物理化学实验是化学化工、材料和制药等与化学相关的本科专业必修的基础实验课程,其理论性、综合性、实践性和研究性都比较强,需要综合运用物理以及化学的原理、技术、方法、仪器和数学运算工具等多方面的知识[1,2]。通过该课程的教学,可以加强学生掌握和应用理论知识的能力,提高学生的动手能力,培养学生的科学思维和科学素养,激发学生的创新意识[3]。因此,物理化学实验教学是培养学生综合素质和科研能力的重要环节,是学生进行毕业论文设计与后续从事创新性科研工作的必要铺垫和基础训练,对应用型创新人才的培养具有很重要的作用。
然而,长期的教学实践表明物理化学实验课程在教学过程中存在一些问题,因此对该实验课程的改革势在必行。
(1)实验内容更新缓慢,缺乏时代感,缺乏现代实验内容和科技创新前沿性实验项目,不能根据仪器设备的发展相应地更新实验内容。另外,实验内容绝大多数为验证性实验,缺乏提高性、综合性和设计性实验。大多数的实验都有着固定的操作步骤,学生独立思考的空间很小,学生做实验只是“照方抓药”,因此,在实验教学中不能很好地培养学生的创新思维和激发学生的创新意识[4]。
(2)传统的教学模式以教师讲授为主,实行“教师讲,学生听”,讲深、讲透、讲全、讲细的“保姆式”教学方式过于传统、单一。传统的教学模式重灌输、轻互动,未能体现以学生“学”为中心,学生容易处于被动接受知识的状态,削弱了学生的学习兴趣,也难以激发学生的创新意识,因此学生的学习主观能动性低、学习能力差、学习效果不好。
(3)传统的实验考核制度不够科学、全面。考核是实验教学中的一个重要环节,如何客观、公正、科学、合理地对学生的实验学习情况进行考核,不仅是对教师教学质量的检查评定,也是提高教学质量的有效措施,而且还会直接影响学生的学习积极性,对学生的学习态度、学习方法也起着重要的导向作用[5]。传统的考核方式是实验报告成绩(80%)+期末考核成绩(20%)的模式,这种实验报告成绩占比非常高的考核方式容易导致学生在实验过程中过分地重视实验结果,滋生学生抄袭实验报告的现象,而忽视了实验过程中操作技能的训练和提高。这种重结果轻过程的考核方式不利于调动学生实验的积极性和主动性,也不利于学生严谨科学态度、科学思维方法、独立思考能力、创新能力、科学素养的培养[6]。
针对物理化学实验教学过程中存在的问题,我们采取以下措施对物理化学实验教学进行了一系列改革。
①秉承“因材施教”理念,根据各专业的培养目标和学生的学情对实验内容进行优化,适当调整实验的重点内容,体现专业特色和学生学习的层次差异性。物理化学实验课程分别对我院的应用化学专业、高分子材料与工程专业、制药工程专业、化学(师范类)专业的学生进行开设,对于不同专业的学生,该课程在教学目标、教学学时、教学内容、开课时间上均有存在一定的差异性,对于同一专业不同届的学生物理化学实验课程也会根据学生情况进行一定的调整。另外,根据学生的不同个性、不同条件、不同认知水平、不同学习程度,在实验教学上选择不同的教学内容和方法。对于大部分学生,通过实验课堂的集中学习,要求他们掌握基本的实验知识和基本的实验技能。对于学习能力强、实验课上表现突出、科研兴趣浓厚的学生,选择开放性实验的方式鼓励他们参与到设计性、创新性、研究性的实验项目中,可以是参与到具有一定深度和前沿性的小课题或者是参与到教师的科研项目中。
②针对教材上使用的仪器和实验室实际使用的仪器在类型、型号规格、操作方法等方面存在着一定的差异这个问题,课程组教师结合我院现有的物理化学实验仪器设备编写了实验指导书、制作多媒体课件、拍摄实验仪器图片、录制讲解视频等数字化教学资源。
③我们选用的实验教材虽是国家级优质教材,但是实验内容更新缓慢,且实验内容绝大多数为经典性、验证性的实验,因此课程组教师对课内必修实验项目进行优选,并根据学科前沿及时进行更新、补充、拓展,构建基础与创新并重的必修课程体系。一方面,实验教学内容与学科前沿相互融合,将前沿学科知识和新技术引入到实验教学中,编制成综合性设计性实验项目[7]。另一方面,物理化学实验课程组教师们以科学研究为驱动力,带动实验教学和课程建设的发展,将成熟的先进的科研成果改编成综合性、设计性实验项目。例如:把学科前沿的研究成果“金属-有机超分子聚合物的制备及表征”和物理化学实验课程组教师们的科研成果“光催化降解日落黄的研究”“珠光颜料的合成与表征”等作为综合性实验引入物理化学实验教学中。
