新工科背景下“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程改革

雷洪，霍冀川，張廷紅，黃鶴燕

1西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010

2西南科技大學(xué)分析測試中心，四川 綿陽 621010

化學(xué)是改造世界的重要武器，其成就是社會文明的重要標(biāo)志?；瘜W(xué)學(xué)科的發(fā)展離不開高素質(zhì)化學(xué)人才的培養(yǎng)。為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，培養(yǎng)科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的新型化學(xué)人才已成為時代發(fā)展的必然需求。隨著我國“新工科”教育改革的興起[1,2]，化學(xué)專業(yè)成為了首批進(jìn)入“新工科”教育改革的試點(diǎn)專業(yè)[3]。根據(jù)成果導(dǎo)向教育(Outcome Based Education，OBE)理念，學(xué)生能力的達(dá)成是專業(yè)改革的宗旨，而專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成最終要具體落實(shí)到課程目標(biāo)的達(dá)成上來。在新形勢下，化學(xué)類專業(yè)課程的“新工科”改革不僅要強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的化學(xué)功底，更要注重多學(xué)科知識的交叉、融合與運(yùn)用，進(jìn)而使之能夠與時俱進(jìn)地支撐新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。化學(xué)學(xué)科與其他學(xué)科有著密切聯(lián)系，它們相互促進(jìn)、共同發(fā)展。作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，化學(xué)學(xué)科的進(jìn)步離不開實(shí)驗(yàn)科學(xué)與時俱進(jìn)的發(fā)展?！盎瘜W(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”是化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的綜合和拓展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及化學(xué)、材料、生命、環(huán)境、能源、醫(yī)藥、農(nóng)學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，知識面廣，綜合程度高。作為一門具有多學(xué)科交叉性質(zhì)的綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)課程，在對傳統(tǒng)化學(xué)類專業(yè)的“新工科”改造中，“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”必然成為了落實(shí)“新工科”思想的理想實(shí)踐載體之一。

我校“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程目前主要面向應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程、材料物理和功能材料專業(yè)本科生，其中在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)為48學(xué)時必修課，在材料科學(xué)與工程專業(yè)為24學(xué)時選修課，在材料物理和功能材料專業(yè)為16學(xué)時選修課。我們對本課程的改革重點(diǎn)圍繞應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開展，并逐步在向其他專業(yè)推廣。以下我們將結(jié)合我校前期開設(shè)“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程的一些探索實(shí)踐成果及經(jīng)驗(yàn)，著重從教材和課程教學(xué)兩方面簡要介紹“新工科”理念在具體課程中的融合，以期拋磚引玉，為其他課程開展“新工科”背景下的改革提供參考。

1 新工科背景下《化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)》教材的重新編寫

2007年，我校人員主編的《化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)》由化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行。該書出版發(fā)行后受到了讀者的普遍好評。2009年，該教材獲得了第九屆中國石油和化學(xué)工業(yè)優(yōu)秀教材獎一等獎。至2018年底，該書已重印5次，共計12500冊，被國內(nèi)多所高校院所選作教材，且被大部分理工類院校的圖書館收藏，在網(wǎng)店亦有銷售。

2020年初我們對《化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)》第一版教材進(jìn)行了再版修訂。此次修訂充分肯定了第一版教材的優(yōu)點(diǎn)、特色和所取得的成績，在對原有優(yōu)點(diǎn)和特色進(jìn)行了保留繼承的基礎(chǔ)上，增加了部分融入“新工科”理念的內(nèi)容?？紤]到教材的使用專業(yè)可能涉及除化學(xué)類專業(yè)以外的其他相近專業(yè)，第二版教材繼續(xù)采用了模塊化編寫的方式。全書由化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本知識、化學(xué)信息資源、試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析方法、綜合實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計研究實(shí)驗(yàn)五部分組成，其中以綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計研究實(shí)驗(yàn)兩大部分為主。綜合實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具備化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)理論和技能的基礎(chǔ)上，將多種基本理論和技能在單個實(shí)驗(yàn)中融會貫通，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識和基本技能解決復(fù)雜問題的能力；化學(xué)設(shè)計研究實(shí)驗(yàn)是綜合實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步提升，要求學(xué)生根據(jù)課題需求，能夠自行查閱文獻(xiàn)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案和步驟，并完成具有一定創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開展科學(xué)研究的能力和創(chuàng)新能力[4]。

《化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)》再版修訂更加注重學(xué)生綜合實(shí)踐能力和工程能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識技能的交叉、融合和綜合運(yùn)用。在體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科特色的基礎(chǔ)上，增加了“化學(xué)常用軟件簡介”和“分析儀器綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”章節(jié)，更加注重現(xiàn)代分析測試技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用和學(xué)生綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。具體說明如下。

