面向應(yīng)用化學專業(yè)“綜合實驗”課程的項目式教學改革探索

尹成杰,胡勁松,楊 萍,李亞男,李 智

(安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引言

目前,中國的化學工業(yè)進入快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型期,年總經(jīng)濟量占全國規(guī)模工業(yè)的13%,特別是化工新材料、精細化學品、新能源配套材料等保持快速增長.新時代對化學工業(yè)發(fā)展的新要求是原料專用化、材料功能化、功能復合化、產(chǎn)品綠色化、過程低碳化、生產(chǎn)智能化、技術(shù)創(chuàng)新化[1,2].習近平在中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會上明確指示,加快建設(shè)國家戰(zhàn)略人才力量,努力培養(yǎng)造就更多大師、戰(zhàn)略科學家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團隊、青年科技人才、卓越工程師、大國工匠、高技能人才[3].化工產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型及國家科技創(chuàng)新強國戰(zhàn)略成功實現(xiàn)的關(guān)鍵是高端人才培養(yǎng),而人才培養(yǎng)依靠全方位系統(tǒng)的化學人才培養(yǎng)體系.應(yīng)用化學是中國普通高等學校本科專業(yè),屬于理學大類下的化學類,基本修業(yè)年限為四年[4].安徽理工大學應(yīng)用化學專業(yè)是安徽省重點學科,以培養(yǎng)理工兼?zhèn)?、?yīng)用型復合人才為特色,培養(yǎng)具備扎實的高分子化學及有機合成化學基本理論、基本實驗技能和現(xiàn)代實驗技術(shù),擁有一定的工程基礎(chǔ)知識和計算機基礎(chǔ)知識,熟悉學科的現(xiàn)狀、前沿及其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用,能在涉及高分子材料合成、改性及加工成型、精細化學品特別是藥物中間體合成、工業(yè)催化、能源及環(huán)境保護等相關(guān)領(lǐng)域從事研發(fā)與管理等工作的高級專門技術(shù)人才.學生除了學習無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、有機合成反應(yīng)、高等有機化學、高分子化學、高分子物理、功能高分子、復合材料、化工原理、催化原理、現(xiàn)代儀器分析等基礎(chǔ)理論課程外,還需要進行專業(yè)實驗、綜合實驗等課程的訓練.

高等教育包含公平和可持續(xù)地享有高等教育,為學生提供更全面的學習體驗,推動跨學科、超學科的開放與交流,提供滿足青年人和成年人終身學習需求的途徑,構(gòu)建內(nèi)容多樣、方式靈活的綜合學習體系,技術(shù)賦能高效的教學與研究六大變革方向[5].目前,大學生教育以專業(yè)素質(zhì)能力培養(yǎng)為主,但對創(chuàng)新能力、評價體系及評價指標構(gòu)建的研究并不深入.本文基于安徽理工大學化學工程學院應(yīng)用化學專業(yè)學生的培養(yǎng)特點、培養(yǎng)目標及培養(yǎng)定位,以綜合實驗為載體,研究并構(gòu)建大學生專業(yè)綜合素質(zhì)、科研創(chuàng)新能力評價體系,旨在為學院應(yīng)用化學專業(yè)的雙一流建設(shè)提供參考和支撐,同時也為學生的繼續(xù)深造打下良好基礎(chǔ).

1 應(yīng)用化學專業(yè)綜合實驗課程的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 綜合實驗課程的現(xiàn)狀分析

應(yīng)用化學專業(yè)綜合實驗是一門獨立的綜合性實驗課程,學生在已掌握四大化學(無機化學、有機化學、物理化學、分析化學)、高分子化學、高分子物理等基本理論、基本知識及基本實驗技能的基礎(chǔ)上,進一步掌握有關(guān)材料的制備及性能等方面的實驗原理和實驗技能.通過本課程的學習和實踐,熟悉和掌握各種方法的要點和關(guān)鍵實驗技能,培養(yǎng)學生動手能力、設(shè)計能力及創(chuàng)新能力,使學生具有初步的科學研究能力.課程的培養(yǎng)目標主要有: (1)掌握材料的制備及性能等方面的實驗原理和實驗技能,為后繼的專業(yè)學習及工作奠定良好的基礎(chǔ);(2)初步具備材料合成和復合材料制備等能力;能根據(jù)應(yīng)用需求進行材料結(jié)構(gòu)和組成的設(shè)計及選擇特定的表征方法和性能檢測方法;(3)培養(yǎng)學生實事求是的科學精神和嚴謹、細致的工作作風,初步具備綜合運用應(yīng)用化學理論分析、解決實際問題的能力[6～8].在內(nèi)容上設(shè)置: 交聯(lián)羧甲基纖維素制備、結(jié)構(gòu)表征及吸附染料MB 性能檢測,甲基丙烯酸甲酯(苯乙烯)的微乳液聚合及聚合物熱分解,γ-Al2O3的制備及其表面酸性的測定,四羧基鋅酞菁的制備、表征及其對飲料、白酒中乙醇含量的測定,TiO2光催化劑的制備及其催化性能測試,磁性金屬摻雜ZnO 納米材料的制備、結(jié)構(gòu)表征及光學、磁性能檢測,檸檬酸碳源碳點的制備、光學表征及電化學性能測試,水性膠粘劑的制備與性能測試等實驗.

