“新工科”背景下“工程化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容改革探索

宿輝　白青子　劉英

摘? ? 要：“新工科”是工程教育主動(dòng)適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略選擇?！肮こ袒瘜W(xué)”是高校工科專業(yè)的通識(shí)教育課程，其密切聯(lián)系工程實(shí)際應(yīng)用問題講授化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論與基本技能，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、探究意識(shí)等，對(duì)培養(yǎng)“新工科”人才具有重要意義。文章從“新工科”的起因及內(nèi)涵出發(fā)，分析“工程化學(xué)”課程教學(xué)存在的不足，并基于“新工科”視角從人文情懷、知識(shí)延續(xù)、專業(yè)拓展、科技展望等角度對(duì)教學(xué)內(nèi)容改革問題進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：新工科;“工程化學(xué)”;教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2020）03-0003-02

“新工科”是國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的新需求，是新時(shí)期我國(guó)高校工程教育改革的指導(dǎo)方針[1-2]。“富國(guó)之策，雖不止一端，要在開辟天然富源，促進(jìn)生產(chǎn)建設(shè)，發(fā)達(dá)國(guó)防工業(yè)，而待舉百端，皆須化學(xué)家之努力”?；瘜W(xué)是最具有創(chuàng)新性的學(xué)科，引導(dǎo)著發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造，也是培養(yǎng)“新工科”人才的重要基礎(chǔ)學(xué)科。

一、“新工科”的提出與內(nèi)涵

“再工業(yè)化”是金融危機(jī)后，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家提升競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要戰(zhàn)略，這將嚴(yán)重影響我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程。為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，國(guó)家開始實(shí)施“中國(guó)制造2025”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”等重大戰(zhàn)略，迫切需要培養(yǎng)大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、高素質(zhì)、復(fù)合型的“新工科”人才[3]。

教育部先后出臺(tái)了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，推動(dòng)“新工科”建設(shè)。2017 年 2 月，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，正式啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目[4]，之后又發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等[5]?！靶鹿た啤笔俏覈?guó)工程教育改革的新探索，“新工科”建設(shè)是我國(guó)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型階段應(yīng)對(duì)第四次產(chǎn)業(yè)革命的重要舉措。進(jìn)行“新工科”建設(shè)，可以提升我國(guó)高等工程教育內(nèi)涵建設(shè)、特色發(fā)展和質(zhì)量水平，促進(jìn)高教強(qiáng)國(guó)。

二、“工程化學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“工程化學(xué)”是高等院校土木、車輛、機(jī)械、材料等非化學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，對(duì)中學(xué)知識(shí)和大學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)起著承上啟下的作用[6]。課程內(nèi)容包括化學(xué)反應(yīng)基本規(guī)律、溶液化學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、能源化學(xué)、生命化學(xué)等[7]，既是高中化學(xué)知識(shí)的延伸和拓展，也是大學(xué)相關(guān)學(xué)科專業(yè)課程的基礎(chǔ)和起點(diǎn)，是適應(yīng)“新工科”人才培養(yǎng)的重要課程。但面臨如下不足：（1）工科教育理科化，教學(xué)內(nèi)容理論性偏多、實(shí)際應(yīng)用偏少;（2）與高中知識(shí)脫節(jié)，學(xué)時(shí)有限，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大;（3）教學(xué)模式單一;（4）綜合素質(zhì)培養(yǎng)缺乏。學(xué)生常認(rèn)為離本專業(yè)較遠(yuǎn)，不重視或內(nèi)容枯燥，沒意思，因此面向“新工科”要求，“工程化學(xué)”應(yīng)如何根據(jù)有限學(xué)時(shí)，對(duì)廣泛的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇、安排與銜接，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)、工程思維和工程能力值得思考，也勢(shì)在必行。

三、“工程化學(xué)”教學(xué)內(nèi)容改革的思路

（一）注重前后知識(shí)延續(xù)

