培養(yǎng)化學拔尖人才為導向的綜合化學實驗(I)教學改革探索

朱倩倩，王穩(wěn)

1鄭州大學化學學院，化學國家級實驗教學示范中心，鄭州 450001

2河南警察學院刑事科學技術系，鄭州 450046

化學是一門以實驗為基礎、理論與實驗并重的學科，化學專業(yè)的學生在培養(yǎng)過程中不僅需要掌握基礎理論知識，還需要進行大量的實驗和科研訓練，實驗教學對于化學專業(yè)人才培養(yǎng)十分重要。目前，國內外一流高校的化學專業(yè)根據(jù)學生年級不同開設了相關的配套實驗教學課程，美國化學會(ACS)發(fā)布的最新版《本科化學專業(yè)教育：學士學位的指導和評估規(guī)范》強調實驗課程與專業(yè)課程的結合，規(guī)定了與專業(yè)課程體系相匹配的3個層次的實驗課程，分別是引導性化學實驗課程、基礎性化學實驗課程和深度化學實驗課程。其中深度化學實驗課程類似于本文所述的綜合實驗課程，該課程要求學生綜合運用各種技能，每周在實驗室工作的時間至少要達到6 h，需要獨立設計實驗方案、實施實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)，并能利用化學文獻指導實驗工作[1]。以美國加州大學洛杉磯分校和約翰霍普金斯大學為代表的眾多化學專業(yè)排名靠前的高校均采取了類似的化學實驗教學方案[2,3]。國內很多著名高校的化學專業(yè)均建立有完善的實驗教學體系，并進行了眾多實驗教學改革和探索，例如北京大學、南京大學、南開大學、蘭州大學、四川大學等知名高校及很多地方高校的化學專業(yè)，面向高年級的本科生均開設了綜合化學實驗課程，涉及到的實驗內容和實施的具體方式雖不盡相同，但均是提升學生獨立分析解決化學相關科學問題的能力，培養(yǎng)獨立思考、開放創(chuàng)新的科學精神的重要環(huán)節(jié)。鄭州大學化學學科創(chuàng)建于1956年，在長期的人才培養(yǎng)過程中，以“強調基礎、突出重點、提高創(chuàng)新能力”為核心，按照基礎實驗-綜合實驗-開放實驗-研究型實驗四個層次推進實驗教學，形成了提高-培優(yōu)-早期介入科研的完整實驗教學體系。根據(jù)學生的理論課程開設情況，先后設置無機化學實驗(I)、無機化學實驗(II)、有機化學實驗(I)、有機化學實驗(II)、分析化學實驗、物理化學實驗、綜合化學實驗(I)、儀器分析實驗、綜合化學實驗(II)、化工基礎實驗等必修基礎實驗課程和探究型開放實驗課程。在此基礎上，學生將進入科研學術課題組開展兩個學期的研究型的綜合實驗，將綜合化學實驗的教學活動進一步延伸，形成了一體化、多層次、重基礎、求創(chuàng)新的實驗教學體系。

鄭州大學綜合化學實驗(I)課程開設于2017年，是一門面向化學、應用化學專業(yè)高年級本科生的重要專業(yè)必修基礎實驗課程。本課程旨在讓學生了解目前先進的分析手段和先進的大型精密儀器，掌握儀器的工作原理和功能以及操作方法，能夠獨立操作儀器，對分析結果進行處理，并了解儀器日常維護的常識，為培養(yǎng)具有較高科研素養(yǎng)和實踐能力的拔尖人才打下堅實的基礎[4]。綜合化學實驗(I)為學生進一步進行綜合化學實驗(II)及進入學術科研課題組開展研究提供了非常重要的支撐。高年級本科生在完成綜合化學實驗(I)的基礎上，需要延伸到開放型綜合化學實驗(II)的實踐學習。綜合化學實驗(II)是在前期實驗課程的基礎上，開設的開放創(chuàng)新型實驗課程，跨越多個二級學科內容，涉及多個研究方向，以此提升學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，建立科學的研究思維方法。綜合化學實驗(II)的訓練過程中，學生要根據(jù)具體的研究需求借助大型儀器設備對材料結構、性能等進行研究，是對學生能否運用綜合化學實驗(I)中所學儀器分析方法及大型精密儀器操作技能靈活地用于實際研究的進一步檢驗。

