大學無機化學實驗多層次教學體系研究

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摘要:培養創新型人才是研究型大學重要任務之一。結合學科發展的特點和現狀，構建無機化學實驗一體化、多層次教學體系(化學原理實驗→無機化學實驗→高等無機化學實驗)，保持教學內容動態更新，設置多元化教學方法與考核模式，如翻轉教學等，提高學生參與實驗的積極性，縮短學生進入研究課題組的過渡期。

關鍵詞:無機化學實驗;翻轉教學;教學體系;教學改革

國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)中將提高高等教學質量和強化實踐教學環節作為一項重要內容［1］。我校是國家高等教育綜合改革試驗校、廣東省高水平大學重點建設高校，目標是迅速建成國際化高水平研究型大學，要實現這個目標，培養具備科研創新能力的學生是重要基礎?；瘜W是一門實踐性和應用性較強的學科，而無機化學實驗是化學化工及相關專業的一門重要基礎課程，國內多個高校結合自身的情況對無機化學實驗課程建設［2］、實驗內容的設計［3］、教學方法和教學模式［4-10］等方面進行了積極的探索和改革，形成了各自的教學特色和優勢，在傳授無機化學實驗的基礎理論和訓練基礎操作技能的同時，注重培養學生分析問題解決問題的能力，注重培養學生的探究能力、創新能力和跨學科交叉合作能力。

1無機化學實驗教學體系現狀

我?；瘜W系是建校第一批建立的院系之一，成立于2011年，而無機化學實驗課程也在短時間內經歷了從無到有，再到逐步完善的過程，目前根據學科發展的現狀和需求設置了無機化學實驗和高等無機化學實驗兩門課程，設計了一系列既能訓練學生實驗技能，拓寬學生視野又貼近科研前沿有實際應用價值的實驗，以提高學生專業綜合素質和培養拔尖創新人才。兩門無機化學實驗課程遵循一體化多層次的教學設計理念，無機化學實驗課程是化學系大二學生的必修課，所以實驗內容偏基礎，側重基本技能和實驗習慣的培養;高等無機化學實驗是化學系大三學生的選修課，內容側重于學生自身主觀能動性及科研能力的培養，主要選課群體為化學系大三部分選擇了無機化學研究方向或者對無機化學具有濃厚興趣的學生。

