大学无机化学实验多层次教学体系研究

摘要:培养创新型人才是研究型大学重要任务之一。结合学科发展的特点和现状，构建无机化学实验一体化、多层次教学体系(化学原理实验→无机化学实验→高等无机化学实验)，保持教学内容动态更新，设置多元化教学方法与考核模式，如翻转教学等，提高学生参与实验的积极性，缩短学生进入研究课题组的过渡期。

关键词:无机化学实验;翻转教学;教学体系;教学改革

国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)中将提高高等教学质量和强化实践教学环节作为一项重要内容［1］。我校是国家高等教育综合改革试验校、广东省高水平大学重点建设高校，目标是迅速建成国际化高水平研究型大学，要实现这个目标，培养具备科研创新能力的学生是重要基础。化学是一门实践性和应用性较强的学科，而无机化学实验是化学化工及相关专业的一门重要基础课程，国内多个高校结合自身的情况对无机化学实验课程建设［2］、实验内容的设计［3］、教学方法和教学模式［4-10］等方面进行了积极的探索和改革，形成了各自的教学特色和优势，在传授无机化学实验的基础理论和训练基础操作技能的同时，注重培养学生分析问题解决问题的能力，注重培养学生的探究能力、创新能力和跨学科交叉合作能力。

1无机化学实验教学体系现状

我校化学系是建校第一批建立的院系之一，成立于2011年，而无机化学实验课程也在短时间内经历了从无到有，再到逐步完善的过程，目前根据学科发展的现状和需求设置了无机化学实验和高等无机化学实验两门课程，设计了一系列既能训练学生实验技能，拓宽学生视野又贴近科研前沿有实际应用价值的实验，以提高学生专业综合素质和培养拔尖创新人才。两门无机化学实验课程遵循一体化多层次的教学设计理念，无机化学实验课程是化学系大二学生的必修课，所以实验内容偏基础，侧重基本技能和实验习惯的培养;高等无机化学实验是化学系大三学生的选修课，内容侧重于学生自身主观能动性及科研能力的培养，主要选课群体为化学系大三部分选择了无机化学研究方向或者对无机化学具有浓厚兴趣的学生。

2无机化学实验教学体系的设置

2．1无机化学实验的内容。在一些传统高校，无机化学实验是本校化学、化工、环境、农业、生物、医学和食品等专业大一新生的一门基础必修课，是学生进入大学后第一门化学实验课程，所以大部分出版的无机化学实验讲义中基础操作的培训占有较大比例，例如，常用玻璃仪器的洗涤和干燥，溶液的配制、天平的使用、蒸发和浓缩等。而我校的无机化学实验课程是化学系大二学生的必修课，其先修课为化学原理、化学原理实验A和无机化学导论，即在上无机化学实验课程之前学生已经具备了基本的操作技能和相关化学理论知识，并且我校大一下学期或大二上学期就有学生进入课题组进行简单科研工作，所以我校无机化学实验教学内容和教学目标的设置必须结合本校的定位、培养方案和课程计划，需要在传统课程上进行较大改革，使其满足本校学科发展的需要，并具有其自身的特点和优势。课程共2学分，64个学时。通常根据学期教学周的长短安排11～13个验证实验和综合性实验。无机化学实验(2019年)具体实验内容如表1所示。无机化学实验课程内容是根据实际需要和情况自行选择设计的，具有典型性和代表性，涉及无机化学实验中常见的反应类型、操作技能及其应用，包括无水无氧操作、微量实验操作、配合物的合成及应用等，既包含一些基础实验，也有根据科研论文自行设计的应用型和综合型实验，同时在课程设置过程中，充分考虑学生的兴趣和喜好，例如，在硅氧化合物及硅烷聚合物的合成中，学生最后的产物是他们童年游戏里的“弹弹球”，学生兴致高涨，且实验操作难度适宜，提升了学生对课程的兴趣和热情，另外对于有些缺陷和弊端的实验，例如时间过长、结果模糊或者药品味道大等的实验，通过实验方案优化改进，或者更换无法优化的实验。所有学生单人操作，独立完成，学生通过此课程可掌握无机化学实验中常用的操作和反应类型，加深对相关基础理论知识的理解和掌握，培养学生规范严谨的实验习惯和实事求是的科学态度等。2．2高等无机化学实验的内容。高等无机化学实验课程是在无机化学实验课程基础上开设的，作为无机化学实验课程的高级阶段，是化学系大三学生的选修课。高等无机化学实验具体实验内容(2018)如表2所示。课程为2学分，64学时。通常安排16次实验，1～3次实验完成一个课题。两门实验课程一体化多层次设计，循序渐进，无机化学实验课程的培养目标侧重学生实验基本技能和实验习惯的培养;高等无机化学实验课程的培养目标侧重于学生自身主观能动性及科研创新能力的培养。但两门课程的教学内容都基本兼顾了专业基础知识、实验基本技能以及先进的仪器分析技术和学科发展前沿热点。通过无机化学实验课程的学习，学生已经掌握了基本的实验方法、操作技能、注意事项、安全知识等，而高等无机化学实验课程内容倾向于单个实验课题化，将每一个实验当成课题来做，多数课题是从当前已发表的科研论文中选择的，倾向于更深层次地探索反应的现象、结果和机理，科研论文的完成是个体化事件，而教学实验需要几十个学生平行进行，所以科研论文转变为教学实验会经过多个地方的改动，例如反应时长，反应过程和检测仪器等都会进行相应的协调和改动，更能够发挥学生和教师的主观能动性。另外，为保持实验内容与时俱进，目前两门实验课的内容每年以10%～20%的比例进行更新。

