基于OBE理念的物理化學實驗教學的改革與實踐

朱元強 陳永東 方申文 余宗學

摘要：物理化學實驗對化學化工類專業工程技術型人才的培養非常重要。為了滿足OBE工程教育背景下人才培養的需要，通過改進實驗，引入項目負責制、混合式教學模式、小班教學和“成果導向、學生中心、持續改進”的育人理念，完善考核制度和課程評價機制，實現了“學生中心”的教學轉變。這種教學模式，發揮了學生的主觀能動性，提高了學生的工程意識和創新能力，能夠有效促進工程技術型人才的培養。

關鍵詞：物理化學實驗;教學改革;工程教育;學生中心;達成度

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）49-0087-03

教育部在“新世紀教改工程”中強調人才培養的宗旨是注重學生綜合素質的提高，培養學生的創新意識和實驗能力。[1]強化實驗教學內涵建設，是提高學生綜合素質的重要環節。[2]物理化學實驗是利用物理和化學的技術手段表征體系的性質，揭示物理、化學現象和化學反應所遵循規律的科學。物理化學實驗教學是物理化學教學的重要組成部分，是教學向科學研究實踐過渡的重要階段，在化工、應化等專業人才培養中占有重要地位。因此，做好物理化學實驗教學，具有重要意義。[3，4]

目前，物理化學實驗教學不能很好滿足新形勢下人才培養的需要，[5，6]這就需要引入新的教學理論，變革教學模式。2013年，我國成為《華盛頓協議》的成員，開啟了我國工程教育的新篇章。工程教育遵循成果導向、學生中心、持續改進的教育理念。成果導向教育（Outcome based education，OBE）理念引導工程教育改革，具有現實意義。[7]OBE理念遵循反向設計、正向實施的原則。反向設計是從需求開始，由需求決定培養目標，由培養目標決定畢業要求，由畢業要求決定課程體系。我校化工專業2015年通過工程教育專業認證，2018年化工和環境工程專業接受了現場考察和評估。借助實踐成果導向的教育理念，物理化學實驗教學在學生能力的培養方面取得了良好的效果。

一、物理化學實驗傳統教學模式的不足

經過對國內外物理化學實驗教學的調研分析，結合我校學生對物理化學實驗教學的反饋意見，改革前的物理化學實驗教學存在的主要不足如下。

1.課程目標和畢業要求認識不到位。傳統實驗教學的教學模式和教學手段單一，教師對課程目標和能力要求強調不夠，學生理解不好，導致學生在實驗過程中目標不明確，沒能很好進行獨立思考，導致最終實驗教學效果不能很好地達成教學目標。

2.實驗教學內容更新不足。教學內容主要針對物理化學的基本原理和性質規律開展驗證。這些實驗雖然能加深學生對概念、原理的理解，但是沒有很好實現學生能力的培養，也不能適應當前不同學科發展的需要和新工科的建設要求。

3.實驗教學與能力培養連貫性不足。以前，實驗教學以掌握儀器的使用、實驗步驟、實驗報告為主。這種教學模式沒有很好地體現學生中心的教育理念，學生在實驗中缺乏主動性，沒有針對實驗中出現的問題展開研討，不利于培養學生獨立思考、分析和解決問題的能力。實際生產和科學研究中，意外問題經常發生，而這些問題的解決需要有敏銳的捕捉能力和探索精神。這就導致學生在新環境中需要轉變思維方式和學習方法。

4.教學方法和考核機制單一。改革前，物理化學實驗教學中缺乏師生間的溝通和討論。課程考核以實驗報告和期末考試為主，缺乏對學習過程的監控和考核，這就造成學生只關注結果，不關注知識的獲取過程，忽略發現問題、提出問題、分析問題和解決問題等能力的培養。

二、基于OBE理念的物理化學實驗教學

（一）物理化學實驗課程的教學目標

培養目標是對畢業生在畢業后5年左右能夠達到的職業和專業成就的總體描述，是人才培養的總綱，是構建專業知識、能力、素質結構，形成課程體系和開展教學活動的基本依據。畢業要求是對學生畢業時所應掌握的知識和能力的具體描述。培養目標是確定畢業要求的依據，畢業要求是達成培養目標的支撐。基于此，《物理化學實驗》課程的目標為：通過課程的學習，具備初步的實驗方案設計能力，能夠根據實驗方案搭建實驗裝置、實施實驗研究、采集實驗數據，選用恰當的數據處理方法進行分析，得到有效結論，并能夠撰寫科技報告。

（二）物理化學實驗教學內容的優化

為了實現課程目標、達到畢業要求，并與國際科技發展前沿動態融合，物理化學實驗教學在教學內容上需要不斷更新。

一方面，改進經典實驗。經典的物理化學實驗是對物理化學知識的重構，幫助學生建立理論聯系實際的橋梁。在教學過程中，學生不僅要熟悉實驗程序，更重要的是鞏固基礎理論，重構物理化學知識體系，內化為自己的能力。這樣，教師在教學過程中要引導學生了解和掌握發現問題、分析問題和解決問題的方法，培養獲取知識的能力。[8]因此，對經典實驗進行改進，使之具有一定的未知性和挑戰性是必要的。[9，10]根據我校實際情況，我們改進了部分實驗，提升了實驗的挑戰性。如燃燒熱的測定實驗，教材上要求測定固體物質的燃燒熱，改革后要求學生根據這個原理設計相關實驗，測試未知液體試樣的熱值，使實驗接近生產和生活實際，培養學生的探索精神、實驗方案設計能力和分析解決問題的能力。

