“雙一流”背景下分析化學(xué)實驗教學(xué)改革*

李 昆，高 娜，劉浩然

(湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院國家級化學(xué)實驗教學(xué)示范中心，湖南 長沙 410082)

“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”概念自提出近十年以來已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注和認可，逐漸形成了新的教學(xué)理念，并建立了新的教學(xué)模式[1]。實踐是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的基礎(chǔ)，也是加強受教育者的理論聯(lián)系實際能力的重要過程[2-3]。在我國《統(tǒng)籌推進世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》中提出的任務(wù)之一，就是培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責(zé)任心，富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才[4]。因此，在“雙一流”建設(shè)的背景下，本科階段教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才，實踐教學(xué)處于至關(guān)重要的地位。

化學(xué)是自然科學(xué)中實踐特色最為突出的學(xué)科之一。在化學(xué)類專業(yè)的本科教育中，理論教學(xué)和實踐教學(xué)處于同等重要的地位?；瘜W(xué)實踐教學(xué)體系是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、鍛煉學(xué)生實踐能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貫穿了學(xué)生培養(yǎng)的全過程，主要包括基礎(chǔ)化學(xué)實驗、專業(yè)綜合實驗、科研實踐活動、認識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)論文等內(nèi)容[5]。其中，基礎(chǔ)(四大)化學(xué)實驗課程是化學(xué)類專業(yè)實踐教學(xué)的出發(fā)點和重要基石。雖然不同高校的化學(xué)專業(yè)對實踐教學(xué)體系的構(gòu)筑不盡相同，但基礎(chǔ)化學(xué)實驗必定是不可或缺的根本[6]。因此，如何在基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程教學(xué)中達成對學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是高?；瘜W(xué)類專業(yè)在新時期面臨的一項共性問題。

湖南大學(xué)化學(xué)學(xué)科始建于1926年，人才培養(yǎng)歷史悠久。2017年成為國家“雙一流”世界一流學(xué)科建設(shè)學(xué)科，在教育部第四輪學(xué)科評估中獲得A-。該學(xué)科自成立之初即開設(shè)化學(xué)類本科專業(yè)，2008年入選國家級“高等學(xué)校特色專業(yè)”，2019年入選首批國家一流專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”。湖南大學(xué)分析化學(xué)是國家重點學(xué)科，建設(shè)有化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室，在國內(nèi)外分析化學(xué)領(lǐng)域享有重要聲譽?！斗治龌瘜W(xué)》先后入選國家精品在線開放課程和國家一流本科課程，《基礎(chǔ)化學(xué)實驗》入選國家一流本科課程。在“雙一流”建設(shè)的背景下，《基礎(chǔ)分析化學(xué)實驗》課程的改革就是在這些深厚歷史底蘊的基礎(chǔ)上，依照新時期的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)開展的。本文以2021版教學(xué)大綱的修訂過程為線索，回顧總結(jié)了該課程近些年的發(fā)展，特別是2019年實施“雙萬計劃”開展一流專業(yè)建設(shè)以來進行的新一輪系統(tǒng)性改革的情況，以期能為兄弟院校分析化學(xué)實驗課程建設(shè)提供借鑒與參考。

1 課程基本情況

基礎(chǔ)分析化學(xué)實驗是化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)實驗，屬于學(xué)類核心課程。該課程繼分析化學(xué)理論課程之后開設(shè)，是對書本理論的進一步驗證，同時又是一門獨立的課程，與分析化學(xué)理論課程相輔相成。該課程力圖使學(xué)生在接受嚴格的分析化學(xué)實驗基本操作訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，通過記錄并處理實驗數(shù)據(jù)、繪制圖表培養(yǎng)學(xué)生嚴謹務(wù)實的科學(xué)作風(fēng)，樹立嚴格的“量”的概念。在儀器分析實驗中，學(xué)生能夠接觸到很多先進的大型儀器，進一步掌握其構(gòu)造及使用方法。使學(xué)生在動手能力與實驗技能、探索發(fā)現(xiàn)與開拓意識、獨立分析與解決實際問題的能力、嚴謹求是的科學(xué)態(tài)度等方面都能得到培養(yǎng)和鍛煉。

