基于科研創新思維培養的化工專業實驗教學改革探索

＊劉 棟

（北京化工大學化學工程學院 北京 100029）

培養創新型人才是高等教育的首要任務，也是建設創新型國家的需要[1-2]。創新型人才對化工行業的發展尤為重要。我國高?；と瞬诺呐囵B，肩負著為國家重大科技工程攻關培養建設者的重任[3]。實驗課是培養本科生科研興趣和創新能力的重要課程，在創新型人才培養方面發揮著重要的作用[4-5]。化工專業實驗課是提升化工專業本科生實踐創新能力的重要課程[6]。因此通過該課程教學的變革，提高化工專業本科生的自主創新能力至關重要。在新工科背景下，基于創新思維培養的化工專業實驗教學對培養大化工卓越工程人才具有重要意義[7]。

化工專業實驗是我校化學工程與工藝專業學生必修的一門專業核心實踐課，與理論課程相輔相成。該課程是一門為本科三年級學生獨立開設的課程，2學分，共40學時。本課程主要開展的實驗包括：（1）二氧化碳臨界狀態觀測及P-V-T關系；（2）多相流流動特性冷模實驗及放大實驗；（3）管式循環反應器停留時間測定實驗；（4）壓縮制冷性能測定實驗；（5）多功能膜分離實驗；（6）石腦油熱裂解制烯烴實驗等。通過該課程的實踐學習，加強了對專業基礎課理論知識的認識和理解。更重要的是通過該課程，培養學生實踐的能力，掌握化工專業實驗的基本操作，理解實驗的目的和意義，了解設計實驗的基本思想，學會觀察實驗現象，分析實驗數據和思考數據背后的物理意義。通過該課程有助于提高學生探索科學的興趣和創新思維的能力。

此外，本?；I實驗平臺建設規范，設備充足，每個實驗配備了3～4套的實驗設備。每4個學生為一組開展實驗，充足的設備保障了每個學生能獨立開展實驗。在師資方面，配備了從教授、副教授、講師和工程師的教學梯隊，每個老師負責一個專業實驗的教學工作，保證了化工專業實驗的專業性和教學質量。

目前該實驗課教學中存在的問題如下：（1）目前該課程的授課以老師講解實驗原理、目的、意義和過程為主，然后由老師演示實驗過程后由學生進行獨立的實驗。實驗原理和過程較為復雜，通過口頭講解的方式，學生理解和吸收較為困難；（2）學生預習實驗不夠深入仔細，沒有真正理解實驗原理，沒有較好掌握實驗方法和過程；（3）實驗內容缺少生動的案例，不易于激發學生的科研興趣；（4）實驗儀器受限于昂貴的設備和有限的實驗室面積，通常為4人一組，同組組員相同的實驗數據，千篇一律的實驗報告，難以區分同組人的實驗成績，易造成實驗成績評定的不公正；（5）實驗成績的評判主要以實驗報告為主，缺乏全流程的評分依據；（6）化工實驗課中缺少專門的安全教育。

因此，為了順應新時代高等教育的要求，提高培養新工科人才的質量，化工專業實驗課的改革勢在必行。通過教學改革，解決上述化工專業實驗課中存在的問題，提高學生的動手能力，深化對專業理論知識的認識。在傳統實驗教學方法的基礎上，我們引入安全教育—專業實驗應用案例教育—學科前沿創新性教育相結合的教學方法具有明顯的創新和優勢。專門開設的安全教育讓學生對實驗室安全的重要性有充分的認識，并且學會專業的急救措施，這是保證化工專業實驗順利開展的第一步。專業實驗應用案例教育讓學生充分認識到開展基礎實驗的重要性和基礎專業實驗背后所蘊藏的巨大的經濟價值和社會效益，激發學生的實驗興趣。學科前沿創新性教育通過介紹該領域最前沿的研究成果，引導學生關注科學前沿，思考科學問題，并嘗試提出一些創新型的解決思路。通過以上化工專業實驗教學上的創新，對拓展化工專業學生的科學視野，提升學生的專業素養，培養有家國情懷的高素質本科生具有重要的意義。