1 綜合化學實驗(I)課程介紹

本課程依托于化學學院現(xiàn)有的大型精密儀器，結合化學專業(yè)拔尖學生培養(yǎng)要求，開設了粉末X射線衍射、等離子體原子發(fā)射光譜法測定礦泉水中的微量元素、穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜、高密度聚乙烯的拉曼光譜、離子色譜法測定水中陰離子、氣相色譜-質譜聯(lián)用測定水晶板中的鄰苯二甲酸酯、有機化合物中元素含量分析、紫外可見漫反射光譜分析等實驗，涉及X射線衍射分析、原子光譜分析、分子光譜分析、色譜分析、熱分析、元素分析、質譜分析、電子顯微分析等多種分析方法，涵蓋了材料結構、形貌、含量、光譜性質、熱穩(wěn)定性等多方面、常用的表征技術。

為確保本課程教學活動高效、高質地開展，本課程采用小班獨立授課方式，將學生分成若干小組，每組人數(shù)控制在4人以內，每個實驗課程結束后，學生以小組為單位進行輪換。小班授課模式，確保在儀器室有限的空間內，所有學生均能高質量地參與課程。授課主要以大型儀器現(xiàn)場教學為主，為學生講授相關的儀器分析方法、儀器構造、工作原理，演示實際樣品測試的操作方法，講解測試注意事項、相關分析方法的適用范圍以及在實際的科研過程中的具體應用等內容。通過本課程的學習，使學生了解和掌握目前先進的分析手段和先進的大型儀器，使學生能夠獨立操作常用的分析儀器，進一步鞏固所學的理論知識和化學實驗的基本知識和基本技能，并能夠運用理論指導實驗，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W作風和良好的實驗素養(yǎng)，為綜合實驗能力的培養(yǎng)打下堅實的基礎。

2 綜合化學實驗(I)教學現(xiàn)狀

與普通化學實驗、分析化學實驗、有機化學實驗等傳統(tǒng)化學專業(yè)實驗課程不同，綜合化學實驗(I)主要以相關儀器分析方法、儀器結構和工作原理講解及實際樣品分析測試為主。課堂上，以教師講授為主、演示和實際上機操作為輔；由于儀器數(shù)量的限制，學生采取循環(huán)操作的方式進行實際上機操作。實驗原理較抽象難懂，加上大型精密儀器多采用封閉式設計無法直觀看到儀器的內部構造和工作狀態(tài)，導致學生在課堂上的參與積極性不高、對授課的內容不容易理解掌握。與此同時，大型儀器的操作較復雜，需要注意的事項較多，學生很難在較短的時間內熟練掌握儀器操作要領。因此，十分有必要引入一種更加直觀、有效的教學手段和方法，提升綜合化學實驗的教學效果，激發(fā)學生的學習興趣。

3 混合式實驗教學設計

互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展和智能手機的普及，為傳統(tǒng)授課模式帶來了新的機遇和改革思路，將現(xiàn)代信息技術引入傳統(tǒng)的實驗課堂，開展線上與線下相結合的混合式教學模式，取長補短，將會對提高學生在實驗課堂上的抬頭率和參與積極性、加強師生之間的互動、保障每個教學環(huán)節(jié)高效的開展起到重要作用[5-7]。

“長江雨課堂”是學堂在線與清華大學共同研發(fā)的一款智能教學工具，簡便易操作，只需要借助微信和Powerpoint軟件就可以完成，教師可以按照原有的習慣利用PPT設計課程，將授課內容幻燈片、課堂互動、習題測評和作業(yè)融入到PPT中，通過微信公眾號通知學生進行課前預習，課堂上可以開啟直播授課功能，上課的同時也積累了線上課程資源，同時方便學生課下進行回看、復習[8]。借助“長江雨課堂”，可以獲得課前-課中-課后的教學大數(shù)據(jù)，所有教學過程全部留痕，自動對數(shù)據(jù)開展挖掘和算法訓練，幫助師生之間進一步了解，促進課堂教學定量化研究。