本科階段的分析化學(xué)教學(xué)內(nèi)容主要包括化學(xué)分析和儀器分析兩部分。在以往的分析化學(xué)教學(xué)中，理論教學(xué)與實驗教學(xué)相割裂的現(xiàn)象較為嚴重，且在學(xué)分、課時的安排方面存在一定的“重理論、輕實驗”的傾向，給學(xué)生造成了“實驗課不重要”的誤解。針對這些狀況，自2019年以來，我們著力促進提高實驗課的課堂效率，充實教學(xué)內(nèi)容，并加強教師、學(xué)生對課程的重視程度，取得了良好的課堂教學(xué)效果。此外，在湖南大學(xué)本科培養(yǎng)方案2020版修訂時，根據(jù)新時期本科教育的要求，本科全程四年壓縮了10個學(xué)分，且專業(yè)必修課相應(yīng)削減了課時。為適應(yīng)新形勢的變化，同時提高實踐教學(xué)的重要地位，我們在關(guān)鍵基礎(chǔ)知識不缺席的情況下將分析化學(xué)理論課程從6學(xué)分(96學(xué)時)減為5學(xué)分(80學(xué)時)，而將分析化學(xué)實驗課程從2學(xué)分(64學(xué)時)增加到2.5學(xué)分(80學(xué)時)，并移動到培養(yǎng)方案的實踐環(huán)節(jié)之中?；A(chǔ)分析化學(xué)實驗分在第5和第6兩個學(xué)期開設(shè)。

該課程實行了教材、講義、參考資料三重模式。課程團隊重視教材建設(shè)，立足于化學(xué)學(xué)科優(yōu)良的傳統(tǒng)和雄厚的基礎(chǔ)，編寫的《基礎(chǔ)化學(xué)實驗》已于2021年完成了第三版修訂并在科學(xué)出版社出版。在教材的基礎(chǔ)上，該課程所有任課教師也共同編寫了一套內(nèi)部使用的講義，針對湖南大學(xué)本科實驗教學(xué)實驗室當(dāng)年開設(shè)實驗項目的實際情況，每年都會進行一次修訂和完善。此外，也選用了近些年出版的國內(nèi)其他高校編著的教材作為參考書，供教師和學(xué)生研讀。

該課程也較早地完成了信息化建設(shè)，在學(xué)校課程中心網(wǎng)站建立了課程網(wǎng)站，也在中國大學(xué)慕課MOOC上線了該課程，截至2021年已經(jīng)開課11次。線上課程一方面作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)的資料，幫助學(xué)生及時了解實驗相關(guān)的基本原理和基礎(chǔ)操作；另一方面，也為學(xué)生課后復(fù)習(xí)提供了平臺。這些信息化手段的使用，可以打破實驗教學(xué)的空間和時間限制，促進學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的吸收，取得良好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)目標(biāo)的完善

