以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為導向的無機及分析化學實驗課程體系建設與實踐

王薇，董立軍，呂東煜，黃勇，何疆

蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

2021年，教育部部長懷進鵬指出，教育需要牢牢抓住提高人才培養(yǎng)能力這個重點，為全面建成社會主義現(xiàn)代化強國提供有力人才和技能支撐。新形勢下，各高校須將培養(yǎng)具有科研和創(chuàng)新能力的人才作為高等教育的戰(zhàn)略目標[1]。為達成此目標，必須以學生為主體，教師通過多方位啟發(fā)，引導學生主動學習、自覺解決問題，形成“以學為主”的思想體系。作為化學教學重要環(huán)節(jié)的實驗教學，通過教學改革，將研究能力與科學創(chuàng)新能力培養(yǎng)貫穿于教學中，積極引導學生主動探究，培養(yǎng)學生的獨立思維能力，提升學生的綜合素質(zhì)，是實驗課程最主要的教學目標[2-5]。

目前國內(nèi)很多高校將無機化學實驗與分析化學實驗設立為兩門獨立的實驗課程[6]。2019年蘭州大學化學國家級實驗教學示范中心根據(jù)“淡化專業(yè)、強化基礎”的改革方針，將無機化學實驗與分析化學實驗融合成無機及分析化學實驗I (第一學期，126學時)和無機及分析化學實驗II (第二學期，126學時)，共256學時，7學分。新體系將單元操作融合到綜合性實驗項目中，將部分驗證性實驗轉(zhuǎn)化為自主設計實驗，有效提升了實驗的系統(tǒng)性、綜合性與趣味性。教學過程中教師改變傳統(tǒng)教學模式，將“翻轉(zhuǎn)課堂”、問題引導式教學模式應用于教學中，將學習的主動權(quán)轉(zhuǎn)移給學生；學生在教師的引導下完成實驗設計、講解、示范操作、總結(jié)等環(huán)節(jié)，有效促進了學習的主觀能動性，初步建立了創(chuàng)新思維方式，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才奠定了基礎。

1 課程體系需重點解決的問題

(1)傳統(tǒng)無機及分析化學實驗多為驗證性實驗，單元操作多，缺少探索過程，不利于學生提升分析問題和解決問題的綜合能力。

(2)教師的實驗講解普遍過細，時間也過長；學生較大程度上被動接受知識，思維方式固化。講解時間長也導致操作時間有限，學生為了按時完成教學任務，實驗中就要盡量規(guī)避錯誤，不敢輕易嘗試新的想法，這在一定程度上扼殺了學生的開拓性思維。

(3)蘭州大學地處西部，生源質(zhì)量參差不齊，部分學生實驗技能相對薄弱，需要對其加強基礎性訓練；而強基計劃等高水平人才已經(jīng)具備了較為堅固的基礎知識和實驗技能，所以需要為他們提供高挑戰(zhàn)性的教學內(nèi)容。教學需因材施教，在夯實實驗技能的同時，為學生實施量身定制的實驗體系。

2 建設“以人為本”的無機及分析化學實驗課程體系

在蘭州大學2019年教學計劃的指導下，實驗教學團隊立足于知識體系與科學研究相融合的思路[7,8]，按照“基礎型-綜合型-設計型”三個層次構(gòu)建了實驗課程體系，為學生提供個性化教學內(nèi)容，提升了課程高階性與挑戰(zhàn)性。教學實施中增加課前預習比重，強化以問題為導向的課堂討論，積極采用“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學方式，充分利用網(wǎng)絡平臺，引導學生主動學習、獨立思考。引入成果導向評價體系作為考核標準，保持學生學習的持續(xù)動力。課程設計與實施如圖1所示。

圖1 無機及分析化學實驗教學體系

2.1 重構(gòu)實驗內(nèi)容，突出綜合與設計實驗

無機及分析化學實驗面向一年級學生，首要教學任務是為學生夯實基礎知識、強化規(guī)范操作、建立嚴謹規(guī)范的科學態(tài)度。課程首先開展的教學項目多為基本操作，如“天平稱量操作”“滴定操作練習”等。在建立良好基礎和嚴謹定量化概念后，團隊重組了實驗內(nèi)容，將基本操作、性質(zhì)檢測、設計與驗證性步驟融合到綜合性實驗內(nèi)容中(表1)。

