创新能力培养为导向的大学化学实验教学改革

田东亮， 钱建刚， 翟 锦， 闻利平

（1.北京航空航天大学化学学院，北京 100191；2.中国科学院理化技术研究所，北京 100190）

0 引 言

面对新时期、新形势下创新型人才的需要，培养具有创新能力和创新精神的高素质人才是高等学校肩负的重要历史使命。加强基础学科建设和基础理论研究，积极开展面向全球性挑战问题的研究是人才培养的关键。化学是自然科学中一门“核心性、实用性和创造性”的基础学科，在人类生存和社会进步中具有极其重要的作用和价值，关系着国家国防安全、工农业生产、经济社会发展、环境安全和民生健康等相关领域的发展［1-2］。实验是化学的灵魂和生命，在学生科学素养及综合创新能力培养中具有极其重要的作用［3-5］。加强实验教学这一重要环节，培养学生自主学习能力，提高学生操作动手能力和综合表达能力，增强学生综合创新意识，已成为21世纪全面提高学生综合素质的迫切要求［6］。

大学化学是工科高等院校不可缺少的一门基础课，课程简明地反映了化学学科的基本原理以及与生产、工程实际和日常生活的联系，是培养德智体美劳全面发展人才知识结构和能力的重要组成部分，是大学生科学素质教育的重要环节，在化学与实际生产、工程及安全之间起到桥梁作用。大学化学实验是大学化学课程的实验教学环节，在培养工科大类学生的科学实验与实践动手能力、科学素养、创新思维和创新能力等方面均起着不可替代的作用［7-9］。但是，传统大学化学实验教学通常采取教师讲-学生听，教师示范-学生做，和课后固定模式实验报告的模式，存在教学内容缺乏吸引性，教学方法和考核方式单一的问题，结果导致学生对实验的兴趣不高，参与积极性低，实验报告及作业草草应付。没有真正起到促进教师“导”与学生“学”相结合的效果，不利于学生综合创新和实践能力的培养［10-14］。因此，紧密围绕以学生为中心，以创新能力培养为导向，采取研究型教学模式，对大学化学实验进行改革，以期提高工科大类学生的动手能力和科学素质。

1 我校大学化学实验开设情况

2017年，我校根据“新工科”和“双一流”建设对于人才培养模式的新要求，对招生专业进行重大改革和调整，开始实施大类招生与培养，将普通类本科分为工科试验班类、理科试验班类、社会科学试验班类等。大学化学及实验面向其中工科试验班（航空航天类）进行开设，涉及11个学院的14类专业方向，约1600余人。大学化学实验是工科试验班类（航空航天类）本科生进入大学后所接触到的第一门实验课，共16课时，开设8个实验，每个实验2课时，具体开设情况如表1所示。

表1 大学化学实验教学安排

实验在整个大学化学课程期末总成绩（满分100分）中占30分。传统实验教学考核方式主要是根据学生预习思考题（5分）、课堂表现（5分）和课后书写的实验报告（20分）给出成绩。这种主要根据实验报告评价学生的考核方式能够在一定程度上反映出学生分析、总结问题的能力，但并不能真实反映学生的实际动手能力，也不能针对性检验和提高实验的教学效果。同时，实验报告采用传统固定格式，部分规定内容与实验教材内容完全一致，不利于培养学生总结思考，甚至存在照搬照抄的问题，难以实现培养目标。

考核方式决定学习发展趋势，有什么样的考核方式就会存在什么样的学习方式。因此，为了加强培养和提高学生动手能力和创新能力，结合学校“理想高远、学识一流、胸怀寰宇、致真唯实”的本科人才培养总体目标，以学生为本，对大学化学实验课程教学及考核进行了改革。通过实验考核方式改革带动大学化学实验教学改革，将基础知识与科研应用相结合，基本操作训练与考试相结合，充分调动学生实验中认真动手操作的主观能动性，培养学生严谨意识和科学素养，提高实验课的教学质量和效果。

2 课程教学改革与实践

如何提高实验教学质量，加强学生动手能力、科学素养和综合创新能力培养，是实现课程教学目标及培养目标的关键［15-18］。一种好的考核方式，一方面能够有效督促老师来提高教学效果和质量，另一方面能够有效激发学生学习的积极性和主动参与性。鉴于此，以课程内容改革为抓手，考核方式为手段，对大学化学实验教学内容和具体实施过程进行了改革。

针对目前实验中存在的问题，为了充分调动学生实验的主观能动性，培养学生严谨意识和科学素养，提高实验课的教学质量和效果，对上课方式及实验考核方式进行了改革，采用研究型教学模式，注重引导启发、创新思维能力和表达能力的培养，并将大学化学实验的考核方式改革为50%来自实验报告（含预习报告和课后实验报告，其中课前预习采用通过性线上测试，课后实验报告至少有一次为论文式报告），50%来自实验操作考试（考前随机抽取）。这种教学改革，不仅加强了学生对实验原理、实验操作内容及数据处理与讨论的理解和掌握，极大促进了学生动手能力的培养和良好科学素养的形成。