掌握和應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)(特別是計算機(jī)及其技術(shù))并用于解決各專業(yè)的相關(guān)問題在這個“互聯(lián)網(wǎng)+”時代顯得尤為重要。就化學(xué)學(xué)科來說，計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及其在化學(xué)研究和教學(xué)中的應(yīng)用極大地提升了化學(xué)研究的效率和化學(xué)教學(xué)的效果。再版教材的“化學(xué)常用軟件簡介”部分對一些常見的化學(xué)軟件進(jìn)行了梳理和簡單介紹，以方便讀者在后續(xù)的學(xué)習(xí)中能根據(jù)自身所需，有目的性地選取合適的軟件進(jìn)行深入了解和學(xué)習(xí)。相關(guān)軟件包括化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、文獻(xiàn)管理軟件、圖譜解析軟件、計算機(jī)輔助教學(xué)軟件和量子化學(xué)計算軟件等。

2020年，教育部高等學(xué)?；瘜W(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(以下簡稱化學(xué)類專業(yè)教指委)研究提出了設(shè)置基于化學(xué)的新工科專業(yè)“化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)”，廈門大學(xué)隨后將該專業(yè)作為新增專業(yè)進(jìn)行申報。我們對教材的再版修訂在一定程度上與化學(xué)類新工科專業(yè)的建設(shè)保持了一致方向。新版教材的“分析儀器綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”章節(jié)涉及化學(xué)分析中兩種重要的光譜儀器(紫外-可見光譜和激光拉曼光譜)，內(nèi)容包括相關(guān)儀器的設(shè)計、裝配、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)測定，是化學(xué)、光學(xué)、測量學(xué)、計算機(jī)等多學(xué)科的交叉融合。學(xué)生通過查閱資料設(shè)計分析儀器的裝配圖紙，將組成儀器的零件和部件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來，并經(jīng)過調(diào)試、檢驗(yàn)使之成為合格的分析儀器，用于物質(zhì)的分析測試。這種DIY模式的實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)原理、儀器裝配、實(shí)驗(yàn)測量、甚至計算機(jī)編程、儀器升級、科研探索等內(nèi)容，可充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生自我探索和團(tuán)隊(duì)合作的能力，有利于其全方位綜合能力的培養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)意識的形成。

2 新工科背景下“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)過程改革

2.1 采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式

西南科技大學(xué)“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程經(jīng)過多年的建設(shè)已經(jīng)形成了一套較為完善的課程教學(xué)體系，培養(yǎng)并組建了一支具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)——化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。該課程在2005、2007和2008年分別被評為校級、省級和國家級精品課程[5]。多年來，該課程的教學(xué)過程一直采用線下實(shí)踐教學(xué)為主、線上理論學(xué)習(xí)為輔的方式進(jìn)行。

2019年，我們對“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”線上SPOC (Small Private Online Course)資源進(jìn)行了重建。新建線上資源包括緒論、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室基本知識、化學(xué)信息資源、試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析方法、綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)和分析儀器綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)六大部分，完善了在線測試和考評題庫。目前已完成3期、519人次的教學(xué)。該線上資源在新冠疫情期間的教學(xué)活動中發(fā)揮了重要作用。學(xué)生返校后，使用線上資源進(jìn)行安全教育、理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備等輔助教學(xué)，可使學(xué)生前期的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)變得更加有效，相關(guān)學(xué)習(xí)效果的評價也變得更加細(xì)化、更加合理。實(shí)踐證明，線上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)對學(xué)生進(jìn)入后期實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)具有重要的引導(dǎo)和輔助作用，可有效地提高教學(xué)效率，為實(shí)踐環(huán)節(jié)爭取更多的教學(xué)課時，用于學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練和達(dá)成。

作為一門實(shí)驗(yàn)課程，線下教學(xué)是整個課程教學(xué)環(huán)節(jié)的主體和重點(diǎn)。作為地方高校，在教學(xué)資源有限的情況下，可通過優(yōu)勢資源整合，使資源在人才培養(yǎng)上效能最大化。西南科技大學(xué)分析測試中心是國家計量認(rèn)證合格單位，擁有40余臺套大型精密分析測試設(shè)備及配套運(yùn)行設(shè)施，總價值超過4500萬元。中心實(shí)驗(yàn)室用房總面積約5000 m2，設(shè)置了無機(jī)成分分析室、有機(jī)成分及結(jié)構(gòu)分析室、物相及晶體結(jié)構(gòu)分析室、電子顯微分析室、譜學(xué)性質(zhì)分析室、綜合熱學(xué)性質(zhì)分析室、顆粒特性分析室、生化與電化學(xué)分析室等分析測試實(shí)驗(yàn)室，能夠從事物質(zhì)的形貌、成分、物相、結(jié)構(gòu)及性能等分析測試工作[6]。我?；瘜W(xué)類專業(yè)在化學(xué)與分析測試中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(省級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心)的平臺基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入了學(xué)校分析測試中心的平臺資源用于本科教學(xué)。在為教學(xué)提供充足的硬件條件的基礎(chǔ)上，通過引入具有多學(xué)科背景的分析測試中心專職教師參與教學(xué)以及采用分小組教學(xué)等方式，保證了學(xué)生能有足夠的時間接觸并操作大型現(xiàn)代分析測試儀器。有別于基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”的線下部分更加注重學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力和交叉學(xué)科知識技能的運(yùn)用。隨著“新工科”的興起，本課程已逐步開設(shè)DIY模式的“分析儀器綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”，使學(xué)生具備綜合運(yùn)用多學(xué)科基礎(chǔ)知識解決復(fù)雜的化學(xué)分析測試工程問題的能力。實(shí)踐表明，學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表現(xiàn)出極大的興趣，在通過資料查閱、小組合作、運(yùn)用多學(xué)科綜合知識解決一些小問題后，學(xué)生獲得了在傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中難以獲得的自信感和成就感。