2無機化學實驗教學體系的設置

2．1無機化學實驗的內容。在一些傳統高校，無機化學實驗是本?；瘜W、化工、環境、農業、生物、醫學和食品等專業大一新生的一門基礎必修課，是學生進入大學后第一門化學實驗課程，所以大部分出版的無機化學實驗講義中基礎操作的培訓占有較大比例，例如，常用玻璃儀器的洗滌和干燥，溶液的配制、天平的使用、蒸發和濃縮等。而我校的無機化學實驗課程是化學系大二學生的必修課，其先修課為化學原理、化學原理實驗A和無機化學導論，即在上無機化學實驗課程之前學生已經具備了基本的操作技能和相關化學理論知識，并且我校大一下學期或大二上學期就有學生進入課題組進行簡單科研工作，所以我校無機化學實驗教學內容和教學目標的設置必須結合本校的定位、培養方案和課程計劃，需要在傳統課程上進行較大改革，使其滿足本校學科發展的需要，并具有其自身的特點和優勢。課程共2學分，64個學時。通常根據學期教學周的長短安排11～13個驗證實驗和綜合性實驗。無機化學實驗(2019年)具體實驗內容如表1所示。無機化學實驗課程內容是根據實際需要和情況自行選擇設計的，具有典型性和代表性，涉及無機化學實驗中常見的反應類型、操作技能及其應用，包括無水無氧操作、微量實驗操作、配合物的合成及應用等，既包含一些基礎實驗，也有根據科研論文自行設計的應用型和綜合型實驗，同時在課程設置過程中，充分考慮學生的興趣和喜好，例如，在硅氧化合物及硅烷聚合物的合成中，學生最后的產物是他們童年游戲里的“彈彈球”，學生興致高漲，且實驗操作難度適宜，提升了學生對課程的興趣和熱情，另外對于有些缺陷和弊端的實驗，例如時間過長、結果模糊或者藥品味道大等的實驗，通過實驗方案優化改進，或者更換無法優化的實驗。所有學生單人操作，獨立完成，學生通過此課程可掌握無機化學實驗中常用的操作和反應類型，加深對相關基礎理論知識的理解和掌握，培養學生規范嚴謹的實驗習慣和實事求是的科學態度等。2．2高等無機化學實驗的內容。高等無機化學實驗課程是在無機化學實驗課程基礎上開設的，作為無機化學實驗課程的高級階段，是化學系大三學生的選修課。高等無機化學實驗具體實驗內容(2018)如表2所示。課程為2學分，64學時。通常安排16次實驗，1～3次實驗完成一個課題。兩門實驗課程一體化多層次設計，循序漸進，無機化學實驗課程的培養目標側重學生實驗基本技能和實驗習慣的培養;高等無機化學實驗課程的培養目標側重于學生自身主觀能動性及科研創新能力的培養。但兩門課程的教學內容都基本兼顧了專業基礎知識、實驗基本技能以及先進的儀器分析技術和學科發展前沿熱點。通過無機化學實驗課程的學習，學生已經掌握了基本的實驗方法、操作技能、注意事項、安全知識等，而高等無機化學實驗課程內容傾向于單個實驗課題化，將每一個實驗當成課題來做，多數課題是從當前已發表的科研論文中選擇的，傾向于更深層次地探索反應的現象、結果和機理，科研論文的完成是個體化事件，而教學實驗需要幾十個學生平行進行，所以科研論文轉變為教學實驗會經過多個地方的改動，例如反應時長，反應過程和檢測儀器等都會進行相應的協調和改動，更能夠發揮學生和教師的主觀能動性。另外，為保持實驗內容與時俱進，目前兩門實驗課的內容每年以10%～20%的比例進行更新。

