創新性基礎化學實驗課程建設及其在疫情下的在線教學應用

宿 艷， 姜文鳳， 杜 欣， 張永策， 田福平， 潘玉珍

（大連理工大學化工學院，遼寧大連116024）

0 引 言

作為首批“國家級實驗教學示范中心”和首批“國家級虛擬仿真實驗教學示范中心”，大連理工大學基礎化學實驗中心（以下簡稱“中心”）積極堅持“以本為本”的教學理念，在基礎化學實驗課程建設方面，銳意改革，構建符合新時代本科教育創新人才培養目標的實踐教學體系和內容。中心共開設24 門實驗課程，指導學生約3 800 人，涵蓋全校化工與制藥類、應用化學、環境與生命、機械、材料、土木等近40 個專業，實驗教學工作量總計約為20 萬人學時，為本校化學化工及相關學科的本科教學及人才培養提供有力支撐。

新時代背景下基礎化學實驗中心在課程建設過程中遇到如下幾個關鍵性問題［1-3］：如何避免不同實驗課程相對孤立，教學內容交叉重復，欠創新性和挑戰度；如何提高學生的安全環保意識，保障實驗中的安全規范操作；如何解決實驗教學資源不足而導致學生“照方抓藥”、操作不規范、創新思維不足；如何改變學生因缺乏主動性和實踐思辨性，學習成效不顯著等問題。針對上述問題，中心積極探索課程改革新思路，從課程體系和內容、教學資源、教學模式等方面實施改革，著力通過資源建設提高學生的創新實踐能力。

1 實驗教學改革與實踐

1.1 重構系統化、遞進式基礎化學實驗

以無機化學、分析化學、物理化學和有機化學實驗4 門國家精品實驗課程建設為基礎，中心從學科層面科學規劃、頂層設計，貫通建設，突破同一學科不同課程間壁壘，避免課程間內容孤立、交叉重復，重構基礎化學實驗課程體系和內容，圍繞化學科學解決實際問題這一主線，系統構筑“基本技能模塊—制備提純模塊—性質測定模塊—分析表征模塊—綜合創新模塊” 5 個漸進模塊的基礎化學實驗課程新體系，實現先導模塊對后續模塊鋪墊和后續模塊對前置模塊的延伸。

基本技能模塊既單列，又穿插在各個實驗項目中，既便于學生縱觀全貌，又有利于學生得到基本操作技能的強化訓練。課程內容貫穿一條主線，幫助學生系統了解化學科學解決實際問題的方法和手段，培養學生專業素養，幫助學生形成科學思維。與學科前沿相結合的綜合創新模塊，體現了化學學科的應用性、趣味性，反映了現代化學的新進展和新技術，有效解決了因知識體系不系統、不完整而導致創新能力缺失，提高學生的創新實踐能力，滿足不同層次人才培養的需求，激發學生的學習興趣和社會責任感。

1.2 建設系列化、層次化的精品實驗教學資源

中心系列化、層次化建設基礎化學實驗課程的教學資源，包含課程思政案例庫、數字化資源庫、科教融合項目庫三大實驗教學資源庫。

課程思政案例庫涵蓋30 個與學科相關的體現職業道德、環保理念、家國情懷、科學精神等教學案例，通過在各門實驗課程中引入化學思政案例，培養學生正確的價值觀、道德觀和堅韌的科學品質［4-5］。如在物理化學實驗課程中，介紹我國著名的物理化學家、中國催化科學奠基人之一、我校化工學院創始人張大煜先生，他領導了催化、色譜、化學激光和化學工程等領域的科學研究，對我國的科研事業和教育育人做出了巨大貢獻，通過對老前輩的介紹鼓勵學生在學習過程中要認真求實，激勵學生的家國情懷和社會責任感。

