開放式基礎(chǔ)化學(xué)、化工實驗?zāi)Ｊ窖芯颗c探索*

段金貴，段越鳳

(南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點實驗室&化工學(xué)院，江蘇 南京 211816)

改革開放以來，中國教育發(fā)展和改革發(fā)生了天翻地覆的變化。進入新時代，針對教育模式的改革更是重中之重。近幾年，高校逐年擴招，學(xué)生實踐的教育問題面臨著巨大壓力，實驗課程傳授迎來全新挑戰(zhàn)。所開展的驗證性實驗大多已年代久遠(yuǎn)，不能符合新時代培養(yǎng)化工人才的進程。本著因材施教，以人為本，教書育人，課程育人教育理念，有效推進實驗室教學(xué)模式改革，根據(jù)自身條件和學(xué)生的實際情況，在高校教學(xué)改革中進行拓展與創(chuàng)新。

1 基礎(chǔ)化學(xué)、化工實驗教學(xué)現(xiàn)狀

在我國，對于化學(xué)、化工實驗室的安排大多都是根據(jù)課程相關(guān)來設(shè)置。主要分為有機、無機、分析、物理化學(xué)實驗室和基礎(chǔ)化工實驗室，呈現(xiàn)出單調(diào)，不連貫的教學(xué)模式。整體資源共享程度低，綜合能力低；教學(xué)過程中忽視學(xué)生個人能力問題，籠統(tǒng)地教授實驗知識；缺乏專業(yè)間相互貫穿實驗室人員。對于學(xué)校，實驗經(jīng)費有限，不能在某些實驗中提供大批精密儀器，阻礙教學(xué)規(guī)劃和布局；實驗室承載學(xué)生數(shù)量大，學(xué)生不能單獨操作，做到一人一臺；玻璃儀器和相關(guān)的設(shè)備損耗較大，重購手續(xù)麻煩，嚴(yán)重阻礙實驗教學(xué)的進程。

2 開放式實驗室教學(xué)的意義

創(chuàng)新始于問題，源于實踐。高校實驗室作為大學(xué)生重要的實驗實踐場所，肩負(fù)著人才培養(yǎng)的重要使命[1]。開放式實驗室為學(xué)生實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)造的主要場所，為大學(xué)生進行“互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目”“挑戰(zhàn)杯”“全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽”等項目提供堅強的后盾，可為大學(xué)生獨立開展創(chuàng)新實驗項目提供保障。學(xué)生是國家的棟梁之才，在開放式實驗室教學(xué)的模式下，可為社會提供具備專業(yè)，有專業(yè)素養(yǎng)的技術(shù)性人才。下面將從以下三點闡述開放式實驗室教學(xué)的意義。

2.1 開放實驗室的理念

大學(xué)生開放實驗室的建立本質(zhì)是為培養(yǎng)具有更優(yōu)秀動手能力的本科生[2]。開放實驗室的建立不僅能讓學(xué)生掌握課本知識，而且能強化動手能力，做到理論學(xué)習(xí)，實驗鞏固。開放式實驗室不同于傳統(tǒng)實驗室，開放式實驗教學(xué)是整個教學(xué)體系的開放，是不同教育理論的兼容并包，不僅是指時間和空間上的開放，還涉及理念的開放、內(nèi)容的開放、方法的開放、評價的開放、管理的開放，學(xué)生可以自由組隊，選擇感興趣項目進行實驗，老師評價也可多樣化，全方位促進學(xué)生思維發(fā)散，不遏制學(xué)生想象力。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅鍛煉動手能力，也能加強友誼，增強團隊意識。

2.2 開放實驗理念，調(diào)動資源有效、合理利用

多數(shù)儀器設(shè)備僅會使用較少的次數(shù)，一年中大部分時間都被擱置，造成資源的浪費，讓學(xué)生基于自己的興趣愛好，在現(xiàn)有儀器設(shè)備的條件下，勇于設(shè)計各種實驗和操作，并且大膽參加各種競賽，將這些儀器真正的使用起來，發(fā)揮其作用。各功能實驗室的開放讓學(xué)生真正的動手，引導(dǎo)學(xué)生向自己感興趣的項目和專業(yè)發(fā)展，讓開放實驗室真正的開放起來，資源真正的被學(xué)生利用起來。

