創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革

田東亮， 錢建剛， 翟 錦， 聞利平

（1.北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100191；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

0 引 言

面對新時期、新形勢下創(chuàng)新型人才的需要，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才是高等學(xué)校肩負(fù)的重要歷史使命。加強基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)和基礎(chǔ)理論研究，積極開展面向全球性挑戰(zhàn)問題的研究是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵?；瘜W(xué)是自然科學(xué)中一門“核心性、實用性和創(chuàng)造性”的基礎(chǔ)學(xué)科，在人類生存和社會進步中具有極其重要的作用和價值，關(guān)系著國家國防安全、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟社會發(fā)展、環(huán)境安全和民生健康等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展［1-2］。實驗是化學(xué)的靈魂和生命，在學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)及綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)中具有極其重要的作用［3-5］。加強實驗教學(xué)這一重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生操作動手能力和綜合表達能力，增強學(xué)生綜合創(chuàng)新意識，已成為21世紀(jì)全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的迫切要求［6］。

大學(xué)化學(xué)是工科高等院校不可缺少的一門基礎(chǔ)課，課程簡明地反映了化學(xué)學(xué)科的基本原理以及與生產(chǎn)、工程實際和日常生活的聯(lián)系，是培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展人才知識結(jié)構(gòu)和能力的重要組成部分，是大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)，在化學(xué)與實際生產(chǎn)、工程及安全之間起到橋梁作用。大學(xué)化學(xué)實驗是大學(xué)化學(xué)課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)工科大類學(xué)生的科學(xué)實驗與實踐動手能力、科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力等方面均起著不可替代的作用［7-9］。但是，傳統(tǒng)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)通常采取教師講-學(xué)生聽，教師示范-學(xué)生做，和課后固定模式實驗報告的模式，存在教學(xué)內(nèi)容缺乏吸引性，教學(xué)方法和考核方式單一的問題，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生對實驗的興趣不高，參與積極性低，實驗報告及作業(yè)草草應(yīng)付。沒有真正起到促進教師“導(dǎo)”與學(xué)生“學(xué)”相結(jié)合的效果，不利于學(xué)生綜合創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)［10-14］。因此，緊密圍繞以學(xué)生為中心，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，采取研究型教學(xué)模式，對大學(xué)化學(xué)實驗進行改革，以期提高工科大類學(xué)生的動手能力和科學(xué)素質(zhì)。

1 我校大學(xué)化學(xué)實驗開設(shè)情況

2017年，我校根據(jù)“新工科”和“雙一流”建設(shè)對于人才培養(yǎng)模式的新要求，對招生專業(yè)進行重大改革和調(diào)整，開始實施大類招生與培養(yǎng)，將普通類本科分為工科試驗班類、理科試驗班類、社會科學(xué)試驗班類等。大學(xué)化學(xué)及實驗面向其中工科試驗班（航空航天類）進行開設(shè)，涉及11個學(xué)院的14類專業(yè)方向，約1600余人。大學(xué)化學(xué)實驗是工科試驗班類（航空航天類）本科生進入大學(xué)后所接觸到的第一門實驗課，共16課時，開設(shè)8個實驗，每個實驗2課時，具體開設(shè)情況如表1所示。

表1 大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)安排

實驗在整個大學(xué)化學(xué)課程期末總成績（滿分100分）中占30分。傳統(tǒng)實驗教學(xué)考核方式主要是根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)思考題（5分）、課堂表現(xiàn)（5分）和課后書寫的實驗報告（20分）給出成績。這種主要根據(jù)實驗報告評價學(xué)生的考核方式能夠在一定程度上反映出學(xué)生分析、總結(jié)問題的能力，但并不能真實反映學(xué)生的實際動手能力，也不能針對性檢驗和提高實驗的教學(xué)效果。同時，實驗報告采用傳統(tǒng)固定格式，部分規(guī)定內(nèi)容與實驗教材內(nèi)容完全一致，不利于培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)思考，甚至存在照搬照抄的問題，難以實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)。

考核方式?jīng)Q定學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢，有什么樣的考核方式就會存在什么樣的學(xué)習(xí)方式。因此，為了加強培養(yǎng)和提高學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，結(jié)合學(xué)?！袄硐敫哌h、學(xué)識一流、胸懷寰宇、致真唯實”的本科人才培養(yǎng)總體目標(biāo)，以學(xué)生為本，對大學(xué)化學(xué)實驗課程教學(xué)及考核進行了改革。通過實驗考核方式改革帶動大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革，將基礎(chǔ)知識與科研應(yīng)用相結(jié)合，基本操作訓(xùn)練與考試相結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生實驗中認(rèn)真動手操作的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)，提高實驗課的教學(xué)質(zhì)量和效果。