表1 “基礎型-綜合型-設計型”三層次代表性實驗項目

如元素性質(zhì)實驗往往都是對已知現(xiàn)象的驗證，忽略了對學生探究能力的培養(yǎng)。團隊重組實驗內(nèi)容，將陰、陽離子鑒定等性質(zhì)實驗中的相關(guān)內(nèi)容融合到綜合性實驗的元素檢測環(huán)節(jié)中，由學生自行制訂定性與定量檢測方法，使實驗與科研更加貼合。以“硫酸銅的提純與結(jié)晶水測定”為例，以往都是告訴學生粗硫酸銅中有Fe3+，現(xiàn)在我們要求學生提前查閱文獻，設計檢驗粗硫酸銅中Fe3+的實驗步驟。學生往往會采用KSCN或黃血鹽作為檢測試劑，忽略了Cu2+與兩種試劑形成綠色配合物或紅褐色沉淀的干擾現(xiàn)象。我們提供Fe3+標樣作對照，要求學生自行驗證、觀察現(xiàn)象、分析原因，結(jié)合元素性質(zhì)與分離方法，進一步改進方案。在不斷試錯的過程中，學生之間相互比較、討論，既體驗了科學探索的快樂，也加深了實驗與理論的相互融合。團隊還將相對獨立的實驗單元有機融合為連續(xù)性實驗項目，如硫酸銅提純實驗中的產(chǎn)品作為結(jié)晶水測定和草酸合銅酸鉀的合成等實驗的原料，母液收集后進行硫酸銅晶體的培養(yǎng)，高度連貫的實驗培養(yǎng)了學生每步操作都須嚴謹認真對待的科學態(tài)度。

圖2 無機及分析化學實驗I與II中“基礎型–綜合型–設計型”不同層次實驗學時圖

開設于第二學期的無機及分析化學實驗II，綜合與設計型實驗學時顯著增加(圖2)，利用“硅酸鹽水泥的全分析”等綜合性實驗培養(yǎng)學生理論知識的全面運用，鞏固基本實驗技能，提高分析和解決問題的實際能力；利用“鐵氧體法處理含鉻廢水”“四氨合銅硫酸鹽的合成及組成分析”等設計性實驗，引導學生查閱文獻、設計步驟、驗證方案、歸納總結(jié)，激發(fā)學生對科學研究的興趣，培養(yǎng)學生的科研探究能力。實驗中還增加了與科研貼近的實驗內(nèi)容，如“熒光光度分析法測定維生素B2含量”，利用常見儀器，強化分析方法的設計。刪除了“鐵礦石中鐵含量的測定——氯化汞法”“甲醛法測定硫酸銨”等毒害性較大的實驗，增加了“鐵氧體法處理含鉻廢水”“大氣中SO2含量測定”等實驗，帶領(lǐng)學生在校園及周邊環(huán)境中采樣(圖3、圖4)，使其樹立“生態(tài)興則文明興”的環(huán)保觀念，踐行可持續(xù)發(fā)展的理念。

圖3 校園中天然水采樣

圖4 實驗室周邊大氣采樣

針對強基班和基地班等拔尖學生，教學中不僅加強了對其基本理論和技能的強化訓練，還提升了實驗要求。一方面在經(jīng)典實驗中增加設計性實驗步驟，以科研思路引領(lǐng)學生完成實驗項目，如“草酸合銅酸鉀的合成與組成測定”實驗，在測定C2O42-的過程中加硫酸后有淺藍色沉淀出現(xiàn)，要求學生根據(jù)元素性質(zhì)推測沉淀的成分，提出詳細的分析方案，驗證方案的可行性，并以論文的形式寫出總結(jié)報告(圖5)；另一方面，要求學生以小組為單位開展探究性實驗，為學生創(chuàng)造更多自由探討的氛圍。如“天然水硬度和化學需氧量(COD)含量的測定”實驗，對普通班是綜合性實驗，而對強基和基地班的學生則為設計性實驗。教師要求高水平班級以小組為單位提出三種以上的測定方案。學生們以“大膽質(zhì)疑，小心求證”為出發(fā)點展開積極的討論，在相互學習的過程中取長補短，融會貫通。設計性的教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學生理性思維及重視實證的思維方式，助力學生成為擁有創(chuàng)新意識和多元流動思維的復合型人才。

圖5 草酸合銅酸鉀設計性實驗內(nèi)容與學生的實驗報告

通過從單元訓練到集合成、檢驗、分離、定量分析于一體的綜合性實驗項目，構(gòu)建了“基礎型-綜合型-設計型”的層次化無機及分析化學實驗體系，不僅提升了學生實驗技能，更有效地從知識、能力、素養(yǎng)三個維度對學生進行了全面培養(yǎng)。

2.2 混合式多維教學模式的構(gòu)建

多媒體技術(shù)為實驗教學提供了更廣闊的內(nèi)容和更豐富的學習方法[9,10]。我們運用超星教學平臺、虛擬仿真實驗等現(xiàn)代教學手段，設計了“課前預習→課中導學→總結(jié)討論→考核評估”的多維度教學模式。

