奖获得者盖姆教授在膜分离领域取得了系列重要进展，这些重要的成果发表在国际顶级期刊《自然》和《科学》杂志上[8-9]。我国学者在该领域也取得了重要的进展，武汉大学的袁荃教授等人在《科学》杂志上报道了大面积石墨烯-纳米网/单壁碳纳米管杂化膜纳滤膜的研究，实现了石墨烯纳滤膜的规模化制备，为海水淡化带来了希望[10]。通过这些重大进展的介绍，引导学生思考化工专业的前沿方向，进而对自己的专业充满信心。引导学生了解科技发展的前沿，进而在研究生阶段继续进行化工专业方向的研究，为化工行业培养高素质的专业人才打好基础。

3.改革传统教学方法

预习环节在实验课中发挥着重要的作用，是实验教学能否成功开展的先决条件。从以往实验课的提问过程来看，学生对实验原理等缺乏足够的理解。该现象对提高实验课的教学效果造成了一定的困难，通过实验学生未能有效掌握实验课要求的知识和实验技能的提升。因此，需要提出新的预习方式，加强学生对实验课程的理解。在此，我们提出了采用思维导图法预习实验的方法，请学生用最精简的语言总结出实验课的逻辑框架。通过该方法既加强了学生对实验的理解和思考，同时又减轻了学生预习实验的负担。

目前实验课仍以教师口头讲述为主，这种方式仍然存在一定的弊端，比如对原理的讲解不够生动直观，对设备的结构展示不够清晰，引入一些精彩的案例存在困难。为了解决以上问题，应该在实验课中加强多媒体技术的运用，通过实验课课件向学生形象生动的展示整个实验的背景、目的、意义、过程和存在的问题等。采用多媒体技术讲授实验，不仅有助于加深学生对实验的理解，而且还可以通过精彩案例的展示激发学生的科研热情。通过激发学生对化工实验课的兴趣，从而引起学生对理论课的重视，使实验课和理论课的教学相辅相成。

针对实验内容缺少应用案例的问题，可以用多媒体技术突显该技术的重要应用价值。以膜分离实验为例，可以用多媒体技术讲解膜分离的原理，用直观的动画展示膜分离的过程，使得学生易于理解膜分离的原理。此外，向学生展示膜分离在物质分离，水净化等领域的重要应用和产生的经济价值。如膜分离技术是分离提取盐湖中锂金属等资源的重要手段，可以产生巨大的经济价值，对新能源产业乃至国民经济的发展起重要作用。青海盐湖所马培华研究团队发展了“选择性离子迁移”高效膜分离技术，实现了高镁锂比盐湖资源的有效综合利用，建成了年产万吨级碳酸锂生产线。该技术获得专利许可费4000万元，相关企业在2014年1月至2016年8月之间实现了7.66亿元的销售收入和5.41亿元的利润，取得了显著的经济和社会效益[11]。通过案例的引入激发学生化工报国的热情，让学生了解学好化工专业知识可以解决国家经济社会发展中的重大科学和技术难题，从而增强化工专业学生的身份认同。

针对实验报告千篇一律的问题，应重新提出书写实验报告的要求。提高数据处理，分析和讨论方面的要求。加强思考题的设计，注重提出实验技术仍然存在哪些问题，前人已做了哪些主要的研究，提出了哪些新的方法，结果怎么样。通过对前沿领域的探讨，让学生了解熟悉科学研究的思路，培养创新性的科研思维。采用综合的考核方式，实验预习，操作和总结报告在成绩评定中的占比分别为10%、40%和50%。结合实验动手能力的表现和有区分度的实验报告，可以公平公正的评定化工专业实验课的成绩。通过在考核中加强提出问题，解决问题和了解科学前沿领域方面的要求，提高学生的独立思考能力和培养学生的科研思维。

4.实践教学改革效果

在新工科背景下，提高学生的科研创新思维能力尤为重要。通过本课程的改革和实践，取得了显著的教学效果。

（1）青年教师教授实验课程的积极性明显提高。在教授化工专业实验内容的同时，引入前沿的研究进展，用科研反哺教学，发挥了青年教师的长处，增加了教师的教学主动性。同时和学生的讨论中教师也可以得到新的启发，教师也可以与学生共同成长，实现教学支撑科研。例如，通过与学生讨论，我们共同提出了可以用纳滤膜抑制锂硫电池中多硫化物穿梭问题的想法。

（2）实验教学的质量得到显著提升。学生上实验课的积极性明显提高，在课堂上提问的次数增加，积极参与实验课和前沿研究的讨论。在实验报告里增加了对科研问题的思考，实验报告的质量得到显著提高。例如，学生在报告中提出石墨烯纳滤膜是膜材料研究的前沿方向，但在苛刻的实际情况下以高稳定性工作仍然面临挑战。此外，对2017和2018级学生化工专业实验（以膜分离实验为例）成绩进行了分析，2017级为改革前教学年级，2018级为改革后教学年级。从改革教学方法前后成绩对比可知（见表1），改革后年级实验成绩的优秀率明显提升。初步结果表明，化工专业实验教学改革显著提高了学生的成绩，提升了教学质量，改革效果良好。

（3）初步培养了学生的科研思维。通过该实验课的教学，学生对科学研究的积极性明显提高，课后有多名学生积极讨论科学研究的前沿，并尝试寻找未解决的科学问题。学生对科学研究的兴趣明显增加。例如，本科三年级学生程如意等人课程结束后提前进入了实验室，开展了高性能电催化膜材料的研究。

5.结语

总之，通过对化工专业实验课存在问题的分析，我们尝试从不同层面提出解决问题的方法，并对授课内容和方式，考核的方式进行了的变革。从教学过程看，学生对实验课更加感兴趣。从实验过程和实验报告看，学生思考问题的能力明显提高，实验报告写的更加深入，对前沿的研究领域有了一定的了解，初步具备了科研创新思维。化工专业实验课的改革和实践不仅有助于加强学生对该实验课的理解和学习，同时会培养学生的科研创新思维。该课程的改革探索对其他实验课的教学也有一定的借鉴意义。