1.2 存在的問題

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展方向、能源戰(zhàn)略部署對人才需求的改變,目前的實驗教學已無法滿足人才培養(yǎng)需求,大部分內(nèi)容與四大化學的基礎(chǔ)實驗相似,都是驗證性實驗,內(nèi)容上已無法滿足學生專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標.因此需要按照教育部對于化學人才的培養(yǎng)要求和國家的戰(zhàn)略需求,重新對內(nèi)容進行規(guī)劃和編排.近年來,安徽理工大學應(yīng)用化學系有不少教師退休,同時也補充了一些新鮮血液,教師隊伍發(fā)生了較大調(diào)整,而教師的科研方向不同,因此需要根據(jù)新進教師的科研方向調(diào)整教學內(nèi)容.另外,教學效果評價過于單一,無法支撐畢業(yè)培養(yǎng)目標.目前對學生的考核主要由實驗預習報告、實驗操作、實驗報告三部分組成,達不到對學生的客觀評價.綜合實驗教學方式和基礎(chǔ)實驗的過程一致,以教師講解為主,然后學生動手操作,學生無法主動思考,造成被動學習、學習興趣不高等現(xiàn)象.每個實驗的教學課時過于固定且課時偏少,這樣雖然有利于教師教學,但是不利于培養(yǎng)學生的興趣、創(chuàng)新性等,學生無法及時驗證自己的科研思路[9～11].基于此,以應(yīng)用化學專業(yè)為試點,從實驗教學內(nèi)容、教學方式、評價方式等方面進行改革,希望能夠探索出具有特色的實驗教學創(chuàng)新模式.

2 項目式課程教學改革

2.1 研究對象

研究對象為安徽理工大學 2020—2023 學年主修課程的應(yīng)用化學專業(yè)大三本科生.

納入標準: (1)大學三年級;(2)已學完物理化學、有機化學、無機化學、分析化學、儀器分析、科技文獻檢索與論文寫作等化學基礎(chǔ)課程.

排除標準: (1)重修應(yīng)化綜合實驗課程;(2)缺課1 周以上;(3)留級人員等.

2.2 教學方案

改變傳統(tǒng)教學模式,將教學貫穿大學四年及后繼教育,由“教學生ABC 等理論,然后用學過的知識去設(shè)計及解決問題”,轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖o他們一個項目要求,然后思考在項目實施過程中哪些地方會用到A、B、C等理論”.項目式教學能讓學生發(fā)現(xiàn)更多的問題,引發(fā)主動思考、活躍課堂、培養(yǎng)創(chuàng)新思維,知識的掌握最終落腳于解決具體問題,打破理論和實踐的隔閡[12].連續(xù)性培養(yǎng)方式構(gòu)建的主要思路: (1)以學生為教學主體,大一開始設(shè)置課程內(nèi)項目以培養(yǎng)學生的興趣及化學、數(shù)學、物理等理論基礎(chǔ);(2)大學二年級主要結(jié)合課內(nèi)項目訓練,培養(yǎng)學生的溝通能力、團隊協(xié)作能力、工程設(shè)計能力等;(3)大三主要結(jié)合學生的科研訓練及綜合實驗課程,培養(yǎng)學生的動手能力、科技文獻檢索能力、論文閱讀與寫作能力、創(chuàng)新意識、數(shù)據(jù)問題的分析判斷力等,將初步構(gòu)建的項目式教學體系應(yīng)用于實踐中并進行檢驗和修訂;(4)大四主要依托科研訓練及本科畢業(yè)論文教學,培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力、思維的系統(tǒng)性和創(chuàng)新能力,進而形成完整的項目式實踐教學體系(圖1).通過大學本科四年的貫穿式培養(yǎng),可以培養(yǎng)學生實踐的綜合素養(yǎng)及創(chuàng)新能力[13].在大三的綜合實驗開展中采用時間靈活的教學方式,實驗室在上班時間隨時為學生進行實驗做好準備.

