以化學技術為主線的層次模塊化實驗教學體系改革與實踐

王小平，王崇均，鄭旭煦，傅　敏，李　寧

(環境與資源學院環境與資源化學技術實驗教學示范中心,重慶工商大學，重慶　400067)

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以化學技術為主線的層次模塊化實驗教學體系改革與實踐

王小平，王崇均，鄭旭煦，傅敏，李寧

(環境與資源學院環境與資源化學技術實驗教學示范中心,重慶工商大學，重慶400067)

以國家級實驗教學示范中心建設實際情況為基礎，結合國內高校化學實驗教學改革的成效和不足，提出了以化學技術的遞進關系為基礎的層次模塊化實驗教學改革思路，并從實驗教學體系和教學方式方法兩方面闡述了實驗教學中心的實驗教學改革和實踐情況。通過層次模塊化實驗教學改革，可以實現實驗教學與工程實踐、科研工作和創新創業的有機結合，逐步培養學生解決實際問題的實踐創新能力，并能為其他高校的化學實驗教學改革提供借鑒和參考。

化學技術；層次模塊化；教學體系；教學方式；改革與實踐

化學實驗是化學相關學科人才培養目標達成的重要環節。著名化學教育家戴安邦院士曾指出：“實驗室是實施全面化學教育的最有效的場所”，在人才能力目標過程中發揮著不可替代的作用。目前，很多高校化學實驗基本與化學理論課程對應，按無機化學實驗、有機化學實驗、分析化學實驗、物理化學實驗4大板塊設置，實驗教學目標也基本停留在要求學生掌握實驗基本原理、基本知識和基本操作的“三基”層面[1]，學生創新實踐能力的培養力度偏弱。為改變這一現狀，適應人才培養的新要求，各高校廣泛開展了針對化學實驗教學的改革和實踐，其中大量改革的思路是實施模塊化實驗教學[2-7]。現有的模塊化實驗教學改革基本上仍以理論化學知識為脈絡設置實驗模塊，實驗內容不能滿足跨學科、跨專業的需求，也不能滿足時代發展的要求，對學生學習興趣和學習主動性提升的幫助也不大。

鑒于此，本實驗教學中心以國家級實驗教學示范中心建設為契機，綜合考慮我校環境科學與工程、化學工程與工藝、材料科學與工程、食品科學與工程、應用化學、制藥工程等學科專業對化學實驗的共性和個性需求，開展實驗教學體系和教學方式方法改革，取得了一定成效。

1　化學實驗教學改革指導思想

本實驗教學中心改革的主要思想為：以能力達成為目標，以化學技術為主線。按能力由低到高，將化學實驗的能力培養目標分為規范化操作能力、知識應用能力、綜合實踐能力和創新創業能力4個層次；按化學技術由簡單到復雜，將化學實驗分為通用基礎實驗、專業應用實驗、綜合提高實驗和創新創業實踐4個層次。通過層次化、模塊化教學，達到各專業的人才培養目標。

2　實驗教學體系改革

以化學技術為主線，逐層遞進構建4層次實驗，包括通用基礎實驗、專業應用實驗、綜合提高實驗和創新創業實踐。4層次實驗分別對應培養學生的規范化操作能力、知識應用能力、綜合實踐能力和創新創業能力。

鑒于不同專業對化學技術的側重需求不同，每一實驗層次分別設計5個模塊的實驗項目庫，構成“4層次×5模塊”的實驗教學內容體系(見圖1)，各專業選擇與專業人才能力培養目標最貼合的模塊開展實驗教學。

圖1　“4層次×5模塊”的實驗教學內容體系

第1層次——通用基礎實驗層次及其模塊

通用基礎實驗層次為實驗教學的第一階段，是所有化學相關專業學生必須掌握的實驗技能，重點體現各專業的基礎化學技術需求。主要目的在于訓練學生的基礎化學技能，規范學生的基本化學行為，如溶液配制、滴定分析、熱值測定、黏度測定、光譜分析、色譜分析、生物成分測定、微生物培養與檢測、過濾操作、精餾操作等。

