化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽協(xié)同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

吳亞，方榮苗，薛丹，王文珍，南葉飛，蘇碧云，史俊

西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安 710065

自2017年2月教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)以來，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，新工科建設(shè)把實(shí)踐提到了前所未有的高度[1-3]?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的中心科學(xué)，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是化學(xué)類專業(yè)的關(guān)鍵實(shí)踐訓(xùn)練課程，它對實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)至關(guān)重要[4]。如何通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識成為教育改革與發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)旨在培養(yǎng)能夠解決石油、石化、新能源、材料、環(huán)保等多學(xué)科交叉領(lǐng)域化學(xué)問題的高素質(zhì)理工復(fù)合型應(yīng)用人才[5]。應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)了無機(jī)、有機(jī)、分析、物化基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，還拓展了專業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)等。盡管實(shí)驗(yàn)課程不斷改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)場所、經(jīng)費(fèi)等持續(xù)提升，但一些深層次問題仍然會凸顯出來：傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以教師和教材為藍(lán)本，更新?lián)Q代相對滯后，項(xiàng)目內(nèi)容陳舊、技術(shù)手段落后、訓(xùn)練不牢、創(chuàng)新不足，特別是每門課程知識體系相對獨(dú)立，課程之間相關(guān)性不大，專業(yè)體系內(nèi)邏輯連接性較差，這在一定程度上制約了學(xué)生科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽是大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新活動的重要組成部分，其育人育才功能日益受到各級教育工作者的重視[6]。作為一種實(shí)踐教學(xué)的高級形式，學(xué)科競賽在培養(yǎng)學(xué)生問題意識、整合學(xué)生創(chuàng)新知識和磨礪學(xué)生創(chuàng)新人格與團(tuán)隊(duì)精神等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢[7,8]。為全面落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，我們始終以新工科建設(shè)為引領(lǐng)，牢固樹立OBE (Outcome Based Education)教育理念，積極推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)深度改革。以化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽為載體和抓手，將化學(xué)學(xué)科競賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推動應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)專業(yè)知識交叉融合，更好地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工匠精神，實(shí)現(xiàn)以賽促教、以賽促改、以賽促學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)新工科和一流專業(yè)實(shí)質(zhì)性建設(shè)。

1 多層次、多通道、全方位實(shí)驗(yàn)技能競賽體系的實(shí)踐

近年來，各種化學(xué)技能競賽如雨后春筍般涌現(xiàn)，為學(xué)生提供了豐富的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會。我們將各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽進(jìn)行梳理，依據(jù)不同的競賽項(xiàng)目宗旨、內(nèi)容、參與對象等進(jìn)行整理分類，主要包括基礎(chǔ)型、綜合型、應(yīng)用型、趣味型，如圖1所示。具體來說，基礎(chǔ)型是以應(yīng)知、應(yīng)會等原理為主的創(chuàng)新教育，側(cè)重于化學(xué)競賽思維在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的引領(lǐng)作用，旨在推動我國高等學(xué)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，探索培養(yǎng)創(chuàng)新型化學(xué)人才的思路、途徑和方法，以提高我國化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體水平，例如全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請賽。而綜合型是以學(xué)生為主體的自主綜合型校園創(chuàng)新科技活動，旨在深化高等教育綜合改革，它通過給學(xué)生留下足夠的時(shí)間來構(gòu)思和完成作品，充分激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)造力，如“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生化工創(chuàng)意設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽。它們旨在鼓勵(lì)青年人從自身專業(yè)出發(fā)，發(fā)揮創(chuàng)意與才能，將科技創(chuàng)新和商業(yè)創(chuàng)新結(jié)合，探索具有未來實(shí)踐意義的技術(shù)解決方案、創(chuàng)新產(chǎn)品和創(chuàng)新商業(yè)模式等，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和社會責(zé)任感。應(yīng)用型競賽與基礎(chǔ)型競賽相互交叉又有所側(cè)重，它鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐，以原創(chuàng)性、先進(jìn)性、實(shí)用性為原則，促進(jìn)科研與應(yīng)用復(fù)合型人才培養(yǎng)，鼓勵(lì)大學(xué)生熱愛專業(yè)、關(guān)注行業(yè)發(fā)展、投身新技術(shù)新工藝的創(chuàng)新開發(fā)實(shí)踐，如中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽。趣味型競賽則激發(fā)學(xué)生展示化學(xué)之美、化學(xué)之趣、化學(xué)對社會的責(zé)任與貢獻(xiàn)。學(xué)生可從校級到省級、國家級不同通道參與競賽活動，大一到大四全面覆蓋，獲得針對性的實(shí)踐訓(xùn)練。通過多層次、多通道、全方位梳理與實(shí)踐，從知識、能力、價(jià)值等方面全方位提升，構(gòu)建一個(gè)科學(xué)、合理、系統(tǒng)的實(shí)踐技能競賽體系。

