工程化學(xué)教學(xué)的實(shí)踐與思考

李紅姬 陳寶泉 劉雅

摘要：工程化學(xué)是面向非化工類本科生開設(shè)的一門基礎(chǔ)化學(xué)課。針對該課知識的系統(tǒng)性不足、課時(shí)少且不被學(xué)生重視的矛盾，筆者談及了一些體會并提出了解決的辦法。實(shí)踐證明，教師不僅要根據(jù)學(xué)生的專業(yè)需求為所授課程定位，也要結(jié)合自己的科研充實(shí)授課內(nèi)容，而采用全員參與式教學(xué)方法，對模塊化的各個(gè)章節(jié)重新歸納、明確相互的聯(lián)系性并通俗化、形象化地講解專業(yè)問題，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使大部分學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)掌握最實(shí)用的化學(xué)知識，可以為培養(yǎng)一批應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供有利支撐。

關(guān)鍵詞：工程化學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；新策略

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0230-03

隨著高等教育的普及化，大學(xué)生的就業(yè)形勢變得嚴(yán)峻，而本科教育向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型也迫在眉睫[1]?？梢姡た票究飘厴I(yè)生走向社會的基本定位多為一線工程師，而技術(shù)創(chuàng)新能力對于這一群體顯得非常重要[2]。為此，他們不僅要熟練應(yīng)用本專業(yè)的知識，還應(yīng)具備較寬的知識結(jié)構(gòu)，學(xué)會從化學(xué)角度及觀點(diǎn)分析工程技術(shù)問題。工程化學(xué)是從普通化學(xué)更改而來的，是諸多高校面向非化工類工科生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課，而教學(xué)課時(shí)多為28—48學(xué)時(shí)[3]。該課程的基礎(chǔ)內(nèi)容包括物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)的基本原理、水溶液中的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)基礎(chǔ)等部分，因集合了諸多化學(xué)的基礎(chǔ)知識，知識的系統(tǒng)性不足[4]，因此任課教師既要講清楚基礎(chǔ)知識，又要安排實(shí)驗(yàn)、習(xí)題課及應(yīng)用討論課，課時(shí)明顯不足。學(xué)生不接觸其他化學(xué)課程，因教學(xué)改革及地方性差異，學(xué)生的高中知識積累也參差不齊。另外，因工程化學(xué)不屬于本專業(yè)的課程，學(xué)生對該課程不夠重視，興趣不大，學(xué)習(xí)的積極性也不高[5，6]。因此，這不僅給教師授課帶來了困難，學(xué)生更是難以從根本性上認(rèn)識化學(xué)。為了讓工科畢業(yè)生不受化工知識缺乏的困擾，我們必須對該課程的教學(xué)進(jìn)行思考，提出適當(dāng)?shù)母母锓桨?，不斷地改進(jìn)教學(xué)方法。工程化學(xué)分為理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，本文討論了筆者在理論教學(xué)中遇到的問題及對教學(xué)改革的一些看法。

一、教師最好有工科專業(yè)背景和多樣的知識積累

教師從事的專業(yè)不同，對知識的理解方式就不同，其授課方式也會有差異。例如“雜化軌道的提出”這一知識點(diǎn)，一位化學(xué)專業(yè)的教師講述時(shí)提出“甲烷（CH4）是最簡單的烷烴，所以是非極性分子，具有正四面體結(jié)構(gòu)”；但一位材料專業(yè)的教師則提出“甲烷（CH4）是有機(jī)可燃?xì)怏w，穩(wěn)定的存在于自然界，也應(yīng)該具有最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)”。前者表達(dá)方式更專業(yè)，而后者更通俗。前者因其本身從事化學(xué)相關(guān)研究，會無意識地提高化學(xué)知識的起點(diǎn)，形成更專業(yè)化的授課方式；而后者因不直接從事化學(xué)研究，會以實(shí)用的方式簡單化理解化學(xué)知識，也就會形成更通俗化的授課方式。顯然，如果任課教師既具有化學(xué)專業(yè)背景，也具有機(jī)械、電子或材料等非化工類專業(yè)背景，那么因其知識儲備豐富，就更能體會以化學(xué)觀點(diǎn)理解工程問題的方式，更能把握不同知識點(diǎn)的表達(dá)方式及深淺度，更有利于針對授課對象的專業(yè)特征靈活講解教學(xué)內(nèi)容。

