能源化工專業(yè)實驗教學模式的探索與改革

翟 雪，喬金碩，孫 旺，黎漢生

（北京理工大學 化學與化工學院，北京 102488）

能源化工是現(xiàn)代工業(yè)的重要組成部分，包括新能源技術、可再生能源技術及低碳經濟能源技術等，其以國家未來國家新能源產業(yè)需求為目標，與關系未來人類生存環(huán)境和人類生活的一些重要戰(zhàn)略性新興產業(yè)密切相關。實驗實踐教學，特別是專業(yè)實驗以及專業(yè)創(chuàng)新實驗等實踐性教學環(huán)節(jié)，是連接理論知識與工程實踐的橋梁，是培養(yǎng)工科學生崗位職業(yè)能力的重要途徑[1-4]，對于學生理論聯(lián)系實際的工程素質以及解決實際問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要作用[5-8]。

我校“能源化學工程專業(yè)實驗”課程，包括面向能源化學工程專業(yè)學生的64學時（2學分）能源化工實驗 A課程（必修課），以及面向全校相關專業(yè)學生的32學時（1學分）能源化工實驗B課程（選修課）。在教學過程中，我們運用OBE理念，以學生的產出為導向，著重培養(yǎng)學生工程實踐能力和獨立解決問題能力，將信息技術與實驗教學相結合，吸取以往教學模式的經驗教訓，啟用新式教學平臺、教學模式與教學方法，有效解決了原有的諸多問題，而且為實踐實驗類教學課程的未來發(fā)展提供了廣闊的空間。

1 能源化工專業(yè)實驗教學存在的問題

1.1 傳統(tǒng)教學模式存在諸多問題

傳統(tǒng)的實驗教學模式是以教師為中心、講義為中心、課堂為中心的，為教師單向傳授、學生被動接受的局面[9-11]。這種模式存在如下問題：①實驗預習形式化。學生按照實驗講義進行預習，甚至有不預習、抄襲預習報告的現(xiàn)象，預習效果不佳。②學生獨立操作課時少。上課時由于任課教師要重復講授講義中的基本理論知識、操作方法和注意事項等內容，使得學生獨立操作課時比例較少，沒有充足的時間鍛煉學生的動手實踐能力。③機械式操作。由于上課過程中缺乏思考和分析問題環(huán)節(jié)，學生進行實驗時只是簡單地按照實驗講義或教師的演示進行流程化的操作，不能對實驗過程產生的問題和現(xiàn)象進行深入思考和分析。④填鴨式教學模式。形式化的預習和機械式的操作使學生在整個教學過程中，總是被動接收信息輸入，缺少自主學習和對問題、現(xiàn)象的深層次思考。⑤單一化考核。傳統(tǒng)的教學往往依據(jù)實驗總結報告和出勤率來進行成績評定，缺少對過程的監(jiān)控，使考核在某種程度上不夠公正和全面[12-13]。

1.2 學生的基礎單元操作能力薄弱

在專業(yè)實驗中，學生的失誤率往往較高。研究發(fā)現(xiàn)，實驗的失敗主要源于學生的基礎單元操作不規(guī)范。但隨著專業(yè)實驗中設計型和研究型實驗比例的增加，基礎單元操作教學學時卻一再被壓縮，學生很難在這樣有限的時間內提高基礎單元操作能力。

1.3 專業(yè)實驗教學人均設備數(shù)嚴重不足

雖然專業(yè)實驗教學內容多，儀器設備種類需求多，但由于設備經費和實驗室空間所限，不得不使教師循環(huán)教學，即教師不得不重復講解那些基礎知識和演示操作，大大增加了教師的工作量。與此同時，學生在課堂上不得不共用儀器設備，進一步減少了學生課上的獨立操作時間，影響了教學效果。

1.4 專業(yè)教學人員授課質量參差不齊

由于授課教師的教學方法和教學能力各有不同，授課質量參差不齊。另外，缺乏經驗豐富的實驗指導教師，影響了實驗教學效果的提升。

2 新型教學模式的確立

基于以上專業(yè)實驗教學中存在的問題，我校化工實驗中心教師結合能源專業(yè)實驗教學的實際情況，提出將實驗教學改為課前微視頻導學、課上深化內化、課后鞏固反思三部分。課前微視頻導學使學生不受時間、地點限制，自主學習基礎性理論知識，熟悉規(guī)范化的基本操作，并提出感到困惑的問題。課上深化內化是指，在實體課堂中，教師有針對性地解答學生的疑點難點，提高教學效率，并為接下來的學生獨立操作留出充足時間。與此同時，教師能夠考察學生操作的規(guī)范性和課前自主學習情況，針對實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行啟發(fā)式提問，還可以考察學生在討論交流過程中是否能夠利用所學的專業(yè)知識對問題進行深入思考，并給出合理的解析。課后的鞏固反思過程，學生首先要通過撰寫總結報告，進行知識梳理、數(shù)據(jù)處理及現(xiàn)象解析，并上傳至實驗中心網站，再通過查看教師對報告的批改和在討論區(qū)的互動交流，實現(xiàn)對難點的攻克和對學習效果的強化，同時也體現(xiàn)了報告批改的透明化和公平化。