圖1 多層次、多通道、全方位實(shí)驗(yàn)技能競賽體系

2 創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽活動的組織機(jī)制和動員機(jī)制

為了擴(kuò)大參與學(xué)生的覆蓋面，針對不同通道的競賽，創(chuàng)新了競賽動員機(jī)制和組織機(jī)制，對學(xué)生進(jìn)行全方位動員。例如組建實(shí)驗(yàn)競賽指導(dǎo)教師隊(duì)伍，包括不同專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課以及理論課教師；每年年初開啟學(xué)科競賽的組織和動員工作，新生入學(xué)后為學(xué)生開展實(shí)踐競賽動員講座。對于綜合型、應(yīng)用型競賽活動，邀請企業(yè)專家對學(xué)生進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)指導(dǎo)。每年院系組織大一、大二本科生針對競賽項(xiàng)目進(jìn)行初選，對于名額不限的項(xiàng)目采用導(dǎo)師動員制，以申報(bào)獎(jiǎng)學(xué)金、繼續(xù)深造、就業(yè)等進(jìn)行激勵(lì)。對于名額有限的競賽項(xiàng)目采用校級選拔制，優(yōu)中選優(yōu)；校級選拔實(shí)行競賽全員參與制，通過筆試海選。通過組織機(jī)制、動員機(jī)制改革實(shí)踐，我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)參與省級、國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽的學(xué)生數(shù)量增長顯著，參與學(xué)生的覆蓋面顯著擴(kuò)大。近三年參加省級及以上化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽91人次，占總?cè)藬?shù)的35%，涉及大二到大四不同層次的本科生，競賽活動從基礎(chǔ)型、綜合型、應(yīng)用型到趣味型，涉及不同通道的實(shí)驗(yàn)競賽，訓(xùn)練時(shí)長從數(shù)周到一年以上。指導(dǎo)的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生首次參與第二屆全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽、第十四屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽、2020綠色化學(xué)化工創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、第三屆大學(xué)生化工創(chuàng)意挑戰(zhàn)賽、第八屆中國大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等國家級實(shí)驗(yàn)競賽活動，獲得省級以上的競賽獎(jiǎng)項(xiàng)12項(xiàng)。

3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽協(xié)同傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽是基于共同的培養(yǎng)目標(biāo)，二者又有各自的特點(diǎn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽體系的全面構(gòu)建必將促進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的提升[9]。我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)了無機(jī)、分析、有機(jī)、物理基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，還設(shè)置了有機(jī)合成、有機(jī)分析、高分子化學(xué)、油田化學(xué)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)以及綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容如表1所示。從課程內(nèi)容的設(shè)置上，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)操作訓(xùn)練的單元操作，教學(xué)內(nèi)容從基本的合成、純化、表征技術(shù)，數(shù)據(jù)光譜的獲取與解析，記錄測量結(jié)果并分析誤差等基本操作訓(xùn)練，逐步過渡到以制備、性能表征、應(yīng)用為主的綜合實(shí)驗(yàn)。而化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽通常將幾個(gè)單元操作整合到一起加以綜合運(yùn)用，在保持連續(xù)性的基礎(chǔ)上逐步加強(qiáng)、提升訓(xùn)練程度，實(shí)驗(yàn)還會涉及危險(xiǎn)化學(xué)品、大型儀器和設(shè)備的使用，難度逐步加深、實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，使學(xué)生經(jīng)歷更加完善的實(shí)踐技能訓(xùn)練。