3无机化学和高等无机化学实验的实施方案和特点

除了根据无机化学和高等无机化学实验的培养对象和教学目标的不同设置了不同的实验内容以外，根据其定位和要求不同设计了不同的教学方法、实施方案和考核方式。3．1无机化学实验的实施方案和考核模式虽然学生在无机化学实验之前已经完成了通识课程化学原理实验的学习，已经具备了化学基础理论知识和基础操作技能，但是化学原理实验基本是一些比较简单的基础操作实验，所涉及的反应类型和操作不能满足学科发展的需要，基于此，无机化学实验在化学原理实验的基础上侧重于学生更高难度的基础技能的训练，如无水无氧实验操作基础技能的训练，同时也包括化学实验室安全意识的进一步培养、实验废弃物的分类和实验报告的书写等，此外实验中还引入了先进的现代化分析仪器，例如红外光谱仪、紫外可见分光光度计、荧光光谱仪、高效液相色谱仪和凝胶渗透色谱仪等，还有核磁、质谱和单晶等数据的解析。除了传统实验教学的课前预习和教师讲授外，还加入一些新颖有效的教学环节以提高教学质量:①对于难以理解或者难度较大的实验操作录制操作视频，学生提前预习，并且在课堂讲授中进一步详细讲解，加深学生对实验内容的理解和掌握，有助于实验的顺利进行，取得更好的效果。②除了检查学生的实验预习报告，在实验前对学生进行小测试(Quiz)，有效地预防了一部分学生简单抄写实验讲义，懒于课前查阅资料和思考，上课时接受能力差导致实验操作问题多的状况，同时有效地监督和检测了学生的预习情况。③加强学生实验安全方面的知识，安全问题是化学实验中的头等大事，根据具体实验内容，加入和扩展相关安全知识，包括国内外安全标志的认识、紧急情况的处理、日常防护的要求和未知化学品的处理等。④学期末严格安排(一对二，即一个教师监考二个学生)实验操作和化学安全标识的考试。无机化学实验课程实施方案如图1所示。为了客观公正地评价学生的课程学习情况，制定了多元化的切实可行的考核模式，如图2所示，包括预习报告(5%)、小测试quiz(10%)、实验操作(50%)、实验报告(15%)、期末操作考试以及针对性的安全标识考试(20%)。所有的环节都设置了统一的评分标准，杜绝了以往由于考核手段单一而造成考核结果片面和有失公平的弊病。3．2高等无机化学实验的实施方案和特点。作为研究型大学，我系约有50%的毕业生选择进一步深造，从事科研工作。而大多数学生在大学二年级就会确定研究导师和方向，进入课题组进行科学研究工作，所以高等无机化学实验课程的目的之一就是加强学生和科学研究工作的链接，促进学生对科研实验室工作的适应性，缩短学生到科研实验室的过渡期。除此之外学生是学习的主体，要想达到好的教学效果就必须提高学生的参与度，调动学生自主学习的积极性。现在信息化资源丰富，教师制作和提供了详细的课程讲义、视频和相关资料，学校能够提供完善的数据库平台，学生可以根据自身情况更好地安排学习时间和选择学习内容。而且进入高等无机化学实验课程学习的学生都经过了无机化学实验的学习和短期科研工作的前期训练，具备了一定设计实验方案和实施具体实验的能力。基于学科和我校的特点，对高等无机化学实验的教学模式进行了各种探索，本着提高学生科研创新能力的目的，结合“翻转课堂”的特点和模式［12-16］，探索出了以“学生为主体，学生授课，教师主导，教师辅助”的新型教学模式，如图3所示，调动学生的积极性，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。在正式上课之前，教师会根据教学目的、教学条件、学科发展的特点、热点和以往本课程教学内容的优化方案认真选择本学期实验课题，在绪论课上发给学生相关资料或者为学生提供获得相关资料的链接，对所有学生进行分组，随机分配相应的实验课题，学生可根据教师提供的资料和资源，也可自行搜索相关资料设计实验方案，制作教学课件，所有相关实验问题可提前和教师交流讨论，教师对课件和实验方案进行修改，学生英文授课，整个课堂学生之间和师生之间均使用英文提问，英文回答，对于学生的表现教师制定了详细的评分标准并进行现场打分。学生由于自行设计方案，在课前对实验内容和方案进行了充分的了解和消化，实验操作部分会更加从容和顺畅，实验论文中加入大量的讨论和结果分析，充分培养了学生自主创新和主动探索的能力，与此同时，教师由教学主体转变为主导和辅助，角色的转变对教师提出了更高的要求，不仅加大了教师的工作量，而且要求教师具有扎实的专业基础知识，一定的相关专业的知识储备，并且具备应对突发状况的相应能力。但在整个教学过程中，教师和学生进行频繁的交流沟通，不断地解答学生提出的问题，在问题中发现自身的短板和实验中暴露的问题，教师根据这些问题不断优化实验内容、实验方案和教学方法，进一步促进课程建设，在不断培养学生的同时提升自己，达到良性循环。对于传统的预习实验报告，大多照搬照抄实验讲义，流于形式，故在高等无机化学实验课中不对预习实验报告做硬性要求，但要求学生实验结束后以科研论文的形式写实验报告，因为本科生进入课题组时间长，会有越来越多的成果需要发表，所以在提高学生科研能力的同时，培养学生文章写作的能力也显得非常重要，将科研论文写作的学习训练有机地结合到实验报告中不仅增强了学生的写作能力和阅读能力，也相应地提高了学生的科研综合水平，论文中侧重于实验现象和结果的讨论，并且对论文写作中的常规细节有较严格的要求。在高等无机化学实验课程的整个实施过程中，学生独立完成课题，包括课题前自主学习，自行设计实验方案，团队分工合作，极大地提高了学生发现问题、分析问题、解决问题、团队合作、英语口头表达及科研创新的能力。根据教学目的和教学内容，制定了较为合理的考核模式，包括实验讲解成绩(30%)、实验操作成绩(40%)和实验论文成绩(30%)，每部分成绩又根据课程考核要求和侧重点将其细化成多处不同比重的考核点，最后综合核算后成为学生本门课程的成绩，如图4所示。除了实验讲解部分，实验操作和实验论文部分也均制定了详细的评分标准，此教学方式和考核模式极大地调动了学生的积极性。