2 課程教學(xué)改革與實踐

如何提高實驗教學(xué)質(zhì)量，加強學(xué)生動手能力、科學(xué)素養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)，是實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)及培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵［15-18］。一種好的考核方式，一方面能夠有效督促老師來提高教學(xué)效果和質(zhì)量，另一方面能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動參與性。鑒于此，以課程內(nèi)容改革為抓手，考核方式為手段，對大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容和具體實施過程進行了改革。

針對目前實驗中存在的問題，為了充分調(diào)動學(xué)生實驗的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)，提高實驗課的教學(xué)質(zhì)量和效果，對上課方式及實驗考核方式進行了改革，采用研究型教學(xué)模式，注重引導(dǎo)啟發(fā)、創(chuàng)新思維能力和表達能力的培養(yǎng)，并將大學(xué)化學(xué)實驗的考核方式改革為50%來自實驗報告（含預(yù)習(xí)報告和課后實驗報告，其中課前預(yù)習(xí)采用通過性線上測試，課后實驗報告至少有一次為論文式報告），50%來自實驗操作考試（考前隨機抽?。＿@種教學(xué)改革，不僅加強了學(xué)生對實驗原理、實驗操作內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理與討論的理解和掌握，極大促進了學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和良好科學(xué)素養(yǎng)的形成。

2.1 實驗教學(xué)方式改革

2.1.1 課前預(yù)習(xí)

對于課前預(yù)習(xí)，要求學(xué)生熟悉整個實驗的背景、實驗?zāi)康?、原理及儀器操作方式，對實驗內(nèi)容有大致的了解。其中，將儀器操作和注意事項錄制成視頻，提前發(fā)給學(xué)生，并且將實驗課程中的儀器操作方法和重點注意事項整理為線上習(xí)題，要求學(xué)生在課前完成，而且成績必須在90分以上方可進入實驗室（該部分成績?yōu)橥ㄟ^性成績），這樣就讓學(xué)生對實驗整個過程及操作有了較為清晰的理解和掌握。同時也給學(xué)生布置一些小作業(yè)，將學(xué)生實驗與生產(chǎn)、生活及航空航天應(yīng)用實際相結(jié)合。比如，查閱反應(yīng)熱效應(yīng)測定的具體應(yīng)用領(lǐng)域，將其與生產(chǎn)中燃料、生活中食品熱值和航空航天燃料選擇相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加強學(xué)生對大學(xué)化學(xué)知識的鞏固和應(yīng)用，并且培養(yǎng)以化學(xué)的思維分析、評價和解決現(xiàn)實中的復(fù)雜問題的能力，加強課程的高階性教學(xué)。

2.1.2 課堂互動

基于良好的課前預(yù)習(xí)，教學(xué)過程中改變了以往的上課教師講-學(xué)生聽、教師示范-學(xué)生做的模式，充分發(fā)揮教師“導(dǎo)”與學(xué)生“學(xué)”的優(yōu)勢。教師認(rèn)真檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，嚴(yán)格做到學(xué)生沒預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)不好的不許進行實驗。實驗課上，教師講解重、難點及操作注意事項，部分內(nèi)容要求學(xué)生講解，加強學(xué)生的主動學(xué)習(xí)的能力培養(yǎng)，實驗的所有操作均由學(xué)生獨立完成，提高教學(xué)效果。

注重加強師生互動、學(xué)生互動，課上教師主要與學(xué)生互動交流指導(dǎo)，通過重難點提問，引導(dǎo)學(xué)生對實驗背景進行進一步的了解，細(xì)節(jié)的重點把握，糾正和進一步規(guī)范學(xué)生的儀器操作方法，針對性地解決學(xué)生中存在的問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的創(chuàng)新思維和綜合表達能力，并實現(xiàn)個性化、差異化、精準(zhǔn)化培養(yǎng)，有效提高課程的效率和質(zhì)量。例如，在水的凈化與檢測中，提問并舉例了生產(chǎn)、生活和航空航天領(lǐng)域中水的凈化與處理的方法，并在實驗室?guī)ьI(lǐng)學(xué)生參觀實驗室中去離子水的處理裝置，加深學(xué)生對水的凈化與處理的深層次認(rèn)識。在污水中六價鉻的測定實驗中進一步強調(diào)社會發(fā)展過程中水污染的防治與人們生活健康之間的關(guān)系，并拓展污水中其他重要污染物的測定方法，加強創(chuàng)新性培養(yǎng)，同時在課程中適度調(diào)整實驗條件，增加實驗的挑戰(zhàn)度，激發(fā)學(xué)生的求知欲和主動性。