表1 應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容

結(jié)合應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽特點(diǎn)的分析思考，我們對實(shí)踐教學(xué)體系和內(nèi)容改革進(jìn)行了探索，主要為以下三個(gè)方面。第一，在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中直接借鑒適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽項(xiàng)目，改革陳舊的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如第八屆陜西省大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請賽競賽項(xiàng)目“己二酸的綠色合成”，經(jīng)過反復(fù)重復(fù)，時(shí)長適合教學(xué)，直接應(yīng)用于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，替換了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中“高錳酸鉀氧化法制備己二酸”(圖2)。己二酸的綠色合成具有反應(yīng)條件溫和、操作簡單、過氧化氫利用率高、易于控制、反應(yīng)清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)原則。第二，以化學(xué)競賽思維為引領(lǐng)，對傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，加大應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐訓(xùn)練強(qiáng)度和難度。例如，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入競賽項(xiàng)目“乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率方程及活化能的測定”，要求采用微分法和孤立法確定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)；利用電導(dǎo)法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的速率常數(shù)和反應(yīng)活化能，通過增加實(shí)驗(yàn)時(shí)間，借助實(shí)驗(yàn)儀器，深入分析和跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從分析問題到解決問題進(jìn)行全過程訓(xùn)練。第三，以單元操作為基礎(chǔ)，以石油石化工程應(yīng)用為背景進(jìn)行連續(xù)性操作，將二者相結(jié)合，協(xié)同優(yōu)化綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，把一些綜合型競賽項(xiàng)目作為專業(yè)或綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儲備，如全國大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽的參賽作品“聚苯乙烯多孔微球的乳液聚合及其驅(qū)油性能研究”“花生殼用于油田調(diào)剖的應(yīng)用化學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”等，為我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)儲備了新創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，將油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)、高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)等單元操作整合，通過連續(xù)性訓(xùn)練以培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識和自主研發(fā)能力，鼓勵(lì)大學(xué)生熱愛專業(yè)、關(guān)注行業(yè)發(fā)展，投身石油石化行業(yè)新技術(shù)新工藝的創(chuàng)新、開發(fā)、實(shí)踐。

圖2 過氧化氫氧化環(huán)己酮合成得到己二酸

4 化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同效果

作為不同形式的實(shí)踐教學(xué)，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證型、綜合型、探究型實(shí)驗(yàn)與化學(xué)競賽的基礎(chǔ)型、趣味型、綜合型、應(yīng)用型實(shí)踐活動交叉融合(圖3)，不僅改善了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程技術(shù)手段落后、創(chuàng)新不足、訓(xùn)練不牢等問題，而且增強(qiáng)了知識的相關(guān)性和專業(yè)體系內(nèi)的邏輯連接性[10]。在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)技能競賽的過程中，教師試圖把反映新知識、新理論、新技術(shù)、新方法的競賽項(xiàng)目設(shè)計(jì)為適合本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)或者綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)競賽驅(qū)動下，教師積極改革現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法或教學(xué)手段，對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼合現(xiàn)代學(xué)科發(fā)展。化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽難度與深度刺激專業(yè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的強(qiáng)度，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的扎實(shí)基本功推動實(shí)驗(yàn)技能競賽良性發(fā)展，二者的協(xié)同訓(xùn)練一方面增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生積極參與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度、科學(xué)的研究方法、認(rèn)真細(xì)致的思維方式，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識和工匠精神；另一方面，教師努力將先進(jìn)的教育思想內(nèi)化為自己的教育教學(xué)理念，最大限度開發(fā)、挖掘?qū)W生的潛在創(chuàng)造力，轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱慕逃袨椋A為自己的教育教學(xué)特色，真正起到了以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和社會擔(dān)當(dāng)，實(shí)現(xiàn)立德樹人教育目標(biāo)(圖3)。

圖3 化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽與傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同作用

5 結(jié)語

通過多層次、多通道、全方位實(shí)驗(yàn)技能競賽體系的探索與實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)競賽覆蓋了從應(yīng)知應(yīng)會的基礎(chǔ)型競賽到學(xué)生自主的應(yīng)用型、綜合型競賽，并對學(xué)生進(jìn)行針對性的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生積極參與化學(xué)實(shí)踐的興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、工匠精神和社會擔(dān)當(dāng)。通過改革學(xué)生參與競賽的組織形式和動員機(jī)制，針對不同通道的競賽，對不同層次的學(xué)生進(jìn)行全方位動員，擴(kuò)大參與學(xué)生的覆蓋面，創(chuàng)建了一個(gè)科學(xué)、合理、系統(tǒng)的實(shí)踐技能競賽體系，充分發(fā)揮大賽在科研與應(yīng)用復(fù)合型人才培養(yǎng)、選拔和激勵(lì)方面的積極作用，培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識、環(huán)保意識和自主研發(fā)能力。

通過探索化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽融合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同實(shí)踐，以實(shí)驗(yàn)競賽為引領(lǐng)和抓手，真正起到了以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促練，進(jìn)一步深化傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，使其穩(wěn)中有變，變中有新，交叉與融合，協(xié)同共進(jìn)，使選拔性教育切實(shí)向素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育推進(jìn)，把學(xué)與教、實(shí)踐與創(chuàng)新切實(shí)落實(shí)在新工科和一流專業(yè)實(shí)質(zhì)性的建設(shè)中，形成我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)特色的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，實(shí)現(xiàn)立德樹人教育目標(biāo)。