“现代化学实验技术”教学改革探析

［摘 要］ 传统的“现代化学实验技术”教学难以充分调动学生学习的积极性，影响着课堂教学质量和教学效果。通过剖析“现代化学实验技术”教学存在的学生独立操作机会少、对仪器内部结构与工作原理理解不清、缺少课程思政教育、以完成任务为导向、课程成绩评定缺少仪器实操考核等突出问题及其原因，提出了相应的教学改革措施。通过改革，能够激发学生学习的主观能动性，提高学生的实验技能和仪器操作能力，培养学生的创新思维、科学精神，使其具备正确的职业道德观、社会服务意识等态度与价值观，为其今后从事化学检验和科研工作打下坚实的实践基础。

［关键词］ 现代化学实验技术；主观能动性；教学改革

［基金项目］ 2021年度教育部高等学校化学类专业教学指导委员会教改项目“应用化学专业虚拟仿真综合教学应用研究与实践”（H20210611）；2022年度广西高等教育本科教学改革工程项目“‘新工科’背景下应用化学专业‘121’递进式实践课程体系建设探索”（2022JGA203）

［作者简介］ 黄艺鹏（1991—），男，广西桂平人，博士，桂林理工大学化学与生物工程学院讲师，主要从事分离科学与技术研究；张连明（1988—），男，甘肃金昌人，博士，桂林理工大学化学与生物工程学院副教授，主要从事仪器分析理论教学和电化学传感研究；胡存杰（1965—），男，广西梧州人，学士，桂林理工大学化学与生物工程学院高级实验师，主要从事现代化学实验研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）43-0081-04 ［收稿日期］ 2023-11-07

“现代化学实验技术”（以仪器分析实验为主）是化学及化学相关专业的重要基础课程之一。虽然经过“仪器分析”理论课的学习，但一些学生仍难以想象和理解相关仪器的构造及测试原理。通过开展“现代化学实验技术”课程，有助于学生加深对仪器构造和工作原理知识的理解，掌握分析仪器的基本操作技能及数据处理与分析能力，提高学生实践和解决实际问题的能力，以适应未来的工作岗位和科研之需［1-3］。然而，以往的“现代化学实验技术”课堂存在学生参与度低、自主思考少等问题，极大地影响了实验教学质量，难以达到实验教学预设的培养目标，因此，亟须对实验教学进行改革，进一步提高实验课程的教学质量，充分发挥这门课程应有的作用［4］。

一、现存突出问题与改进

（一）学生独立操作机会少及改进措施

传统的“现代化学实验技术”教学最突出的问题是学生独立操作的机会较少，甚至部分学生在实验课结束后仍对实验流程及仪器操作步骤没有印象。主要原因是：（1）目前，大部分高校均面临着现代化学实验教学仪器设备无法满足2人/台或1人/台的分配，在实验教学中往往是以不少于3人为一组的方式共同完成实验，部分学生在实验课中未能得到独立操作的机会。（2）在利用贵重且对操作要求较高的仪器开展实验时，大多学生只能聆听教师的讲解，观察教师的演示，缺少动手操作的机会，因此，难以提起学生的兴趣，易导致实验教学质量下降，不利于培养学生的实验操作技能。（3）部分学生存在惰性，认为毕竟实验数据可与同组同学共用，只要同组的其他学生完成实验，无须自己动手也能够在课后完成实验报告。

针对以上问题，我们采取了小组交叉实验的教学模式［5］。例如，应用化学专业近几年的招生人数在80～90人之间，在实验教学中可将学生分成4个大组，平均每组20余人，然后每个大组再根据仪器设备的数量进一步分组。每次实验课须同时开展4个实验项目，由4名教师分别带领1个大组开展实验教学，两周教学内（每周安排两次课）4组学生交换实验项目；两周后再开展4个新的实验项目，以此类推。这种方式较好地解决了实验仪器数量少导致学生动手操作机会少的问题，从而保证了实验课的教学质量。为了避免实验课中由于学生操作不当引起仪器损坏，尤其是一些对操作要求较高的贵重仪器，任课教师须高度负责，全程跟进，耐心指导学生。这样既能及时发现学生的问题，也能减少学生担心造成仪器损坏而不敢动手操作的心理负担。此外，为了消除部分学生的惰性，在开始实验前，教师须向学生说明在各小组完成实验内容后会抽取部分学生进行随堂仪器操作考核。教师须根据学生在课堂上的表现，抽取动手操作较少的学生进行额外的简单操作考核，促使学生在后续的实验中变得更主动。