結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位和專業(yè)人才培養(yǎng)要求，我們根據(jù)課程性質(zhì)，進一步完善了該課程的教學(xué)目標(biāo)。具體包括了學(xué)習(xí)該課程后應(yīng)該達到的知識、能力水平，以及課程思政育人目標(biāo)等方面。首先，指導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)掌握化學(xué)分析的基礎(chǔ)知識、分析儀器的構(gòu)造與原理、基本操作和典型的定量分析方法。這是與傳統(tǒng)的分析化學(xué)實驗教學(xué)一脈相承的。第二，通過實驗加深對有關(guān)理論的理解，并能靈活運用所學(xué)的理論知識指導(dǎo)實驗設(shè)計，強調(diào)提高學(xué)生用理論指導(dǎo)實踐的能力。結(jié)合分析化學(xué)的學(xué)科特色，特別提出正確地認識自然科學(xué)并掌握正確的科學(xué)研究方法，從而教育學(xué)生掌握分析化學(xué)的研究范式，具備完善的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力。這有助于利用實驗教學(xué)促進學(xué)生對學(xué)科知識體系的融會貫通，也為學(xué)生畢業(yè)后在相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的工作中展現(xiàn)良好科學(xué)素養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)。第三，以實驗教學(xué)內(nèi)容為依托，將思政元素與實驗課程有機融合，培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀和方法論，培養(yǎng)嚴謹求是的科學(xué)作風(fēng)和探索創(chuàng)新的思維習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研報國熱情。讓學(xué)生能夠成長為具有社會責(zé)任感和家國情懷的專業(yè)技術(shù)人才。通過這些方向地改革，將思想政治教育合理地、有效地融入課堂。

3 實驗內(nèi)容的調(diào)整

與分析化學(xué)理論課程相對應(yīng)，分析化學(xué)實驗分為化學(xué)分析實驗和儀器分析實驗兩部分。以前的《基礎(chǔ)分析化學(xué)實驗》課程包括7個化學(xué)分析實驗項目和8個儀器分析實驗項目，這些經(jīng)典實驗項目涵蓋了重量分析、容量分析、電化學(xué)分析、色譜分析和光譜分析等基礎(chǔ)內(nèi)容。然而，分析化學(xué)特別是儀器分析是一個飛速發(fā)展的學(xué)科，許多實驗項目所用到的方法及儀器略顯陳舊，無法跟上科技的進步，不能實現(xiàn)對創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)的達成。同時，增加的16個學(xué)時也有利于我們設(shè)計與開展新的實驗項目。經(jīng)過近兩年的試驗和小范圍推廣，我們在教學(xué)大綱的修訂中，增加了3個新設(shè)實驗項目，大幅度更新了2個實驗項目，并對所有保留實驗項目進行了修訂和完善，使實驗項目更貼近于科研實際，且更好地融入了思政元素。

首先，通過“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學(xué)形式，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)時，結(jié)合學(xué)過的理論知識，提前思考實驗的原理和完成測定目標(biāo)的可行途徑。在課堂上，除了基本操作訓(xùn)練之外，特別注重講授分析方法的選取原則和實驗數(shù)據(jù)的處理過程，并結(jié)合實驗進一步確立“量”、“相對誤差”和“有效數(shù)字”等概念。儀器分析理論課上學(xué)生只能通過教材、講義和教師的講解來“想象”一臺儀器，而在實驗室中面對真實的儀器，才能更好的理解其構(gòu)造和設(shè)計原理。另外，隨著科研儀器的不斷更新，教科書中的描述與新近的儀器技術(shù)存在一定的時間差。因此，在實驗課上更加注重對新技術(shù)的講解，讓學(xué)生體會在經(jīng)典原理的基礎(chǔ)上，新技術(shù)為科研儀器帶來的新動能。同時在條件允許的情況下，我們開設(shè)的部分實驗為學(xué)生提供了新儀器與舊儀器之間、國產(chǎn)儀器與進口儀器之間、乃至自組裝儀器與商業(yè)化儀器之間的比較，讓學(xué)生不再對科研儀器產(chǎn)生敬畏感，也認識到我國科研儀器制造領(lǐng)域的快速發(fā)展和仍存在的差距。

