“双一流”背景下材料化学实验教学改革的探索与实践*

张雁红，王海燕

(内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

随着经济发展日新月异，科技创新突飞猛进，现代社会对拥有扎实理论基础和较强实践能力的高素质创新型人才急为需求。创新型人才培养是高等教育“双一流”建设的基本任务之一，也是衡量一流大学的重要指标之一[1]。为了加快推进“双一流”建设的步伐，全国各大高校纷纷依据地方特色，准确寻找自身定位以确定符合本校实际情况的人才培养体系，有针对性地设置能体现实践性和应用性的专业课程。材料化学实验是面向我校材料化学专业大三学生开设的一门专业必修课，共56学时，内容涉及不同材料在各个领域的研究进展及应用前景、材料制备及性能表征方面的知识。课程通过实验教学，使学生掌握典型的纳米材料、高分子材料、无机功能材料、复合材料的制备方法，熟悉常用的现代分析测试仪器操作流程，并且能够分析解读相关实验数据，学会使用常用化学软件作图，进一步培养学生的科研创新能力、独立思考和分析解决问题的能力，全面提高学生的综合素质，是培养创新型和综合性人才的重要实践环节。然而，传统的材料化学实验一直以验证性的合成实验为主，对材料的性能表征以及综合应用很少提及，对培养学生的实践能力以及提高环保意识方面都差强人意，更无从谈起培养学生的创新精神和批判性思维。因此，无论从教学内容、教学方式还是教学理念，对于材料化学实验的改革都势在必行。本文就“双一流”建设背景下，我校材料化学实验的教学现状以及改革措施进行深入探讨，希望通过不断的改革尝试能够有效改善教学效果，提升教学质量，为学生综合能力培养以及“双一流”建设提供借鉴。

1 优化传统实验内容，引入综合创新型实验

材料化学实验是一门实践性与应用型都非常强的专业必修课，不仅能衔接材料化学中的基本理论知识、更能巩固基础化学实验的基本操作。然而，目前很多高校由于实验资源的限制，仅开设一些经典的验证性实验，教学内容比较陈旧。学生上实验课时，依葫芦画瓢、按部就班地按照实验流程进行，只注重实验结果，很少关注实验过程，这种实验教学很难有效地激发学生的创新意识和培养学生的综合能力。因此，为了突破传统材料化学实验在培养学生综合素质方面存在的弊端，学院积极探索，不断进行改革，优化实验教学内容，逐步扭转实验教学“重理论、轻实践”的现象。为了培养学生的科研兴趣和科学素养，引导学生及时关注国内外材料领域的研究热点，我们结合教师科研项目，引入了一系列系统完整、具有前瞻性和探索性的综合创新型实验，教学内容与时俱进。比如“硫化锌纳米粒子的合成及性能研究综合实验”，该实验将材料化学的前沿热点与实验教学有机结合，内容涉及纳米材料的制备、表征及实际应用、再到相关机理研究，教学内容层层递进、教学节奏有条不紊，不仅拓宽了学生的科学视野，激发了学生的求知欲；在实验过程中，学生可以近距离接触大型精密仪器、亲自解读实验谱图并使用相关化学软件分析实验数据，非常有利于系统全面地训练学生的实验操作技能，培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力。

2 采用多元化教学模式，打造高质量实验教学

长期以来，材料化学实验大多以教师为中心、采取“灌输式”的教学模式，实验开始前，学生根据实验内容敷衍式地完成预习报告；课堂上，教师花大量时间讲解实验原理、操作步骤、实验注意事项以及数据处理和实验报告要求。学生则不假思索、机械地重复实验流程，很少潜心钻研实验细节，对实验结果更是“知其然不知其所以然”。这种被动的学习方法容易使学生滋生依赖他人的惰性思想，不利于学习能力和创新能力的培养。当今社会互联网技术发展突飞猛进，各大高校纷纷利用信息技术开展人才培养模式和教学方法改革[2]，我校材料化学实验课程也利用慕课、微课、雨课堂等多媒体资源开展“线上+线下”混合式教学模式。课前，教师制作实验课件、录制操作视频，利用网络资源发布学习链接，要求学生在线预习，学生则可以突破时空限制，随时利用手机和电脑，反复进行学习。同时教师会发布一些实验指导性问题和讨论题，引导学生通过师生互动、学生之间互动等形式，切实掌握实验的重点难点，自主完成预习任务。课中，通过实验“翻转课堂”，让学生以小组的形式就自己对实验的理解和预习效果进行汇报展示，教师有针对性地加以矫正和修改，然后学生有思路、有目的地进行实验；实验过程中，如果遇到一些实验现象和预想的情况不一样，学生将会主动反思实验过程、总结经验并尝试分析解决问题。这种混合式教学模式和翻转课堂的有机结合，突出了学生的主体地位，培养了学生独立思考的能力，同时也锻炼了学生的语言表达能力和团队合作能力。

3 借助虚拟仿真平台，拓展实验教学广度和深度

近年来，随着计算机技术与人工智能技术的蓬勃发展，虚拟仿真技术逐渐被应用到本科生实验教学中。虚拟仿真实验教学利用多媒体和互联网技术，通过人机交互构建高度仿真的虚拟实验场景和实验对象，使学生在虚拟平台体验逼真的实验操作流程，有效地弥补和拓展了实际教学中难以实现的实验教学内容[3]。

2020年春季学期，由于新冠疫情形势严峻，各高校大学生普遍延期返校。为了贯彻落实教育部“停课不停学”的方针政策，我校充分利用网络教学资源开展了理论与实验课程的线上教学。材料化学实验课程借助于虚拟仿真平台，圆满完成了多个实验项目，实现了大型仪器测试表征的学习、培训与实操。