（二）对仪器内部结构与工作原理不清及改进措施

在“仪器分析”理论课中，学生已经学习了各类分析仪器的基本结构和工作原理，但由于没能真正近距离接触仪器，较难想象仪器的真实结构。“现代化学实验技术”实验课为学生认识仪器的真实结构提供了良好的机会。然而，基于以下原因，“现代化学实验技术”实验教学仍难以达到加深学生对仪器结构和工作原理的认识及理解的预期目标。（1）部分任课教师对仪器的结构不够熟悉，讲解得不够充分，进而影响了学生的掌握程度。（2）在不拆卸的情况下，学生无法观察到仪器的内部结构。（3）由于实验课时安排较为紧凑，部分教师为了给学生留有较多的时间用于操作，对仪器的介绍过于简单。（4）部分学生认为只要能够使用仪器完成实验即可，对仪器的结构不感兴趣，在教师介绍时也不认真听讲。

为了能让学生在“现代化学实验技术”实验课中更好地掌握各类分析仪器的结构和工作原理，首先，教师须提升自身知识和教学水平［6］，熟悉仪器的结构、工作原理、仪器的使用注意事项、常见故障和保养方法。为了帮助教师（尤其是年轻教师）熟悉仪器，在开课前管理实验室的资深教师须对其他任课教师进行相关仪器的培训，并且在平时邀请仪器工程师上门维修仪器时通知任课教师参加培训，由工程师对任课教师进行更加系统的培训。在向学生介绍仪器内部结构时，可充分利用已损坏待报废的仪器，允许学生拆卸待报废的仪器，帮助学生了解内部关键部件，并要求学生在了解清楚后将仪器恢复至拆卸前的状态。借助废弃的仪器，不仅能够帮助学生熟悉仪器的结构，而且能够锻炼学生动手组装仪器的能力。此外，适当采用虚拟仿真技术进行教学能够弥补在教师介绍仪器内部结构时（不拆卸的情况下）学生无法观察到仪器内部结构的问题。采用虚拟仿真技术还可以让学生在虚拟的场景中动手实践，避免教师在介绍仪器的过程中学生因没有参与感而失去兴趣［7］。学生在预习中还可以借助虚拟仿真技术了解仪器的结构并进行模拟仿真实验操作，为线下实际操作打下基础，降低线下操作失误的概率，从而加快学生线下完成实验的速度，降低仪器损坏的风险。

（三）缺少课程思政教育及改进措施

“现代化学实验技术”教学是学生走上科学研究和行业生产实践极其重要的培养环节，因此，在开展实验教学工作时须融入课程思政教育，培养学生的创新思维、科学精神，使其具备正确的职业道德观、责任观、社会服务意识等。然而，在平时的实验教学中一些教师极少融入课程思政教育，具体体现在：（1）实验内容较为陈旧，难以反映学科的前沿发展状况，不利于培养学生的学科前沿视角。（2）实验教学内容与企业需求脱节，学生难以感受所学实验技术在行业内的用途，从而不认真对待，不利于培养其严谨的科学态度和形成正确的职业道德观和社会服务意识。（3）缺乏设计性实验，无法让学生真正体会到完整的仪器分析流程，不利于创新型人才的培养。（4）实验所用的仪器蕴含较好的思政点，可通过介绍相关仪器在国内外的发展水平加深学生对所用仪器的理解，让学生了解到仪器的发展状况，激发其对仪器研制的兴趣。然而，在实验教学过程中教师往往容易将此忽略。（5）缺乏引导式教学。在实验教学中，时而会出现因仪器参数设置不合适而导致测试结果异常的情况，但由于学生缺乏经验而难以自行找出问题所在。当发生这种情况时，教师往往会习惯性自己查找问题并把问题直接解决，导致学生会不知道异常的原因，失去学习排查仪器测试异常的宝贵机会，不利于培养其独立思考和解决问题的能力。

