基于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

葉領(lǐng)云 陳洪偉 陳靈晶 張曉凡 程文雪

(1.東莞理工學(xué)院 教務(wù)處，廣東東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞 523808；3.東莞理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

我國(guó)進(jìn)入社會(huì)主義新時(shí)代，具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才是實(shí)施現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)和落實(shí)制造強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)發(fā)展的重要支撐[1-3]，與之對(duì)應(yīng)的我國(guó)高等教育創(chuàng)新人才的需求比以往更迫切。高素質(zhì)人才培養(yǎng)需要貫穿教育教學(xué)的全過(guò)程，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)實(shí)施人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)素質(zhì)[4]，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生理性思維和實(shí)踐能力是推進(jìn)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要路徑[5-9]。

分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)課程中介于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究探索之間的實(shí)驗(yàn)，具備實(shí)驗(yàn)技能綜合性、實(shí)驗(yàn)操作獨(dú)立性和實(shí)驗(yàn)過(guò)程研究性的特點(diǎn)，加強(qiáng)其系統(tǒng)的實(shí)踐訓(xùn)練，能夠強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的縱向和橫向聯(lián)系[10]，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)。然而，實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)下降、學(xué)生參與不積極、考核方式單一等實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。本文以分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)為切入點(diǎn)，基于高素質(zhì)人才培養(yǎng)為目標(biāo)，充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律和復(fù)合性實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建問(wèn)題導(dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)模式、設(shè)計(jì)統(tǒng)籌實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、建立多元主體多維度過(guò)程評(píng)價(jià)體系等系列創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和增強(qiáng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。教學(xué)實(shí)踐效果表明，分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)性趣，有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

分析化學(xué)是人們通過(guò)理論及方法獲取物質(zhì)組成和性質(zhì)信息的科學(xué)，是理論與實(shí)際緊密結(jié)合的基礎(chǔ)綜合性學(xué)科，在醫(yī)藥衛(wèi)生、生命科學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是以分析化學(xué)的理論知識(shí)、和技術(shù)為基礎(chǔ)獨(dú)立開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、提升學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)、發(fā)展學(xué)生理性思維等都具有重要作用。東莞理工學(xué)院在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，依托“知行合一，高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)”的教育目標(biāo)和“夯實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)化應(yīng)用、注重創(chuàng)新、提升素質(zhì)”的教學(xué)理念，分別從基礎(chǔ)/驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、提高/綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等兩個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容促進(jìn)學(xué)生畢業(yè)要求的知識(shí)、能力和素質(zhì)目標(biāo)培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)掌握、融合提高和探索應(yīng)用的層次提升，見(jiàn)圖1。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的提高性實(shí)驗(yàn)，是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)范圍依次有序地進(jìn)行查閱資料、綜合制定或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)探索和研究、分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果、撰寫分析報(bào)告等工作的實(shí)驗(yàn)。與基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比較，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)合性與探索性、實(shí)驗(yàn)方法多元性、實(shí)驗(yàn)手段多樣性和學(xué)習(xí)要求主動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和實(shí)踐理性思維。

圖1 分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)規(guī)律示意圖

2 分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 建立“四源激勵(lì)”的實(shí)踐教學(xué)模式