多元融合的數字化資源庫涵蓋實驗微視頻、虛擬實驗、動畫、課件、試題庫、新形態教材6 個模塊內容。模塊化、情景化構建的數字化資源庫可高效完成知識的傳輸過程，規范學生基本操作技能，提高實操精準度，避免課中忙于“照方抓藥”而無暇探究和思考的問題，滿足學生個性化的學習需求［6-8］；層次化建設的虛擬實驗項目既覆蓋化學實驗基本操作等基礎實驗，又包含高毒性、高危險性和涉及大型精密儀器實驗，通過“以虛補實”的方式使學生完成難以實做的實驗，實現對培養方案內容的全覆蓋。

科教融合項目庫涵蓋20 個涉及學科前沿、工程實踐、競賽轉化、科普創新等的實驗項目。例如，分析化學實驗項目中的“Fe3O4修飾的MoS2納米花的制備及類酶活性分析”即由中心教師的科研成果轉化而來，學生通過項目完全可以掌握水熱法、溶劑熱法等納米材料的制備方法，并通過類酶比色傳感分析檢測葡萄糖。科教融合項目賦予學生實施研究性實驗項目的機會，通過“做研究”提升學生的創新實踐能力，滿足新時期拔尖人才培養的需求［9-12］。

1.3 建設系列實驗教學管理平臺

為保障學生課上的安全規范操作，提升學生安全環保意識，中心根據各門實驗課程特點，針對性創建以虛擬仿真為特色的安全教育學習資源庫、安全考核、安全準入認證、安全管理等4 個模塊功能的化學實驗安全準入平臺（見圖1），實施課前安全準入考核。學生在進入實驗室前，需先學習安全講義和虛擬實驗等安全教育資源，并經過安全考核、安全準入認證后，方可取得實驗預約的資格，保障學生課上安全規范操作［13］，提升學生安全環保意識。

構建移動實驗教學平臺（見圖2），全面覆蓋實驗教學課前、課中、課后整個學習過程，精準設計“課前導學—學情分析—個性化指導—全過程測評考核—教學交流與反饋—教學內容循環優化”6 個功能模塊，實現多元資源學習、實時學情分析和高效教學管理，將教師的“教”與學生的“學”融為有機整體，為智慧實驗教學提供載體支撐［14-15］。面向高校和社會，實驗教學資源在中國大學MOOC平臺上線，實現優質資源共享。

圖1 化學實驗安全準入平臺

圖2 移動實驗教學平臺

2 新型教學模式探索

中心以獨創的化學實驗安全準入平臺和移動實驗教學平臺為載體，設計并實踐了全覆蓋基礎化學實驗課程的智慧教學流程（見圖3）。課前安全教育、資源導學、學情分析、設計教學內容；課中實時操作、個性化指導、科教融合項目引入、全過程實時考核評價；課后提交電子報告、教學反思，實現了教學內容循環優化的“閉環”教學流程。通過將科研項目轉化為實驗教學項目，并利用數字化資源進行課前內容的導學，建立并實踐一種線上線下融合、教學科研融合的智慧教學模式，扭轉學生在實驗過程中“機械照搬”和思考不足的現象，培養學生創新思維和能力，滿足學生個性化培養需求和高校拔尖人才培養需求。

圖3 實驗教學流程

3 教學成效

3.1 建成實用的基礎化學實驗課程

中心層次化建成了課程思政案例庫、數字化資源庫、科教融合項目庫3 個精品實驗教學資源庫。固化課程資源在高等教育出版社出版了“基礎化學實驗”“化學實驗室安全基礎”2 部新形態實驗教材，被國內其他高校廣泛使用，在同類實驗教材中處于領先地位。自主研發的虛擬實驗項目廣泛應用于全國11 所高校，發表相應教學軟著5 部，其中“小晶粒ZSM-5 分子篩的合成、表征及甲醇制芳烴催化活性研究虛擬實驗” 被評為遼寧省虛擬實驗項目。率先創建了化學實驗安全準入平臺和移動實驗教學平臺兩個實驗教學管理平臺。獲批了分析化學實驗和無機化學實驗2 門基礎化學實驗課程在中國大學MOOC 平臺上線。面向化工及相關專業學生2 600 余人，實施課前安全教育，全部學生均獲得安全準入資格，達標率為100%。

