新工科背景下化学专业综合实验教学改革

王其 陆峰

[摘           要]  专业综合实验作为一门重要的实践课程，具有提升大学生创新能力、科研能力及综合素质的功能，是培养新工科创新型人才不可或缺的环节。针对目前实验教学中存在的问题，结合南京邮电大学材料科学与工程学院有机生物电子学等优势学科，对集中实践性课程光电材料设计与应用综合实验进行教学改革探索研究，从授课内容、授课方式、考核评价方式等方面进行探讨创新，突出大学生创新能力、科研能力及综合素质的提升，为新工科创新人才的培养服务。

[关    键   词]  新工科;综合实验;实践教学;创新能力

[中图分类号]  G647                    [文獻标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2020）23-0116-02

近年来，随着国家高等教育的不断改革发展，如何培养出具有创新能力的科技型人才已经成为高等教育的核心任务，其中大学生创新能力的培养效果对高等教育质量的评判至关重要。作为高等教育的重要组成部分，实验教学有利于理论与实际的结合，可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力，具有提升大学生创新能力、科研能力及综合素质的功能，是培养新工科创新型人才不可或缺的环节。化学作为一门基础学科，其与多个学科、行业相互交叉、渗透，应用范围涉及生活中的各个方面，极大地促进了社会的发展。同时，化学又是一门实践学科，可以有效地将理论与实际相结合，在培养学生创新能力、科研能力及综合素质等方面具有关键性作用。

南京邮电大学材料科学与工程学院主要围绕有机电子学、有机显示材料与器件及生物电子学三个方向展开研究，以发展先进材料及技术等为基础，进一步研究在医学、信息、物理、化学、生物等领域的应用，是多学科交叉的研究基地，同时也是南京邮电大学建设江苏高水平大学和世界一流学科的重要组成部分。学院建设有省部共建有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地、江苏省有机光电子学科综合训练中心、江苏省生物传感材料与技术重点实验室等特色专业实验室，为大学生创新创业训练计划、大学生节能减排社会实践与科技竞赛等相关竞赛提供了良好的平台。学院设有高分子材料与工程系、材料化学系及材料物理系，拥有完整的“本—硕—博—博后”人才培养方法。学院开设无机化学、分析化学、物理化学及有机化学等专业课程，但传统化学实验课程（无机化学实验、物理化学实验、有机化学实验、分析化学实验等）大多为验证型实验，且实验之间的相互联系性较少，不利于学生科研思维及创新能力的培养。综合性实验具有较好的探索性、设计性及自主性，教师或者学生可以设计与学科前沿内容相关的趣味性实验，可有效提高学生创新思维、创新意识、科研能力及综合素质。

光电材料设计与应用综合实验是学院面向高分子材料与工程系、材料化学系及材料物理系学生开设的集中实践性课程。为了进一步适应社会发展需要，按照新工科创新型人才培养要求，结合我院有机电子学及生物电子学等优势学科，从授课内容、授课模式、考核评价方式等方面对光电材料设计与应用综合实验进行初步教学改革探索研究。

一、实验项目内容的改革

与传统实验相比，综合实验具有一定的新颖性、探索性、设计性及实用性等特点，更加注重培养学生的创新能力、科研能力及综合素质。随着国内高校实验教学改革的发展，结合学院有机生物电子学等优势学科，按照新工科创新人才培养要求，对光电材料设计与应用综合实验项目内容进行改革，提高学生的自主学习能力、探索能力、设计能力及分析问题、解决问题的能力，从而培养具有创新能力及科研素质的新工科创新人才。

（一）实验项目前沿性

以往该课程以单独的光电材料制备为主，对光电材料的分析表征及应用研究极少。随着对本科生仪器设备的不断投入，光电材料设计与应用综合实验课程结构已得到较好的改善。然而部分实验项目依然比较陈旧，缺乏前沿性。随着科技的发展，光电材料已经在太阳能电池、信息存储、生物医药及超导材料等众多领域中起到至关重要的作用。如果在实验课程中引入光电材料相关前沿内容，使学生掌握光电材料应用的最新成果，不仅可以保证实验内容的科学性、前沿性，而且可以激发学生的学习能力、探索能力及设计能力。学院在有机电子学及生物电子学等领域具有雄厚的科研实力，设计制备了大量新型光电材料，并对光电材料性能及应用做了大量系统的研究，这为该课程实验项目内容的选择提供了大量素材。

（二）实验项目针对性

学院共设有高分子材料与工程、材料化学及材料物理三个专业，按照三个专业的培养要求、培养目标及理论课程安排，对不同专业学生针对性、特异性安排实验内容。如对高分子材料与工程专业，安排学生设计制备新型共轭高分子聚合物，探索共轭高分子聚合物的吸收及发射等光物理化学性质，最后研究共轭高分子聚合物在太阳能电池、器件及重大疾病诊疗领域的初步应用。对材料化学专业，安排学生设计制备具有光、电、磁等多功能性能的复合纳米粒子，进一步研究该复合纳米粒子在生物传感、能源等领域的应用。对材料物理专业，重点讲授量子点发光二极管、有机电致发光二极管、太阳能电池等半导体光电子器件的制备原理及工艺改进。

