基础化学“多”相融合实验教学创新体系的构建

孙 丹 聂龙辉 王 薇 周宝晗 黄征青 赵春玲

(湖北工业大学 材料与化学工程学院,湖北 武汉 430068)

化学是高等工科院校化工、材料、生工、制药等专业的一门以实验为基础的重要课程,化学实验的主要任务是通过实验教学使学生掌握基本技能和拓展技能两种技能[1];同时还要进行科学素质的培养,包括求真求实的科学态度,开拓创新的科学品德,以及实验中保持干净整洁、有条不紊的良好习惯,培养学生具有“科学家的元素组成C3H3——Clear Head、Clever Hands、Clear Habit”[2,3]。随着社会发展,激发和锻炼学生的创新意识和实验技能素质成为各高校的共同目标,大学化学实验是培养大学生创新能力的重要途径之一[4-6]。

1 传统实验教学的弊端

我校基础化学实验覆盖面广,但学时非常有限,其中无机化学实验、分析化学实验和物理化学实验对化工和生工专业分别开设32学时,材料专业24学时;有机化学实验上下学期共开设48学时。在学时有限的情况下,传统的实验教学模式已落后于时代的发展[7],亦跟不上社会对人才需求的变化,存在诸多不足,主要体现在以下几方面。

1.1 教学内容

实验教学内容是否有趣、是否与专业相关,对于大一和大二的学生来说至关重要,关系到学生的学习兴趣和对基础知识的掌握,会影响后续课程的学习。现有的实验项目内容陈旧、验证型实验过多、综合性创新性实验偏少;专业针对性不强,同一个实验面向所有专业开设,存在一些不合理的地方。

1.2 学生层面

我校主要面向湖北省内招生,目前湖北省高中化学实验开课率普遍较低,调研显示,我校2020 级化工类专业学生在高中阶段进行3次以上实验操作训练的占比不到 20%,大多数学生只是通过观看教师演示实验来感知实验现象[8]。学生在平时的实验过程中存在重理论轻实践、重操作轻设计、重低阶轻高阶等情况,导致学生综合实验能力欠缺,创新能力不足。

1.3 教师层面

教师在多年的教学中也偏向以教师为中心,忽略学生的学习效果,重教书轻育人,教学模式较为单一,这种传统的教学模式已跟不上时代的变化和以00后为主的学生特点,教师要与时俱进,改变教学理念,以学生为中心,了解学生心理特点、学习方式和沟通方式,关注学生的学习效果和学生发展,全面提高实验教学效果。

1.4 评价机制

考核评价机制在检验学生学习效果的同时,也客观评价了高校本身的教学成果。由于教学的理念、内容、方式和手段的改革与考评机制是密不可分的,它在实验中体现和衡量着改革的效果[9]。

目前,对化学实验课程的评价机制我校仍然采用实验操作考试成绩(占40%)和平时成绩(占60%)相结合的方法对学生的学习效果进行评定,考核形式过于简单。平时成绩主要是实验报告成绩;操作考试成绩主要是以实验教材上的基本实验操作或某个实验内容作为主要考试内容。学生为了应付考试,多表现为考前花大量的时间去背诵操作要点和实验原理,“为考试而学,为60分而学”,操作考试成绩不理想,并没有达到开设这门课程的教学目的。可见,目前的考核形式,实质上并不能培养学生的创新能力和知识的综合运用能力[10]。

2 “多”相融合实验教学创新体系的构建

针对社会和相关行业对化学化工类专业人才的需求,立足我校培养高素质工程技术人才的办学方针,围绕实践教学改革,提出了“创新实践能力培养贯穿人才培养全过程”理念,构建了“多”相融合实验教学创新体系。

2.1 重构多维度的实验教学内容

综合型、设计型实验对学生勤于思考-善于思考-创新思维的培养具有很好的作用[11-14],按照OBE工程教育认证理念,从多个维度重构化学实验教学体系,依据专业类别(化工、材料、生工、制药、生食等)、实验条件、学生年级,调整和补充实验项目及实验类型与比例分配。按学生学习进程,逐渐减少基础型实验比重,加大综合型、设计型和创新型实验比重。其中大一学生设有基本操作型和验证型实验(70%)、设计型和综合型实验(20%)及创新型实验(10%);大二学生设有验证型实验(40%)、综合型实验(40%)及创新型实验(20%);大三学生验证型实验比重降至20%、设计型和综合型实验占40%、创新型实验提高至40%。

