化学实验技能竞赛协同传统实验教学的探索与实践

吴亚，方荣苗，薛丹，王文珍，南叶飞，苏碧云，史俊

西安石油大学化学化工学院，西安 710065

自2017年2月教育部积极推进新工科建设以来，为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，新工科建设把实践提到了前所未有的高度[1-3]。化学是一门以实验为基础的中心科学，而化学实验课程是化学类专业的关键实践训练课程，它对实现新工科人才培养目标至关重要[4]。如何通过化学实验实践课程提升学生实践能力和创新意识成为教育改革与发展关注的焦点问题。

我校应用化学专业旨在培养能够解决石油、石化、新能源、材料、环保等多学科交叉领域化学问题的高素质理工复合型应用人才[5]。应用化学专业实验课程开设了无机、有机、分析、物化基础化学实验课程，还拓展了专业实验、综合性实验等。尽管实验课程不断改进，实验场所、经费等持续提升，但一些深层次问题仍然会凸显出来：传统的实验教学主要以教师和教材为蓝本，更新换代相对滞后，项目内容陈旧、技术手段落后、训练不牢、创新不足，特别是每门课程知识体系相对独立，课程之间相关性不大，专业体系内逻辑连接性较差，这在一定程度上制约了学生科技素养和创新能力的培养。

化学实验技能竞赛是大学生实践创新活动的重要组成部分，其育人育才功能日益受到各级教育工作者的重视[6]。作为一种实践教学的高级形式，学科竞赛在培养学生问题意识、整合学生创新知识和磨砺学生创新人格与团队精神等方面具有独到的优势[7,8]。为全面落实立德树人根本任务，我们始终以新工科建设为引领，牢固树立OBE (Outcome Based Education)教育理念，积极推进实践教学深度改革。以化学实验技能竞赛为载体和抓手，将化学学科竞赛融入实验教学，推动应用化学专业实验教学改革，促进专业知识交叉融合，更好地培养学生实践能力、创新能力和工匠精神，实现以赛促教、以赛促改、以赛促学，提高实验课程教学质量，推进新工科和一流专业实质性建设。

1 多层次、多通道、全方位实验技能竞赛体系的实践

近年来，各种化学技能竞赛如雨后春笋般涌现，为学生提供了丰富的实践训练机会。我们将各种化学实验技能竞赛进行梳理，依据不同的竞赛项目宗旨、内容、参与对象等进行整理分类，主要包括基础型、综合型、应用型、趣味型，如图1所示。具体来说，基础型是以应知、应会等原理为主的创新教育，侧重于化学竞赛思维在基础化学实验教学中的引领作用，旨在推动我国高等学校化学实验教学模式、教学内容、教学方法的改革，探索培养创新型化学人才的思路、途径和方法，以提高我国化学实验教学总体水平，例如全国大学生化学实验邀请赛。而综合型是以学生为主体的自主综合型校园创新科技活动，旨在深化高等教育综合改革，它通过给学生留下足够的时间来构思和完成作品，充分激发大学生的创造力，如“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生化工创意设计挑战赛。它们旨在鼓励青年人从自身专业出发，发挥创意与才能，将科技创新和商业创新结合，探索具有未来实践意义的技术解决方案、创新产品和创新商业模式等，培养学生的实践能力、创新意识和社会责任感。应用型竞赛与基础型竞赛相互交叉又有所侧重，它鼓励学生自主创新实践，以原创性、先进性、实用性为原则，促进科研与应用复合型人才培养，鼓励大学生热爱专业、关注行业发展、投身新技术新工艺的创新开发实践，如中国大学生高分子材料创新创业大赛。趣味型竞赛则激发学生展示化学之美、化学之趣、化学对社会的责任与贡献。学生可从校级到省级、国家级不同通道参与竞赛活动，大一到大四全面覆盖，获得针对性的实践训练。通过多层次、多通道、全方位梳理与实践，从知识、能力、价值等方面全方位提升，构建一个科学、合理、系统的实践技能竞赛体系。

图1 多层次、多通道、全方位实验技能竞赛体系

2 创新化学实验技能竞赛活动的组织机制和动员机制

为了扩大参与学生的覆盖面，针对不同通道的竞赛，创新了竞赛动员机制和组织机制，对学生进行全方位动员。例如组建实验竞赛指导教师队伍，包括不同专业的实验课以及理论课教师；每年年初开启学科竞赛的组织和动员工作，新生入学后为学生开展实践竞赛动员讲座。对于综合型、应用型竞赛活动，邀请企业专家对学生进行专业的培训指导。每年院系组织大一、大二本科生针对竞赛项目进行初选，对于名额不限的项目采用导师动员制，以申报奖学金、继续深造、就业等进行激励。对于名额有限的竞赛项目采用校级选拔制，优中选优；校级选拔实行竞赛全员参与制，通过笔试海选。通过组织机制、动员机制改革实践，我校应用化学专业参与省级、国家级化学实验技能竞赛的学生数量增长显著，参与学生的覆盖面显著扩大。近三年参加省级及以上化学实验技能竞赛91人次，占总人数的35%，涉及大二到大四不同层次的本科生，竞赛活动从基础型、综合型、应用型到趣味型，涉及不同通道的实验竞赛，训练时长从数周到一年以上。指导的应用化学专业学生首次参与第二届全国大学生化学实验创新设计竞赛、第十四届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、2020绿色化学化工创新创业大赛、第三届大学生化工创意挑战赛、第八届中国大学生高分子材料创新创业大赛等国家级实验竞赛活动，获得省级以上的竞赛奖项12项。