3無機化學和高等無機化學實驗的實施方案和特點

除了根據無機化學和高等無機化學實驗的培養對象和教學目標的不同設置了不同的實驗內容以外，根據其定位和要求不同設計了不同的教學方法、實施方案和考核方式。3．1無機化學實驗的實施方案和考核模式雖然學生在無機化學實驗之前已經完成了通識課程化學原理實驗的學習，已經具備了化學基礎理論知識和基礎操作技能，但是化學原理實驗基本是一些比較簡單的基礎操作實驗，所涉及的反應類型和操作不能滿足學科發展的需要，基于此，無機化學實驗在化學原理實驗的基礎上側重于學生更高難度的基礎技能的訓練，如無水無氧實驗操作基礎技能的訓練，同時也包括化學實驗室安全意識的進一步培養、實驗廢棄物的分類和實驗報告的書寫等，此外實驗中還引入了先進的現代化分析儀器，例如紅外光譜儀、紫外可見分光光度計、熒光光譜儀、高效液相色譜儀和凝膠滲透色譜儀等，還有核磁、質譜和單晶等數據的解析。除了傳統實驗教學的課前預習和教師講授外，還加入一些新穎有效的教學環節以提高教學質量:①對于難以理解或者難度較大的實驗操作錄制操作視頻，學生提前預習，并且在課堂講授中進一步詳細講解，加深學生對實驗內容的理解和掌握，有助于實驗的順利進行，取得更好的效果。②除了檢查學生的實驗預習報告，在實驗前對學生進行小測試(Quiz)，有效地預防了一部分學生簡單抄寫實驗講義，懶于課前查閱資料和思考，上課時接受能力差導致實驗操作問題多的狀況，同時有效地監督和檢測了學生的預習情況。③加強學生實驗安全方面的知識，安全問題是化學實驗中的頭等大事，根據具體實驗內容，加入和擴展相關安全知識，包括國內外安全標志的認識、緊急情況的處理、日常防護的要求和未知化學品的處理等。④學期末嚴格安排(一對二，即一個教師監考二個學生)實驗操作和化學安全標識的考試。無機化學實驗課程實施方案如圖1所示。為了客觀公正地評價學生的課程學習情況，制定了多元化的切實可行的考核模式，如圖2所示，包括預習報告(5%)、小測試quiz(10%)、實驗操作(50%)、實驗報告(15%)、期末操作考試以及針對性的安全標識考試(20%)。所有的環節都設置了統一的評分標準，杜絕了以往由于考核手段單一而造成考核結果片面和有失公平的弊病。3．2高等無機化學實驗的實施方案和特點。作為研究型大學，我系約有50%的畢業生選擇進一步深造，從事科研工作。而大多數學生在大學二年級就會確定研究導師和方向，進入課題組進行科學研究工作，所以高等無機化學實驗課程的目的之一就是加強學生和科學研究工作的鏈接，促進學生對科研實驗室工作的適應性，縮短學生到科研實驗室的過渡期。除此之外學生是學習的主體，要想達到好的教學效果就必須提高學生的參與度，調動學生自主學習的積極性。現在信息化資源豐富，教師制作和提供了詳細的課程講義、視頻和相關資料，學校能夠提供完善的數據庫平臺，學生可以根據自身情況更好地安排學習時間和選擇學習內容。而且進入高等無機化學實驗課程學習的學生都經過了無機化學實驗的學習和短期科研工作的前期訓練，具備了一定設計實驗方案和實施具體實驗的能力?；趯W科和我校的特點，對高等無機化學實驗的教學模式進行了各種探索，本著提高學生科研創新能力的目的，結合“翻轉課堂”的特點和模式［12-16］，探索出了以“學生為主體，學生授課，教師主導，教師輔助”的新型教學模式，如圖3所示，調動學生的積極性，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。在正式上課之前，教師會根據教學目的、教學條件、學科發展的特點、熱點和以往本課程教學內容的優化方案認真選擇本學期實驗課題，在緒論課上發給學生相關資料或者為學生提供獲得相關資料的鏈接，對所有學生進行分組，隨機分配相應的實驗課題，學生可根據教師提供的資料和資源，也可自行搜索相關資料設計實驗方案，制作教學課件，所有相關實驗問題可提前和教師交流討論，教師對課件和實驗方案進行修改，學生英文授課，整個課堂學生之間和師生之間均使用英文提問，英文回答，對于學生的表現教師制定了詳細的評分標準并進行現場打分。學生由于自行設計方案，在課前對實驗內容和方案進行了充分的了解和消化，實驗操作部分會更加從容和順暢，實驗論文中加入大量的討論和結果分析，充分培養了學生自主創新和主動探索的能力，與此同時，教師由教學主體轉變為主導和輔助，角色的轉變對教師提出了更高的要求，不僅加大了教師的工作量，而且要求教師具有扎實的專業基礎知識，一定的相關專業的知識儲備，并且具備應對突發狀況的相應能力。但在整個教學過程中，教師和學生進行頻繁的交流溝通，不斷地解答學生提出的問題，在問題中發現自身的短板和實驗中暴露的問題，教師根據這些問題不斷優化實驗內容、實驗方案和教學方法，進一步促進課程建設，在不斷培養學生的同時提升自己，達到良性循環。對于傳統的預習實驗報告，大多照搬照抄實驗講義，流于形式，故在高等無機化學實驗課中不對預習實驗報告做硬性要求，但要求學生實驗結束后以科研論文的形式寫實驗報告，因為本科生進入課題組時間長，會有越來越多的成果需要發表，所以在提高學生科研能力的同時，培養學生文章寫作的能力也顯得非常重要，將科研論文寫作的學習訓練有機地結合到實驗報告中不僅增強了學生的寫作能力和閱讀能力，也相應地提高了學生的科研綜合水平，論文中側重于實驗現象和結果的討論，并且對論文寫作中的常規細節有較嚴格的要求。在高等無機化學實驗課程的整個實施過程中，學生獨立完成課題，包括課題前自主學習，自行設計實驗方案，團隊分工合作，極大地提高了學生發現問題、分析問題、解決問題、團隊合作、英語口頭表達及科研創新的能力。根據教學目的和教學內容，制定了較為合理的考核模式，包括實驗講解成績(30%)、實驗操作成績(40%)和實驗論文成績(30%)，每部分成績又根據課程考核要求和側重點將其細化成多處不同比重的考核點，最后綜合核算后成為學生本門課程的成績，如圖4所示。除了實驗講解部分，實驗操作和實驗論文部分也均制定了詳細的評分標準，此教學方式和考核模式極大地調動了學生的積極性。