2.3 開放實驗理念促進科研成果的產(chǎn)生

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)科研成果由高校產(chǎn)生。在多數(shù)研究成果中，學(xué)生主導(dǎo)，老師輔導(dǎo)，學(xué)校提供資源，三者相輔相成，缺一不可。科研教學(xué)實驗室的融合開放，不僅可以實現(xiàn)最新科研成果對教學(xué)的指導(dǎo)，將理論知識應(yīng)用到實際問題中，同時，新的學(xué)生主體為科研活動提供新鮮人員供給，形成相互融合，相互促進的模式。

3 開放式實驗室教學(xué)模式的改革措施

實驗室是高校教育裝備的重要組成部分，是進行教學(xué)和科研的主要場所，是提高教學(xué)質(zhì)量與實踐能力和創(chuàng)新能力的重要平臺[3]。開放式實驗室教學(xué)是其時間靈活，教學(xué)靈活，評分靈活得以建立，因此將從以下幾點來對開放式基礎(chǔ)化學(xué)、化工實驗?zāi)Ｊ竭M行研究與探索。

3.1 構(gòu)建開放實驗培訓(xùn)體系，由單一指導(dǎo)變?yōu)槎嘣笇?dǎo)

隨著我校近幾年發(fā)展，化學(xué)實驗室建設(shè)提高，實驗儀器的大量更新以及實驗教學(xué)人員的補充，現(xiàn)在已經(jīng)初步具備了對課程進行改革的硬件條件。學(xué)校學(xué)科梯隊層次合理，突出教學(xué)中心地位，不斷進行教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。圍繞主干課程和單元操作過程，高標(biāo)準(zhǔn)建成了20個教學(xué)實驗。此外和材料化學(xué)工程國家重點實驗以及化工學(xué)院教授課題組聯(lián)動，打通本科實驗教學(xué)和科研初探的路線。

以往教學(xué)模式主要表現(xiàn)為某一位老師指導(dǎo)對應(yīng)班級學(xué)生開展相關(guān)實驗探索。但這位老師的知識局限性不利于學(xué)生在該類別知識點的全面把握。鑒于此，針對基礎(chǔ)驗證性實驗，綜合性實驗，設(shè)計性實驗給出不同方案，由任課老師負(fù)責(zé)，學(xué)院以及國家重點實驗室相關(guān)老師配合，開放專門的研究型實驗室，開創(chuàng)由一師多生到共享型的多師—生、多師多生之間機制。對實驗的內(nèi)容、存在的難題、有待改進和創(chuàng)新等方面進行及時地交流，交流結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)平臺共享。此外，學(xué)校以創(chuàng)新實驗項目為平臺，新實驗項目開發(fā)為輔的舉措，根據(jù)不同主題，每月在網(wǎng)上征集相關(guān)主題討論稿，報告，答辯，視頻等形式落實知識體系的良好掌握。例如以Chem Car化工設(shè)計競賽為例，在化學(xué)基礎(chǔ)、能源、動力、傳遞等多為老師指導(dǎo)下，學(xué)生圍繞題目制定可行方案，用軟件建立模型，選取最佳材料，設(shè)計完成比賽。運用多學(xué)科知識解決實際問題，展現(xiàn)了化工學(xué)子扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、實踐能力和創(chuàng)新精神，為適應(yīng)新時代化工行業(yè)的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

3.2 構(gòu)建開放實驗培訓(xùn)體系，重點打造交叉教學(xué)內(nèi)容

改革開放以來，教學(xué)內(nèi)容反復(fù)改革，已經(jīng)形成了較為完善的教學(xué)體系，但是各個學(xué)科之間還缺乏交叉性，同時，大多數(shù)的實驗更傾向于理論驗證性實驗。這樣的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，阻礙學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)和提升。實踐課程的有效融合銜接，能夠使培養(yǎng)效果最大化，培養(yǎng)出初具實踐能力的專業(yè)人才，通過梳理培養(yǎng)方案中的實踐關(guān)鍵課程，分析各課程間的前后銜接關(guān)系，科學(xué)合理安排課程講授順序，同時在各實踐課程中設(shè)計實踐載體——“外設(shè)實驗板”[4]。

