面向應用型人才培養的化工類專業基礎化學實驗教學改革

沈國良 張梨黎 朱海峰 趙文凱 侯 玲 薛 斌 張 靜

(沈陽工業大學 石油化工學院，遼寧 遼陽 111003)

化學學科是化工類專業的主干學科，化學類課程是培養化工類專業應用型人才的基礎核心課程，化學類實驗教學是培養高水平應用型人才的重要環節。

在化工類院(系)中，一般把化工類專業開設的無機化學、分析化學、有機化學、物理化學課程稱為基礎化學(又稱四大化學)課程，基礎化學課程都是地位非常重要、實踐性非常強的核心課程。長期以來，在化工類專業人才培養方案中，基礎化學的理論課和實驗課缺乏整體考慮，基礎化學的理論課和實驗課各自獨立設置，缺乏有機聯系，部分內容重復；每門課的理論課和實驗課分工太明確，相互融合和貫通不好，實驗內容零散[1]。

基礎化學實驗教學在基礎化學教學過程中占有很重要的地位[2]。要培養出高水平、高質量的應用型人才，在基礎化學實驗教學中不僅要注重學生動手能力的培養、注重分析問題與解決問題能力的培養，還應加強學生工程能力的培養以及對新型科學儀器、新技術的詳細了解和掌握[3]。

為了更好地發揮基礎化學實驗教學在化工類專業應用型人才培養方面的獨特作用，我們對基礎化學實驗教學進行了大幅度改革，并開設出了化學虛擬仿真實驗，這些改革明顯地提高了基礎化學實驗教學水平和學生工程能力。

1 基礎化學實驗改革的必要性

以前，原基礎化學實驗教學各成體系，存在著內容重復，例如天平的使用、酸度計的使用、分光光度計的使用等內容在無機化學和分析化學實驗中均有，在實驗學時壓縮的情況下，必須避免低水平的重復；基礎化學實驗課中驗證性實驗項目較多，綜合、設計性的實驗很少，對應用性實驗教學重視不夠，學生訓練的機會很少，這種傳統的實驗體系已不能滿足應用型人才培養的需要；在制訂新的實驗教學大綱時，雖然將分析化學實驗在原有的容量分析實驗基礎上增加了儀器分析，但總體上儀器分析學時較少，僅開出酸度計、分光光度計、氣相色譜等3個實驗項目，無法滿足學生對現代儀器使用的需要，遠遠不能跟上科技進步和儀器發展的步伐。

近年來，在全球范圍內明顯重視化工環保和可持續發展問題，特別是中國政府提出現代綠色化工、化工清潔生產、循環經濟的新理念，化工領域要突出做好綠色環保、節能降耗、減排增效和可持續發展的工作[4]。基礎化學實驗中存在著危險性、污染性、高成本、不直觀性等問題，使很多基礎化學實驗過程難于在實驗教學中具體實施或者即使進行實驗也很難看到現象的本質。同時，實驗中涉及的大型儀器設備造價昂貴、運行成本高，在教學中難以廣泛使用，而且絕大多數儀器核心工作部件封閉，在工作狀態下不可以觀察其工作過程。

隨著科學的迅猛發展和人才培養質量要求的不斷提高，基礎化學實驗教學的內容愈來愈豐富，要在有限的實驗教學學時下擴充實驗教學內容，提高實驗教學質量和效率，必須對傳統的基礎化學實驗教學內容和方法進行改革。

目前，先進的網絡和信息技術已將化學領入了信息時代，隨著現代教育技術的發展，采用模擬仿真技術，計算機圖形圖像技術等生成逼真的實驗場境，在虛擬的情境中完成真實情況下難以甚至不能實現的實驗已成為可能。化學虛擬仿真實驗作為真實實驗的重要補充可擴展，具有仿真性、沉浸感、安全等特點，與實物實驗有機結合，可以使學生獲得全面的訓練，對培養學生動手能力、觀察能力、獨立思考能力和創新能力具有重要意義。

2 基礎化學實驗改革的做法

根據現代化學實驗教學需要，在反復論證利弊的基礎上，成立了“基礎化學實驗教學中心”、“化學虛擬仿真實驗教學中心”。

首先，及時調整了部分實驗儀器設備的管理和使用，合并了無機化學、分析化學、有機化學、物理化學的天平室，將原有的天平集中管理和使用。調整的結果完全能夠滿足基礎化學實驗的需要，且基礎化學實驗教學中心的天平室還可對其它學生實驗開放，既避免了重復購置，又提高了天平的使用率。總之，顯著地提高了基礎化學實驗室和儀器設備的利用率，為基礎化學實驗教學改革打下了良好的基礎。

其次，加強了基礎化學實驗主講教師的力量，采取從事理論教學教師都要擔任實驗主講教師，新到校的青年教師直接先到實驗室專職做1年以上的實驗主講教師，充分發揮任課教師參加實驗教學和實驗教學改革的積極性。基礎化學實驗教學實行主講教師制度，實驗主講教師負責實驗課教學內容的改革與修訂、實驗教學過程的把關、實驗教學考核的實施；對首次指導實驗的新教師和首開新實驗的教師，實行試講試做工作制度。加強師資力量和提高實驗教學水平為基礎化學實驗教學改革提供了有力的支撐。