2.2 构建多层次的实验能力标准体系

我校物理化学课程组的聂龙辉教授牵头研究并制定了基础化学实验能力标准体系,该体系包括5个基本技能和7个拓展技能(见图1),具体含12个一级能力指标和39个二级能力指标,并给出二级能力指标的内涵[1]。构建了更科学更合理的实践能力标准新体系,即基本技能、综合技能和创新技能。低年级学生重在培养学生的基本实践操作技能:认识常见的化学仪器并了解其用途及工作原理、熟练掌握基本操作及常见仪器的使用注意事项、会通过实践来验证教材上的理论及原理并加深对理论的理解;大二、大三的学生要求在基本实验技能的基础上,进一步加大对综合能力和创新能力的培养,能够运用已掌握的实验基本技能分析化学和化工生产中的一些工程问题,进而在科研创新上有所突破。

2.3 实现多学科的实践创新培训

基础化学课题组主要承担了普通高校大学生化学实验技能竞赛的培训、全国大学生化工设计大赛的指导,并积极推荐学生参加化学化工创新成果报告会和全国大学生制药工程设计大赛等,包括化工专业、制药专业和机械能源专业等实现了多学科的交叉培训,极大地提高了学生的综合设计能力和创新能力。

2.4 进行多样化的实验室管理措施

高校实验室的安全管理工作对教学和科研顺利进行起着至关重要的作用,实验室的安全不仅关系到国家财产的安全,也关系到师生科研成果的安全[15,16]。我校有机化学课程组的周宝晗副教授牵头前往挪威等国际高校学习先进的实验室管理方法,进行了“规范化、精细化、微型化和绿色化”的改革与实践,制定出相应的管理方法与措施,引导化学实验教学朝“多样化”方向发展,有效减少化学实验中的废液与污染等突出问题,提高学生的环保与安全意识,强化绿色概念。

2.5 落实多环节的实验考核评价方式

传统的实验考核重终结性评价轻过程性评价、重教师评价轻学生评价、重书面评价轻创新能力和科学素养评价。在多年的实验教学改革中逐步落实“课前预习-课中表现-课后反思”多环节的考核评价方式(见图2),即课前,教师提前发布学习任务、分享视频资源、创建在线答疑讨论;课中,分小组协作完成实验、教师根据学生课堂表现和实验结果给予评价;课后,学生进行总结与反思,完成课后小测验、答疑讨论、拓展思考题等。将课前、课中和课后全过程联系起来,将 OBE 理念贯穿教学全过程,引导学生思考和分析,有利于培养学生的科研素养和创新能力。这种多环节的实验考核评价方式更全面、更综合、更客观、更公正。

3 几点举措

经过几年的探索与实践,紧紧围绕工程教育专业认证的核心理念和学校办学方针,针对如何培养高素质工程应用型人才,从转变教学观念、强化课程建设、狠抓科技竞赛、强化绿色理念等多方面,综合实施了如下举措。

3.1 更新教学理念,构建“立德树人,课上课下一体”教学模式,重在培养学生的综合能力

更新传统的“以教师为中心”的教学理念,根据专业培养目标和毕业要求,教学活动以学生为中心展开,构建“立德树人,课上课下一体式”教学模式,一是以学生的发展为主体,着重培养学生的能力并坚持实施全员育人、全程育人与全方位育人的“三全”教育,不仅传授学生知识与技能,更要培养学生优秀的道德品质,培养学生与人良好的沟通交流能力及对社会的适应性与贡献力。二是指学生的培养模式以课上为主,课下为辅,选用多种培养方式取得了培养学生综合能力的效果。

3.2 加强教学改革,重构课程体系,把提升学生的创新实践能力作为高素质人才培养体系的重要内涵

围绕现行化学实验教学存在的不足,物理化学课程组开展了“BOPPS教学模式下成果导向型物理化学‘金课’的构建”,无机及分析化学课程组开展了“TRIZ创新理论在分析化学实验教学中的应用研究”“慕课环境下的大学普通化学实验教学改革的研究”“新工科背景下,培养学生实践能力、创新精神和创业能力的新对策研究”等省级和校级教学研究项目的研究,加强创新教学理论改革研究。增加研讨型课程,强化综合化学实验课程与设计实验,将知识传授与能力培养有机结合,前沿研究成果融入基础课程,消除基础知识与前沿研究之间的鸿沟,逐步提升学生的创新实践能力。

3.3 “以赛促教,以赛促学”,实现了真正意义上的教学相长

本专业高度重视学科竞赛,组建专业教师指导团队,每年组织学生积极参加全国大学生化工设计大赛、全国大学生化工实验大赛、全国大学生节能减排大赛、湖北省大学生化学化工创新成果报告会、湖北省大学生化学实验技能竞赛等课外科技竞赛。学科竞赛的全面化和交叉化培养了学生的创新能力、实践能力与团队协作能力,提升了学生-导师-企业的循环互动,专利-论文-成果转化的良性结合,实现了专业特色与科技创新相契合的目标,成为学生科技创新创业活动的良好实践平台。同时教师通过各类竞赛反馈的信息和问题,及时调整实验教学体系、改进教学方法,不断提升教师教学水平,达到了真正意义上的教学相长。

