应用化学综合实验课程的教学改革与实践*

陈立妙，唐俊涛，王海燕，黄健涵

(中南大学化学与化工学院，湖南 长沙 410083)

应用化学综合实验是应用化学专业教学体系的重要组成部分，在训练学生综合运用化学相关知识、实验操作能力、实验设计能力的同时，还可以培养学生的探索精神和创新意识，提高学生的科学思维能力和创新能力，在应用化学专业人才培养中发挥着重要作用。2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设[1]。在“新工科”背景下，应用化学综合实验课程教学如何结合专业自身的特色，建立新的教学理念，贯彻“夯实基础、强化综合、提高素质、突出创新、培养能力”的教学指导思想，探索实验教学的新方法和教学形式，激发学生的学习兴趣和创新意识，提高学生的综合素质和创新能力，实现以学生为中心、人才培养为根本，是应化专业人才培养中的一个重要课题[2]。因此，我们按照“新工科”理念对应用化学综合实验课的课程内容、教学方法、教学形式、开放模式和评价体系进行了改革和探索，以实现学生创新能力的培养。

1 教学内容的调整

在对人才培养方案、教学大纲和实施计划进行全面修订的基础上，首先对“应用化学综合实验”课程的实验内容进行了全部改革，编写了新的应用化学专业实验教材——《化学化工综合实验》，力求使课程达到“注重综合、强化设计、培养创新、提高能力”的要求[3]。实验项目分为三大类：研究类专业综合实验、工艺类专业综合实验、虚拟仿真专业综合实验。第一类涉及到纳米材料、电池材料、高分子材料、生物医学材料、吸附材料、有机药物等材料的制备与分离、结构表征、性能测试等，研究实验条件对性能和结构的影响，培养学生分析和解决问题的思路和方法以及创新意识；第二类涉及生产过程中的工艺流程，包括催化反应、离子交换、萃取、膜分离、干燥等工艺，探讨工艺参数的调整与效果的关系，为工艺放大提供参数，训练学生的工程思维及技能；第三大类为虚拟仿真实验，提供在真实实验无法完成的实验，如生产过程的参数调整、大型仪器的使用和参数调整、有毒药剂的使用、完整的工艺过程等，训练学生的安全意识及全面的综合能力。实验内容与《有机化学》《无机化学》《化工原理》《分析化学》等专业基础课程以及《材料化学》《合成化学》《环境化学》《精细化学品化学》《应用电化学》等多门专业核心课程密切相关。在“新工科”背景下，根据我校应用化学专业自身的特色，精心挑选了“水系锌离子扣式电池组装及电化学性能测试”、“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”、“食品危害因子的拉曼快速检测及基底材料的制备”、“聚磷酸铵的合成及阻燃性能测试”、“氯化氢催化氧化及反应动力学虚拟仿真实验”、“聚苯胺导电聚合膜的制备、表征及性能测试”、“气相色谱-质谱和液相色谱-质谱联合表征血浆中小分子化合物”、“二氢吡啶类心血管药物硝苯地平的合成”、“氧化锌纳米粉体的合成及起敏性能研究”、“有机稀土配合物的合成及其荧光特性”、“聚乙烯醇缩甲醛胶的制备、游离甲醛的消除与测定”、和“固定床反应器中乙醇催化脱水制乙烯”12个实验项目作为学生必选项目，总课时为96学时。新的实验教学内容完全是综合性、设计性和探索性的，将基础知识和专业知识、理论知识和实际应用有机融合，注重基本化学原理与实践的结合，培养学生应用所学知识分析和解决有关理论和实际问题的能力。

2 教学方法的探索

行之有效的教学方法对实验教学效果的提高起着非常重要的作用。为了培养学生自主获取知识的积极性和主动性，提高学生的实验技能，我们实施了新的实验教学方法，确立“以学生为主体、以教师为引导、提高综合素质、培养创新能力”的教学理念[4]，通过调整实验教学的要求和步骤，使学生的实验研究更具有目的性和方向性，以达到提升实验项目教学实效性的目的。