在实验教学过程中采用多种教学方法联用,培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,激发学生的创新意识。
在传统的教学模式中,教师是主体,学生是客体,教学过程基本是教师向学生传授知识的一个单向过程,课堂气氛比较沉闷无趣,无法激发学生的学习兴趣,不利于提高学生的自主学习能力,也不利于锻炼学生学以致用、理论联系实际的能力。在实验教学过程中采用启发式、提问式和讨论式教学方式,以问题作为教学的起点,以学生的学习作为教学的中心,强调学生的参与性与师生的互动性,充分体现了学生的主体地位,可以引发学生的思考,引导学生通过解决问题逐步掌握教学内容,学生由被动接受知识转变为主动学习知识。
把学科发展的最新动向、最新的科研成果和技术转化为教学资源和鲜活生动的科研案例呈现给学生,开阔学生的学术视野;将实验内容涉及的科学知识或实验技能拓展至生产生活实际应用中或者学科发展前沿,培养学生学以致用的能力,实现科教融合和产教融合[8]。
在讲解实验的基础理论知识时,可以通过举例说明来帮助学生理解,把贴近生产生活实际的实验案例等引入实验教学过程,化抽象为具体,化枯燥为有趣,知识性和趣味性并存,让学生将知识点与有感性认识的现实生活相结合,有利于提高学生的学习兴趣,培养学生学以致用的能力。
在物理化学实验教学过程中,有针对性地选择一部分实验内容,由学生提前进行准备,然后在实验课上进行讲解并示范操作,通过学生讲授、课堂讨论、教师补充的方式来实现学生对知识的理解与掌握。学生通过从学变换为教的角色进行学习,学生在充当一名小老师的过程中,口头表达能力、动手能力等方面可以得到进一步的训练和提高,学生也能感受到老师在备课过程中的辛苦,产生情感共鸣。
教学手段与时俱进,把现代化信息技术引入实验教学。一方面,教师通过慕课、QQ课程群、微信群等网络平台向学生发送实验指导书、仪器图片、视频、课件等电子资源,让学生对实验进行充分的预习,并与学生实时互动答疑解惑。慕课作为新型的在线教育模式,比传统的教学模式具有更多的优越性,其形式更加灵活多样,内容更加丰富形象。我们引入与本学院的实验项目、实验仪器型号以及实验条件等比较相近的西安交通大学的物理化学实验慕课资源,学生通过观看视频进行实验预习,观看视频结束之后进行简单的测试考核学生的预习情况。在物理化学实验教学中,通过慕课等方式,将新技术和新手段引入实验操作前的理论讲解,不仅可以共享优质的教学资源,还可以增加实验的趣味性,使学生及时了解物理化学实验的最新研究手段和相关研究前沿,加深学生对物理化学实验课程以及物理化学学科的整体认识,可以对实验课堂起到非常积极的作用,有利于提高教学效率和教学效果。另一方面,要求学生利用计算机进行文献或数据检索,通过Excel或Origin等常用的计算机软件对实验数据进行快捷准确的处理,进一步提升学生应用现代化信息技术的能力。
对传统的主要通过实验报告进行评分的注重终结性评价、轻视过程性评价、忽视形成性评价的考核形式进行完善,构建科学、合理、公正、全面的过程性评价体系。不但考核学生对理论知识的掌握与应用情况、实验基本技能、分析数据及解决实际问题的能力,而且还将学习态度、安全意识、环保意识、学术道德、学术规范等纳入实验考核中。实验课程总评成绩包括平时成绩(占比80%)和期末考核成绩(占比20%)。平时成绩具体由学习态度(占比10%)、预习报告成绩包括实验预习的情况、课前测验情况以及预习报告的完成情况(占比20%)、实验操作成绩包括仪器使用熟练程度、实验操作规范程度、废液的处理情况及实验完成情况等(占比30%)、实验报告成绩包括数据的合理性和真实性、误差分析、实验的应用拓展、实验改进意见以及实验报告的完成情况(占比40%)。期末考核通过试卷或小论文等实行非标准化考试评价形式,内容侧重于实验的拓展应用或实验改进等,考核答案不是标准的、唯一的。