緊抓教師主導(dǎo)與學(xué)生主動(dòng)的二主律，利用SECI的知識(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5，11]，以問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)橹骶€，讓學(xué)生從形式知識(shí)選擇、知識(shí)整合、知識(shí)轉(zhuǎn)化和知識(shí)應(yīng)用的知識(shí)迭代過(guò)程推動(dòng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立由“興趣激發(fā)”、“環(huán)境支持”、“協(xié)同探索”和“體驗(yàn)分享”等四個(gè)學(xué)習(xí)動(dòng)力源促成的實(shí)踐教學(xué)模式，如圖2所示。“興趣激發(fā)”推動(dòng)學(xué)生知識(shí)選擇與知識(shí)整合。以“一種果蔬中維生素C含量的測(cè)定”的課題項(xiàng)目為例，課題研究?jī)?nèi)容與學(xué)生生活緊密結(jié)合，極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，推動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；同時(shí)，以“為什么可以測(cè)定維生素C的含量?什么條件情況下才能實(shí)現(xiàn)維生素C定量分析？怎么做才能完成對(duì)果蔬中維生素C含量的測(cè)定？”等問(wèn)題為導(dǎo)向，指引學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理和影響因素、了解實(shí)驗(yàn)反應(yīng)條件和可行性實(shí)驗(yàn)情境、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)情境擬定解決問(wèn)題方案，培養(yǎng)學(xué)生理論思維、問(wèn)題分析思維和解決問(wèn)題理性思維?！碍h(huán)境支持”促進(jìn)學(xué)生知識(shí)整合到知識(shí)轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)課題研究前，教師通過(guò)優(yōu)學(xué)院、微信、面授等方式積極與學(xué)生進(jìn)行交流，特別對(duì)實(shí)驗(yàn)方案可行性提供分析與建議支持；實(shí)驗(yàn)課題開(kāi)展時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依據(jù)最終實(shí)驗(yàn)方案提供實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)試劑等條件支持?！皡f(xié)作探索”引領(lǐng)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化到操作應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題。學(xué)生以2-3人/小組組建實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，以解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題為目的形成分工，展開(kāi)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探索和討論，既能鍛煉學(xué)生實(shí)踐操作，也能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)思維，從而提升教學(xué)效率。“體驗(yàn)分享”促成操作應(yīng)用的知識(shí)內(nèi)化。學(xué)生通過(guò)小組課題報(bào)告或PPT匯報(bào)等方式分享問(wèn)題研究成果，形成同學(xué)間的橫向比較，既積累了知識(shí)，又提升了能力，同時(shí)還獲得了協(xié)同創(chuàng)作的啟示。

圖2 四源激勵(lì)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模型

2.2 設(shè)計(jì)統(tǒng)籌綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高單位學(xué)時(shí)教學(xué)成效

1)設(shè)立“短學(xué)時(shí)、豐內(nèi)容、強(qiáng)協(xié)作”的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是以培養(yǎng)學(xué)生理性思維和實(shí)踐能力為教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)統(tǒng)籌，由分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)商議決定，并在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱中呈現(xiàn)。為了解決實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)下降同時(shí)要求提升學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的矛盾，研究通過(guò)設(shè)置單獨(dú)考評(píng)、增設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報(bào)討論教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)和采用2-3人/組的學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式等方式開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。另外，為了讓實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定具有綜合性、典型性和探索性，設(shè)定綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)需要至少3名專家認(rèn)證，而且需要完成“東莞理工學(xué)院綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目認(rèn)證”備案。目前東莞理工學(xué)院基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已建立包括黃銅中銅鋅含量的測(cè)定、果蔬中維生素C含量的測(cè)定、混合堿中堿組分及其含量分析等6實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)/項(xiàng)的分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目9項(xiàng)。由此可見(jiàn)，開(kāi)展這種具有“短學(xué)時(shí)、豐內(nèi)容、強(qiáng)協(xié)作”特色的分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)單位學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

2)設(shè)置三階段的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；诟咚刭|(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)分別在“實(shí)驗(yàn)前”、“實(shí)驗(yàn)中”和“實(shí)驗(yàn)后”設(shè)置3個(gè)階段學(xué)時(shí)分布比例為0.5∶ 4∶1.5的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其流程如圖3所示。第一階段是實(shí)驗(yàn)方案制定與方案可行性審核，奠定實(shí)驗(yàn)質(zhì)量基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)前兩周，任課教師就實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)問(wèn)題思考、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)要求等內(nèi)容下達(dá)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求自由組合形成2-3人的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和選定實(shí)驗(yàn)課題，然后展開(kāi)團(tuán)隊(duì)合作協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；實(shí)驗(yàn)前一周，學(xué)生提交包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)試劑與儀器、實(shí)驗(yàn)詳細(xì)步驟、實(shí)驗(yàn)表格、計(jì)算公式、參考文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成員分工等內(nèi)容的小組實(shí)驗(yàn)方案；教師批改通過(guò)其小組實(shí)驗(yàn)方案后學(xué)生方可進(jìn)入第二階段的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。第二階段是小組實(shí)驗(yàn)探索與研究，提高單位學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)成效。依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和任課教師支持，學(xué)生根據(jù)第一階段制定的可行性實(shí)驗(yàn)方案自主建立實(shí)驗(yàn)條件，展開(kāi)小組實(shí)驗(yàn)交流和實(shí)驗(yàn)協(xié)作分工，有目標(biāo)地協(xié)同解決標(biāo)樣配備、樣品前處理和樣品分析等實(shí)驗(yàn)問(wèn)題；同時(shí)，教師在第二階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中主動(dòng)了解每組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況、引導(dǎo)學(xué)生用定量分析的理性思維解決實(shí)際問(wèn)題；教師在小組實(shí)驗(yàn)記錄本上簽字同意后學(xué)生方可結(jié)束實(shí)驗(yàn)探索與研究。第三階段是實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報(bào)與評(píng)價(jià)，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后撰寫并提交小組實(shí)驗(yàn)課題研究報(bào)告；實(shí)驗(yàn)結(jié)束一周后，組織開(kāi)展班級(jí)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報(bào)，匯報(bào)對(duì)象是各組實(shí)驗(yàn)代表，匯報(bào)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題思考和實(shí)驗(yàn)體會(huì)，師生參與討論；學(xué)生組內(nèi)成員之間、學(xué)生組別之間以及教師等主體在組代表匯報(bào)結(jié)束后對(duì)該組學(xué)生進(jìn)行多維度的小組實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)評(píng)價(jià)?？梢?jiàn)，三階段的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效發(fā)揮學(xué)生協(xié)作為主、教師指導(dǎo)為輔的作用，教學(xué)過(guò)程促進(jìn)了生生之間、師生之間的交流，即體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位，還增加學(xué)生獨(dú)立思考和綜合實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。三階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)情況下，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵，明確了各個(gè)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