2.1 实验教学方式改革

2.1.1 课前预习

对于课前预习，要求学生熟悉整个实验的背景、实验目的、原理及仪器操作方式，对实验内容有大致的了解。其中，将仪器操作和注意事项录制成视频，提前发给学生，并且将实验课程中的仪器操作方法和重点注意事项整理为线上习题，要求学生在课前完成，而且成绩必须在90分以上方可进入实验室（该部分成绩为通过性成绩），这样就让学生对实验整个过程及操作有了较为清晰的理解和掌握。同时也给学生布置一些小作业，将学生实验与生产、生活及航空航天应用实际相结合。比如，查阅反应热效应测定的具体应用领域，将其与生产中燃料、生活中食品热值和航空航天燃料选择相联系，激发学生学习的兴趣，加强学生对大学化学知识的巩固和应用，并且培养以化学的思维分析、评价和解决现实中的复杂问题的能力，加强课程的高阶性教学。

2.1.2 课堂互动

基于良好的课前预习，教学过程中改变了以往的上课教师讲-学生听、教师示范-学生做的模式，充分发挥教师“导”与学生“学”的优势。教师认真检查学生预习情况，严格做到学生没预习和预习不好的不许进行实验。实验课上，教师讲解重、难点及操作注意事项，部分内容要求学生讲解，加强学生的主动学习的能力培养，实验的所有操作均由学生独立完成，提高教学效果。

注重加强师生互动、学生互动，课上教师主要与学生互动交流指导，通过重难点提问，引导学生对实验背景进行进一步的了解，细节的重点把握，纠正和进一步规范学生的仪器操作方法，针对性地解决学生中存在的问题，培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的创新思维和综合表达能力，并实现个性化、差异化、精准化培养，有效提高课程的效率和质量。例如，在水的净化与检测中，提问并举例了生产、生活和航空航天领域中水的净化与处理的方法，并在实验室带领学生参观实验室中去离子水的处理装置，加深学生对水的净化与处理的深层次认识。在污水中六价铬的测定实验中进一步强调社会发展过程中水污染的防治与人们生活健康之间的关系，并拓展污水中其他重要污染物的测定方法，加强创新性培养，同时在课程中适度调整实验条件，增加实验的挑战度，激发学生的求知欲和主动性。

2.1.3 课后总结

课后总结主要是撰写实验报告，该过程注重对数据处理及分析讨论的考核，强调分析总结与凝练，继续加强学生提出问题、分析问题和解决问题的能力培养。而且，要求学生在所学实验撰写实验报告中至少1次为论文式实验报告（要求按照标准的科研论文模式进行撰写，主要说明为什么做这个实验，这个实验怎么做，做了这个实验能干什么进行总结，包括标题、摘要、关键词、前言、实验部分、数据处理和结果讨论，结论，参考文献等）。论文式报告的撰写，推荐从反应热效应的测定、水的净化与水质监测和污水中六价铬的测定中选取，因为这些实验具有更为直接的实际应用意义，而且实验操作、数据处理要求较高，整个过程可以使学生得到很好的训练。同时，通过规范化的报告撰写，可以使学生课后总结回顾整个实验过程，包括背景的深层次理解，实验的目的及研究方法，并提出改进建议，使其所学的知识及方法得到提升，并进一步培养学生的创新思维和创新能力。教师批阅报告时注重学生改进建议和创新过程考核，并及时将报告中的问题及时反馈给学生，加强与学生之间的互动交流。

2.1.4 课后实验室开放

针对来自全国各地的大一学生高考要求不同，学生的化学基础知识的层次不同，开放了实验室，保证基础知识一般的学生“吃饱”，基础知识扎实的学生“吃好”。一方面，对实验课上不能很好完成实验的同学，根据学生的时间申请增加实验完成时间。另一方面，部分学生经过操作后对已做实验中仪器操作遗忘的问题，安排了仪器使用答疑时间，为保障学生顺利完成学习和理解提供了条件。同时，也为有化学兴趣、并愿意进行拓展研究的学生开放了实验室，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习积极性。

综上所述，通过优化研究型实验教学过程，注重理论联系实际，从实验中不断锻炼学生动手能力和科学思维，加强科学批判精神的培养，提高学生的科学素养和解决实际问题的创新能力；从实验报告的撰写中锻炼分析、讨论与总结的能力，以及对实验研究方法的整体把握，并提出自己对实验的改进建议。通过基础和科研相结合，训练与实际考试相结合，初步建立了导学结合、理论实践结合的学生综合创新能力培养模式（见图1）。