（三）实验项目开放性

由于实验课程时长有限，无法保证每个学生均较好地掌握相关实验内容，因此在没有教学安排的情况下实验室可以对学生开放，提供学生实践创新的平台，拓宽学生学习的空间及视野。学生可以再次重复进行以往实验内容，也可以根据教师安排自主设计实验项目、查找文献、拟定实验方案并完成实验计划。

二、教学形式的改革

（一）融合多元教学方法

良好的教学方法是大学生创新能力培养的重要因素。传统的教学方式大多为教师占用大部分课堂时间讲授实验内容，学生占用一小部分时间简单练习实验项目;同时学生做的实验内容千篇一律，缺乏差异性，这种方式不利于学生创新实践能力及科研能力的培养。因此，为了启发学生创新思维，培养学生创新实践能力及科研能力，达到教学目的，需要对现有的教学方法进行改革。近年来，翻转课堂备受人们的关注，在该模式下学生拥有学习的主动权，课前可以通过阅读书籍、查阅文献或观看相关微视频等方式完成实验项目的学习，课堂上带着疑惑及问题听讲，会更加专注课程的学习，能够达到更深层次的理解，同时培养了学生的实践能力。对教师而言，考虑到学生个体差异性，其拥有更多的时间与学生进行沟通、交流及讨论，引导学生思考问题、分析问题及解决问题，提高学生科研素质。另外，积极探索其他教学方法及模式，如自助式教学、探究性学习、混合式学习等，让学生变成学习的主体，激发学生创新及科研兴趣，启发学生创新及科研思维，创设良好的创新科研氛围。

（二）增加学生实验设计自主性

传统实验教学中学生按照教师给定的实验方案、实验条件进行验证性实验，学生往往“照方抓药”，缺乏对实验的深入思考与总结，这显然不利于学生科研能力及创新能力的培养，极大地阻碍了学生独自开展科研及创新创业活动，因此教师在给定实验课题时，需要学生自己通过文献检索、查阅资料等方式自行设计实验方案、实验条件。学生通过对文献的查阅、调研及综述，可以对某个领域的发展现状及发展趋势进行全面的了解和掌握，可以极大地提高创新思维和科研能力。如教师给出一系列不同的给体单元及受体单元，安排学生自己设计合成具有近红外吸收性质的共轭高分子聚合物。学生通过网上文献调研及书籍查阅，可以设计出许多具有不同结构、不同形态的共轭高分子聚合物，进一步对共轭高分子聚合物结构表征及光物理化学性质等进行测试，同时对共轭高分子聚合物的潜在应用进行调查与研究。在该过程中，学生对材料的选择、设计合成、性质表征及潜在应用的相互关系的知识得到较大的提高，极大地激发了学生自主学习、独立思考、分析问题及解决问题的热情，培养了学生创新思维、科研能力及综合素质。学生自行设计实验方案也是对教师的考验。教师需要指导学生在不同实验条件下进行实验，同时确保实验的可靠性及安全性。

（三）鼓励学生参加竞赛

除了完成本综合实验的相关内容外，积极鼓励学生参加相关竞赛，如“互联网+”大学生创新创业大赛、大学生节能减排社会实践与科技竞赛等。学生可以依据光电材料设计与应用综合实验内容，结合南京邮电大学特色及材料院有机生物电子学等优势学科，进一步对实验内容进行衍生、丰富及扩展，形成具有较高创新性的竞赛项目。学校应积极鼓励本科生与硕士生及博士生一起进行学术项目申请或学术讨论，培养大学生创新能力、科研能力、工作能力及综合素质。

（四）完善考核方式

本次改革主要注重学生创新能力、科研能力及综合素质的训练培养，传统的实验考核评价方式大多看重实验报告、轻视实验过程，这种方式显然不适合大学生创新思维及科研能力的培养。实验考核评价应与教学中学生设计实验方案情况、讨论情况及提问情况等过程密切相关，即注重实验过程化考核。在翻转课堂教学中，教师拥有充分的时间和学生探讨，较容易掌握学生对实验内容的理解情况及实验设计内容，进一步对学生的预习情况及积极主动性进行评价。对于较好的实验设计方案，应让学生说明设计思路并给予一定的加分。实验过程中，考查学生对实验仪器的使用能力、动手能力、分析问题及解决问题的能力，从而更加真实地了解学生的情况。对于学生自主设计的实验，建议学生自己设计撰写实验报告内容，进一步考查学生的实验报告撰写能力及数据处理能力，这样既避免了实验报告的雷同，又提高了学生的创新意识、科研能力及学术表达能力。

三、总结

随着国家高等教育的不断改革发展，如何培养出具有创新能力的科技型人才已经成为高等教育的核心任务。本文对南京邮电大学集中实践性课程光电材料设计与应用综合实验进行教学探索改革，按照创新人才培养要求，结合我院有机生物电子学等优势学科，从授課内容、授课模式等方面对光电材料设计与应用综合实验进行了初步教学探讨创新，进而培养学生的创新能力、科研能力及综合素质，建立符合社会及高等教育发展的新模式，为培养新工科创新人才打下基础。

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编辑 常超波