3.4 优化实验室安全管理制度,强化绿色理念,促进创新教学和人才培养的良性循环

通过与挪威等国际高校实验室管理进行比较,进一步优化实验室安全管理制度、强化绿色化学概念,探索微型化实验,不仅可以减少污染物的排放,还可以节约成本,降低实验消耗,树立师生的环保意识,促进创新教学和人才培养的良性循环。例如:聂龙辉教授在“二元液系相图实验的改进”中采用“等量移出添加法”的溶液添加新方式[17],大大减少了毒性较大的环己烷的消耗量,节约了成本,取得了良好的社会经济效益,符合化学实验绿色化、精细化管理的社会发展要求。

3.5 充分利用短学期制度,保障“多”相融合实验教学创新体系的实施和落实

我校推行短学期制度,即春季学期执行“18+4”教学模式(18周教学+4周短学期);秋季学期执行“18+2”教学模式(18周教学+2周短学期),利用短学期开展各类实习实践、创新创业教育、课外科技活动和社会实践,充分锻炼了学生实践能力和创新能力。专业教师成为短学期实践指导的主力军,指导包括实践过程指导和实践答辩指导,学生实践活动进展以日志、周志等形式在《校友邦》网络平台实现管理。

4 “多”相融合实验教学创新体系的初步成果

构建的“多”相融合实验教学创新体系在我校化工、材料、高分子、轻化、环境、生工、食品、制药、防水、生技等专业进行了实践和改革,同时还面向我校非化学相关专业如土木工程、机械工程等专业,以期研究成果与经验能在武汉市邻近兄弟院校相关院系的实践教学得以借鉴和推广。在近几年的推广应用研究过程中,产生了如下成果(以化学工程与工艺专业为例)。

4.1 学生竞赛及科研成果显著

我省每两年举行的大学生化学实验技能竞赛,重在考查学生独立思考、独立操作和独立解决问题的能力。通过实验教学改革,我院参加湖北省化学技能竞赛,由2017年只获得2个三等奖到2019年一等奖1 名、二等奖1 名,三等奖1 名的好成绩,学生学习化学的兴趣明显增强,参与度明显增大。此外,通过实践教学改革,90%学生能积极进入教师科研团队。积极参加全国大学生化工设计大赛,由2017年获得4个叁等奖到2018年获得1个二等奖、3个三等奖,到2020年获得1个一等奖和1个二等奖的好成绩,近四年共获国家级和省级竞赛奖励近20项。近四年化学化工专业学生参与大学生创新创业项目40项,参与发表论文35篇,其中SCI/EI收录论文24篇,第一作者7篇,参与申请专利20项,其中授权专利3项,详情见图3。

图3 学生近年竞赛及科研成果

4.2 学生更加喜爱化工专业,分流选择化学化工专业的学生占比逐年升高

通过实践教学改革,学生对化工专业有了更加客观的认识,越来越多的学生喜欢上了化工专业,近四年,在化工制药大类分流中第一志愿选择化学工程与工艺专业的学生占比逐年升高,每年保持两个班,班级规模逐渐增大,表1为近四年化工制药类分流情况;从外院转入到化学与化工专业的学生人数也非常可喜。

表1 近四年化工制药类分流情况

4.3 近四年本专业毕业生一次性就业率约为97.3%

该实验教学创新体系实施以来,不断加强学生实践能力培养,本专业毕业生以扎实的专业知识和较强的动手能力受到广大用人单位的欢迎和好评,2017—2020年一次性就业率分别为96.0%,98.4%、97.8%、96.9%,平均为97.3%。

4.4 学生工程能力和职业能力得到良好的培养,社会认可度逐年提升

本专业考研的学生多进入浙江大学、华中科技大学、四川大学、华南理工大学、中南大学、北京化工大学、华东理工大学、武汉理工大学等高校进行深造,学生的学习能力和实践动手能力均得到高度评价。我校化学工程与工艺于2021年1月通过中国工程教育专业认证,专业建设工作与成果均得到专业教指委和认证协会专家的一致认可,我院学生的工程能力和实践动手能力也受到专家的高度肯定。

5 结语

“多”相融合实验教学创新体系的构建与改革,在我校已取得初步成果,但是随着2021年新高考的实行,生源特殊,学情特殊,关于化学实验教学还有很长一段路要走,道阻且长,我们将在后面的教学中不断摸索不断改革,为培养人才再接再厉!