新工科背景下化工专业实验课程教学研究

＊王松林 王振杰 李元超 黄卫峰 王丙星 范文秀

（1.河南科技学院化学化工学院 河南 453003 2.南阳职业学院 河南 474500）

教育部在2017 年提出“新工科”理念，旨在推动中国高校工程教育的发展，培养高素质的应用型人才。随着“复旦共识” “天大行动”和“北京指南”高校共识三部曲的达成，新工科正式走入高校视野。新工科建设为高等工程教育的变革创新提供了发展方向，并向培养新兴工程科技人才的院校提出挑战。

国家需要更多适应社会需求的应用技术人才，要满足社会的需要，化工专业也要迅速适应新工科的要求。实验教学是高校开展新工科教育的重要环节，是提高学生动手能力和知识转化能力的重要平台，更是培养适应化工行业发展所需人才的关键环节。化工专业实验课是理论联系实际的基础性实验，要求学生掌握实验的操作方法和处理数据能力，加强对专业知识的理解和应用，才能使学生具有较强的竞争力。

1.实验教学现状

化学实验是理论和实践的结合，对学生的理论知识和实践能力要求较高。实验教学与科学研究相辅相成，教师既要完成课堂教学，又要精深科学研究，对教师的能力提出双重考验[1]。高校的化学实验多为验证性实验，内容脱离生产实际，知识点之间的衔接存在不足，且受场地空间、设备短缺和危险化学品的实验条件限制，许多探索性的实验内容无法在实验室进行，这对高校实验课程教学提出新的标准和要求。

（1）学生缺乏学习动机。学生在学习过程中被动地接受专业知识，没有明确的目标，缺少主动挖掘专业内容的探究欲，缺乏专业自信，会由于自身学习动机不足导致学习能力差，这一现象在实验课程中表现得尤为明显。个别同学在课堂上表现出消极态度，很容易影响到其他同学的学习动力，当这种负效应逐渐扩大，原本能上好实验课的学生会受到来自群体的消极影响，最终的教学效果很难达到预期目标[2]。

（2）实验教学管理不足。实验室仪器设备数量有限，教学评价不够完善。化工类实验课程要求配备较多的实验设备和充足的实验场地，并且保证设备的日常维护，这需要高校保证大量的资金投入[3]。在仪器选择和使用的限制下，学生通常分成4～6 人的小组完成实验，有助于学生合作、协作能力的提高，但将一个完整的实验分割进行，会局限于学生个人部分的操作，对整个过程缺乏锻炼。

教师准备好仪器，在课堂上先进行实验演示和讲解，强调注意事项。学生依靠教材和教师讲解按部就班地完成操作，缺少自己动手配置试剂和使用仪器的机会。学生是教学的主体，这种教学模式使学生过度依赖教师的帮助，探究能力无法得到锻炼，因此往往不能达到预期目标。有些班级的人数过多，学生拥挤在前排学习教师的操作，后排学生可能看不清操作而产生信息误差。当他们自己做实验时，会根据自己的模糊印象进行不规范操作，可能引起实验偏差和失败，甚至存在安全隐患[4]。

（3）实验课程学时量少。化工类专业实验课程的学分和学时量少，以河南科技学院化学化工学院的普高生培养方案为例，实验课和理论课的学分比重差别明显（表1），学生会忽略实验课的作用，投入相比于理论课较少的时间和精力，然而实验需大量的时间才能完成，导致学生学习的积极性下降，对教学效果带来影响。此外，实验课与理论课不能保持合理的协同节奏，甚至实验课的上课时间早于理论课，导致学生基础知识掌握不足而不能很好地开展实验，也造成教学效果不佳。

表1 河南科技学院化学化工学院普高生培养方案（2021 年）

（4）课程考核标准不明确。实验课程通过小组协作来完成实验，大家获得相同的实验结果，即使部分学生未能达到实验标准，可能会抄袭其他组员数据，教师也很难对成绩做出客观的评价。考核是评价学生学习效果的手段，通常包括课堂考勤、平时作业和期末考核三个部分。其中，课堂考勤是对学生出勤率和课堂纪律进行考察，平时作业多是指课前预习和实验报告的完成情况，二者部分考核的标准内容重复，不能对学生做出很好评价。实验报告主要从实验原理和实验现象两方面评定，期末考核多是综合性的简答题，评分标准未详细划分，最终结果不能反映学生在实验过程中的整体表现，考核的作用和意义明显降低。

2.教学体系的改革措施

（1）加强工匠精神教育。工匠精神是培养技能型人才的重要目标，蕴含着坚持不懈、精益求精、开拓创新、尽职尽责等内容。2020 年，国家领导人将工匠精神概括为“执着专注、精益求精、一丝不苟、追求卓越”[5]。高校作为培养人才的核心机构，坚持以人为本的原则，追求专业技能的教学，应引导学生树立良好的责任和创新意识，着力培养大学生的工匠精神，实现应用技术人才的良好发展。

教师可通过启发教学、案例教学等方法，挖掘爱国主义、职业品格、创新精神和合作意识等元素融入实验教学，把显性教育与隐性教育相结合，在润物细无声中弘扬工匠精神，加快学生正确职业观、价值观的形成[6]。例如，学生随意拨动真空泵开关，会导致循环水倒流从而污染溶液；在污水化学耗氧量的测定实验中，溶液的温度、酸度和时间会影响最终的实验结果，而学生在实验过程中进行打闹、玩手机等行为都会影响对实验现象的准确观测。教师应适时普及安全教育，提高学生对实验室安全的重视程度，认识到规范操作是技能素养的体现，培养学生严谨的实验态度。

