能源化工新專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

李春香， 姚忠平， 甘 陽(yáng)， 楊春暉， 姜兆華

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院， 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，與之相應(yīng)的高校專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)置也需要改革。以太陽(yáng)能電池、LED等新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為代表的現(xiàn)代化工對(duì)傳統(tǒng)化工高等教育提出新的專(zhuān)業(yè)需求[1]。2011年，全國(guó)首批新建立了10個(gè)能源化工專(zhuān)業(yè)，我校也被列為其中，相應(yīng)的能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)也伴隨而生[2]。結(jié)合能源化工專(zhuān)業(yè)特色、地方特色以及國(guó)際研究熱點(diǎn)與前沿，能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)以專(zhuān)業(yè)課程為依托，開(kāi)設(shè)太陽(yáng)能電池、生物質(zhì)能源(玉米秸稈產(chǎn)乙醇)、LED、上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體、有機(jī)硅五大方向?qū)嶒?yàn)。由于能源化工新專(zhuān)業(yè)依托的太陽(yáng)能電池、LED等產(chǎn)業(yè)，為國(guó)際、國(guó)內(nèi)近幾年發(fā)展起來(lái)的新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)模式尚處于摸索階段，雖然對(duì)相應(yīng)的人才需求特征還不十分明確，但均有產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)能力的潛在需求。為此，能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)引入了產(chǎn)品遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，對(duì)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)受限、演示實(shí)驗(yàn)為主、各實(shí)驗(yàn)獨(dú)立、實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行改革。目前，經(jīng)過(guò)三輪實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，證明產(chǎn)品遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和積極性，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)生工程能力的培養(yǎng)[3-6]。

1 實(shí)驗(yàn)總體改革設(shè)計(jì)思路

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是在調(diào)研國(guó)內(nèi)外知名大學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的特點(diǎn)，結(jié)合本校能源化工專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容設(shè)置，考慮大學(xué)四年級(jí)的學(xué)生基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課已學(xué)習(xí)完畢，具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)操作技能，以及將要面臨的畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)“大課題”，有能力設(shè)計(jì)、完成一些綜合性較強(qiáng)的探究性實(shí)驗(yàn)。因此， 能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革實(shí)行產(chǎn)品遞進(jìn)式，要求從初級(jí)化學(xué)試劑循序漸進(jìn)地獲得科技前沿器件(產(chǎn)品)；教學(xué)學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)上按實(shí)驗(yàn)方向劃分，突破傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)受限的瓶頸[7-8]。希望改革后的能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能在內(nèi)容上夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，也能為學(xué)生創(chuàng)造更多的設(shè)計(jì)、思考與提升空間，促進(jìn)學(xué)生工程能力的發(fā)展。

2 實(shí)驗(yàn)改革特色

2.1 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)以實(shí)驗(yàn)方向進(jìn)行分割，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)不再受限

能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)共設(shè)100學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)，五大實(shí)驗(yàn)板塊，具體分開(kāi)16個(gè)小實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1)。與傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置不同，16個(gè)小實(shí)驗(yàn)不再規(guī)定具體學(xué)時(shí)數(shù)，而是以其歸屬的具體實(shí)驗(yàn)方向總學(xué)時(shí)數(shù)為準(zhǔn)。以生物質(zhì)能源實(shí)驗(yàn)方向?yàn)槔搶?shí)驗(yàn)板塊計(jì)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)22學(xué)時(shí)，實(shí)際操作從田地玉米秸稈處理到精餾出乙醇，實(shí)際需至少5 d的操作時(shí)間。教學(xué)學(xué)時(shí)少于實(shí)際操作學(xué)時(shí)，一方面可以將如搖床震蕩發(fā)酵等耗時(shí)環(huán)節(jié)不歸入教學(xué)學(xué)時(shí)之內(nèi)，節(jié)省教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)；另一方面，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)將更有緊迫意識(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“磨洋工”現(xiàn)象不復(fù)存在。同時(shí)，學(xué)生為了在計(jì)劃教學(xué)學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不得不提前預(yù)習(xí)內(nèi)容，將操作步驟爛熟于心，弄懂、弄通實(shí)驗(yàn)原理與訣竅，避免實(shí)驗(yàn)失敗與重做[9]。這與傳統(tǒng)的“被迫式”實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方式相比，不僅能減輕實(shí)驗(yàn)授課教師的預(yù)習(xí)核查、督促的負(fù)擔(dān)，而且能讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，甚至在預(yù)習(xí)過(guò)程中翻閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)原理，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，從而達(dá)到專(zhuān)業(yè)課程支持專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、復(fù)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

2.2 按實(shí)驗(yàn)方向分割，小實(shí)驗(yàn)逐個(gè)連續(xù)