3 實驗教學改革的具體舉措

實驗教學改革的具體舉措主要體現(xiàn)在三個方面，如圖1所示。

圖1 問題導向的能源化工專業(yè)實驗教學改革框架圖

3.1 教學資源的建設與完善

（1）完善微視頻。在原有實驗教學基礎上，將原有實驗的基礎模塊、綜合模塊、研究設計模塊中的每個實驗分解成若干獨立的基礎單元操作過程，制作相應的實驗教學視頻（實驗操作過程）。目前，課程涉及的 10項實驗的微視頻已全部制作完成，并已應用到2018—2019年度“能源化學工程專業(yè)實驗”教學中。從學生的反饋來看，學生通過微課進行自主學習，提高了學習積極性，活躍了思維，深化了對實驗原理和操作方法的理解，提高了實驗教學效果。微視頻將隨著教學改革不斷更新完善，以達到更好的教學效果。

（2）制作學習任務單和實驗教學PPT。包括學習目標、學習方法、實驗原理、儀器原理、知識拓展、教學反思等輔助性內容，與實驗教學微視頻共同作為課前導學教學資源。

（3）建設線上教學平臺。將教學資源上傳至實驗中心教學平臺。學生通過互聯(lián)網進行操作，對微視頻進行在線學習，可滿足大多數(shù)學生的學習需求。其中的“學習困惑”模塊匯總了學生在線上平臺自主學習過程中遇到的疑點、難點，有助于教師在課前了解學生學情，并據(jù)此對實體實驗教學活動進行有針對性的安排和調整。當學生在學習過程中遇到難點疑點時，也可實時通過“互動反饋”模塊進行師生、生生交流討論，并通過此模塊查看實驗報告批改的全過程，明確自身薄弱點，并實現(xiàn)了報告批改的透明和公正。

3.2 課程考核辦法和標準的制定

結合OBE理念制定課程考核辦法和標準，考慮過程型、形成型產出，從學生課前自主學習情況、實驗操作規(guī)范性、對實驗現(xiàn)象的思考和分析、實驗數(shù)據(jù)處理與分析、實驗總結、互動反饋等多個角度來評定學生的學習效果，形成多維度的評價和反饋體系。

3.3 教學質量的監(jiān)控

對教師進行統(tǒng)一培訓，培訓內容包括混合教學模式和教學策略、多維評價標準等，強調持續(xù)以學生產出為核心、以學生達成程度為重點的理念，嚴格杜絕教學形式和評價機制的單一化。

4 新型教學模式應用案例

我校化工實驗中心對能源化工專業(yè)開設的多項實驗課程進行了持續(xù)的探索和實踐，下面以“陰極極化曲線的測量”實驗為例，闡述新型教學模式的應用，其課程模式和考核辦法詳見表1。

4.1 課前導學

為了使學生掌握實驗原理及相關的專業(yè)基礎知識，要求學生課前通過線上教學平臺查看本實驗的學習任務單，學習并掌握極化曲線的基本原理、ZnO+NaOH溶液中添加香草醛的作用及其原理、與即時電勢法相關的電化學原理等，為設計和改進堿性鍍鋅實驗做好準備。

為了使學生掌握數(shù)據(jù)處理分析方法、正確使用相關分析測試軟件及能夠選擇正確的測試方法，微視頻里包括電化學工作站使用方法、CHI測試軟件使用方法、陰極極化曲線測試方法及Origin軟件數(shù)據(jù)制圖標準和分析方法的內容。在線上的互動討論區(qū)，學生可以根據(jù)自身的問題與教師或其他學生進行討論、交流，改進不足之處。學生通過線上教學資源學習并利用Word、PDF、Visio等軟件撰寫預習報告，總結實驗原理、儀器軟件使用方法及實驗步驟，強化學習效果，鍛煉并提高撰寫科學實驗報告的基本技巧。課前線上導學部分對應的考核占比為20%。

表1 課程模式與考核辦法

4.2 課上深化內化

實體課堂上，學生通過獨立操作，組裝測試三電極體系、連接并使用電化學工作站和CHI測試軟件進行陰極極化曲線測試；設計并改進三電極測試體系，選擇適當?shù)臏y試方法和測試參數(shù)進行堿性鍍鋅實驗改進。教師通過觀察學生操作的規(guī)范化程度、測試反應裝置（體系）組裝的質量、實驗數(shù)據(jù)處理情況、實驗失誤率等來考核學生的表現(xiàn)。與此同時，通過針對疑點、難點進行深入的互動討論，考察學生是否能夠利用所學的專業(yè)知識進行合理分析，并得出有效結論，此部分的考核占比為30%。

4.3 課后鞏固反思

課后學生需按照要求撰寫總結報告，其中包括對測試結果及實驗現(xiàn)象的分析、總結，對實驗數(shù)據(jù)進行處理、制圖并分析得出有效結論，對改進實驗的方法及其依據(jù)進行說明并評價。通過線上查看教師對實驗報告的批改過程，學生可明確自身薄弱點，進行師生、生生討論，提高自身學習效果。此部分的考核占比為50%。

5 結語

每次課程結束后，實驗中心下發(fā)課程反饋表，學生基于上課體驗對課程進行匿名評價和建議。教師基于上課情況和反饋意見，將對課程進行持續(xù)改進。從2018—2019年度的反饋報告來看，學生對這種新型教學模式給予了肯定和支持，認為這種模式使他們對課程的重視程度及自主學習的積極性大大提高，約87%的學生希望實踐實驗類課程能以這種方式持續(xù)下去。與此同時，教師認為課程改革避免了對基礎知識和操作內容的重復性講解，并通過對實體課堂教學方法的不斷探討，充分發(fā)掘和發(fā)揮出教師的知識深度，使課程教學質量得到較大提升。經過兩年的改革，學生滿意度評價由 2017年83%提高至 2018年89%和2019年的 91%；學生平均成績由 2017年的 74分提高至2018年79分和2019年83分。