（2）优化实验教学方法。重视学生预习效果，摒弃单一的课前提问，遵循“以学生学习为中心”的教学理念，坚持“问题导向、注重实效”原则，师生双方形成协作关系，探索线上、线下混合教学的新模式，通过雨课堂、对分易等平台发布微课视频，要求学生结合MindMaster、Xmind 等软件绘制思维导图，凝练框架，提高预习效果。学生预习实验内容，不仅能激励学生带着思考查找相关知识，而且能快速理解实验操作，在有限的时间内加强学生对实验原理和流程的记忆。例如，氧化还原平衡是无机化学中的重要知识点，学生在学习过氧化还原反应后，能判断反应中的氧化剂和还原剂，达到能够正确书写氧化还原电子对和反应方程式配平的教学目标。配平原则和书写标准通过思维导图的形式呈现（图1），更有条理性，方便学生理解，也为后面学习电极电势知识打下良好的基础。

图1 氧化还原反应思维导图

充分利用仿真实验进行教学，虚拟仿真实验不受场地和设备限制，能实现学生异地登录电子终端，完成实验教学，例如碘化钾—高锰酸钾法测定高氯废水中化学需氧量，需提前配制氢氧化钠、高锰酸钾、叠氮化钠和硫代硫酸钠等多种溶液，其中叠氮化钠有毒且易爆，不适合大规模的教学实验。因此，在学习该内容时，学生缺少对实验准备工作的认识。虚拟仿真实验教学能很好地解决这样的教学问题，教师可搭建仿真实验室，建立与真实实验完全相同的操作过程。学生使用电脑、手机等电子端进行模拟训练，建立对实验整体的认识，能有效减少错误操作。学生的答题情况会实时反馈到教师端，有助于教师对各个实验步骤分析[7]。学生在课后也能针对不足之处重复练习，加深对实验过程的理解。在后续的教学中，教师可以对学生的薄弱环节进行针对性指导，有效提升教学效果。

（3）加强教学管理。课堂是开展教学活动的主要场所，对提高教学效果和质量具有重要作用。因此，教师需加强课堂监督。对跟不上课程的同学，可采用定位指导法进行一对一教学，仔细观察学生的实验操作，及时纠正存在的问题，培养学生实事求是的实验态度。

学校根据实验室的储备和使用量增加经费投入。实验管理人员提前汇总实验清单，做好及时补充。采用教学与研究相结合的方式，鼓励学生参加创新型研究项目和实验竞赛[8]。学生根据自己的安排选修不同的实验项目，独立查阅文献并制定实验方案，经指导教师审批方案后，可预约实验室进行实验。合理分配仪器的使用，初学者可先使用旧仪器提高熟练度，操作熟练规范后再使用精准度高的新仪器，不仅减缓学生对仪器操作流程的遗忘程度，也减少错误率，还能有效提高教学效率。向学生开放实验室，帮助学生更好地掌握大型仪器设备，提升学生的自我学习能力和创新实践能力，加强理论联系实际的应用能力。

（4）改进实验内容。以氯化钠的提纯为例，学生不仅要学会提纯的原理和方法，还要掌握溶解、沉淀、过滤、蒸发、结晶、干燥等操作。教师可提前将实验主题告知学生，学生在课前通过教材或网络查找基本原理、操作步骤和注意事项等，收集、整理资料后以PPT 的形式汇报，讲解原理、杂质类别及去除方法。在抽滤装置、蒸发浓缩和纯度检验等讲解环节，教师可补充作答，拓展更深层次的知识。经教师讲解后，学生重新完善实验方案。教师对学生的方案进行评价，并在实验开始前进行操作演示，对操作不当的同学进行指导，这种理论联系实际的教学方法可增进师生互动，加强教学效果。

聘请企业技术人员担任助教，加强理论与生产实践相结合。当前化工实验的突出问题是课程内容与生产实践脱节，为解决这一问题，可邀请相关的技术人员讲解生产实践的相关知识和发展前景，指导学生开展实习，及时解决实验过程中的技术问题。鼓励学生参与生产实践和技术革新的过程，不仅要了解企业的生产内容，注意工艺流程细节，全程带着问题去思考，做到“产、学、研”融合发展[9]。结合企业实际情况开展教学，培养能满足企业在生产、建设、管理等方面的人才，为学生就业提供更多选择。

（5）完善考核标准。根据培养方案对考核标准进行优化，建立科学合理的考核标准。教师要加强在实验教学过程的监督力度，保持一定的随堂测试率，提高学生的参与度，确保成绩的真实性和公平性。

将考核分成“预习成绩10%+平时成绩40%+期末成绩50%”的评价体系，即在学生完成对分易等线上平台练习后，根据作答结果进行成绩评定。平时成绩主要考察组织纪律和学习态度及实验报告中的实验原理、实验流程、实验参数和书写规范，教师结合平时表现和实验报告进行评分；期末成绩包括理论笔试和现场操作两方面，主要考察实验原理和操作。学生轮流抽取试题进行考核，考察实验技能是否达到教学标准。思考题增加考核环节，学生描述设计思路，教师进行提问，问题的设定可引入专业前沿研究成果，引导学生关注学科前沿，培养学生的科研精神和家国情怀。考核结果及时反馈学生，帮助他们发现自身的不足并改进，达到提升理论知识和实验能力的目的。

3.结语

通过对化工专业实验课程教学现状进行分析，改革创新将是一项长期工作，高校要把握好新工科建设的战略背景，根据自身办学特点不断探索行之有效的新策略，激发学生的创新实践能力，提升实验课程的教学质量。化工专业实验课可结合虚拟实验平台开展教学，对科学前沿领域进行探讨，不仅提升教学质量，也可激发学生的探索兴趣，有利于培养学生的创新能力。