“雙一流”背景下材料化學實驗教學改革的探索與實踐*

張雁紅，王海燕

(內蒙古師范大學化學與環境科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

隨著經濟發展日新月異，科技創新突飛猛進，現代社會對擁有扎實理論基礎和較強實踐能力的高素質創新型人才急為需求。創新型人才培養是高等教育“雙一流”建設的基本任務之一，也是衡量一流大學的重要指標之一[1]。為了加快推進“雙一流”建設的步伐，全國各大高校紛紛依據地方特色，準確尋找自身定位以確定符合本校實際情況的人才培養體系，有針對性地設置能體現實踐性和應用性的專業課程。材料化學實驗是面向我校材料化學專業大三學生開設的一門專業必修課，共56學時，內容涉及不同材料在各個領域的研究進展及應用前景、材料制備及性能表征方面的知識。課程通過實驗教學，使學生掌握典型的納米材料、高分子材料、無機功能材料、復合材料的制備方法，熟悉常用的現代分析測試儀器操作流程，并且能夠分析解讀相關實驗數據，學會使用常用化學軟件作圖，進一步培養學生的科研創新能力、獨立思考和分析解決問題的能力，全面提高學生的綜合素質，是培養創新型和綜合性人才的重要實踐環節。然而，傳統的材料化學實驗一直以驗證性的合成實驗為主，對材料的性能表征以及綜合應用很少提及，對培養學生的實踐能力以及提高環保意識方面都差強人意，更無從談起培養學生的創新精神和批判性思維。因此，無論從教學內容、教學方式還是教學理念，對于材料化學實驗的改革都勢在必行。本文就“雙一流”建設背景下，我校材料化學實驗的教學現狀以及改革措施進行深入探討，希望通過不斷的改革嘗試能夠有效改善教學效果，提升教學質量，為學生綜合能力培養以及“雙一流”建設提供借鑒。

1 優化傳統實驗內容，引入綜合創新型實驗

材料化學實驗是一門實踐性與應用型都非常強的專業必修課，不僅能銜接材料化學中的基本理論知識、更能鞏固基礎化學實驗的基本操作。然而，目前很多高校由于實驗資源的限制，僅開設一些經典的驗證性實驗，教學內容比較陳舊。學生上實驗課時，依葫蘆畫瓢、按部就班地按照實驗流程進行，只注重實驗結果，很少關注實驗過程，這種實驗教學很難有效地激發學生的創新意識和培養學生的綜合能力。因此，為了突破傳統材料化學實驗在培養學生綜合素質方面存在的弊端，學院積極探索，不斷進行改革，優化實驗教學內容，逐步扭轉實驗教學“重理論、輕實踐”的現象。為了培養學生的科研興趣和科學素養，引導學生及時關注國內外材料領域的研究熱點，我們結合教師科研項目，引入了一系列系統完整、具有前瞻性和探索性的綜合創新型實驗，教學內容與時俱進。比如“硫化鋅納米粒子的合成及性能研究綜合實驗”，該實驗將材料化學的前沿熱點與實驗教學有機結合，內容涉及納米材料的制備、表征及實際應用、再到相關機理研究，教學內容層層遞進、教學節奏有條不紊，不僅拓寬了學生的科學視野，激發了學生的求知欲；在實驗過程中，學生可以近距離接觸大型精密儀器、親自解讀實驗譜圖并使用相關化學軟件分析實驗數據，非常有利于系統全面地訓練學生的實驗操作技能，培養學生獨立思考、分析和解決實際問題的能力。