4無機化學實驗教學體系的特點

無機化學實驗和高等無機化學實驗均在2015年獨立開課，在此之前無機化學實驗和分析化學實驗作為一門實驗課，而高等無機化學實驗是在2015年正式開課，到目前為止，課程已經正式運行了4～5年，課程設計得到了學校院系學生及部分校外專家的好評。概括起來有如下一些特點:(1)課程教學體系一體化多層次設計。設計和建立“化學原理實驗-無機化學實驗-高等無機化學實驗”體系和模式，大體上遵循由淺入深、由簡單到復雜、由點到面、由基礎到創新的課程思路，對無機化學實驗和高等無機化學實驗的內容進行了認真的考慮和選擇，既具有典型性和代表性，又具有系統性和先進性。(2)教學方法和考核模式新穎有效。兩門課程根據不同的教學目的和培養對象設置了完全不同的教學方法和多元化的考核模式。例如無機化學實驗中加入了大量的視頻資料，有利于學生有效自由的學習實驗內容，高等無機化學實驗采用翻轉教學模式，大大提高了學生的參與度，發揮了學生的主觀能動性，培養了學生的創新能力等。(3)單個內容課題化設計。無機化學實驗和高等無機化學實驗都包含了一些系統的課題，注重了實驗的完整性，例如無機化學實驗中的鎳催化劑的合成及其在烯烴異構化反應中的應用，并使用高效液相色譜儀進行檢測實驗的結果。(4)實驗內容不斷更新，課程建設動態化。根據課程發展需要保證每年兩門實驗課的內容有一定比例的更新，保持實驗內容始終處于動態建設中。(5)注重雙語教學。所有課程均為雙語課程，鍛煉了學生對英語聽說讀寫的能力，增強國際競爭力。

5結語

開設無機化學實驗課程已有幾年的時間，隨著教學的軟硬件條件不斷改善，在教師不斷努力探索和學生高度配合下已經取得了一些初步的成績，兩門課程從無機化學實驗中的基礎知識、基本原理的驗證性實驗到綜合性應用實驗，再到高等無機化學課程中的自行設計實驗、擔當教師的角色進行授課、制作課件、撰寫完整的課題論文，建立了一體化多層次的教學體系，有效地培養了學生的開放性思維和科研創新能力，提高了學生的綜合素質。為培養具備創新能力和初步科研能力的復合型人才奠定了基礎。但與此同時還存在不少問題，例如，高等無機化學實驗中小組在完成課題時，個別學生依賴性強，參與度不高，集體意識和團隊意識薄弱，沒有調動每個學生的積極性。路漫漫其修遠兮，要想提高教學質量和課程吸引力，提高學生的積極性和建設成精品課程，還需要付出很多努力，包括課程內容的選擇、課程教學方法和考核模式的完善。

作者:王春燕 劉華偉 單位:南方科技大學