本層次實驗突破傳統的化學課程壁壘和學科專業壁壘，將基礎化學技術分為化學基本操作技術、物性參數測定技術、儀器分析技術、基礎生物技術和化工單元操作技術5個模塊的實驗項目庫，各專業根據人才培養方案在各實驗項目庫中選擇最利于學生能力培養的實驗課程和實驗項目。

第2層次——專業應用實驗層次及其模塊

專業應用實驗層次為實驗教學的第二階段，是學生經過第一階段學習并掌握了基本化學規范和基本化學技能后方可進入的階段。它要求學生將化學基礎知識和基本技能充分融合和合理應用，形成本學科專業領域的支撐技術，注重訓練學生的知識應用能力和工程實踐能力。在本層次課程教學中，不同學科專業根據各自專業特性和能力要求，合理選擇各模塊中的實驗項目并有機組成相應課程，形成有效培養專業應用能力的實驗教學課程體系。

按照相關學科專業的支撐技術或工藝類別，將專業應用實驗分為合成與制備、轉化與降解、分離與提取、分析與表征、加工與生產等5個模塊的化學實驗。學生在合成和制備模塊，主要學習和掌握無機化合物、有機化合物、高分子材料和藥物中間體的合成與制備方法和技術；在轉化與降解模塊，主要學習和掌握環境污染物遷移轉化與降解、廢棄物資源化轉化、食品酶解與轉化等方面的知識和技術；在分離與提取模塊，主要學習和掌握目標產物和綠色化工產品的分離純化、天然產物分離提取、環境污染物分離富集等方面的方法和技術；在分析與表征模塊，主要學習和掌握各種物質的成分分析、含量測定、理化檢驗、結構性質表征和功能評價等方面的方法和技術；在加工與生產模塊，主要學習并掌握各種產品的加工或生產工藝和技術，了解工業產品加工生產中的常用設備。

國內關于如何幫助學生提高英語水平的研究很多。一部分側重研究教師、教法或教材，如：付英[1]、彭曉蓉[2]、豐玉芳[3]、蔡基剛[4]等。這些學者認為，只要有高水平教師或好的教學法或好教材，學生的學習效果就會好。一部分側重研究學生的學習動機或學習策略使用，如：高一虹[5]、張殿玉[6]等。這些學者認為只要學生學習動機強或恰當地運用學習策略，學習效果就會好。還有一些研究專注于英語測試的反撥作用，如：楊維秀[7]等。這些學者認為只要考試設計合理，在這根“指揮棒”的帶領下，學生的學習就會走上正確的道路，學習效果就會好。

第3層次——綜合提高實驗層次及模塊

綜合提高實驗層次為實驗教學的第三階段，是學生通過第二階段學習并掌握了相關專業的知識應用能力和工程實踐能力后方能進入的階段。該層次實驗項目主要由各學科專業最新理論成果、中心教師成熟科研成果、合作企業生產應用成果轉化以及前沿問題衍生而來，它要求學生能合理選擇和組合相關專業技術與工藝，完成給定的研究目標任務。本層次實驗按照學科專業方向設置，通過對綜合性、前瞻性化學技術的學習，培養學生綜合應用化學技術解決環境保護和資源利用中實際問題的能力，是培養高素質復合應用型人才的重要環節。

根據本實驗教學中心所覆蓋專業的學科性質和專業要求，選擇設計了功能材料研究與應用、污染控制與廢物資源化、健康產品綠色加工、精細化學品研究與開發、綠色化工產品開發等5個模塊實驗項目，對應設計為功能材料研究與應用、環境與資源綜合實驗、功能食品研究與開發、天然藥物研究與開發、精細化學品研究與開發、綠色化工產品研究與開發等課程。