筆者主講化工專業實驗課。本文將從教學內容，教學方法和課程考核等方面進行探討，并提出行之有效的改進方法。在案例引入方面，將重點以化工專業實驗中的膜分離實驗為例。

1.重視實驗室安全教育，單獨開展安全教育課

實驗室安全是實驗課的重中之重，是實驗課教學順利進行的前提和保障，必須放到非常重要的地位，讓每個學生都意識到實驗安全的重要性。傳統的實驗課缺乏單獨的安全教育課，安全教育以老師提醒一些注意事項為主，缺乏有效的安全教育案例，對學生難以起到警示的作用。因此實驗室安全教育應該獨立出來，在所有實驗課開始之前安排兩個學時的課程給學生講解安全的重要性和實驗防護的必要性。通過安全事故案例的引入，讓學生意識到疏忽實驗室安全引起的嚴重后果。例如，2018年北京某高校在垃圾滲濾液污水處理試驗中，鎂粉和磷酸攪拌反應時產生的氫氣與攪拌機摩擦產生火花點燃爆炸，事故造成3名學生遇難。該事故因實驗室違規開展試驗和安全管理不到位造成。通過單獨開展安全教育，提高了學生的安全意識和防護意識，為實驗課的順利開展打下堅實的基礎。

2.合理安排教學內容，凸顯創新性內容引入

內容設置上，在現有的實驗原理、目的、內容、過程和思考題的基礎上，引入該實驗技術最新的研究進展，提出存在的科學問題。教授學生尋找前沿科學問題的思路和方法，引導學生針對存在的科學問題，嘗試提出用自己的專業知識解決科學問題的方法和策略。以膜分離實驗為例，探討膜分離技術在氣體分離，高附加值產品分離，提高電池性能等方面的應用。膜分離儀器最關鍵的部分是分離膜，然而分離膜在去除一價離子方面仍然存在一些問題，比如分離率和過濾通量仍然比較低。針對該問題，國內外的科學家在膜分離方面進行了研究，并取得了突破性的進展。例如，諾貝爾化學獎獲得者蓋姆教授在膜分離領域取得了系列重要進展，這些重要的成果發表在國際頂級期刊《自然》和《科學》雜志上[8-9]。我國學者在該領域也取得了重要的進展，武漢大學的袁荃教授等人在《科學》雜志上報道了大面積石墨烯-納米網/單壁碳納米管雜化膜納濾膜的研究，實現了石墨烯納濾膜的規模化制備，為海水淡化帶來了希望[10]。通過這些重大進展的介紹，引導學生思考化工專業的前沿方向，進而對自己的專業充滿信心。引導學生了解科技發展的前沿，進而在研究生階段繼續進行化工專業方向的研究，為化工行業培養高素質的專業人才打好基礎。

3.改革傳統教學方法

預習環節在實驗課中發揮著重要的作用，是實驗教學能否成功開展的先決條件。從以往實驗課的提問過程來看，學生對實驗原理等缺乏足夠的理解。該現象對提高實驗課的教學效果造成了一定的困難，通過實驗學生未能有效掌握實驗課要求的知識和實驗技能的提升。因此，需要提出新的預習方式，加強學生對實驗課程的理解。在此，我們提出了采用思維導圖法預習實驗的方法，請學生用最精簡的語言總結出實驗課的邏輯框架。通過該方法既加強了學生對實驗的理解和思考，同時又減輕了學生預習實驗的負擔。

目前實驗課仍以教師口頭講述為主，這種方式仍然存在一定的弊端，比如對原理的講解不夠生動直觀，對設備的結構展示不夠清晰，引入一些精彩的案例存在困難。為了解決以上問題，應該在實驗課中加強多媒體技術的運用，通過實驗課課件向學生形象生動的展示整個實驗的背景、目的、意義、過程和存在的問題等。采用多媒體技術講授實驗，不僅有助于加深學生對實驗的理解，而且還可以通過精彩案例的展示激發學生的科研熱情。通過激發學生對化工實驗課的興趣，從而引起學生對理論課的重視，使實驗課和理論課的教學相輔相成。