2.1.3 課后總結(jié)

課后總結(jié)主要是撰寫實驗報告，該過程注重對數(shù)據(jù)處理及分析討論的考核，強調(diào)分析總結(jié)與凝練，繼續(xù)加強學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力培養(yǎng)。而且，要求學(xué)生在所學(xué)實驗撰寫實驗報告中至少1次為論文式實驗報告（要求按照標(biāo)準(zhǔn)的科研論文模式進行撰寫，主要說明為什么做這個實驗，這個實驗怎么做，做了這個實驗?zāi)芨墒裁催M行總結(jié)，包括標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞、前言、實驗部分、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果討論，結(jié)論，參考文獻等）。論文式報告的撰寫，推薦從反應(yīng)熱效應(yīng)的測定、水的凈化與水質(zhì)監(jiān)測和污水中六價鉻的測定中選取，因為這些實驗具有更為直接的實際應(yīng)用意義，而且實驗操作、數(shù)據(jù)處理要求較高，整個過程可以使學(xué)生得到很好的訓(xùn)練。同時，通過規(guī)范化的報告撰寫，可以使學(xué)生課后總結(jié)回顧整個實驗過程，包括背景的深層次理解，實驗的目的及研究方法，并提出改進建議，使其所學(xué)的知識及方法得到提升，并進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。教師批閱報告時注重學(xué)生改進建議和創(chuàng)新過程考核，并及時將報告中的問題及時反饋給學(xué)生，加強與學(xué)生之間的互動交流。

2.1.4 課后實驗室開放

針對來自全國各地的大一學(xué)生高考要求不同，學(xué)生的化學(xué)基礎(chǔ)知識的層次不同，開放了實驗室，保證基礎(chǔ)知識一般的學(xué)生“吃飽”，基礎(chǔ)知識扎實的學(xué)生“吃好”。一方面，對實驗課上不能很好完成實驗的同學(xué)，根據(jù)學(xué)生的時間申請增加實驗完成時間。另一方面，部分學(xué)生經(jīng)過操作后對已做實驗中儀器操作遺忘的問題，安排了儀器使用答疑時間，為保障學(xué)生順利完成學(xué)習(xí)和理解提供了條件。同時，也為有化學(xué)興趣、并愿意進行拓展研究的學(xué)生開放了實驗室，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

綜上所述，通過優(yōu)化研究型實驗教學(xué)過程，注重理論聯(lián)系實際，從實驗中不斷鍛煉學(xué)生動手能力和科學(xué)思維，加強科學(xué)批判精神的培養(yǎng)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和解決實際問題的創(chuàng)新能力；從實驗報告的撰寫中鍛煉分析、討論與總結(jié)的能力，以及對實驗研究方法的整體把握，并提出自己對實驗的改進建議。通過基礎(chǔ)和科研相結(jié)合，訓(xùn)練與實際考試相結(jié)合，初步建立了導(dǎo)學(xué)結(jié)合、理論實踐結(jié)合的學(xué)生綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式（見圖1）。

圖1 導(dǎo)學(xué)結(jié)合、理論實踐結(jié)合的學(xué)生綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

2.2 實驗考核方式改革

為了進一步加強學(xué)生平時對實驗課程的重視程度，基于大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)重點、難點及學(xué)生所需要掌握的基本科學(xué)素養(yǎng)，編寫了實驗操作考核內(nèi)容題庫，考前由學(xué)生隨機抽簽決定具體考試內(nèi)容?；诳己藘?nèi)容的隨機性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)中的主動性。

2.2.1 考前試題準(zhǔn)備

為了保證考核的順利進行，公平公正的考試題目是必須的，針對教學(xué)重點、難點和學(xué)生實驗中易錯的知識點進行梳理，按照不同的重要程度對考核點內(nèi)容及其分值進行了選定。同時，對編寫的實驗試題反復(fù)修改驗證，保證實驗考核內(nèi)容及操作時間的合理性。實際操作考試時，設(shè)計一個相對完整的實驗操作內(nèi)容（與原實驗內(nèi)容不完全一樣），要求學(xué)生由1節(jié)課（45min）完成，并按照錯誤操作點進行扣分。

2.2.2 考試實施過程

實驗操作考試按照單人單組進行，在考前20 min抽題，提前5～10 min到達考試地點簽到并佩戴胸卡等候入場，實驗考試中側(cè)重學(xué)生實驗操作規(guī)范性、基本科學(xué)素養(yǎng)、邏輯思維能力和綜合應(yīng)用的能力。以水的硬度測定實驗考核為例簡述具體評分內(nèi)容（見表2，部分選取）。