图1 导学结合、理论实践结合的学生综合创新能力培养模式

2.2 实验考核方式改革

为了进一步加强学生平时对实验课程的重视程度，基于大学化学实验教学重点、难点及学生所需要掌握的基本科学素养，编写了实验操作考核内容题库，考前由学生随机抽签决定具体考试内容。基于考核内容的随机性，激发了学生学习中的主动性。

2.2.1 考前试题准备

为了保证考核的顺利进行，公平公正的考试题目是必须的，针对教学重点、难点和学生实验中易错的知识点进行梳理，按照不同的重要程度对考核点内容及其分值进行了选定。同时，对编写的实验试题反复修改验证，保证实验考核内容及操作时间的合理性。实际操作考试时，设计一个相对完整的实验操作内容（与原实验内容不完全一样），要求学生由1节课（45min）完成，并按照错误操作点进行扣分。

2.2.2 考试实施过程

实验操作考试按照单人单组进行，在考前20 min抽题，提前5～10 min到达考试地点签到并佩戴胸卡等候入场，实验考试中侧重学生实验操作规范性、基本科学素养、逻辑思维能力和综合应用的能力。以水的硬度测定实验考核为例简述具体评分内容（见表2，部分选取）。

表2 实验操作考试试题及评分标准（部分选取）

2.3 成绩评定

根据大学化学实验的考核方式，学生最终实验成绩的50%来自平时的实验报告（含预习报告和课后实验报告），另50%来自实验操作考试。其中，实验报告成绩由所有实验的实验报告取平均值给出；实验操作考试成绩则由监考老师按照操作考试评分标准扣除设计错误、错误操作及结果偏离的分数，直接给出实验操作成绩。经过两年两轮学生的实践，最终实验平均成绩85分以上，且呈现正态分布，表明很好地反映了学生的书面表达能力和实验操作动手能力等综合能力，极大地提高了学生的主动性。充分说明大学化学实验考核方式改革真正反映了学生基本素质和能力的差别，提升学生的动手能力、严谨意识和科学素养，促进教师“导”与学生“学”双重结合，最终实现教学相长。

2.4 学生及教师评价反馈

通过两年的教学改革与实践，得到了师生充分肯定和认可。通过问卷星对抽样500人进行问卷调查（见图2），结果发现91.46%的学生赞同增加实验操作考核，认为，“实验操作与实验报告考核相结合的方式更好培养同学们的动手能力、科学素养、增强责任感和安全意识。化学作为一门实验为基础的学科，通过考核不仅同学们更好地掌握了基础操作，更好地了解化学的实用性，对今后的学习生活有很多指导意义。通过考核更好地促进同学们在实验课上端正态度，认真操作，真正学到化学细致严谨的学科思维，锻炼了同学们的动手能力和严谨能力，对工科学生来说很有用。课下书写实验报告培养耐性，促成同学们做好实验过程的记录与总结。两者结合能更好地提高理论水平，又提高动手实践能力。避免了只是单纯学会了如何写实验报告，但是操作没记住、动手能力也不强的问题。98.78%的同学认为，增加实验操作考试，能够加强对实验课程的学习重视程度。通过大学化学实验操作考试，能加强和提高同学们对实验课的重视程度和学习效果，提升动手能力、严谨意识和科学素养。同学们希望实验操作考试能够延续下去。同时，部分学生也对实验操作考核提出了一些改进建议，比如增加考试难度，增大设计比例等。实验改革也获得了专业老师评价，“该改革有利于培养学生的实际动手能力和科学素养，实现了理论与实践相结合”。

图2 问卷调查结果节选 ［（a）现行考核方式（操作考试+实验报告）与原考核方式相比，那种合理？（b）增加实验操作考试，能够加强你对实验课程的学习重视程度吗？（c）最初的设想是通过大学化学实验操作考试，加强和提高同学们对实验课的重视程度和学习效果，提升动手能力、严谨意识和科学素养。你觉得达到了最初的设想吗？（d）你赞同大学化学实验考核改革，并且希望延续下去吗？］

3 结 语

紧密围绕以学生为中心，以学生创新能力培养为导向，通过大学化学实验研究型教学过程和考核方式的改革，极大地发挥了教师“导”与学生“学”双重结合的优势。结果表明，采用研究型教学模式，引导学生发现、提出、分析和解决问题以及论文式实验报告的撰写，可以有效加强学生逻辑思维、表达能力和创新能力培养；考核方式的改革，能显著增强学生的学习兴趣和学习主动性，加强学生动手能力、严谨意识和科学素养的培养，提高了实验课的教学质量和效果，最终实现了教学相长。