第4層次——創新創業實踐層次及模塊

創新創業實踐層次集中培養學生的創新新創業意識和精神，提高學生的創新創業能力。根據創新創業實驗項目類型和來源，本層次包含學生創新創業基金、學科競賽孵化、產學研合作項目、開放實驗項目超市和社會實踐項目5個模塊。本層次實驗完全打破打破學科專業界限，采取完全開放形式，每一位學生只需選擇其中至少2個模塊的部分實驗項目，并完成規定的累積學時(學分)。

3　教學方式改革與實踐

與“4層次×5模塊”實驗教學體系相對應，中心采用了分層遞進的“互動式、研討式、仿真式”的實驗教學方式，如圖2所示。

圖2　分層遞進的“互動式、研討式、仿真式”教學方式

第1層次——通用基礎實驗層次教學方式

一是在每次實驗課之前，要求學生必須利用電腦或手機在實驗教學中心網站和手機APP平臺中的“化學基本操作仿真動畫資源”和“化學基本操作演示視頻資源”開展對應實驗項目的仿真預習(化工單元操作實驗還要在中心虛擬仿真室中利用“化工原理實驗仿真系統”進行仿真預習和上機操作)，預習完成后方可進入實驗室開展實驗；二是在實驗過程中，教師先對學生進行實驗原理、重點難點及實驗注意事項的提問講解，然后再演示規范化的實驗操作；三是學生自主開展操作訓練，獨立完成實驗以及實驗結果和現象的測量與記錄，并在此基礎上撰寫實驗報告。通過本層次的基本化學規范化和基本化學技能訓練，達到鞏固和加深基礎理論知識、規范學生的基本化學技能的目的，為后續三層次實驗奠定基礎。

第2層次——專業應用實驗層次教學方式

專業應用實驗層次，采用基于典型案例的“練習-實作-總結”和“仿真練習與實際操作相結合”的教學方式。

本層次實驗常常用到大型儀器設備和工程設備，學生首先在教師指導下按照實驗教材或實驗指導書預設的典型案例和方法設計實驗，并利用實驗教學中心引進的“大型分析儀器仿真系統”、“化工原理實驗仿真系統”、“環境工程實驗仿真系統”、“化工基本過程單元控制培訓系統”等進行仿真練習；然后進行實際操作，獲取實驗數據，分析實驗現象和結果，闡述實驗過程存在的問題及可能的原因；最后教師對實驗過程和學生的實驗結果進行總結評述，加深和鞏固學生對專業知識點和相關設備的理解。例如，在污染控制工程實驗課程中的“活性污泥沉降性能實驗”項目，以正常運行的城市污水處理廠AAO工藝中的活性污泥為對象，采取“仿真練習-實際操作-總結評述”等學習過程，通過分析具有不同沉降性能的污泥由于活性不同可能造成的處理效果差異，以及分析造成沉降性不同的影響因素，加深了學生對活性污泥沉降性能的理解和認識。

第3層次——綜合提高實驗層次教學方式

綜合提高實驗層次，采用基于問題的“設計-討論-實作”和“仿真模擬與企業實習相結合”的教學方式。

本實驗層次是由教師給出實驗任務(問題)，學生自主設計和實施實驗。首先，學生根據任務(問題)查閱資料，擬訂實驗研究計劃；然后與指導教師討論確定具有的可操作性的實驗方案，并向實驗室提交實驗所需儀器、設備和藥品清單；最后由學生自主實施實驗過程。同時，部分專業的學科綜合實驗需要先在實驗教學中心的大型仿真實驗室進行仿真模擬，然后再進入企業生產實習。如在垃圾焚燒發電仿真實驗(含水、氣凈化)中，學生先在虛擬仿真室完成相關仿真模擬實驗后，再赴垃圾焚燒發電廠進行生產實習，進一步加深對垃圾焚燒發電原理和工藝的理解，了解生產操作過程。