因此，學(xué)生可以選擇自己感興趣的內(nèi)容進行實驗，在充分利用學(xué)校資源的前提下提升自己的實驗技能，使理論與實踐得到全面的發(fā)展，為走向社會打下良好的基礎(chǔ)。學(xué)校將不同學(xué)科進行組合，打造全新的實驗教學(xué)。將化學(xué)的氧化還原實驗和物理的點亮小燈泡相結(jié)合，展現(xiàn)物理與化學(xué)的結(jié)合之美；將生物發(fā)酵與膜分離過程相結(jié)合，開設(shè)了乙醇精制工藝等全流程化學(xué)化工實驗，使學(xué)生具有掌握交叉學(xué)科學(xué)習(xí)的能力和推動力。

綜合能力是多項能力協(xié)同提升的人才培養(yǎng)實質(zhì)，決定了理工型院校人才培養(yǎng)的特殊規(guī)律：既要堅持統(tǒng)一人才標(biāo)準(zhǔn)，又須兼顧個體發(fā)展需要。只有實行以學(xué)生為主體，強調(diào)因材施教的教學(xué)理念，建立層次分明的開放實驗教學(xué)體系，多維度開發(fā)教學(xué)實驗資源，才能適應(yīng)理工型院校人才培養(yǎng)的要求[5-6]。因此，可以按照從科普階段到提升階段的思路構(gòu)建階梯式開放教學(xué)課程體系，如表1所示。

表1 開放性化學(xué)實驗選修課程分類Table 1 Classification of elective courses of open chemical experiment

3.3 構(gòu)建開放實驗培訓(xùn)體系，建立靈活實驗機制

實驗開放項目教學(xué)采用“整體統(tǒng)籌、調(diào)度有序、時間靈活”的方式管理[7]。各實驗項目以實驗老師為主要負(fù)責(zé)人，實驗室科研團隊研究人員為輔助，根據(jù)研究計劃，制定開展方案。實驗開展既可以教學(xué)時間實現(xiàn)靈活安排，同時鼓勵以化工背景學(xué)生為主導(dǎo)的多重學(xué)院之間的組對，使學(xué)生了解和學(xué)習(xí)到交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域的新知識和先進的現(xiàn)代技術(shù)實驗，提高學(xué)生的科學(xué)研究興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。讓學(xué)生有“學(xué)以致用”的感覺，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造動機。有利于實驗室的建設(shè)和管理，提高儀器設(shè)備的使用效率和效益。

3.4 構(gòu)建開放實驗培訓(xùn)體系，開放實驗考核形式

在每一個環(huán)節(jié)結(jié)束后，經(jīng)老師的許可后方可進入下一個階段。如果中途發(fā)生變故后，學(xué)生應(yīng)提前與老師協(xié)商更改方案。其次老師設(shè)置時間節(jié)點，要求學(xué)生在節(jié)點前完成實驗，并制作PPT，進行匯報，討論后方可繼續(xù)下一個工作。另外，實驗室采取預(yù)約制，列明所預(yù)約時間，所需藥品種類，用量和設(shè)備，經(jīng)實驗負(fù)責(zé)老師和實驗室管理員審核后，對學(xué)生進行必要的安全培訓(xùn)后方可開展實驗。

為了讓教師在評定學(xué)生實驗成績時有據(jù)可依，學(xué)生根據(jù)成績能夠?qū)ψ约旱膶W(xué)習(xí)情況進行有針對性地自查自糾，即實驗成績不僅能充分反映學(xué)生對實驗項目的掌握情況，還能為教師后續(xù)實驗教學(xué)的開展提供指導(dǎo)性的意見及建議。因此，要想改革實驗教學(xué)，就必須改革實驗評估體系，在評估過程中考慮多重因素，多方式進行評估，因此，評分主要從基礎(chǔ)實驗考核，創(chuàng)新和實驗三大方面進行評分，基礎(chǔ)實驗占比20%，創(chuàng)新占比20%，實驗占比60%。其中，基礎(chǔ)實驗由學(xué)院老師統(tǒng)一出題，學(xué)生作答；在創(chuàng)新方面注重理念，主要從新穎度，可實施度方面打分；而實驗方面則注重過程，對實驗的操作是否規(guī)范打分和結(jié)果的呈現(xiàn)進行打分。這不僅有利于學(xué)生更好的理解課程中所學(xué)習(xí)到的內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，同時，有利于拓寬學(xué)生的知識面，把所學(xué)到的知識與生產(chǎn)實踐相結(jié)合。