圖3 分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

2.3 建立多元主體多維度過(guò)程評(píng)價(jià)體系

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生理性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、實(shí)踐應(yīng)用和探索創(chuàng)新能力。為解決評(píng)價(jià)主體單一和學(xué)生參與不積極的問(wèn)題，建立多元主體多維度過(guò)程評(píng)價(jià)，通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)逆向推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，通過(guò)多元多維過(guò)程評(píng)價(jià)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和驅(qū)使學(xué)生帶著思考去解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，更利于高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才目標(biāo)培養(yǎng)。在小組綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中依據(jù)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、實(shí)踐技能、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、總結(jié)歸納、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、表達(dá)能力等內(nèi)容維度，設(shè)置實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中及實(shí)驗(yàn)后等三個(gè)階段的過(guò)程評(píng)價(jià)目標(biāo)，設(shè)立“學(xué)生 + 教師”的評(píng)價(jià)主體，實(shí)施“優(yōu)秀、較好、中等、一般、較差”5等級(jí)分值評(píng)價(jià)，構(gòu)建由“組內(nèi)成員評(píng)價(jià)(占比20%)+ 組別交叉評(píng)價(jià)(占比20%)+ 任課教師評(píng)價(jià)(占比60%)”組成的多元主體多維度過(guò)程評(píng)價(jià)體系。該評(píng)價(jià)體系強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程評(píng)價(jià)，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一的局限，實(shí)現(xiàn)了基于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的多元主體協(xié)同評(píng)價(jià)模式的創(chuàng)新。

3 實(shí)踐教學(xué)成效

自2019年以來(lái)，分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在東莞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程、高分子材料與工程、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)14個(gè)班合計(jì)477名學(xué)生中實(shí)施，學(xué)生綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)評(píng)價(jià)平均分值為85.02分，課程目標(biāo)3“分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與相關(guān)問(wèn)題的思考、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)”目標(biāo)平均達(dá)成度為85%，師生對(duì)教學(xué)改革的滿意度在98%以上，教學(xué)效果良好。從表1分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革前后的教學(xué)情況對(duì)比，可見(jiàn)改革后的分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)在問(wèn)題意識(shí)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和教學(xué)效果等方面均得到明顯改善，學(xué)生滿意教學(xué)過(guò)程，教師肯定教學(xué)效果。

表1 分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

以分析化學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)為切入點(diǎn)展開(kāi)系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，探索以問(wèn)題為導(dǎo)向，利用激發(fā)、支持、探索和分享等教學(xué)活動(dòng)建立激勵(lì)模塊推動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生理性思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和綜合實(shí)踐能力。通過(guò)設(shè)計(jì)統(tǒng)籌綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教

學(xué)內(nèi)容、設(shè)定綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程來(lái)提高單位學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效，解決實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)下降同時(shí)要求提升學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的矛盾。以“組內(nèi)成員、組別之間、任課教師”多元主體和“實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果”多目標(biāo)維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合考評(píng)，驅(qū)使學(xué)生帶著思考去分析和解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究探索。實(shí)踐表明，教學(xué)改革成效顯著，有效促進(jìn)高素質(zhì)應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)。