2 采用多元化教學模式，打造高質量實驗教學

長期以來，材料化學實驗大多以教師為中心、采取“灌輸式”的教學模式，實驗開始前，學生根據實驗內容敷衍式地完成預習報告；課堂上，教師花大量時間講解實驗原理、操作步驟、實驗注意事項以及數據處理和實驗報告要求。學生則不假思索、機械地重復實驗流程，很少潛心鉆研實驗細節，對實驗結果更是“知其然不知其所以然”。這種被動的學習方法容易使學生滋生依賴他人的惰性思想，不利于學習能力和創新能力的培養。當今社會互聯網技術發展突飛猛進，各大高校紛紛利用信息技術開展人才培養模式和教學方法改革[2]，我校材料化學實驗課程也利用慕課、微課、雨課堂等多媒體資源開展“線上+線下”混合式教學模式。課前，教師制作實驗課件、錄制操作視頻，利用網絡資源發布學習鏈接，要求學生在線預習，學生則可以突破時空限制，隨時利用手機和電腦，反復進行學習。同時教師會發布一些實驗指導性問題和討論題，引導學生通過師生互動、學生之間互動等形式，切實掌握實驗的重點難點，自主完成預習任務。課中，通過實驗“翻轉課堂”，讓學生以小組的形式就自己對實驗的理解和預習效果進行匯報展示，教師有針對性地加以矯正和修改，然后學生有思路、有目的地進行實驗；實驗過程中，如果遇到一些實驗現象和預想的情況不一樣，學生將會主動反思實驗過程、總結經驗并嘗試分析解決問題。這種混合式教學模式和翻轉課堂的有機結合，突出了學生的主體地位，培養了學生獨立思考的能力，同時也鍛煉了學生的語言表達能力和團隊合作能力。

3 借助虛擬仿真平臺，拓展實驗教學廣度和深度

近年來，隨著計算機技術與人工智能技術的蓬勃發展，虛擬仿真技術逐漸被應用到本科生實驗教學中。虛擬仿真實驗教學利用多媒體和互聯網技術，通過人機交互構建高度仿真的虛擬實驗場景和實驗對象，使學生在虛擬平臺體驗逼真的實驗操作流程，有效地彌補和拓展了實際教學中難以實現的實驗教學內容[3]。

2020年春季學期，由于新冠疫情形勢嚴峻，各高校大學生普遍延期返校。為了貫徹落實教育部“停課不停學”的方針政策，我校充分利用網絡教學資源開展了理論與實驗課程的線上教學。材料化學實驗課程借助于虛擬仿真平臺，圓滿完成了多個實驗項目，實現了大型儀器測試表征的學習、培訓與實操。

以X射線粉末衍射為例，該虛擬仿真實驗包含了多個相互銜接的模塊，如：實驗原理、儀器配置、樣品配置、儀器操作、數據分析等。實驗原理模塊詳細地介紹了實驗方法及儀器工作原理等基礎知識；儀器配制模塊利用3D技術，將X射線粉末衍射儀器內部的結構直觀形象地呈現出來，使學生真切地感受到儀器的基本構造和具體工作原理；樣品配置模塊對測試樣品的形狀、厚度、粒徑尺寸均給出了具體要求，學生可以利用鍵盤和鼠標模擬樣品研磨、壓片等具體過程；儀器操作模塊分別設置了演示和練習模式，學生可以先通過觀看動畫視頻，留意各實驗步驟的注意事項和細節，然后再按照提示，進行規范的操作練習，有效地培養了學生的觀察分析能力和實踐動手能力。學生還可以有針對性地進行模擬試錯，感受因操作不當引起的安全事故，增強學生的安全防范意識。數據分析模塊可以實現優化系統參數設置以及實驗數據在線分析，便于學生實時快捷地總結實驗結果，進行跟蹤評價，提高了學生的邏輯思維能力和推理計算能力。

整個虛擬實驗過程高度再現了大型精密儀器的內部構造，還原了實體實驗教學過程中的各個環節，使學生可以不受儀器設備和實驗場地的限制，實現跨地域、跨時間的自由學習模式；此外，虛擬仿真實驗結合了大學生感興趣的網絡操作，兼具教學性和趣味性的特點，極大地激發了學生的學習興趣，使他們在實驗過程中積極地發揮自己的主觀能動性，開發創新思維，提高實踐能力。