4无机化学实验教学体系的特点

无机化学实验和高等无机化学实验均在2015年独立开课，在此之前无机化学实验和分析化学实验作为一门实验课，而高等无机化学实验是在2015年正式开课，到目前为止，课程已经正式运行了4～5年，课程设计得到了学校院系学生及部分校外专家的好评。概括起来有如下一些特点:(1)课程教学体系一体化多层次设计。设计和建立“化学原理实验-无机化学实验-高等无机化学实验”体系和模式，大体上遵循由浅入深、由简单到复杂、由点到面、由基础到创新的课程思路，对无机化学实验和高等无机化学实验的内容进行了认真的考虑和选择，既具有典型性和代表性，又具有系统性和先进性。(2)教学方法和考核模式新颖有效。两门课程根据不同的教学目的和培养对象设置了完全不同的教学方法和多元化的考核模式。例如无机化学实验中加入了大量的视频资料，有利于学生有效自由的学习实验内容，高等无机化学实验采用翻转教学模式，大大提高了学生的参与度，发挥了学生的主观能动性，培养了学生的创新能力等。(3)单个内容课题化设计。无机化学实验和高等无机化学实验都包含了一些系统的课题，注重了实验的完整性，例如无机化学实验中的镍催化剂的合成及其在烯烃异构化反应中的应用，并使用高效液相色谱仪进行检测实验的结果。(4)实验内容不断更新，课程建设动态化。根据课程发展需要保证每年两门实验课的内容有一定比例的更新，保持实验内容始终处于动态建设中。(5)注重双语教学。所有课程均为双语课程，锻炼了学生对英语听说读写的能力，增强国际竞争力。

5结语

开设无机化学实验课程已有几年的时间，随着教学的软硬件条件不断改善，在教师不断努力探索和学生高度配合下已经取得了一些初步的成绩，两门课程从无机化学实验中的基础知识、基本原理的验证性实验到综合性应用实验，再到高等无机化学课程中的自行设计实验、担当教师的角色进行授课、制作课件、撰写完整的课题论文，建立了一体化多层次的教学体系，有效地培养了学生的开放性思维和科研创新能力，提高了学生的综合素质。为培养具备创新能力和初步科研能力的复合型人才奠定了基础。但与此同时还存在不少问题，例如，高等无机化学实验中小组在完成课题时，个别学生依赖性强，参与度不高，集体意识和团队意识薄弱，没有调动每个学生的积极性。路漫漫其修远兮，要想提高教学质量和课程吸引力，提高学生的积极性和建设成精品课程，还需要付出很多努力，包括课程内容的选择、课程教学方法和考核模式的完善。

作者:王春燕 刘华伟 单位:南方科技大学