2.2.1 扎實有效的實驗預習

預習是達到實驗預期效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，良好的預習能有效提升實驗效率。但以往學生認為預習就是書寫預習報告，未能深入理解實驗原理和規(guī)范操作要求。實驗中學生過分依賴教師的講解與演示，操作也是照葫蘆畫瓢，無法做到融會貫通、舉一反三，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維和科學探究態(tài)度。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，實驗團隊積極采用線下線上相結(jié)合的教學方式，將實驗基本操作與實驗室安全學習構(gòu)建為虛擬仿真實驗，利用超星平臺與實驗中心的教學網(wǎng)絡(圖6)，建設了包括資源庫、課件、微課、錄課、討論、考核、資源鏈接等集一體的線上教學體系，為學生預習、復習、交流、課程拓展等提供了豐富的資源。如將經(jīng)典的高毒性實驗“鐵礦石的測定——氯化汞法”設計為虛擬仿真實驗，將實驗中涉及到的儀器分析虛擬實驗室放置在教學平臺上，為學生的高階學習與知識拓展提供了堅實的平臺。

圖6 實驗示范中心平臺的教學資源

利用高速便捷的互聯(lián)網(wǎng)，教師在超星平臺上推送電子課件、講解視頻、操作演示視頻、擴展資料等。課件與講解均以問題為引領(lǐng)，引導學生深度思考實驗原理、梳理實驗步驟、厘清實驗關(guān)鍵點。如在摩爾氣體常數(shù)的實驗中，通過在原理、步驟、結(jié)果處理等環(huán)節(jié)中引入問題，建立思維導圖，極大提升了學生的深度思考，使其提前掌握關(guān)鍵操作點(圖7)。通過操作演示視頻，如“玻璃工操作”“減壓過濾操作”“移液槍的使用”“電導率儀的使用”等，學生可以全方位觀察操作細節(jié)，極大地彌補了線下教師演示時，學生人數(shù)過多導致后面的學生看不清楚的缺陷。借助網(wǎng)絡教學平臺，還為學生提供了各種資源鏈接，如“酸度計的結(jié)構(gòu)及原理”等，使學生對儀器的原理、構(gòu)造、使用方法與注意事項有更廣泛和深入的認識。

圖7 摩爾氣體常數(shù)測定實驗中的教學思維導圖

強基班和基地班的學生，理論基礎扎實、思維活躍、學習主動性強。針對這些學生，在平臺上提供了更多的教學資源和開放性問題，以促進科學思維的訓練。如在“天然水高錳酸鹽指數(shù)的測定”實驗中，將《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定(GB 11892-89)》《水質(zhì) 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法(HJ 828-2017)》《水質(zhì) 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法HJ/T 399-2007》等國家標準與行業(yè)標準推送在平臺和微信群中，組織學生進行討論，比較不同測定方法的適用范圍與優(yōu)缺點。在“鈷氨配合物的合成與組成分析”中，要求學生除了根據(jù)莫爾法進行氯離子含量的測定外，還要設計其他檢測方法。學生充分利用實驗室的小型儀器，確立了基于電位滴定的檢測方法。以鈷配合物的實驗為切入點，還引入本校教師的科研工作，如丁勇教授的單核鈷金屬有機配合物光催化水的研究[11]和景歡旺教授的卟啉鈷配合物高效催化CO2制備有機環(huán)碳酸酯[12]的前瞻性工作，討論鈷配合物的空間構(gòu)型與電子層結(jié)構(gòu)的關(guān)系、配合物結(jié)構(gòu)與催化性能的構(gòu)效關(guān)系、配合物的催化機理等，實現(xiàn)了知識傳授、能力培養(yǎng)的深度融合。

2.2.2 形式多樣的課堂教學

課程團隊積極采用學生為主體、教師為主導的互動式教學方式。講解過程中隨機選取學生講解原理或步驟，引導學生之間相互交流，鍛煉學生的語言邏輯性和表達能力，增加學生在課堂中的主體認知度。

團隊在講授環(huán)節(jié)中突出強調(diào)學生的主體地位。教師只介紹重點與難點，演示重要操作，引導學生深度思考實驗設計背后的原理。每次實驗結(jié)束后均有30分鐘左右的總結(jié)環(huán)節(jié)，及時指出學生普遍存在的錯誤，比較學生們的實驗結(jié)果，討論誤差的來源，分析實驗現(xiàn)象不同的原因。總結(jié)與討論環(huán)節(jié)受到學生的高度認可，學生們積極發(fā)言，主動對錯誤的操作進行復盤，尋找出錯的原因。學生們相互探討、互相學習，活躍的氣氛激發(fā)了學生的學習興趣，調(diào)動了學生的參與感與成就感。

部分設計性實驗項目采用“翻轉(zhuǎn)式”教學方式，學生提前查閱資料、設計方案。從講授原理、演示操作、陳述步驟到總結(jié)數(shù)據(jù)、討論結(jié)果的全過程均以學習小組為單位由學生完成。高認可度的翻轉(zhuǎn)課堂激發(fā)了學生的主動性，相互探討中學生的視野得到了進一步拓展，邏輯思維與語言表達能力也得以鍛煉提升(圖8)。