第三，將無機與分析化學、有機化學、物理化學課程涉及的實驗內容作為一個整體統籌安排，對基礎化學實驗內容進行重組，使實驗內容合理銜接，刪除內容存在低水平重復的實驗，突出基礎化學實驗的應用性，減少了驗證性實驗項目，增加了技能性、綜合性、設計性實驗項目。

第四，按照應用型人才培養定位，化學虛擬仿真實驗教學已基本構建了兩大層次教學資源：第一層次——以強化雙基教學為主導的基礎化學虛擬仿真，該層次的虛擬仿真實驗課程設置主要以無機化學、分析化學、有機化學、物理化學等基本實驗的實訓，設置目的是讓學生系統學習化工類專業的基礎實驗知識，掌握基礎技能，強化基本操作能力訓練。同時培養學生獨立思考、團結協作的精神，加強分析問題和解決問題能力的培養，從而達到提高學生專業學習的興趣。根據虛擬現實教學的特點，深化改革，加強課程建設，對實驗基本操作類內容加強練習，保障學生動手能力的培養是實物實驗的安全。本層次為學生開設虛擬仿真實驗內容有：化學實驗基本操作與實驗室準入、無機化學虛擬仿真實驗、分析化學虛擬仿真實驗、有機化學虛擬仿真實驗、物理化學虛擬仿真實驗。第二層次——以強化應用能力為主導的大型分析儀器虛擬仿真，該層次的虛擬仿真實驗課程設置主要以化學相關的儀器分析課程為主，包括電化學分析、色譜分析、光譜分析及其它大型儀器等實驗項目的設置，設置目的是培養學生的查閱、動手、觀察、記憶、思維、想象和表達等能力，促進學生的全面發展。具體到教學內容上則是重在使學生掌握常用大型分析儀器的結構原理、基本操作及應用等，掌握儀器分析中儀器維護、樣品處理和處理數據的基本方法，了解儀器分析領域的最新發展動向及其趨勢，鞏固課堂所學理論知識，培養學生發現、分析、處理、解決問題的能力，加強學生素質教育，激發學生的創新精神，把學生培養成為適應化工行業發展要求的新型人才。

3 基礎化學實驗課程體系的構建

構建了與理論教學相結合的實驗教學體系及其實驗教學內容，實現實驗教學與理論教學緊密結合、實驗教學內容與工程應用能力培養緊密結合。按照“強化基礎、循序漸進、逐步提高、注重應用”的原則，構建注重全面素質、突出應用能力培養的實驗教學課程體系，改革現有實驗教學內容，減少重復內容，增加接續性實驗；減少演示性實驗、驗證性，增加綜合性、設計性實驗，開發新技術實驗內容，增加了化學仿真實驗。

將過去單獨開設的無機化學實驗、分析化學實驗完全融合統一考慮。在實驗教學中，實驗課為60學時，與改革前兩門實驗課的學時總和相同，但在實驗內容上進行了重新安排。在定量分析的實驗方面，使學生能夠熟練掌握像分析天平、酸度計、電導率儀等常規儀器的正確使用，精選了實驗內容與陰、陽離子定性分析鑒定相結合的元素性質實驗，目的是使學生在了解典型元素不同價態化合物的酸堿性和氧化還原性的同時，能利用其化學性質進行分離和鑒定。開設了多個綜合性實驗及1個初步的設計性實驗，以培養學生分析和解決問題的能力。

在實驗教學方面，除無機化學實驗、分析化學實驗進行了大幅度改革外，有機化學、物理化學方面實驗也進行了有效改革。物理化學實驗新開出了燃煤質量測定1個綜合性實驗項目和乙酸乙酯皂化反應速率常數及活化能的測定、二元液系相圖及工作曲線的繪制2個設計性實驗項目，著重培養學生的實踐動手能力、知識應用能力。

十分注意將基礎化學的理論課和實驗課統一考慮，有一些理論課內容與實驗課內容聯系緊密，放在實驗課上講，讓學生邊學理論邊做實驗，既豐富了實驗內容，又緩解了理論課時間少內容多的矛盾。