我們對綜合化學實驗(I)進行混合式教學改革的思路、設計方案以及線上線下混合式教學方式之間的關系采用框圖方式進行了說明，如圖1所示。在課前，可以采用線上方式向學生推送預習內容和相關線上學習資源，線上方式也為師生課前進行討論交流提供了便捷的途徑。課堂上，采用線上方式進行授課，一方面有利于借助多媒體資源講解封閉儀器的內部結構、工作原理等難以在線下課堂直觀講解的內容，打破空間壁壘；另一方面線上授課時多樣的互動環(huán)節(jié)有利于調動學生的學習興趣，授課內容方便學生反復查看，穿插的答題環(huán)節(jié)也可以實時檢驗學生的掌握情況，為綜合成績的評定提供量化數(shù)據(jù)。線下課堂可以實現(xiàn)學生對大型精密儀器的近距離接觸、儀器操作和實際樣品的分析測試工作，讓學生親身體驗儀器操作，解決實際樣品分析測試中遇到的問題。與此同時，注重在混合式實驗教學中融入課程思政，將專業(yè)教育與思想政治教育有機結合起來，發(fā)揮實驗教學的立德樹人作用。混合式實驗教學方式可以充分發(fā)揮線上方式與線下方式的優(yōu)勢互補，不斷提升實驗課堂的教學效果，最大程度地發(fā)揮實驗教學在化學拔尖人才培養(yǎng)中的重要作用。與理論課程的線上線下教學不同，實驗課程的線上線下混合教學在線上和線下環(huán)節(jié)各有側重，缺一不可，線上環(huán)節(jié)主要以復雜抽象的原理、難以直接觀測的儀器內部構造等內容為主；線下課堂則是以學生要親自動手操作的實驗演示和具體實際樣品分析測試為主，線上和線下環(huán)節(jié)的內容及授課順序都有固定的教學設計，很難隨意調整。

圖1 混合式教學改革的思路、設計方案以及線上線下混合式教學方式之間的關系

接下來，結合“穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜”實驗，具體介紹混合式綜合化學實驗教學設計思路。

3.1 課前——推送優(yōu)質教學資源，督促學生預習

課前，利用“長江雨課堂”插件為學生制作5-7頁的預習內容，涵蓋課程涉及的基態(tài)、激發(fā)單重態(tài)、激發(fā)三重態(tài)、發(fā)光現(xiàn)象的分類、非輻射躍遷和輻射躍遷途徑等基礎知識，讓學生在課前預習階段有針對性地掌握相關基礎知識；將我校優(yōu)秀的慕課資源——儀器分析課程中與本實驗課程緊密相關的部分，內嵌在課前推送的線上資料中，學生可根據(jù)自身情況開展自主學習。同時，課前推送的線上資料中，可以設置一兩道考核題目督促學生用心預習、避免課前預習形式化，也便于教師考查學生預習效果。

3.2 課中——在線直播授課和線下課堂相結合，增加互動，儲備線上資源

課堂上，教師采用長江雨課堂直播方式進行授課，學生通過手機微信小程序進入班級學習，同時完成簽到環(huán)節(jié)。

首先利用線上直播形式以圖片的方式引出生活中常見的發(fā)光現(xiàn)象，提高學生的學習興趣，通過限時答題的方式考查學生對于不同發(fā)光現(xiàn)象的分類了解情況，判斷學生預習情況。對于分子熒光光譜的原理講授，涉及到基態(tài)、激發(fā)單重態(tài)及激發(fā)三重態(tài)的概念，傳統(tǒng)的實驗課堂上，為了調動學生的參與性，考查學生對于普通化學原理及結構化學中相關內容的掌握情況，教師會提問學生這三個基本概念，但極少有學生主動回答問題。針對這種情況，教師可以借助長江雨課堂的彈幕功能，讓學生通過匿名彈幕的方式回答問題，教師在智慧插件后臺可以掌握每個學生回答問題情況，基于此有助于客觀地評價學生預習的情況及在課堂上的表現(xiàn)。而在分子體系的熒光和磷光發(fā)射原理，二者之間的區(qū)別和聯(lián)系，熒光發(fā)射的影響因素，結構與熒光性質之間的構效關系等內容的講授過程中，可結合長江雨課堂的隨機點名功能進行提問，一方面活躍課堂氣氛，另一方面增強學生的參與性和專注力、調動他們學習的積極性。

儀器分析方法繁多，知識點細碎，學生掌握起來很吃力，再加上實驗教學學生上機時間少、積極性不高的情況，導致學生無法把每種儀器分析方法系統(tǒng)地串聯(lián)起來，根據(jù)實際需要選擇合適的儀器分析方法更是無從談起[9,10]。在綜合化學實驗的課堂上，可以對相關知識及延伸內容進行展開，引導學生對不同儀器分析方法進行分門別類梳理、掌握。針對大型儀器構造復雜、封閉式設計以及工作原理抽象難懂的特點，將相關內容以多媒體動畫或視頻方式嵌入課件中，通過視聽方式呈現(xiàn)給學生，通過加深學生的感觀認識強化學生對所學知識的理解。