圖8 學生對翻轉(zhuǎn)課堂認可度統(tǒng)計結(jié)果

實踐證明，實驗課程采用混合式教學方法所構(gòu)建的教學模式切實可行。預習形式的多樣化對學生深度理解原理、掌握規(guī)范操作有顯著幫助。引導式教學方法、翻轉(zhuǎn)課堂為學生高階學習提供了途徑。通過問卷調(diào)查，90.0%的學生認為混合式教學模式對實驗能力有不同程度的提升，是高質(zhì)量達成學習目標的有效途徑(圖9)。

圖9 混合式教學對實驗能力提升的統(tǒng)計結(jié)果

2.2.3 建立以成果為導向的考核方式

實驗教學團隊以“專業(yè)基礎扎實、基本技能熟練、具有創(chuàng)新能力和國際視野”的創(chuàng)新性化學專業(yè)人才培養(yǎng)目標為導向，建立了以成果為導向的教學評價與考核模式。圍繞培養(yǎng)目標，以“行業(yè)需求→培養(yǎng)目標→畢業(yè)要求→課程體系→教學內(nèi)容+教學方式+教學資源→考核方式”進行了自上而下的設計，建立了分層次目標模型。

實踐課所承擔的任務，除了加深對知識的理解和掌握外，更重要的是能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)。針對一年級同學的無機及分析化學實驗，考核要求包括：(1)基本知識的掌握：學生應具備規(guī)范的實驗基本操作技能，獲得準確可靠的實驗數(shù)據(jù)的能力；(2)問題分析：能夠?qū)嶒炦^程中的現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題進行解析；(3)設計解決方案：設計與實施簡單化合物的合成、定性和定量檢測方法，在此過程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。為達成以上多維培養(yǎng)目標，實驗課程需加強過程性考核的比例，采用不同角度的考評體系(表2)，達到“以考促學”的目的。

表2 無機與分析化學實驗考核與成績評定體系

過程性考核涵蓋了日常考核與翻轉(zhuǎn)課堂考核，是實驗評定的主體，計入總成績的75%。日常考核以綜合素質(zhì)評價為核心，實行預習、設計、操作、記錄、規(guī)范表達、數(shù)據(jù)分析與處理、歸納與總結(jié)等多元化的評價體系；翻轉(zhuǎn)課堂考核則以小組為單位，從主題發(fā)言、實驗方案的設計與實施等方面入手，更注重對于知識應用能力、思辨能力和團隊合作能力的評定。

期末的實驗操作考試全面考查綜合與創(chuàng)新能力。教師提前發(fā)布某物質(zhì)的合成與組成分析要求，對學生進行文獻檢索、方案設計、合成與分析、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果總結(jié)的全過程考查。教師采用競賽評分準則，對設計方案的合理性、基本操作的規(guī)范性、整體完成度、結(jié)果的準確性等進行綜合評分，考試后公布評分標準，使學生能對照標準明確地查找自身的問題所在。統(tǒng)一命題、統(tǒng)一考試、流水閱卷的實驗筆試，促使學生對整個學期的實驗進行全面的回顧和總結(jié)。

綜合性的考核方式兼顧成果和過程，使得評價結(jié)果具有科學性。多維考核方式尊重學生的個體差異，幫助學生對自身學習情況進行反向監(jiān)控。評價的人性化、科學化，使學生真實、精確地評價學習成效，助力學生多元發(fā)展。

教學團隊根據(jù)人才培養(yǎng)需求不斷及時調(diào)整教學方式與內(nèi)容，并鼓勵學生積極參加校級、省級和國家級的專業(yè)實驗比賽。培養(yǎng)的本科生在2019-2022年全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計競賽全國總決賽中取得了三次特等獎的優(yōu)異成績，在1998年開始舉辦的歷屆全國大學生化學實驗邀請賽中取得了一等獎6項、二等獎11項、三等獎16項的佳績(統(tǒng)計截止至2021年)。

3 結(jié)語

蘭州大學無機及分析化學實驗課程團隊通過建立信息化教學資源平臺，構(gòu)建并實施了“基礎-綜合-設計”的層次化無機及分析化學實驗課程體系。通過整合實驗內(nèi)容，增加設計環(huán)節(jié)、采用差異化教學項目，利用翻轉(zhuǎn)課堂和引導型教學模式，改善教學評價體系等手段，在培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)、綜合實踐能力和創(chuàng)新思維等方面取得了良好成效。培養(yǎng)的學生學習主動性高、專業(yè)素養(yǎng)扎實、動手能力強、善于思考、勤于鉆研，不僅能夠適應當前學科的發(fā)展，更能滿足社會的實際需求。