能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)以產(chǎn)品遞進(jìn)式為理念，突破傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容獨(dú)立的現(xiàn)象。以太陽(yáng)能電池方向?yàn)槔?，該?shí)驗(yàn)方向由摻雜改性TiO2的制備、由摻雜改性TiO2粉體制備TiO2納米管、TiO2納米管染料敏化太陽(yáng)能電池的制備、TiO2納米管染料敏化太陽(yáng)能電池光伏特性測(cè)試4個(gè)具體小實(shí)驗(yàn)組成，前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物均為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的原料，最終實(shí)現(xiàn)從四氯器件相應(yīng)的參數(shù)性質(zhì)。由于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品遞進(jìn)式，迫使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中謹(jǐn)慎操作，避免后續(xù)實(shí)驗(yàn)無(wú)原料的現(xiàn)象出現(xiàn)。實(shí)踐證明，產(chǎn)品遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中學(xué)生責(zé)任心更強(qiáng)，兩名同組實(shí)驗(yàn)者也更能團(tuán)結(jié)協(xié)作，杜絕了以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中一人“操刀”一人圍觀(guān)的現(xiàn)象。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程自覺(jué)遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的遲到、早退、隨意調(diào)、串、曠課的現(xiàn)象基本無(wú)發(fā)生。

表1 能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及學(xué)時(shí)安排

2.3 遵照而不恪守實(shí)驗(yàn)講義，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含設(shè)計(jì)成分

一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用參照實(shí)驗(yàn)講義，教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)步驟為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要集中在驗(yàn)證、演示兩部分，學(xué)生只要按照講義操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，均可獲得預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)教學(xué)自然班實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物千篇一律，對(duì)學(xué)生無(wú)吸引力[10]。能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)在講義設(shè)計(jì)以及教學(xué)過(guò)程中，采用試劑量范圍化、試劑種類(lèi)選擇化、實(shí)驗(yàn)條件多樣化等措施，使學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，讓書(shū)本上的實(shí)驗(yàn)變?yōu)閷W(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)。比如，在上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體方向?qū)嶒?yàn)中，學(xué)生可以在雜原子種類(lèi)、配位比例、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間4個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使得一個(gè)教學(xué)自然班的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物各不相同，如發(fā)光晶體的形貌差異、發(fā)光顏色不同等。讓學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的期待心里，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后相互比較實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的不同，探討產(chǎn)生差異的深層原因，從而揭露晶體成核、生長(zhǎng)規(guī)律以及上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，相比“填鴨式”課堂教學(xué)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更讓學(xué)生印象深刻，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合，達(dá)到實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的教學(xué)目的[11-13]。

2.4 遵循產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)模式，實(shí)驗(yàn)終產(chǎn)品器件化

由于能源化工專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的行業(yè)背景是太陽(yáng)能電池、LED等器件化產(chǎn)業(yè)，行業(yè)的分工、細(xì)化尚不十分明確，如LED，大部分企業(yè)集熒光粉的制備、LED電路設(shè)計(jì)、LED封裝于一體。因此，能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中LED方向?qū)嶒?yàn)內(nèi)容也按照基礎(chǔ)試劑→熒光粉→電路設(shè)計(jì)→LED封裝→LED檢測(cè)的順序進(jìn)行。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品器件性能測(cè)試后，大部分學(xué)生會(huì)將器件珍藏，甚至在找工作過(guò)程中向用人單位展示。一個(gè)會(huì)發(fā)光、能發(fā)電的小器件，不僅大大提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的興趣與熱情，也是學(xué)生工程能力培養(yǎng)與展示的平臺(tái)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

3.1 鍛煉學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力以及發(fā)散性思維

學(xué)生在能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，通常不是孤立的，不能只靠單一的知識(shí)點(diǎn)甚至單一的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)來(lái)解決，需要綜合運(yùn)用多種專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技術(shù)、方法來(lái)解決。在實(shí)驗(yàn)室條件許可的情況下，充分利用實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源，為專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)以及工程能力的培養(yǎng)搭建高水平平臺(tái)。譬如在學(xué)生掌握了LED封裝工藝的基礎(chǔ)上，實(shí)施LED封裝實(shí)驗(yàn)，不僅需要運(yùn)用LED專(zhuān)業(yè)知識(shí)，也需涉及電路知識(shí)、電化學(xué)等多種綜合知識(shí)。在此過(guò)程中，不僅在潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力，而且使學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前瞻性、科學(xué)性、系統(tǒng)性有了更直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生的發(fā)散性思維，提高學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力[14-15]。