2.2 以“實(shí)驗(yàn)競賽”方式完成實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)

我校自2005年開始每年舉行化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)大賽。多年的實(shí)踐證明，競賽是一種激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生主動積極自主學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的有效方法。通過競賽，學(xué)生可以找到自己的不足、意識到與他人的差距。適當(dāng)?shù)拇煺劢逃欣诩顚W(xué)生不屈不撓、戒驕戒躁、堅持進(jìn)取的內(nèi)在品質(zhì)，可培養(yǎng)學(xué)生形成健康的心態(tài)和寬廣的胸懷。而經(jīng)過努力獲得的成績和榮譽(yù)有益于學(xué)生自信心的樹立。在本課程的后期教學(xué)過程中，我們將圍繞教學(xué)大綱，通過制定化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)競賽章程，以“實(shí)驗(yàn)競賽”的方式完成部分課程內(nèi)容的教學(xué)，探索開啟實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。該章程已在第二版《化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)》教材中添加，可供相關(guān)教師在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革中參考。

競賽周期擬以學(xué)期為單位舉行。學(xué)生以個人為基本參賽單位，報名參賽。競賽分為初賽、復(fù)賽和決賽三個階段。初賽階段以化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本知識、化學(xué)信息資源和試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析方法為主，比賽方式為線上筆試。復(fù)賽階段為開卷筆試，內(nèi)容涵蓋化學(xué)及相鄰交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。具體操作方式為教師給定實(shí)驗(yàn)設(shè)計題目，學(xué)生在規(guī)定的時間地點(diǎn)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計，包括實(shí)驗(yàn)原理、主要儀器及試劑、實(shí)驗(yàn)步驟、安全預(yù)防注意事項(xiàng)等。決賽階段為綜合實(shí)驗(yàn)操作考試，重點(diǎn)考查內(nèi)容為學(xué)生正確記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報告等。

3 新工科背景下的課程改革思考

盡管我校擁有國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”，在后期又引入了具有多種學(xué)科背景的分析測試中心專職教師參與教學(xué)，但我們也意識到“新工科”背景下的課程教學(xué)對教師提出了更高的要求。“新工科”對學(xué)科交叉融合的要求不是簡單的“1 + 1 = 2”的跨學(xué)科組合。在我校的教學(xué)改革歷史中，有人曾提出針對一門課程中涉及的交叉學(xué)科知識，可由不同專業(yè)或行業(yè)背景的骨干教師、企事業(yè)專家為學(xué)生講授不同專業(yè)領(lǐng)域的知識。這樣的方式固然可以使一門課程中涉及的不同學(xué)科的知識碎塊更加鮮活和更有深度，但各知識碎塊之間容易缺乏聯(lián)系、缺少融合。“新工科”背景下的課程教學(xué)最終是要能讓學(xué)生搭建起具有多學(xué)科交叉融合特征的整體知識網(wǎng)絡(luò)框架，使其具備運(yùn)用多學(xué)科知識融會貫通解決復(fù)雜工程問題的能力。在“新工科”背景下，對學(xué)生能力達(dá)成的要求對教師的專業(yè)知識架構(gòu)、科學(xué)研究領(lǐng)域、知識面的廣度和深度、跨學(xué)科交叉融合的能力、教學(xué)方法和教學(xué)手段等都提出了更高的要求。因此，成功的“新工科”教學(xué)改革不僅要注重學(xué)生能力的培養(yǎng)和達(dá)成，還要為教師業(yè)務(wù)能力的提升創(chuàng)造條件。

4 結(jié)語

根據(jù)化學(xué)類專業(yè)教指委的建議，化學(xué)以數(shù)學(xué)和物理學(xué)為基礎(chǔ)，是支撐生命、材料、能源、環(huán)境、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、信息、電工電子、航空航天等眾多學(xué)科和支柱產(chǎn)業(yè)、高精尖技術(shù)發(fā)展的上游學(xué)科[3]，在“新工科”改革中首當(dāng)其沖。具有“新工科”理念的課程改革是“新工科”改革的最終落腳點(diǎn)?！盎瘜W(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程既體現(xiàn)了化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，又具備跨學(xué)科交叉融合的特質(zhì)，是開展“新工科”背景下課程改革的一門理想課程。本文從教材和課程教學(xué)兩方面介紹了“新工科”理念在“化學(xué)綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)”課程中的融合，并基于我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提供了一些較為具體的改革思路，可為其他課程的相關(guān)改革提供參考。