在实验课上课之前，将学生分成若干个小组，每组2～3名学生。要求学生以组为单位进行课前预习：根据实验内容，查阅相关文献资料，掌握与实验相关的背景知识和研究现状，写出简要的文献综述，明确具体的实验方案和实验步骤。在查阅文献的基础上，学生可以适当修改实验方案或更改反应条件。小组讨论后将修改好的实验方案或反应条件、修改的目的和理由提交给实验教师，通过这种方式激发学生的创新思维和创新意识，提高学生自主获取知识的能力。例如，在“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”实验中，采用简单的共沉淀法制备氯氧铋并研究它们的光催化性能，具体的实验步骤和实验条件由学生查阅文献后确定；在氯氧铋的制备中，需要将硝酸铋的硝酸溶液和氯化钾溶液混合，但书本中并没有明确给出溶液的滴加顺序以及滴加的速度，学生查阅有关资料了解影响无机纳米颗粒形貌和粒径的因素后，再拟定具体实验方案验证滴加的顺序和速度对形貌和粒径的影响。此外，要求学生利用学院虚拟仿真实验平台提前了解台式扫描电镜、台式X射线衍射仪、固体紫外-可见分光光度计等大中型仪器的基本结构、原理以及基本操作。在实验过程中，我们完全采用启发式、引导式和讨论式的授课方式：首先，教师组织学生对实验目的、实验原理、实验内容和步骤、实验中的注意事项进行讲解和讨论，并向学生提出与基础知识和基本操作相关的普遍性问题；实验开始后，教师需要进行监督，预防实验安全事故和答疑，对遇有困难的小组讲解特定的实验步骤，以启发和引导的方式指导学生，尽可能让学生找出问题的原因和解决办法。对能力强的学生，提出探究性的问题使学生带着问题进行实验，激发学生的求知欲和探究问题的热情；实验结束后，学生根据自己的实验结果进行数据处理，并对实验结果进行讨论和分析，要求每位学生以小论文的形式提交实验报告。最后，要求每个小组根据实验项目制作PPT并以小组为单位进行汇报答辩，由其他小组成员提问，整个过程中以学生为主体，教师参与其中并对答辩情况进行点评。

3 教学形式的改革

传统的教学形式已经很难满足新形势下创新型人才培养的要求。一方面，传统的“照方抓药”的实验授课方式很难引起高年级学生的兴趣，对学生的实验技能、探索精神和创新能力的培养不够，难以达到实验教学的目的。另一方面，综合实验所涉及到的内容较多，特别是综合性实验涉及到比较多的大中型精密仪器，操作较为复杂，教师往往要花很多时间来讲解理论和演示操作，使得学生自主实验的时间比较少。因此，我们将传统教学与虚拟仿真平台结合起来，对应用化学综合实验的教学形式进行了改革。

虚拟仿真实验具有虚拟性、实践性和互动性的特点，已成为一种可用于综合性实验操作的新型实验教学方式。与传统实验相比，虚拟仿真实验在实验教学中能够弥补仪器设备台数不足、操作学时不够和维护成本高等问题[5]。采用Unity 3D技术对仪器设备进行高度仿真，学生通过三维动画了解仪器设备的工作原理、内部构造、实验的前处理、仪器设备参数的设置，并通过模拟仪器设备的操作界面进行规范化操作[6]。应用化学综合实验课程中需要用到较多的大中型仪器设备，为了加深学生对仪器工作原理的掌握，提高学生对仪器操作的熟练程度和应用能力，我们基于现有的有关仪器设备开发了系列虚拟仿真实验：台式扫描电镜、台式X射线仪、核磁共振波谱仪、红外光谱仪、紫外-可见分光光度计、电化学工作站、液相色谱、原子吸收光谱仪、气相色谱-质谱联用仪、液相色-谱质谱联用等。根据仪器设备的特点，设置了实验原理、仪器操作、数据分析、仪器维护等模块。在这些虚拟仿真实验中，学生可以根据系统指令进行相关操作，经过反复练习熟练掌握仪器操作流程，避免实操过程中因不当操作给仪器带来的影响。通过虚拟仿真实验学生还可以对实验参数进行优化设置、在线分析实验数据等。近几年的实践教学证明，虚拟仿真实验作为辅助手段，可以调动学生的积极性和参与性，有效提高实验教学的质量，对培养学生的学习兴趣和创新能力具有重要的作用。