二、教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景為課程定位

不同的專業(yè)對化學(xué)知識的需求也不同，為了滿足不同專業(yè)的應(yīng)用需求[7]，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景為該課程進(jìn)行定位，針對專業(yè)特點(diǎn)對教學(xué)內(nèi)容有所側(cè)重，甚至適當(dāng)取舍教學(xué)內(nèi)容。比如環(huán)境工程專業(yè)需要強(qiáng)化化學(xué)分析方面的知識；對于材料專業(yè)的學(xué)生，因他們后期會接觸材料合成和加工的相關(guān)化學(xué)知識，因此有必要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論知識，這有利于學(xué)生分析材料形成機(jī)理及性能產(chǎn)生機(jī)制；對于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生，因他們后期從事機(jī)械制造、控制及測試技術(shù)等方向，應(yīng)加強(qiáng)晶體結(jié)構(gòu)及性能知識、相平衡及溶液理論、電化學(xué)器件的應(yīng)用等，并適當(dāng)講解工程中常見的化學(xué)應(yīng)用部分。

三、教師應(yīng)研究課程中全部知識點(diǎn)之間的相互聯(lián)系性

目前的工程化學(xué)教材章節(jié)的分配大同小異，教師需要先講述化學(xué)反應(yīng)的基本原理，然后逐一介紹各類化學(xué)反應(yīng)，這不利于學(xué)生全盤把握知識并融會貫通。實(shí)際上相同類型的參數(shù)在不同種類化學(xué)反應(yīng)中具有各不相同的名稱。以標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)為例，在水的解離反應(yīng)中稱為電離常數(shù)，在水解反應(yīng)中稱為水解常數(shù)，在沉淀反應(yīng)中稱為溶度積常數(shù)，在配合物反應(yīng)中稱為穩(wěn)定常數(shù)或不穩(wěn)定常數(shù)。以轉(zhuǎn)化率為例，在水的解離反應(yīng)中稱為電離度，在水解反應(yīng)中稱為水解度，在沉淀反應(yīng)中稱為溶解度，等等。我們知道，化學(xué)反應(yīng)原理適用于所有化學(xué)反應(yīng)，就如摩爾反應(yīng)的吉布斯自由能（ΔrGm）是所有化學(xué)反應(yīng)方向的判斷依據(jù)。相同的知識點(diǎn)，在不同種類化學(xué)反應(yīng)中重復(fù)出現(xiàn)，如果教師不能合理總結(jié)并明確告訴學(xué)生知識點(diǎn)之間的相關(guān)性，會使學(xué)生混淆概念、加重學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)并造成理解困難。

四、適合采用全員參與式的教學(xué)方式

做科學(xué)和用科學(xué)是不同的。參與式教學(xué)有利于提高學(xué)習(xí)積極性及知識的應(yīng)用能力。目前大多高校采用了大班授課的方式，大多授課班級的人數(shù)會達(dá)到70—200人。分組討論、提問等個(gè)別學(xué)生的參與式教學(xué)方式顯然不適用于大班授課，為此應(yīng)開發(fā)全員參與式教學(xué)方式。要想達(dá)到全員參與的目的，應(yīng)結(jié)合時(shí)尚話題如“iPhone”手機(jī)電池安全問題的分析，熱門話題如“PM2.5”成分及分析方法，生活常識如汽油標(biāo)號的意義，等等，盡可能貼近生活激發(fā)學(xué)生的興趣，從而產(chǎn)生對“知識的共鳴”效果。當(dāng)然，必須與傳統(tǒng)的板書、多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等手段結(jié)合豐富的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)效果。