以“课程思政”理念为先导,推动物理化学实验课程改革,从教学目标、教学内容、教学方法、教学评价等多方位推进物理化学实验与“课程思政”的有机融合。以社会主义价值观为引领,把思想品德、科学文化修养、家国情怀、传承文化、世界观与方法论等思政元素贯穿于教学的各个重要环节,积极发挥“课程思政”的隐性教育作用。例如,我们把培养学生的创新思维和创新意识纳入课程目标,然后在物理化学实验教学过程中通过开设综合性、设计性实验等培养学生的创新创业理念。鼓励部分有兴趣、有潜质的学生及早地参与到教师的科研课题中,接受更深层次的训练,参与形式可以是以教师为引导,以学生为主体的省级、国家级大创项目、挑战杯,也可以是学生的毕业论文设计。又如,我们在物理化学实验教学过程中融入绿色人文理念。把绿色环保理念贯穿于实验内容的设置、实验装置的改进、废弃物的处理、考核评价体系的实施等多个教学环节,在实验中将绿色和环保理念植根于每个学生的心中[9]。通过把课程思政与物理化学实验课程深度融合,不仅可以提高学生的专业知识和专业能力水平,还有助于学生树立正确的“三观”,培养学生的科学思维能力,激发学生的创新激情与潜力,把学生培养成拥有专业素质、道德品质、理想信念、科学素养的全面发展的新时代人才。
(1)对学生进行分层次的“因材施教”模式,加大实验室的开放力度,将开放性实验项目建设作为今后物理化学实验课程建设的主要方向之一。实验室开放的实验内容根据学生的不同学习水平和要求确定,可以是设计性、综合性和研究性实验、大学生创新训练项目、环保艺术节实验演示以及科技发明、制作、科研论文等课外科技活动实验。实验室开放的时间由学生根据自己的研究需求提前进行预约,寒假和暑假尝试对进行大学生创新训练项目的学生开放实验室[10,11]。
(2)开发虚拟仿真实验教学资源,虚实结合。首先,虚拟仿真实验系统设计直观性强、仿真度高,学生在线操作可以有身临其境的感觉。虚拟仿真实验把实验步骤进行立体化处理,实验仪器操作步骤细致、清晰,操作错误时有提示,并且可以进行反复回放、操作。学生可以通过虚拟仿真软件的模拟实验获得深刻的印象,加深对实验仪器操作的理解和领会,提高对实验仪器的操作能力。每个学生都可以在虚拟仿真实验平台上进行反复的实验操作,不仅可以节约实验成本,还提高了学生参与到实验中的机会。因此虚拟仿真实验可以在较低成本情况下增强实验效果、实现教学绿色化,同时让更多的学生学习到实验知识与技能。其次,虚拟仿真平台自带的考试测验系统可以对学生的每个操作步骤打分,自动给出实验成绩;实验操作结束之后还配有相应的测试题目,引导学生对实验过程进行反思与回顾,促进对所学知识的迁移能力。因此任课教师可以通过考试测验系统对实验教学进行管理和掌控[12,13]。此外,在物理化学实验的考核中纳入虚拟仿真实验操作成绩,可以使物理化学实验的考核方式更加全面合理。
通过对物理化学实验课程的教学内容、教学方法及手段、成绩评定方式等方面进行了一系列改革,并深度挖掘该课程中蕴含的丰富的思政元素,实现思政元素与课程知识的有机融合,进行全方位育人。教学改革充分体现了学生的主体地位,激发了学生的学习兴趣,强化了学生的自主学习意识和自主学习能力,增强了学生分析解决问题的能力和实践能力,培养了学生的科学素养、创新思维和创新意识,学生在实验过程中加深了对辩证唯物主义、爱国主义、集体主义、环境保护、科学态度、科学方法等的理解,有助于学生树立正确的世界观、人生观和价值观,从而提升了物理化学实验的教学效果和人才培养质量。一些学生参加福建省化学实验技能大赛获得了优异成绩;一些学生在实验过程中找到创新点,参加了全国大学生“挑战杯”科技大赛并获奖;每年都有多名学生获得国家级、省级大学生创新训练项目立项;多名学生在国内外期刊以第一作者发表了多篇优质论文;学生加深了对化学专业的认可度,坚定了学习化学专业的信心,每年都有学生顺利通过研究生入学考试进入211或985大学继续深造。
摘要：本文针对物理化学实验教学过程中存在的问题,从该课程的教学内容、教学方法及手段、成绩评定方式等方面进行了一系列改革,并把思政元素贯穿于教学的各个重要环节。教学改革充分体现了学生的主体地位,培养了学生的创新意识和科学素养,提高了教学效果和人才培养质量。
关键词：物理化学实验,教学改革,创新,应用型人才,课程思政
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