3.5 構(gòu)建開放實驗培訓(xùn)體系，線上向下互補

針對線上教學(xué)存在的問題，我們提出了線上、線下教學(xué)的互補的模式。系列理論性驗證性實驗多以線上的教學(xué)模式展開，然而還有大批探索性實驗需要實際的操作，理解操作過程和實驗原理的目的。線下結(jié)合學(xué)生個人能力，自由設(shè)計綜合實驗，提升學(xué)生的綜合能力；線上，對于難點，重點進行演示，分步講解，讓學(xué)生將知識點吃透。另外，可以將線上、線下兩種教學(xué)模式相互結(jié)合，全方面培養(yǎng)學(xué)生，提升學(xué)生的能力(見圖1)。

圖1 線上、線下相結(jié)合教學(xué)模式Fig.1 Teaching mode combining online and offline

在線上開課前，老師將本課教授內(nèi)容上傳在群里，供學(xué)生下載預(yù)習(xí)。然后制定教學(xué)目標(biāo)，簡單提幾個課前問題，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)并解答。對于實驗內(nèi)容環(huán)節(jié)，分小組討論，將實驗過程中比較難，不容易懂的問題列舉出來，或者比較危險，要多加注意的地方列舉出來。讓學(xué)生自己預(yù)先熟悉整個流程，做到心中有數(shù)。錄制實驗過程，通過直播軟件重點講解實驗過程中可能遇到的難點問題，對于較容易發(fā)生錯誤的步驟可以進行拆分或者進行緩慢放大演練，使學(xué)生更容易理解。對于課前提出的問題讓學(xué)生進行解答，激發(fā)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的興趣。同時融入課程思政元素，提高課程“兩性一度”和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性[8]。課后老師布置一些紙質(zhì)作業(yè)，內(nèi)容主要是實驗操作布置，內(nèi)容形式可以多樣化，可為選擇、判斷、解答、畫圖題。主要目的是讓學(xué)生鞏固教學(xué)內(nèi)容，檢查教學(xué)效果。其次，提出一些提升問題，分小組討論，共同激勵，刺激學(xué)習(xí)，培養(yǎng)團隊意識。

4 結(jié) 語

開放式實驗教學(xué)的研究已成為世界性的熱點，開放式實驗教學(xué)是整個教學(xué)體系的開放，是不同理論和模式的兼容并包，不僅是指時間和空間上的開放，還涉及理念的開放、內(nèi)容的開放、方法的開放、評價的開放、管理的開放等等。開放式實驗教學(xué)終將取代傳統(tǒng)實驗教學(xué)，走進學(xué)生的課程中。通過開放性實驗教學(xué)，原有的教學(xué)模式得到改變，使學(xué)生從“封閉、被動、受束縛的狀態(tài)”，變成“開放、主動、較自由的狀態(tài)”，真正成為實驗的主人、教學(xué)的主體。自教學(xué)改革以來，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性增強，教學(xué)效果明顯提高，成果豐碩，各種能力得到充分體現(xiàn)，這對學(xué)生將來在工作、科研道路上奠定堅實的基礎(chǔ)，也為基礎(chǔ)化學(xué)實驗和本校的實驗教學(xué)改革提供借鑒。此外，開放式實踐探索為教書育人，課程育人的目標(biāo)奠定重要基礎(chǔ)。開放式實踐探索有利于激勵教學(xué)主體，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)科研的主觀能動性；有利于改革教學(xué)方法，為學(xué)生成人成才提供寬廣的發(fā)展空間；有利于明確教學(xué)目的，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識和創(chuàng)新能力；有利于推進教學(xué)改革，促高校全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。