以X射线粉末衍射为例，该虚拟仿真实验包含了多个相互衔接的模块，如：实验原理、仪器配置、样品配置、仪器操作、数据分析等。实验原理模块详细地介绍了实验方法及仪器工作原理等基础知识；仪器配制模块利用3D技术，将X射线粉末衍射仪器内部的结构直观形象地呈现出来，使学生真切地感受到仪器的基本构造和具体工作原理；样品配置模块对测试样品的形状、厚度、粒径尺寸均给出了具体要求，学生可以利用键盘和鼠标模拟样品研磨、压片等具体过程；仪器操作模块分别设置了演示和练习模式，学生可以先通过观看动画视频，留意各实验步骤的注意事项和细节，然后再按照提示，进行规范的操作练习，有效地培养了学生的观察分析能力和实践动手能力。学生还可以有针对性地进行模拟试错，感受因操作不当引起的安全事故，增强学生的安全防范意识。数据分析模块可以实现优化系统参数设置以及实验数据在线分析，便于学生实时快捷地总结实验结果，进行跟踪评价，提高了学生的逻辑思维能力和推理计算能力。

整个虚拟实验过程高度再现了大型精密仪器的内部构造，还原了实体实验教学过程中的各个环节，使学生可以不受仪器设备和实验场地的限制，实现跨地域、跨时间的自由学习模式；此外，虚拟仿真实验结合了大学生感兴趣的网络操作，兼具教学性和趣味性的特点，极大地激发了学生的学习兴趣，使他们在实验过程中积极地发挥自己的主观能动性，开发创新思维，提高实践能力。

4 建立科学的考核机制，调动学生积极性

材料化学实验的考核标准及评价形式直接关系到实验课程的教学效果，以往的实验成绩虽然也是由平时成绩和实验报告两部分评定，但平时成绩更多关注学生的考勤和卫生情况，再加上学生所做实验内容类似，实验报告大多照搬课件讲义，因此最终的实验成绩区分度不明显，这种考核方式很难全面客观地衡量学生的实验综合能力，也会大大降低学生实验的积极性。为了适应目前多元化的教学模式，我们对实验考核机制也进行了适当的调整，更加注重过程性评价。首先，平时成绩更加强化预习效果，慕课的使用不仅可以监测学生的出勤率，还可以跟踪视频学习进度，通过线上自测题的反馈可以把握学生预习效果及课堂学习效率。其次，在实验课中，不仅关注学生的基本操作、实验注意事项、有意识地增加了一些教学互动环节，教师针对预习过程中出现的具体问题以及实验的重点难点引导学生进行思考讨论，鼓励学生积极发言，提高课堂参与度，激发学生学习热情。实验报告的评价过程，更重视学生对实验结果的分析和讨论，及时批改实验报告，解决出现的问题。最后，期末考试分为理论和实验两部分，理论部分主要考察学生对实验原理、实验现象和结论的解释；实验操作主要考察学生操作过程的熟练程度以及操作的规范性和对实验注意事项的领悟。总之，通过多角度的考核方式，不仅可以全面衡量学生对实验知识的掌握情况以及真实的实验水平，还可以充分调动学生的主观能动性，培养学生认真严谨的科学态度。

5 渗透绿色环保理念，加强课程思政教育

传统材料化学实验课程对专业知识和实验技能的传授具体明确，颇具指导性，但是对学生思想政治素养和人生观、价值观的引导略显薄弱。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上提出了“课程思政”的理念，要求高校所有课程都要发挥思想政治教育作用[4]。在“双一流”建设背景下，课程思政教育是各大高校教学改革面临的重要任务之一。实验课由于其实践性的特点，是开展课程思政教育最好的载体[5]。材料化学实验的整个教学过程都蕴含着丰富的思政元素。我们始终把安全教育和绿色环保理念渗透在实验全过程，要求学生踏踏实实做好实验预习工作、严格遵守实验规则、培养良好的科研态度和实验习惯[6]；引导学生实验操作时，合理使用药品剂量、避免浪费，将产生的废液废物集中分类处理、不可随意排放，提倡绿色化学理念和加强学生环境保护意识；要求学生真实地记录和保存实验数据，注重科研诚信和学术规范，培养他们严谨求实的科研素养。实验结束后，学生要自觉整理好实验台面、做好清洁工作，养成良好的卫生习惯，培养学生的团队合作意识和责任感。通过教师在课堂上有意识地融入德育教育和思政教育，不仅可以调动学生的学习热情，提高实验教学效果，更有利于提高学生的专业素养、传递给学生正确的人生观和价值观[7]。

6 结 语

在“双一流”建设背景下，本科实验教学将面临新的挑战与机遇。材料化学实验是材料系学生提高专业能力的核心课程，对培养学生综合能力起到举足轻重的作用。通过引入创新型综合实验，有利于拓宽学生科学视野、激发学生创新意识、培养学生自己动手、分析解决问题的能力；互联网新媒体的灵活应用、“线上+线下”混合式教学模式以及翻转课堂的有机结合适应当代大学生思维活跃的特点，能充分调动学生的学习兴趣和潜能，培养学生实验组织和语言表达能力；虚拟仿真平台通过模拟抽象、极端、高成本、高消耗的实验环境和实验内容，使学生可以跨地域、跨时间、沉浸式地感受一些在现实中不可及的高精度、高危险性实验。形象直观的动画演示使实验灵动有趣，有助于激发学生的好奇心和求知欲，培养学生的创新精神和探索能力；多元化的考核方式以及课程思政教育的巧妙渗透，不仅可以调动学生主观能动性，提高学习积极性，还可以增强学生团队合作意识，引导他们树立正确的三观，从而更好地服务于社会。