为加强实验课与课程思政教育的结合，可采用以下方式解决上述问题。（1）更新实验内容，舍弃部分内容陈旧的实验项目，增加能够反映当前学科前沿的实验项目，帮助学生了解时下的研究热点，在一定程度上为有考研意愿的学生指明了方向。（2）主动与实习单位的技术人员沟通，了解企业的一些基本测试项目及企业希望接收到的实习生具备哪些实验技能，并在安排实验教学项目时适当参考企业技术人员的反馈意见，以更好地帮助学生了解所学实验技能的实用之处，将来可以在实习单位和工作单位中快速上手，在生产实践中更好地发挥价值，从而提高学生的学习兴趣。（3）在完成课程大纲要求的基础上，增加和丰富创新实验及探索性实验项目，根据现有仪器资源安排创新性和探索性实验项目，让学生从样品前处理、测试条件优化、样品测试等分析测试完整过程中学习分析方法的建立，激发学生的求知欲和创造性。（4）向学生介绍仪器的发展历程，尤其是国产品牌的仪器研发情况，让学生了解当前我国在相应仪器研制中取得的成就以及待改进的地方。针对多种品牌的仪器设备，在实验课中让学生对比使用，从使用体验中评价不同品牌仪器的优势与不足。例如在进行原子吸收光谱相关实验时，同时使用普析的原子吸收光谱仪和德国耶拿原子吸收光谱仪开展实验，在学生完成实验后请学生评价两台仪器的优势与不足，借此不仅可培养学生发现问题与分析问题的能力，还可以让学生感受到与德国品牌仪器相比，国产品牌的原子吸收光谱仪在一些方面的优势。（5）现代化学实验的主要目的就是让学生学会使用常用的分析测试仪器，因此在学生不清楚仪器的使用和操作时，教师须采用引导式教学帮助学生掌握仪器的使用，而不是直接帮助学生设置和调节仪器参数进行实验。当学生设置的参数不合适引起测试结果异常时，教师须要根据自己的经验带领学生一起寻找问题所在，教会学生如何排查和解决问题。

（四）以完成任务为导向开展实验及改进措施

在实验教学中，部分教师和学生存在以完成任务为导向开展实验，并以完成实验速度的快慢作为学生课堂表现好坏的评判依据，这就导致学生过度追求实验完成的速度，对实验过程中产生的异常情况不愿意用心分析问题所在，只想着找老师或其他同学帮忙尽快解决。此外，为减少学生实验失败的概率，有时教师会直接帮忙设置和调节仪器参数。这虽然能够让学生更快地完成实验，但会使学生始终处于被动的学习状态，在实验过程中极少自主思考，不利于培养学生的思考能力和动手能力。

为了改变以完成任务为导向的评价方式，近年来笔者加大了对学生实验过程的监督与评价。对由于仪器出现小故障或在进样、仪器参数设置等方面的操作存在一些问题造成实验不顺利，但通过认真分析排除问题后又能完成实验的学生给予肯定。对于无法自己找到问题的学生，教师则要与学生交流引导，帮助学生分析潜在原因，然后由学生根据教师提出的原因进行逐一排除，避免由教师直接动手解决。

（五）课程成绩评定缺少仪器实际操作考核及改进措施

尽管近年来课程已经采用由预习报告、课堂表现、实验报告和期末考试（实验理论笔试）组成的多方面评定方式，仍难以充分调动学生的实验积极性，主要原因是缺少仪器实际操作的考核环节。由于期末考试仅涉及实验理论考核而没有实操环节，学生只须熟记实验的原理和内容即可获得高分，易导致一些学生形成实际操作不重要的错误想法，从而在平时的实验中不积极学习仪器的使用。

为了让学生在课上主动参与仪器的操作，增加了仪器操作的随堂和期末考核。每节课在学生完成基本的实验内容后，教师会抽取部分学生进行操作，要求学生按照教师给出的测试条件进行操作，然后根据学生的表现对其课堂表现进行打分，并对学生的操作进行点评，使其他学生也能从中学习。期末的实际操作考核则是让学生根据题目给出的实验内容进行从开机到测试，再到结束关机的演示。通过加入随堂和期末实操考核，大大提高了学生的动手积极性。

二、教学改革成效

随着本实验课程改革的推进，教师实验教学水平得到较大的提升，并积累了一定的经验，实验教学内容得到有效落实。学生上机操作的时间得到较大的保障，并且学习热情明显提升，对学习目的更加清晰。通过上机实践，不仅锻炼了学生的仪器操作技能，也使学生对仪器分析的理论知识有了更深入的理解。通过探索性和设计实验，学生对分析测定的流程、分析方法的建立有了基本的认识。通过引导式教学，学生发现和解决问题的能力得到较全面的提高。通过加强课程思政教育，学生的创新思维、科学精神、职业道德观、社会服务意识等得到增强，为其投入毕业论文实验、开展创新项目和后续的科学研究、实习、就业或创业等夯实了坚强基础。经过改革，“现代化学实验技术”的教学目标更容易达成，教学质量得到显著的提升。