4 开放模式的探索

在应用化学综合实验课程中，除了规定要求完成的12个实验项目之外，学有余力的学生根据自己的兴趣可以自由选择并完成其它的实验项目，利用实验室的仪器设备进行科研训练，也可以在前面实验的基础上进行更加深入的研究。例如，学生在完成“片状氯氧铋的合成、表征及其光降解染料分子的研究”的实验后，可以开展“氯氧铋的表面修饰及光催化性能研究”实验。相应的实验室在课表之外的空闲时间照常开放，学生利用课余时间进行实验，同一个实验项目可以进行多次实验。实验之前，学生自由组合成小组(每组2～3人)，通过电话或网路平台与教师进行沟通、交流、预约实验。教师根据光催化剂实际应用的要求提出需要解决的科学问题，引导学生查阅文献，探究解决问题的方法和途径，并设计出具体的实验方案。允许学生所设计的实验方案中存在不足，可以在实验过程中不断修改和完善。实验过程中，实验小组可以不定期开展讨论会，分析和讨论实验现象、实验结果以及实验过程中遇到的问题，教师可以参与讨论并给予建议。实验之后，学生对数据进行处理，对实验结果进行分析和讨论，要求学生按照中文期刊论文的格式撰写一篇学术论文。对具有较高创新性的论文，教师可以引导学生进一步完善实验内容、修改论文并投稿。实践证明，通过开放实验，学生得到了更多的自主实验的机会，提高了实验技能，培养了科研兴趣，激发了创新热情。

5 过程性评价体系的探索

以往的实验教学主要是根据学生的预习报告和实验报告来评价学生的学习效果。由于综合实验项目的内容多，涉及到较多的数据处理，并且需要查阅文献资料对实验结果进行分析和解释，因而不能在实验结束后立马提交科研小论文，导致部分学生在课后准备小论文的时候互相借鉴或抄袭，教师不能全面、公正、相对准确地评价学生的实际学习情况。因此，我们在应用化学综合实验课中引入过程性评价体系。该体系主要由三个方面组成：课前的文献调研和实验方案设计；课中的学生实验态度、操作规范性、操作能力、团队合作情况、实验内容完成情况；课后的小组汇报和答辩情况、小组间互评、教师评价，同时注重学生的语言表达能力和PPT制作能力。过程性评价能够激发学生的学习兴趣和主动性，有效提高学习效果和教学质量，能全面客观评价学生的科研素养和创新能力，能真实地反映学生情况。

6 改革成效

通过应用化学综合实验教学改革，学生对实验的兴趣普遍提高，参加开放实验的积极性和自觉提高实验技能的主动性明显增强。2019-2021年，每年参加各项开放实验的学生人数分别为114、112、126，分别占本专业总人数的70%、86%、90%。通过综合实验的训练，学生的实验操作能力、实验设计能力、创新意识、参加学术报告和研究生论坛的积极性普遍提高。近3年来，应化专业的学生所承担的国家级创新训练项目达50余项，参与发表学术论文30余篇；学生积极参加 “互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生化学实验创新设计大赛、中国大学生Chem-E-Car竞赛、全国大学生化学实验邀请赛、全国大学生化工实验大赛、全国大学生化工设计等竞赛，获国家级奖励40余项。

7 结 语

近年来，应用化学综合实验课程坚持“强化基础、注重综合、培养能力、提高素质、突出创新”的教学思想，加强了教学内容、教学方法、教学形式、开放模式、过程性评价体系的探索与改革。实践证明，改革后的应用化学综合实验教学体系充分调动了学生学习的积极性和主动性，不但有利于提高学生的实验操作能力、分析问题和解决问题的能力，更重要的是有利于培养学生的创新思维和创新能力。同时，综合实验教学改革也有助于提高教师的教学和教研水平。中南大学应用化学专业入选了国家一流本科专业建设点，我们将以“双一流”建设为目标，持续深化实验教学改革，力争取得更突出的成绩。