3.2 學(xué)生求同存異心理養(yǎng)成

心理的健康才有身體的健康，心理是改變生活的關(guān)鍵。通過(guò)能源化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)，不同實(shí)驗(yàn)小組間實(shí)驗(yàn)結(jié)果(產(chǎn)品)是有所不同的，這些產(chǎn)品的差異性使產(chǎn)品多樣化，學(xué)生對(duì)差異性的認(rèn)識(shí)，不僅需要克服以往教學(xué)中答案唯一化給學(xué)生帶來(lái)的慣性思維，更要意識(shí)到“異”的合理存在，“異”不等同于“錯(cuò)”。這種求同存異心理的養(yǎng)成，有助于學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生繼續(xù)學(xué)習(xí)或工作中少一分盲目，少一分沮喪，多一分自信與從容。

3.3 從基層到前沿，實(shí)現(xiàn)高層次實(shí)驗(yàn)的過(guò)渡

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由易到難，專(zhuān)業(yè)知識(shí)由淺入深，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生接觸到學(xué)科前沿成果、技術(shù)，不僅有利于學(xué)生從基礎(chǔ)層次到更高層次實(shí)驗(yàn)的順利過(guò)渡，也有利于學(xué)生靈活、熟練運(yùn)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中獲得的新知識(shí)、技術(shù)，最終在更高層次的實(shí)驗(yàn)中獲得突破和創(chuàng)新。讓學(xué)生真正的消化專(zhuān)業(yè)知識(shí)，了解本專(zhuān)業(yè)，在將來(lái)的擇業(yè)、就業(yè)中少些茫然，能夠更早地找到自己感興趣的領(lǐng)域，從而進(jìn)一步拓展專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，豐富學(xué)生個(gè)人發(fā)展的空間。

4 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)能源化工新專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)業(yè)背景，在傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容設(shè)置、學(xué)時(shí)安排等多方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革?？朔藗鹘y(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)受限、演示實(shí)驗(yàn)為主、各實(shí)驗(yàn)獨(dú)立、實(shí)驗(yàn)結(jié)果局限數(shù)據(jù)分析等方面的限制與缺點(diǎn)。運(yùn)行3年來(lái)，獲得良好的教學(xué)效果，且學(xué)生課程結(jié)束后對(duì)課程反饋滿(mǎn)意度高，畢業(yè)后對(duì)課程反饋收益大。時(shí)代在前進(jìn)，科技在進(jìn)步。能源化工專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)要與時(shí)俱進(jìn)，逐年不斷改進(jìn)，才能與科技前沿、產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 劉淑芝, 王寶輝, 陳彥廣,等. 化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)探索與實(shí)踐[J]. 教育教學(xué)論壇, 2014(6): 209-210.

[2] 榮俊鋒, 陳明功, 劉 銘, 等. 能源化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)的探索[J]. 廣州化工,2016(7): 218-219.

[3] 武利順, 李風(fēng)海. 應(yīng)用型本科能源化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式建構(gòu)的思考[J]. 山東化工, 2016(1):97-100.

[4] 趙 海,劉俊清,劉 瑾,等. 能源化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐[J]. 山東化工, 2015(12):99-100.

[5] 趙 海,劉 瑾,董穎男, 等. 應(yīng)用型本科能源化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)的實(shí)踐與思考[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2015(4):547-550.

[6] 李春香, 孟 慧, 黃玉東. 化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生工程能力培養(yǎng)中的作用[J]. 黑龍江高教研究, 2014(8): 146-148.

[7] 趙玉紅, 李 欣, 崔建林, 等. 充分利用實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源多渠道改革生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016(9): 186-189.

[8] 鄧廣濤, 陳魁奎. 地方理工科高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011(11): 334-336.

[9] 吳彩金, 楊 勇, 胡 濤. 化工原理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方法探討[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015(7): 210-212.

[10] 劉克建, 文家新, 屈琦超, 等. 職業(yè)教育中有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016(2): 140-142.

[11] 葉唐進(jìn), 羅 超. 目標(biāo)探索式實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)工科學(xué)生自學(xué)能力培養(yǎng)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016(10):30-33.

[12] 楊 娟. 美術(shù)教學(xué)中的期待心理[J]. 亞太教育, 2015(4):36.

[13] 杜文華. 巧用“期待心理”激發(fā)學(xué)習(xí)熱情[J]. 新課程.中學(xué), 2012(1):1.

[14] 劉小花, 侯作賢, 張夢(mèng)婷, 等. 中藥制劑分析課的體驗(yàn)式教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016(10):199-203.

[15] 趙國(guó)慶，陸志堅(jiān). “概念圖”與“思維導(dǎo)圖”辨析[J]. 中國(guó)電化教育, 2004(8):42-45.