圖1 項目式綜合實驗教學培養(yǎng)安排

2.3 教學內(nèi)容的更替

根據(jù)應(yīng)用化學專業(yè)對人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求及國家科技強國戰(zhàn)略的要求,以設(shè)計理工學科交叉、科學研究與基礎(chǔ)教學相結(jié)合、綜合性強的實驗內(nèi)容為目標,建立應(yīng)用化學綜合實驗項目式教學體系.通過實踐教學從四個方面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力(即創(chuàng)新意識: 很強的求新、求變的理想和偏好;創(chuàng)新思維: 思維具有自主性、變通性、獨特性、流暢性、統(tǒng)攝性;創(chuàng)新技能: 文化修養(yǎng)深厚、知識廣博專精、表達簡潔明快、信息加工能力超群、操控能力強;創(chuàng)新品格: 積極的價值取向、強烈的成就動機、意志堅強、實事求是,具有質(zhì)疑精神、開放的意識和合作精神,抗干擾能力強),最終構(gòu)建創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)教學體系[14].在現(xiàn)有80 學時的教學計劃下,應(yīng)用化學專業(yè)綜合實驗課程主要基于基礎(chǔ)練習型、綜合設(shè)計型、研究探索型三個類型,設(shè)計了丁苯橡膠的制備、交聯(lián)及性能測試,新型吸波材料的制備及應(yīng)用改性,新能源電池電極材料的制備、器件組裝與電化學性能評價,有機藥物阿司匹林的制備、物理表征及藥效分析等項目式實驗.實驗特色為: 引入課程思政元素,有利于培養(yǎng)學生的家國情懷、職業(yè)道德規(guī)范、社會責任感等,每個實驗項目都包含利用實驗技術(shù)方法認識概念和原理,利用概念和原理解決問題,應(yīng)用所學知識探索產(chǎn)生新知識.通過實驗掌握文獻的調(diào)研、閱讀和實驗基本技能,培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力和科研創(chuàng)新思維,學會各種儀器分析表征與數(shù)據(jù)處理分析,最終構(gòu)建全方位的人才能力培養(yǎng)模式.

2.4 教學過程實施

項目的具體實施過程如圖2 所示.首先是課堂基礎(chǔ)知識講授,介紹基礎(chǔ)知識,學生進行分組、選題及開題準備;然后學生自由組隊,激發(fā)學生自主學習能力,鍛煉實踐能力與創(chuàng)新精神;最后進行數(shù)據(jù)分析、歸納總結(jié),提高交流表達的能力.一個實驗項目的成功實施,需要從文獻調(diào)研、隊伍組建、實驗方案設(shè)計優(yōu)化、實驗驗證、材料表征、數(shù)據(jù)處理分析、結(jié)果討論,到最終的實驗項目書的撰寫等均由學生獨立完成.任課教師只負責項目確定、實驗進度安排、答疑解惑.充分發(fā)揮學生的主觀能動性和自主創(chuàng)新性,讓學生做實驗就像參與企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)過程一樣,每個人合理分工,都能得到不同方面的鍛煉[15].針對學生的考核,摒棄傳統(tǒng)的以實驗報告為單一依據(jù)的考核方式,突出過程評價機制.學生的最終成績主要由前期文獻調(diào)研、實驗方案的設(shè)計及團隊組建(20 分),實驗項目實施過程中的表現(xiàn)(40 分),實驗數(shù)據(jù)處理分析、實驗報告撰寫(20 分),項目成果PPT 匯報(10 分)及對教學合理化建議(10 分)組成.該考核方式促使每個學生都要全身心投入實驗,調(diào)動每個學生的積極性、參與度,提高學生交流匯報、團隊協(xié)作等能力.另外通過學生對教師教學的合理化反饋,不僅可以體現(xiàn)學生在教學過程中是否真的用心,也能培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、勇于質(zhì)疑的批判精神,還能對教師的教學起到良好的促進作用.

圖2 項目式綜合實驗教學實施過程

3 項目式綜合實驗改革成效

項目式綜合實驗的教學效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)以學生為教學主體,學生為主,教師為輔,極大提高了學生的主觀能動性,培養(yǎng)學生主動學習、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題.改變了以往實驗學生參與度低、教師講解然后學生驗證的傳統(tǒng)機械模式.項目式的內(nèi)容可激發(fā)學生的學習興趣,從實踐中學習知識,做到理論與實踐的有機結(jié)合.

(2)有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維.讓學生參與從文獻調(diào)研到項目方案確定、修改等過程,訓練其主動創(chuàng)新思維,能夠取得舉一反三的教學效果.

(3)顯著提高學生的專業(yè)技能和解決實際問題的能力.教師提出項目要求規(guī)劃,學生自己去尋找解決方案,通過實驗驗證方案的可行性,并反饋修改優(yōu)化,可以將實踐、理論、思維、動手能力、分析解決問題能力進行融合.

(4)培養(yǎng)團隊協(xié)作與表達交流的能力.在整個項目的實施過程中,需要每個成員的分工合作,通過PPT展示自己的思路、方案和研究成果,可以鍛煉學生的文字表達和口頭表達能力.

4 結(jié)束語

本文以培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和綜合專業(yè)技能為目標,構(gòu)建了應(yīng)用化學綜合實驗的項目式教學體系,明確了教學內(nèi)容、項目實施過程與評價體系等.通過項目式教學的實施,將理論與實踐進行有機融合,通過以學生為中心的教學站位,可以有效培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新思維和專業(yè)綜合技能.同時也體現(xiàn)了教師的“教”與學生的“學”之間的反饋優(yōu)化,為教師的教學改革提供有力參考,為學生未來可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展打下良好基礎(chǔ),也為實驗教學的人才培養(yǎng)提供了一定的教學思路和方向.