表2 實驗操作考試試題及評分標(biāo)準(zhǔn)（部分選?。?/p>

2.3 成績評定

根據(jù)大學(xué)化學(xué)實驗的考核方式，學(xué)生最終實驗成績的50%來自平時的實驗報告（含預(yù)習(xí)報告和課后實驗報告），另50%來自實驗操作考試。其中，實驗報告成績由所有實驗的實驗報告取平均值給出；實驗操作考試成績則由監(jiān)考老師按照操作考試評分標(biāo)準(zhǔn)扣除設(shè)計錯誤、錯誤操作及結(jié)果偏離的分?jǐn)?shù)，直接給出實驗操作成績。經(jīng)過兩年兩輪學(xué)生的實踐，最終實驗平均成績85分以上，且呈現(xiàn)正態(tài)分布，表明很好地反映了學(xué)生的書面表達能力和實驗操作動手能力等綜合能力，極大地提高了學(xué)生的主動性。充分說明大學(xué)化學(xué)實驗考核方式改革真正反映了學(xué)生基本素質(zhì)和能力的差別，提升學(xué)生的動手能力、嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)，促進教師“導(dǎo)”與學(xué)生“學(xué)”雙重結(jié)合，最終實現(xiàn)教學(xué)相長。

2.4 學(xué)生及教師評價反饋

通過兩年的教學(xué)改革與實踐，得到了師生充分肯定和認(rèn)可。通過問卷星對抽樣500人進行問卷調(diào)查（見圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)91.46%的學(xué)生贊同增加實驗操作考核，認(rèn)為，“實驗操作與實驗報告考核相結(jié)合的方式更好培養(yǎng)同學(xué)們的動手能力、科學(xué)素養(yǎng)、增強責(zé)任感和安全意識。化學(xué)作為一門實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，通過考核不僅同學(xué)們更好地掌握了基礎(chǔ)操作，更好地了解化學(xué)的實用性，對今后的學(xué)習(xí)生活有很多指導(dǎo)意義。通過考核更好地促進同學(xué)們在實驗課上端正態(tài)度，認(rèn)真操作，真正學(xué)到化學(xué)細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科思維，鍛煉了同學(xué)們的動手能力和嚴(yán)謹(jǐn)能力，對工科學(xué)生來說很有用。課下書寫實驗報告培養(yǎng)耐性，促成同學(xué)們做好實驗過程的記錄與總結(jié)。兩者結(jié)合能更好地提高理論水平，又提高動手實踐能力。避免了只是單純學(xué)會了如何寫實驗報告，但是操作沒記住、動手能力也不強的問題。98.78%的同學(xué)認(rèn)為，增加實驗操作考試，能夠加強對實驗課程的學(xué)習(xí)重視程度。通過大學(xué)化學(xué)實驗操作考試，能加強和提高同學(xué)們對實驗課的重視程度和學(xué)習(xí)效果，提升動手能力、嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)。同學(xué)們希望實驗操作考試能夠延續(xù)下去。同時，部分學(xué)生也對實驗操作考核提出了一些改進建議，比如增加考試難度，增大設(shè)計比例等。實驗改革也獲得了專業(yè)老師評價，“該改革有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和科學(xué)素養(yǎng)，實現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合”。

圖2 問卷調(diào)查結(jié)果節(jié)選 ［（a）現(xiàn)行考核方式（操作考試+實驗報告）與原考核方式相比，那種合理？（b）增加實驗操作考試，能夠加強你對實驗課程的學(xué)習(xí)重視程度嗎？（c）最初的設(shè)想是通過大學(xué)化學(xué)實驗操作考試，加強和提高同學(xué)們對實驗課的重視程度和學(xué)習(xí)效果，提升動手能力、嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)。你覺得達到了最初的設(shè)想嗎？（d）你贊同大學(xué)化學(xué)實驗考核改革，并且希望延續(xù)下去嗎？］

3 結(jié) 語

緊密圍繞以學(xué)生為中心，以學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，通過大學(xué)化學(xué)實驗研究型教學(xué)過程和考核方式的改革，極大地發(fā)揮了教師“導(dǎo)”與學(xué)生“學(xué)”雙重結(jié)合的優(yōu)勢。結(jié)果表明，采用研究型教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決問題以及論文式實驗報告的撰寫，可以有效加強學(xué)生邏輯思維、表達能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)；考核方式的改革，能顯著增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，加強學(xué)生動手能力、嚴(yán)謹(jǐn)意識和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高了實驗課的教學(xué)質(zhì)量和效果，最終實現(xiàn)了教學(xué)相長。