3 化学实验技能竞赛协同传统实验教学的探索与实践

应用化学专业实验与化学实验技能竞赛是基于共同的培养目标，二者又有各自的特点，化学实验技能竞赛体系的全面构建必将促进化学实验实践教学的提升[9]。我校应用化学专业开设了无机、分析、有机、物理基础化学实验课程，还设置了有机合成、有机分析、高分子化学、油田化学等专业实验以及综合化学实验，具体内容如表1所示。从课程内容的设置上，传统实验教学侧重基础操作训练的单元操作，教学内容从基本的合成、纯化、表征技术，数据光谱的获取与解析，记录测量结果并分析误差等基本操作训练，逐步过渡到以制备、性能表征、应用为主的综合实验。而化学实验技能竞赛通常将几个单元操作整合到一起加以综合运用，在保持连续性的基础上逐步加强、提升训练程度，实验还会涉及危险化学品、大型仪器和设备的使用，难度逐步加深、实验时间较长，使学生经历更加完善的实践技能训练。

表1 应用化学专业实验具体内容

结合应用化学专业实验与化学实验技能竞赛特点的分析思考，我们对实践教学体系和内容改革进行了探索，主要为以下三个方面。第一，在基础化学实验中直接借鉴适应时代发展的化学实验技能竞赛项目，改革陈旧的基础实验项目。例如第八届陕西省大学生化学实验邀请赛竞赛项目“己二酸的绿色合成”，经过反复重复，时长适合教学，直接应用于基础实验教学中，替换了有机化学实验中“高锰酸钾氧化法制备己二酸”(图2)。己二酸的绿色合成具有反应条件温和、操作简单、过氧化氢利用率高、易于控制、反应清洁无污染等优点，符合绿色化学原则。第二，以化学竞赛思维为引领，对传统教学实验进行改革，加大应用化学专业实验项目的实践训练强度和难度。例如，在物理化学实验中引入竞赛项目“乙酸乙酯皂化反应速率方程及活化能的测定”，要求采用微分法和孤立法确定乙酸乙酯皂化反应的反应级数；利用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数和反应活化能，通过增加实验时间，借助实验仪器，深入分析和跟进实验，从分析问题到解决问题进行全过程训练。第三，以单元操作为基础，以石油石化工程应用为背景进行连续性操作，将二者相结合，协同优化综合性实验项目。例如，把一些综合型竞赛项目作为专业或综合性实验教学的储备，如全国大学生化学实验创新设计竞赛的参赛作品“聚苯乙烯多孔微球的乳液聚合及其驱油性能研究”“花生壳用于油田调剖的应用化学综合性实验设计”等，为我校应用化学专业实验储备了新创实验教学项目，将油田化学实验、高分子化学实验等单元操作整合，通过连续性训练以培养大学生创新意识和自主研发能力，鼓励大学生热爱专业、关注行业发展，投身石油石化行业新技术新工艺的创新、开发、实践。

图2 过氧化氢氧化环己酮合成得到己二酸

4 化学实验技能竞赛与传统实验教学的协同效果

作为不同形式的实践教学，应用化学专业实验教学中验证型、综合型、探究型实验与化学竞赛的基础型、趣味型、综合型、应用型实践活动交叉融合(图3)，不仅改善了独立实验课程技术手段落后、创新不足、训练不牢等问题，而且增强了知识的相关性和专业体系内的逻辑连接性[10]。在指导实验技能竞赛的过程中，教师试图把反映新知识、新理论、新技术、新方法的竞赛项目设计为适合本科生实验教学需要的基础实验或者综合实验，同时在实验竞赛驱动下，教师积极改革现有教学实验的教学内容、教学方法或教学手段，对其进行创新设计，使实验教学更贴合现代学科发展。化学实验技能竞赛难度与深度刺激专业实验训练的强度，专业实验的扎实基本功推动实验技能竞赛良性发展，二者的协同训练一方面增强学生创新实验技能的培养，激发学生积极参与化学实验的兴趣和热情，培养学生严谨的学习态度、科学的研究方法、认真细致的思维方式，激发了学生创新意识和工匠精神；另一方面，教师努力将先进的教育思想内化为自己的教育教学理念，最大限度开发、挖掘学生的潜在创造力，转变为自己的教育行为，升华为自己的教育教学特色，真正起到了以赛促教、以赛促学、以赛促练，培养学生的实践能力、创新能力和社会担当，实现立德树人教育目标(图3)。

图3 化学实验技能竞赛与传统化学实验教学的协同作用

5 结语

通过多层次、多通道、全方位实验技能竞赛体系的探索与实践，实验竞赛覆盖了从应知应会的基础型竞赛到学生自主的应用型、综合型竞赛，并对学生进行针对性的训练，激发学生积极参与化学实践的兴趣和热情，培养学生的实践能力、工匠精神和社会担当。通过改革学生参与竞赛的组织形式和动员机制，针对不同通道的竞赛，对不同层次的学生进行全方位动员，扩大参与学生的覆盖面，创建了一个科学、合理、系统的实践技能竞赛体系，充分发挥大赛在科研与应用复合型人才培养、选拔和激励方面的积极作用，培养大学生创新意识、环保意识和自主研发能力。

通过探索化学实验技能竞赛融合传统实验教学的协同实践，以实验竞赛为引领和抓手，真正起到了以赛促教、以赛促学、以赛促练，进一步深化传统化学实验教学改革，使其稳中有变，变中有新，交叉与融合，协同共进，使选拔性教育切实向素质教育、创新教育推进，把学与教、实践与创新切实落实在新工科和一流专业实质性的建设中，形成我校应用化学专业特色的化学实验教学新模式，实现立德树人教育目标。