五、科研與教學(xué)應(yīng)結(jié)合

任課教師必須從事科研工作。美國是世界高等教育發(fā)達(dá)國家之一，對于助教、副教授、教授均要求具備不同程度的學(xué)術(shù)及教學(xué)水平[8]。從事科研的教師會把課堂內(nèi)容和科研內(nèi)容及成果聯(lián)系起來，為學(xué)生傳達(dá)課程相關(guān)的最新發(fā)展動態(tài)、成果及存在的問題。以從事電化學(xué)傳感器研究的教師為例，在講述氧化還原反應(yīng)的過程中會注重解釋電極電勢在傳感器定性指標(biāo)中的體現(xiàn)方式，注重應(yīng)用型電極的新產(chǎn)品及反應(yīng)特征，介紹電流型傳感器的發(fā)展動態(tài)，等等；以從事晶體結(jié)構(gòu)研究的教師為例，在講述物質(zhì)的結(jié)構(gòu)時(shí)，會介紹新的晶體結(jié)構(gòu)，針對性能設(shè)計(jì)晶體結(jié)構(gòu)的新思路，等等。

六、我們所采取的一些方法及成效

首先，筆者對兩個(gè)授課班級采用了不同的授課方式。兩個(gè)授課班都是由本校機(jī)械工程學(xué)院的本科生組成且人數(shù)接近（約100人）。對于一個(gè)授課班，仍然采用了傳統(tǒng)教學(xué)方式，從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)到化學(xué)反應(yīng)原理及各個(gè)化學(xué)反應(yīng)逐一進(jìn)行了講解，最后歸納了知識點(diǎn)之間的相互關(guān)系。對于另一個(gè)班，融合了化學(xué)反應(yīng)的基本原理與各類化學(xué)反應(yīng)，對于每個(gè)概念針對不同的化學(xué)反應(yīng)都進(jìn)行了概括。從學(xué)生的反應(yīng)來看，后者明顯具有成效，學(xué)生的理解程度、聽課的積極性都有了提高。

其次，通過傳授小的技巧幫助學(xué)生快速理解概念并記住了符號。例如，化學(xué)反應(yīng)中的能量部分涉及較多的難記、容易混淆的概念及符號，筆者則采取了“拆分符號”的解釋方法。例如，“標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變（ΔrH■■）”，拆分符號含義“標(biāo)準(zhǔn)‘θ摩爾‘m反應(yīng)‘r焓‘H變‘Δ”；再如“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓變（ΔfH■■）”，分解為“標(biāo)準(zhǔn)‘θ摩爾‘m生成‘f焓‘H變‘Δ”。實(shí)踐證明，學(xué)生既不混淆概念又能輕松掌握該名稱，更能延伸應(yīng)用到熵、吉布斯自由能等其他狀態(tài)函數(shù)上。

再次，講述“分子間力”部分時(shí)，先提出“瞬間偶極”、“誘導(dǎo)偶極”、“固有偶極”的概念，后引入“色散力”、“誘導(dǎo)力”及“取向力”，量化給出分子間力、氫鍵和共價(jià)鍵的鍵能范圍，由此提升學(xué)生對分子間力、鍵能大小的認(rèn)識。

另外，針對專業(yè)特點(diǎn)舉例講述了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)原理及性能表現(xiàn)、應(yīng)用之間的關(guān)系。對于機(jī)電專業(yè)的學(xué)生，以金屬銅為例，核外電子排布及價(jià)層電子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來解釋銅離子的價(jià)態(tài)，用銅的氧化還原反應(yīng)原理來解釋鍍銅鋼技術(shù)，用鍍銅鋼的導(dǎo)電率、熱穩(wěn)定系數(shù)、防腐性能來介紹接地網(wǎng)的工作原理。從教學(xué)效果來看，學(xué)生對化學(xué)知識在專業(yè)領(lǐng)域的體現(xiàn)方式及應(yīng)用方法有了初步的認(rèn)識。

如前所述，為工科類本科生開設(shè)工程化學(xué)課，不應(yīng)僅僅滿足普及化學(xué)知識的素質(zhì)教育，更應(yīng)教會學(xué)生用化學(xué)知識作為橋梁建立工程材料與性能之間的聯(lián)系性，以便用于解決實(shí)際工程問題，實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新。因此，教師應(yīng)豐富知識積累，結(jié)合專業(yè)特征優(yōu)化和重組課程內(nèi)容，不斷嘗試新的授課方式，解決少的課時(shí)與知識需求之間的矛盾，達(dá)到使學(xué)生融會貫通知識點(diǎn)的目的。

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