在使用長江雨課堂線上直播授課的基礎上，結合線下課堂演示儀器操作和實際樣品測試分析，這不僅可以增加課堂的多樣性，提高學生的學習興趣和參與度，而且可以向學生集中展示儀器分析方法原理、儀器功能及相關應用。正如開篇所言，本課程的目的在于強化化學專業(yè)學生對儀器分析理論課程的學習，以培養(yǎng)化學拔尖人才為導向拓寬高年級本科生的學術視野，為后續(xù)的學術深造打下堅實的基礎。因此，演示實驗部分要求教師在進行教學設計時綜合考慮，不要為了演示而演示，應該將相關前沿科學研究引入其中，比如由我國唐本忠院士首先提出并一直在國際上處于領先研究地位的聚集誘導發(fā)光概念(AIE)、在生物醫(yī)學領域應用十分廣泛的熒光成像技術、2008年獲得過諾貝爾化學獎的綠色熒光蛋白研究工作等，從而真正實現(xiàn)設立課程的初心，讓學生了解科學前沿，提升學術素養(yǎng)。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。學生要真正達到獨立操作儀器測試的目的，必須不斷地進行實踐。因此，針對每種儀器分析方法準備不同類別的實際樣品，讓學生輪流、獨立操作儀器進行測試。一方面，可以鍛煉他們根據(jù)實際樣品獨立分析選擇合適測試方法，真正掌握儀器操作；另一方面，也有利于鞏固學過的理論知識和實驗操作。

3.3 將課程思政融入實驗教學，發(fā)揮其立德樹人作用

立德樹人是教育的根本任務，在本課程的授課過程中，不僅要重視傳授專業(yè)知識和學生專業(yè)能力的培養(yǎng)，而且要引導學生形成正確的人生觀、世界觀和價值觀。因此，需要將課程思政融入到實驗教學中，將思想政治教育與專業(yè)教育結合起來，充分發(fā)揮實驗教學在立德樹人為根本任務、三全育人為導向的人才培養(yǎng)中的作用。比如，在“穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜”實驗教學中，向學生介紹首次由我國科學家唐本忠院士提出并在國際上獲得同行認可的聚集誘導發(fā)光概念，為學生講述唐本忠院士如何發(fā)現(xiàn)聚集誘導發(fā)光現(xiàn)象并提出這一概念，以及在整個過程中唐院士面對難以解釋的、反常的實驗現(xiàn)象所呈現(xiàn)的科研態(tài)度等。通過引入類似的課程思政實例，一方面激發(fā)學生強烈的愛國情懷和自豪感，另一方面鼓勵學生向前輩科學家學習，無論是在日常的學習生活中還是在科學研究遭遇研究瓶頸時，都要保持積極樂觀的態(tài)度，堅持實事求是、踏實勤奮、勇于創(chuàng)新的科研作風。

3.4 課后——調整考核方式，鼓勵學生夯實基礎、緊跟專業(yè)前沿

傳統(tǒng)的實驗課程中，不重實驗過程、注重實驗結果，對學生的上課過程缺乏客觀的量化數(shù)據(jù)，課程結束后學生機械地搬抄實驗原理、實驗內容、操作步驟等形成實驗報告，極大地限制了學生的主觀能動性[11]。通過長江雨課堂的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能[12]，可以獲得客觀數(shù)據(jù)定量反映學生的預習情況和在課堂上的表現(xiàn)；此外，結合本課程的特點，教師要求學生查閱與講授的儀器分析方法相關的前沿工作，通過文獻搜索、閱讀，結合文獻和課程內容撰寫實驗報告。這樣一方面，可以改變傳統(tǒng)實驗課堂唯結果的現(xiàn)狀；另一方面，督促學生掌握文獻檢索的技能，驅動學生更好地了解學術前沿、掌握所學儀器分析方法。目前，因為課時的限制，無法對這一環(huán)節(jié)進行展開，如果后續(xù)課時適當延長，可增加報告展示環(huán)節(jié)，讓學生以PPT方式匯報，全面提高學生的綜合實力。

4 混合式綜合化學實驗教學的實施情況和展望

4.1 混合式綜合化學實驗教學的實施情況

我們通過對綜合化學實驗課程的問卷調查，了解了學生對于混合式綜合化學實驗教學的各個環(huán)節(jié)的反饋。圖2是2019級學生對于綜合化學實驗課程學習目標的反饋，有94.59%的學生期望能通過本課程的學習，鞏固相關理論知識；有83.78%的學生期望借助此課程科研素質能夠得到提升；此外有67.57%的學生期望動手能力和師生交流情況可以得到改善。說明學生對于本課程的需求已不僅僅是單一理論知識和實驗技能的輸入，而是綜合科研素養(yǎng)的提升，這與信息化背景下化學拔尖人才的培養(yǎng)目標相契合。通過圖3對于課前預習的調查結果發(fā)現(xiàn)，有89.19%的學生表示實驗課前會認真查閱資料利用線上資源預習，另有10.81%的學生很少預習，表明大部分學生對本實驗課程的學習態(tài)度是十分自覺、積極、主動的，只有極少部分的學生需要督促。