其次，增加的綜合性、設(shè)計型的無機分析實驗是在學(xué)生掌握四大滴定的基礎(chǔ)上，利用無機化學(xué)、分析化學(xué)等基礎(chǔ)化學(xué)原理以及基本操作技能，合成若干材料，并選用適當(dāng)?shù)姆治龌瘜W(xué)原理與技術(shù)進行測定。例如，利用合成的氧化鐵納米顆粒的催化性質(zhì)，通過吸光光度法測定奶制品中三聚氰胺的含量，并采用重鉻酸鉀氧化還原滴定來測定納米顆粒中鐵的含量。通過這些實驗項目，教育學(xué)生養(yǎng)成嚴謹求實的科學(xué)習(xí)慣，正確認識理論與實踐的關(guān)系，深刻理解理論與實踐相結(jié)合的重要性，并切實掌握實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?、團隊合作意識和溝通協(xié)調(diào)能力，使學(xué)生具有良好的職業(yè)素養(yǎng)和道德品質(zhì)。此外，通過對生活中常見樣品測試，讓學(xué)生理解科研工作在生產(chǎn)生活中的現(xiàn)實意義，扎牢科學(xué)研究應(yīng)服務(wù)于社會和國家需要的深刻意識，激發(fā)從事科研工作的熱情，樹立正確的價值觀，充分發(fā)揮了課程育人功能。

第三，實現(xiàn)了科研反哺教學(xué)，科研促進教學(xué)。結(jié)合湖南大學(xué)在分析化學(xué)領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，推進科研成果向課程教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，將學(xué)術(shù)前沿融入轉(zhuǎn)化到實驗教學(xué)中，從而使教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)了前沿性與時代性。例如，在一項新設(shè)的分析化學(xué)實驗中，對與溶液中活性氧水平檢測相關(guān)的研究成果重新進行了開發(fā)和設(shè)計，通過反復(fù)調(diào)整和驗證，形成了一項適合本科教學(xué)的、涵蓋多種儀器分析手段在內(nèi)的綜合實驗。這一實驗項目彌補了傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中各項內(nèi)容相割裂的弊端。同時，也有效地實現(xiàn)了實驗教學(xué)內(nèi)容和方式的變革，指導(dǎo)學(xué)生掌握分析化學(xué)的科學(xué)研究方法，提升學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新思維，從而有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

此外，在教學(xué)大綱的修訂過程中，我們也對標(biāo)工程教育專業(yè)認證，著力為以后的理科教育專業(yè)認證做好準(zhǔn)備，明確了每個實驗項目對相應(yīng)畢業(yè)要求的支撐。該課程在道德和職業(yè)修養(yǎng)、專業(yè)基礎(chǔ)和科研素養(yǎng)、批判性思維和創(chuàng)新能力、問題分析和解決能力、以及團隊合作能力方面，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才達到畢業(yè)要求提供了重要支持。

4 教學(xué)過程的規(guī)范

由于不同實驗項目可能由不同教師講授，因此在教學(xué)團隊中形成完善的教學(xué)過程規(guī)范，從而達到良好的教學(xué)效果。課前要求學(xué)生通過線上課程開展實驗前預(yù)習(xí)。課堂上利用多媒體演示與黑板講解，并現(xiàn)場演示實驗操作，具體指導(dǎo)實驗過程。通過師生現(xiàn)場互動及課后交流，對課堂教學(xué)進行補充。

5 結(jié) 語

教學(xué)大綱在課程建設(shè)中具有指導(dǎo)性作用。在“雙一流”建設(shè)的背景下，該課程開展系統(tǒng)性改革近兩年來，已取得了初步成效，在幾項重要的學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異成績。如：在2021年全國大學(xué)生化學(xué)實驗邀請賽中取得了一、二、三等獎各一項，實現(xiàn)了歷史性的突破；在2021年湖南省化學(xué)實驗技能競賽中獲得一等獎一項和三等獎二項。我們總結(jié)這部分經(jīng)驗，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求和課程在人才培養(yǎng)中的地位及作用，對標(biāo)國家一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)安排，提升課程的高階性，突出課程的創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度，編制了新的教學(xué)大綱。在落實立德樹人根本任務(wù)中，這些改革實踐對如何充分發(fā)揮化學(xué)實驗課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要和積極作用給出了綱領(lǐng)和規(guī)范。