第4層次——創新創業實踐層次教學方式

創新創業實踐層次，采用基于項目的“引導-合作-探究”和“信息檢索與實驗研究相結合”的教學方式。

本層次的實驗項目大都屬于科學前沿和產業應用的范疇。指導教師僅指定研究方向或給出引導性項目，學生首先根據自己的興趣愛好，在教師的指導下，檢索文獻，擬訂研究方案，并通過撰寫項目申請書獲得研究資格；然后以課題小組的形式合作完成項目實驗研究任務。創新創業實踐實質上是學生模擬科學研究的過程，通過對基礎理論、應用技術或工程應用項目研究，促進學生對多學科專業知識的綜合，這對激發學生的好奇心、開發創新潛能、發揮創新靈感、培養創新能力具有極為重要的作用。比如，學生創新基金項目——“膨潤土改性及其在印染廢水處理中的應用研究”，教師以學生對膨潤土這種“萬能黏土”的好奇心為契機，引導學生多方面了解它的特性，討論其優點、劣勢及現行應用，指導學生完善解決問題的思路、方案和可行性評價，并以學生或學生團隊為申報人，申請獲得國家、重慶市或學校的創新創業基金，最后在教師指導下合作完成研究項目的實施。通過 “引導-合作-探究”的學習方式，學生創新創業能力得到了進一步提升。

4　結　語

本實驗教學中心構建的“4層次×5模塊”實驗教學體系和分層遞進的“互動式、研討式、仿真式”的實驗教學方式，旨在通過實驗教學與基本理論的緊密結合、實驗教學與工程實踐的無縫銜接、實驗教學與科研工作的有機結合、實驗教學與創新創業的互動融合，逐步培養學生解決實際問題的實踐創新能力。實踐結果表明，在新的實驗教學體系和教學方式下，實驗教學效果明顯提高，中心所覆蓋學科專業人才培養目標的達成得到了有力保障。

[1]張樹永,張劍榮,陳六平. 大學化學實驗教學改革的基本問題和措施初探[J].大學化學，2009,24(4):24-28.

[2]丁愛琴,孫芹英. 應用型本科院校基礎化學實驗模塊化教學的思考和實踐[J].中國大學教學，2008(9):78-79.

[3]袁梅,袁艷斌,李曄,等. 資源與環境類專業多層次模塊化實驗教學體系改革研究[J]. 科教導刊，2013(03):18-19.

[4]張志秋,張健偉,胡冰. 大學化學實驗“模塊化”教學模式改革的研究與實踐[J]. 教育教學論壇，2014(5):251-252.

[5]楊昌躍,蔡緒福,周天楠,等. 多層次、模塊化實驗教學體系的構建與改革[J].實驗科學與技術，2015,13(2):119-121.

[6]毛獻萍,李金芳,黃志強. 大學基礎化學實驗模塊化改革初探[J]. 人力資源管理，2010(2):75-76.

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Layer-modularization Reform and Practice of Experimental Teaching System Based on the Chemical Technology Main Line

WANG Xiao-ping, WANG Chong-jun, ZHENG Xu-xu, FU Min, LI Ning

(College of Environment and Resources, Experiment Teaching Demonstration Center of Environment andResourcesChemistry,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

The layer-module experimental teaching reformation and practice were described according to the construction of the national experimental teaching demonstration center and the achievements and shortcomings of chemical experimental teaching reformation of domestic universities. The layer-module experimental system based on the progressive of chemical technology was introduced. And the reformation and practice were described from the two aspects of the experimental teaching system and teaching methods. The combination of experimental teaching and engineering practice, scientific research, innovation and entrepreneurship can be realized through this experimental teaching reformation. The practice and innovation ability of students to solve actual problems can be trained gradually. And the reformation experience can be referenced by other colleges and universities when reforming their chemical experiment teaching.

chemical technology; layer-modularization; teaching system; teaching method; reformation and practice

王小平(1984-)，男，講師，主要從水污染控制技術研究與教學和實驗室建設。

G642.0

B

1001-9677(2016)014-0218-03