化學虛擬仿真實驗教學結合應用型人才的培養定位，分別構建了基礎化學在線虛擬仿真實驗、大型分析儀器虛擬仿真實驗。充分利用虛擬仿真的優勢和特點集中解決各部分在實物實驗中的瓶頸問題，仿真實驗與實物實驗相互搭配，形成虛實結合、動靜結合、理論與實際相結合的有機整體。突出了虛擬仿真實驗的靈活高效性、安全環保性，以及涵蓋面廣和成本低廉的特色。首先，在基礎化學虛擬仿真實驗階段，利用虛擬仿真實驗具有的可重復型的特點，學生在虛擬實驗工程中，可以反復練習，不拘泥于實驗時間、儀器設備和藥品的限制，更好地強化了學生的基本操作，解決了學時與學習效果之間的矛盾；利用虛擬仿真實驗的可視化特點，使學生在虛擬實驗中觀察到經典化學實驗難以跟蹤、肉眼甚至儀器無法觀察的分子微觀變化以及相互作用，更真實和形象的描述化學反應的過程、揭示化學的本質，豐富學生的想象力和領悟力，激發學生的創造力；利用虛擬仿真實驗綠色環保、仿真度高、交互性強的特點，突破傳統實物實驗的限制，達到實驗過程綠色化、實驗手段現代化和實驗結論科學化的效果，讓學生在安全、低毒、環保的實驗環境中獲取知識。其次，在化學實驗儀器工作過程中仿真及虛擬操作訓練，突破封閉化儀器設備內部結構及運行機制的不可視化，有利于學生對儀器設備的掌握和深刻理解。因為大型科學儀器設備價格和運行成本昂貴。同時，大多數儀器核心工作部件封閉，特別是在工作狀態下不可同時觀察其內部工作過程。這些特點嚴重制約學生對儀器工作原理、運行機制的理解和掌握。而即時學生實際能夠上機操作，時間也非常有限。化學虛擬實驗利用計算機仿真，以儀器原理的邏輯順序為依據，以可視化的反應儀器工作過程，增強學生對儀器原理和工作過程的理解，提高了大型儀器的操作能力和儀器利用率。虛擬仿真實驗的引入，大大提高了實驗的效率，解決了設備不足的矛盾，降低了成本，增強了學生的積極性和創造型，達到事半功倍的效果。

4 基礎化學實驗改革的效果

基礎化學實驗的教學改革，經過實踐、完善、提高，廣大師生對實驗教學改革持贊同和支持的態度。教師一致認為，基礎化學實驗課開設技能性、綜合性以及設計性實驗，有利于調動學生主動學習的積極性，有利于鍛煉動手能力，有利于應用型人才培養。根據現在社會對畢業生的要求和國家教育部開展的應用型人才培養要求，必須要開出綜合性實驗、設計性實驗，這樣才有利于學生素質和知識應用能力、工程實踐能力的培養。學生對基礎化學實驗改革參與的積極性普遍較高，在對學生畢業前的調查中，學生認為收獲較大。

化學虛擬仿真實驗是實物實驗的補充，仿真實驗與實物實驗相互搭配，形成虛實結合、動靜結合、理論與實際相結合的有機整體。突出了虛擬仿真實驗的靈活高效性、安全環保性，以及涵蓋面廣和成本低廉的特色，以虛擬實驗作為一種新型知識載體和實物實驗的補充和延伸，通過強化虛擬實驗與實物實驗協同培養化工類人才，利用課內外一體化的實驗教學模式，探索了虛實結合的化學實驗新途徑。

近年，在化學工業出版社出版了無機與分析化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗3部特色實驗教材，已應用于化學實驗教學中，學生、教師反映良好，并被評為學校優秀教材。

5 結 語

基礎化學實驗教學是高等學校化工類專業實現應用型人才培養目標的重要環節，它對提高學生的綜合素質，培養學生的創新意識與創新能力，培養學生的知識應用能力和實際工程能力，有著非常重要的作用。

加強實驗教學中基本技能和綜合實驗的訓練，對實驗內容、實驗的方法等方面實行全方位的優化。增加綜合性實驗數量，并不斷將最新的科技成果引用到實驗教學中，提高實驗教學水平。開放實驗室，加強學生的獨立思考能力、動手能力和科學研究方法的培養和訓練，以適應面向現代企業發展的要求，培養出高水平的應用型人才。

加強基礎化學實驗項目綠色化建設，從實驗藥品與溶劑的選用、原子經濟反應、產品與工藝的安全性等方面考慮，對已開出的實驗項目進行全面改造，真正達到綠色化要求，增加綠色實驗項目，增強學生的環保意識。

按照現代實驗教學理念以及當代先進科技水平，建設高度仿真、極具代表性的化學虛擬仿真實驗，豐富實驗教學資源，降低實驗教學成本，提高實驗教學水平，更好的完成工科學生的工程實踐能力、創新能力的培養。實現“虛實結合，相互補充，能實不虛，以虛補實”，對代表性的過程，要盡量建立“實物”，通過實訓階段，實現“虛實結合”，強化學習效果。對于復雜過程，以虛補實，實現“虛實互補”。

[1] 范望喜，秦中立. 整改實驗教學 提高教學質量[J]. 武漢生物工程學院學報，2006，2(1)：60～62.

[2] 高世萍，翟濱，于長順 等.無機及分析化學實驗改革的研究與思考[J]. 實驗室科學，2006，(3)：42～43.

[3] 林璜，叢修杰，姜潤田 等.無機與分析化學實驗課教學改革初探[J]. 中山大學學報論叢，2003，23(1)：14～18.

[4] 沈國良，徐鐵軍，朱海峰 等.綠色化學與化工課程體系與內容的構建[J]. 化工高等教育，2010，(5)：37～40.