圖2 關于綜合化學實驗課程的預期學習目標調查

圖3 關于實驗前利用線上平臺資源預習情況的調查

在混合式綜合化學實驗課堂上，引入手機和教學智慧軟件進行實時互動，學生的接受和認可程度令人滿意，有89.19%的學生認為手機實時互動對于監(jiān)督學生課堂學習情況和提升課堂教學效果有幫助(圖4)，91.89%的學生反映通過混合式實驗教學達到了預期的學習目標(圖5)。該調查結果表明，相對傳統(tǒng)實驗課堂，學生更傾向于引入混合式實驗教學方式，并且手機實時互動的引入對于提升課堂教學和學生學習更有幫助。針對混合式實驗教學方式的教學效果調查中(圖6)，分別有72.97%和13.51%的學生認為利用教學智慧軟件將線上教學與線下實驗課堂相結合的混合式教學方式，對于掌握儀器結構、測試操作以及增加實驗課堂的趣味性有較大幫助或必不可少；有70.27%和13.51%的學生認為該教學方式對學生掌握專業(yè)理論知識、提高分析和解決問題的能力有較大幫助或必不可少；75.68%和10.81%的學生認為混合式實驗教學方式對于學生繼續(xù)深造、從事科學研究具有較大幫助或必不可少。綜合以上調查結果，有59.46%的學生認為線上、線下相結合的混合式實驗教學相比于傳統(tǒng)實驗課堂更有優(yōu)勢、對學生的學習幫助更大；有32.43%的學生認為兩者各有優(yōu)勢、都有幫助；只有8.11%的學生認為傳統(tǒng)實驗課堂更占優(yōu)勢。關于混合式實驗教學方式的進一步調查中(圖7)，94.59%的學生認為課堂上師生雙向交流情況很好、學習氛圍活躍、學習興趣濃厚。這說明，大部分的學生對于線上、線下相結合的混合式實驗教學還是十分認可的。

圖4 關于應用手機實時互動對于監(jiān)督學生課堂學習和提高課堂教學的效果是否有幫助的調查

圖5 關于混合式綜合化學實驗教學是否達到預期學習目標的調查

圖6 關于混合式實驗教學方式教學效果方面的調查

圖7 關于混合式實驗教學方式的調查

在成績考核方面，我們依據(jù)平臺數(shù)據(jù)較為客觀地評價學生的課堂表現(xiàn)和學習效果。長江雨課堂智慧軟件可以全面評價學生的課堂表現(xiàn)，如表1所示，長江雨課堂可以輸出所有課堂數(shù)據(jù)，比如學生在課堂上的簽到情況、答題情況和活躍程度等，從而學生的預習情況和課堂上的表現(xiàn)都可以得到量化，降低教師考核學生成績時的主觀性。

表1 部分學生課堂表現(xiàn)情況明細表

4.2 對混合式綜合化學實驗教學的展望

關于教學，《禮記·學記》這樣闡述：“是故學然后知不足，教然后知困。知不足然后能自反也，知困然后能自強也。故曰教學相長也。”教與學是一個相互影響、互相促進的過程，通過學生的課后反饋，可以有針對性地對教學過程中的某些環(huán)節(jié)進行微調或改進，不斷提高本課程的質量。本課程采用問卷調查的方式，掌握了學生對本課程的需求，結合學生的反饋意見，我們在將混合式教學方式引入綜合化學實驗教學的同時，要與時俱進，在保留本課程特色的基礎上，確保教學內容緊跟學生培養(yǎng)要求和前沿科研動向，將新鮮的養(yǎng)料源源不斷地輸送給學生。

5 結語

基于培養(yǎng)化學學科拔尖人才、提升學生綜合學術素養(yǎng)的教學要求，通過改革綜合化學實驗的教學模式，引入線上、線下相結合的混合式教學模式，以大型儀器為載體，以學生發(fā)展為核心，積極融入多種教學元素，增加不同專業(yè)知識的交叉融合，提升學生學習的積極性和參與度，最大限度地發(fā)揮學生的主觀能動性。新的教學模式不僅可以深挖課程內涵、改變傳統(tǒng)實驗課程學生機械照搬操作的情況，而且有利于學生對所學專業(yè)知識的交叉融合，了解學術前沿動態(tài)，為拔尖人才培養(yǎng)提供有效的支持。