3.2 實施線上線下融合的、教學科研融合的教學模式

針對化工及相關專業六屆學生4 000 余人實施實驗教學改革，實踐表明學生創新能力明顯提高。學生參與科研項目的積極性增加，近2 年累計參加國家級等大學生創新實驗項目22 項，在卓越杯等重要賽事中獲獎20 余項，其中2019 年3 名學生設計的“基于綠色化學理念的苯甲醛與安息香的相互轉化”實驗在首屆全國大學生化學實驗創新設計賽中榮獲特等獎，通過苯甲醛與安息香這一循環轉化反應，培養學生綠色化學理念和安全環保意識，提升學生創新實踐能力。

3.3 開設獨創的移動實驗教學平臺和MOOC平臺

移動實驗教學平臺全面覆蓋基礎化學實驗課程群的教學資源。運行以來，截至目前注冊用戶1.2 萬人，預約2.1 萬人次，日訪問高峰在8 921 人次，國內11所高校如哈爾濱工業大學等依托本移動平臺進行混合式實驗教學實踐，均取得很好的教學效果。2019 年秋季學期分析化學、無機化學2 門實驗課程在中國大學MOOC平臺首次上線，在各個高校實驗教學體系不盡相同的情況下，注冊學習人數高達1 萬人次，在同類化學實驗慕課中處于前列。

3.4 帶動高校實驗課程建設和教學模式改革

近2 年，中心教師受邀在課程建設、示范中心建設和虛擬仿真項目建設等研討會上作大會專題報告10多次，受到廣泛贊譽。在“2019 年新時代高校化學化工教學改革與創新研討會”上，中心3 位教師以大工元素亮相，分別介紹分析化學實驗、無機化學實驗和物理化學實驗的課程建設經驗，得到與會代表的高度關注。中心每年接待清華大學等近20 所高校的參觀和深度交流學習，積極發揮了國家級實驗教學示范中心的引領作用。近2 年，團隊成員發表教學論文27 篇，獲得國家級等獎勵12 項。

3.5 發揮數字化資源優勢，實現實驗課程在線教學

2020 年春季學期，突發其來的疫情使得各高校無法正常開學。為減小疫情對實驗教學的影響、緩解開學后學生的學習壓力，中心充分利用已建設的中國大學MOOC、遼寧省虛擬仿真實驗教學項目等優質課程資源進行在線教學；依托移動端實驗教學管理平臺、QQ群、微信群等提供在線教學服務。各門課程分別按時間節點布置任務，要求學生在線完成安全教育和準入考核、視頻等精品資源學習、預習測試考核、虛擬實驗模擬操作，利用平臺大數據掌握學生的學習效果，通過線上討論、線上答疑等教學環節在線指導學生自主學習，激發學生的學習興趣和積極性，提高課程的“兩性一度”。疫情期間，在線教學的實施有利于進一步引導教師做好優質教學資源的建設和共享，進一步引導學生學會學習和培養創新思維，進一步引導師生推動傳統教育教學實現革命性轉變。

4 結 語

基礎化學實驗中心以培養高素質創新實踐型人才為核心，圍繞化學科學解決實際問題方法這一主線，系統構筑5 個漸進模塊的基礎化學實驗課程新體系，層次化建設3 個精品實驗教學資源庫，培養學生化學專業素養，幫助學生形成科學思維，激發學生的學習興趣和社會責任感，滿足不同層次人才培養的需求。依托課程資源，以獨創的化學實驗安全準入平臺和移動實驗教學平臺為載體創新教學流程，實施教學與科研融合、線上與線下融合的智慧教學模式，提高學生的創新實踐能力，形成對實驗教學中心建設具有重要參考和借鑒意義的實驗教學新范式。新冠肺炎疫情期間，中心利用已有課程資源進行在線教學，實現了“停課不停教，停課不停學”，有效促進了優質資源共享。