另一方面，引入科研前沿成果，展現學校的能源特色。學生既感興趣，又充滿好奇心，為實驗教學注入新的生命活力。如動力學實驗中，引入燃料電池和電池催化劑的制備與活性評價。對于改進后難以在實驗室完成的，則設置為課后延伸作業，要求學生查閱資料，完成方案設計。教學實踐發現，這是一種培養學生創新能力的有效方法。

（三）物理化學實驗教學模式的改革與實踐

為了實現課程目標，物理化學實驗教學除了更新教學內容外，教學模式也要適應新形勢的要求。

1.“學生中心”的項目負責制。項目負責制有利于教師更好地掌握學生狀態，促進教學過程的持續改進。教學團隊負責項目設置、過程監控、效果評價和持續改進方案的制訂。每個實驗項目最少由兩名教師共同負責，包含實驗準備、實驗過程指導、目標達成情況評價、項目質量報告和持續改進方法。為了更好地進行教學管理，學校引進實驗教學系統。教師公布實驗和開課時間后，學生自主選擇上課時間和實驗項目。選定后，學生須按時完成實驗和實驗報告。教師在指定時間內完成實驗項目的分析總結，提出改進意見，最后提交教學團隊討論，形成成果導向的良性循環，充分體現“學生中心”的教育理念。

2.線上線下結合，充分預習。教學團隊針對學校物理化學實驗開設情況編寫實驗教材和實驗報告冊，方便學生有針對性地開展預習，并完成實驗報告的預習部分。同時，為了實現學生能夠隨時隨開展學習，強化學生中心、終身學習習慣的培養，教學團隊建設了資源共享課程。教師將負責的實驗項目的安全環保注意事項、實驗目標和能力訓練要求、主要儀器操作和注意事項等制作成課件、視頻、教案、題庫等，上傳到課程平臺。學生通過觀看視頻、教案、課件完成實驗的預習。為了檢測學生預習情況，學生完成預習以后，必須完成檢測題，得分高于70分的學生允許進入實驗室，低于70分的學生要再次學習，直到達到預習要求方能進入實驗室。這種模式弱化了知識性的灌輸，強化了學生的自主學習，有利于自學能力和終身學習習慣的培養。

3.小班教學，充分交流。小班教學有利于教學理念的貫徹、教育手段的執行、師生交流和知識的更好建構。自2013年，物理化學實驗堅持小班教學，每輪實驗人數不高于20人，每個小組最多兩人，保證每位學生均能進行有效的實驗操作，組內能夠有效交流。實驗中，兩位學生分工協作，互換角色，遇到問題，及時與同學、教師討論，培養提出問題、分析問題、展開討論并解決問題的習慣，實踐知識的建構。教師一邊指導實驗，一邊對學生的實驗過程進行評價。實驗結束后，學生集中討論，交流心得，小組代表闡述對實驗的認識。然后，教師進行點評，分析如何由實驗原理設計相應的實驗方案、實驗成功的關鍵、失敗的原因、改進方法。對于沒有達到實驗要求、達成實驗目標的學生，要求重新進行實驗。

4.效果評價與持續改進。效果評價是督促學生學習的一個有效手段，是實驗教學的重要環節。OBE的教學評價聚焦在學習成果上，采用多元和梯次的評價標準，評價強調達成學習成果的內涵和個人的學習進步。效果評價要求強化各教學環節的能力考核，弱化結果，加大過程比重，將考核分為過程成績（50%）和期末成績（50%）。其中，過程成績包括預習（20%）+操作（20%）+實驗報告（30%）+安全環保意識（10%）+團隊協作與交流（20%）;期末成績包含操作考試（60%）和筆試（40%）兩部分。預習成績主要考核學生的自學能力、文獻查閱能力和對實驗方案的設計能力。操作成績考核儀器操作技能與規范程度和實驗中的觀察能力、數據記錄的規范性以及提出問題、分析問題、解決問題的能力和突發狀況的解決能力。實驗報告主要考核學生對實驗結果的表達能力，分析、總結得出結論的能力和規范性。安全環保意識成績只要考核學生對用電、化學試劑、氣瓶等的使用和處理的規范性。團隊協作與交流成績主要考核學生實驗過程中是否展開獨立思考，考核提出問題、協同分析問題、解決問題的能力。考試主要考核學生對課程目標的實現程度。

課程結束后，按照工程教育專業認證要求，形成課程質量評價報告，從而調整持續改進措施。

三、結束語

在工程教育認證背景下，針對物理化學實驗教學中存在的問題，按照OBE的教育理念，進行了改革嘗試。將項目負責制、混合式教學模式、小班教學與“成果導向、學生中心、持續改進”的育人理念相結合，實現了從重結果到重過程的評價機制轉變，取得了較好的效果。這種教學模式能夠充分發揮學生的主觀能動性，促進終身學習習慣的養成，實現“學為中心”的教學轉變。這不僅使學生對物理化學實驗的知識掌握更加深刻，而且為學生解決實際問題、建構知識體系提供了一種實踐模式。

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