針對實驗內容缺少應用案例的問題，可以用多媒體技術突顯該技術的重要應用價值。以膜分離實驗為例，可以用多媒體技術講解膜分離的原理，用直觀的動畫展示膜分離的過程，使得學生易于理解膜分離的原理。此外，向學生展示膜分離在物質分離，水凈化等領域的重要應用和產生的經濟價值。如膜分離技術是分離提取鹽湖中鋰金屬等資源的重要手段，可以產生巨大的經濟價值，對新能源產業乃至國民經濟的發展起重要作用。青海鹽湖所馬培華研究團隊發展了“選擇性離子遷移”高效膜分離技術，實現了高鎂鋰比鹽湖資源的有效綜合利用，建成了年產萬噸級碳酸鋰生產線。該技術獲得專利許可費4000萬元，相關企業在2014年1月至2016年8月之間實現了7.66億元的銷售收入和5.41億元的利潤，取得了顯著的經濟和社會效益[11]。通過案例的引入激發學生化工報國的熱情，讓學生了解學好化工專業知識可以解決國家經濟社會發展中的重大科學和技術難題，從而增強化工專業學生的身份認同。

針對實驗報告千篇一律的問題，應重新提出書寫實驗報告的要求。提高數據處理，分析和討論方面的要求。加強思考題的設計，注重提出實驗技術仍然存在哪些問題，前人已做了哪些主要的研究，提出了哪些新的方法，結果怎么樣。通過對前沿領域的探討，讓學生了解熟悉科學研究的思路，培養創新性的科研思維。采用綜合的考核方式，實驗預習，操作和總結報告在成績評定中的占比分別為10%、40%和50%。結合實驗動手能力的表現和有區分度的實驗報告，可以公平公正的評定化工專業實驗課的成績。通過在考核中加強提出問題，解決問題和了解科學前沿領域方面的要求，提高學生的獨立思考能力和培養學生的科研思維。

4.實踐教學改革效果

在新工科背景下，提高學生的科研創新思維能力尤為重要。通過本課程的改革和實踐，取得了顯著的教學效果。

（1）青年教師教授實驗課程的積極性明顯提高。在教授化工專業實驗內容的同時，引入前沿的研究進展，用科研反哺教學，發揮了青年教師的長處，增加了教師的教學主動性。同時和學生的討論中教師也可以得到新的啟發，教師也可以與學生共同成長，實現教學支撐科研。例如，通過與學生討論，我們共同提出了可以用納濾膜抑制鋰硫電池中多硫化物穿梭問題的想法。

（2）實驗教學的質量得到顯著提升。學生上實驗課的積極性明顯提高，在課堂上提問的次數增加，積極參與實驗課和前沿研究的討論。在實驗報告里增加了對科研問題的思考，實驗報告的質量得到顯著提高。例如，學生在報告中提出石墨烯納濾膜是膜材料研究的前沿方向，但在苛刻的實際情況下以高穩定性工作仍然面臨挑戰。此外，對2017和2018級學生化工專業實驗（以膜分離實驗為例）成績進行了分析，2017級為改革前教學年級，2018級為改革后教學年級。從改革教學方法前后成績對比可知（見表1），改革后年級實驗成績的優秀率明顯提升。初步結果表明，化工專業實驗教學改革顯著提高了學生的成績，提升了教學質量，改革效果良好。

（3）初步培養了學生的科研思維。通過該實驗課的教學，學生對科學研究的積極性明顯提高，課后有多名學生積極討論科學研究的前沿，并嘗試尋找未解決的科學問題。學生對科學研究的興趣明顯增加。例如，本科三年級學生程如意等人課程結束后提前進入了實驗室，開展了高性能電催化膜材料的研究。

5.結語

總之，通過對化工專業實驗課存在問題的分析，我們嘗試從不同層面提出解決問題的方法，并對授課內容和方式，考核的方式進行了的變革。從教學過程看，學生對實驗課更加感興趣。從實驗過程和實驗報告看，學生思考問題的能力明顯提高，實驗報告寫的更加深入，對前沿的研究領域有了一定的了解，初步具備了科研創新思維。化工專業實驗課的改革和實踐不僅有助于加強學生對該實驗課的理解和學習，同時會培養學生的科研創新思維。該課程的改革探索對其他實驗課的教學也有一定的借鑒意義。