4 建立科學的考核機制，調動學生積極性

材料化學實驗的考核標準及評價形式直接關系到實驗課程的教學效果，以往的實驗成績雖然也是由平時成績和實驗報告兩部分評定，但平時成績更多關注學生的考勤和衛生情況，再加上學生所做實驗內容類似，實驗報告大多照搬課件講義，因此最終的實驗成績區分度不明顯，這種考核方式很難全面客觀地衡量學生的實驗綜合能力，也會大大降低學生實驗的積極性。為了適應目前多元化的教學模式，我們對實驗考核機制也進行了適當的調整，更加注重過程性評價。首先，平時成績更加強化預習效果，慕課的使用不僅可以監測學生的出勤率，還可以跟蹤視頻學習進度，通過線上自測題的反饋可以把握學生預習效果及課堂學習效率。其次，在實驗課中，不僅關注學生的基本操作、實驗注意事項、有意識地增加了一些教學互動環節，教師針對預習過程中出現的具體問題以及實驗的重點難點引導學生進行思考討論，鼓勵學生積極發言，提高課堂參與度，激發學生學習熱情。實驗報告的評價過程，更重視學生對實驗結果的分析和討論，及時批改實驗報告，解決出現的問題。最后，期末考試分為理論和實驗兩部分，理論部分主要考察學生對實驗原理、實驗現象和結論的解釋；實驗操作主要考察學生操作過程的熟練程度以及操作的規范性和對實驗注意事項的領悟。總之，通過多角度的考核方式，不僅可以全面衡量學生對實驗知識的掌握情況以及真實的實驗水平，還可以充分調動學生的主觀能動性，培養學生認真嚴謹的科學態度。

5 滲透綠色環保理念，加強課程思政教育

傳統材料化學實驗課程對專業知識和實驗技能的傳授具體明確，頗具指導性，但是對學生思想政治素養和人生觀、價值觀的引導略顯薄弱。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上提出了“課程思政”的理念，要求高校所有課程都要發揮思想政治教育作用[4]。在“雙一流”建設背景下，課程思政教育是各大高校教學改革面臨的重要任務之一。實驗課由于其實踐性的特點，是開展課程思政教育最好的載體[5]。材料化學實驗的整個教學過程都蘊含著豐富的思政元素。我們始終把安全教育和綠色環保理念滲透在實驗全過程，要求學生踏踏實實做好實驗預習工作、嚴格遵守實驗規則、培養良好的科研態度和實驗習慣[6]；引導學生實驗操作時，合理使用藥品劑量、避免浪費，將產生的廢液廢物集中分類處理、不可隨意排放，提倡綠色化學理念和加強學生環境保護意識；要求學生真實地記錄和保存實驗數據，注重科研誠信和學術規范，培養他們嚴謹求實的科研素養。實驗結束后，學生要自覺整理好實驗臺面、做好清潔工作，養成良好的衛生習慣，培養學生的團隊合作意識和責任感。通過教師在課堂上有意識地融入德育教育和思政教育，不僅可以調動學生的學習熱情，提高實驗教學效果，更有利于提高學生的專業素養、傳遞給學生正確的人生觀和價值觀[7]。

6 結 語

在“雙一流”建設背景下，本科實驗教學將面臨新的挑戰與機遇。材料化學實驗是材料系學生提高專業能力的核心課程，對培養學生綜合能力起到舉足輕重的作用。通過引入創新型綜合實驗，有利于拓寬學生科學視野、激發學生創新意識、培養學生自己動手、分析解決問題的能力；互聯網新媒體的靈活應用、“線上+線下”混合式教學模式以及翻轉課堂的有機結合適應當代大學生思維活躍的特點，能充分調動學生的學習興趣和潛能，培養學生實驗組織和語言表達能力；虛擬仿真平臺通過模擬抽象、極端、高成本、高消耗的實驗環境和實驗內容，使學生可以跨地域、跨時間、沉浸式地感受一些在現實中不可及的高精度、高危險性實驗。形象直觀的動畫演示使實驗靈動有趣，有助于激發學生的好奇心和求知欲，培養學生的創新精神和探索能力；多元化的考核方式以及課程思政教育的巧妙滲透，不僅可以調動學生主觀能動性，提高學習積極性，還可以增強學生團隊合作意識，引導他們樹立正確的三觀，從而更好地服務于社會。