“工程化學(xué)”一般在大學(xué)一年級(jí)開設(shè)，學(xué)生離開高中教師的監(jiān)管、父母的呵護(hù)來(lái)到大學(xué)校園，一切都既好奇又陌生，加上大學(xué)課程數(shù)目多、難度大，學(xué)生很容易產(chǎn)生挫敗感。“工程化學(xué)”授課時(shí)如果能聯(lián)系高中化學(xué)，溫故而知新，由淺而入深，則會(huì)有事半功倍的效果。高考化學(xué)一般是必修兩冊(cè)、選修兩冊(cè)（選修四是必選），經(jīng)歷高考的洗禮，學(xué)生們對(duì)這些知識(shí)都很熟悉，授課中可以由此引入。如介紹化學(xué)反應(yīng)過程中的能量變化——由標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓△fHθm計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓△rHθm計(jì)算時(shí)，△rHθm=[g△fHθm（G）+h△fHθm（H）]-[a△fHθm（A）+b△fHθm（B）]=∑νB△fHθm，學(xué)生會(huì)感覺符號(hào)（上標(biāo)、下標(biāo)位置）、公式計(jì)算難以理解，產(chǎn)生距離感，時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)失去信心學(xué)習(xí)。此處可提示學(xué)生此部分是高中化學(xué)選修四第一章化學(xué)反應(yīng)與能量的第一節(jié)、第三節(jié)內(nèi)容的延伸，從學(xué)過的反應(yīng)熱、能量守恒定律入手，再由恒壓熱、焓H，引入△rHθm，指出△rHθm就是標(biāo)準(zhǔn)壓力下，發(fā)生了1mol反應(yīng)而引起的恒壓反應(yīng)熱，下標(biāo)r代表反應(yīng)（reaction），下標(biāo)m代表mol，上標(biāo)θ表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。物質(zhì)的絕對(duì)焓值目前無(wú)法測(cè)定，故計(jì)算△rHθm需要另辟蹊徑，△fHθm則是求解△rHθm的常用方法。諸如此類，“工程化學(xué)”建立在高中化學(xué)基礎(chǔ)上，知識(shí)點(diǎn)間有著必然聯(lián)系，筆者總結(jié)見表1。

（二）挖掘生活現(xiàn)象內(nèi)密

“工程化學(xué)”內(nèi)容多，受課時(shí)所限等，常忽視實(shí)際問題的解決。授課過程中，可結(jié)合“新工科”的內(nèi)涵和授課專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)課程基礎(chǔ)理論、基本應(yīng)用、知識(shí)拓展所占比例結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，增加生活中的實(shí)例。對(duì)生活中的一些常見現(xiàn)象，提出問題，先學(xué)生回答，再評(píng)價(jià)并通過化學(xué)原理加以解釋，從而激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。例如講解稀溶液依數(shù)性時(shí)，提問冬季冰雪路面撒食鹽為什么可以融雪？讓學(xué)生對(duì)習(xí)以為常的事情質(zhì)疑，并啟發(fā)使其找到原因：冰雪可認(rèn)為是固態(tài)純水，在其表面撒食鹽，食鹽溶解在水中可形成稀溶液，由于稀溶液的凝固點(diǎn)低于純?nèi)軇┠厅c(diǎn)，并隨溶質(zhì)增多而提高降低程度，故可使冰雪融化。舉一反三，可以進(jìn)一步解釋北方冬天汽車水箱中添加乙二醇為何可以抗凍？戶外水缸為何比醬缸易凍裂？氯化鈣為什么可以做干燥劑，金屬發(fā)黑液中添加NaNO2為什么可在140℃不沸騰？滲透、反滲透、海水淡化等。

（三）拓展學(xué)科發(fā)展前沿

“工程化學(xué)”開課專業(yè)均為非化學(xué)專業(yè)，學(xué)生常會(huì)因不是專業(yè)課而不重視，甚至不感興趣，引入專業(yè)發(fā)展的新成果、新發(fā)現(xiàn)，探討其中相關(guān)的化學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)化學(xué)學(xué)科對(duì)授課專業(yè)發(fā)展的重要作用，不但開拓學(xué)生視野，還可以提高學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，從而提高其學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。例如對(duì)土木工程、機(jī)械工程、材料工程等專業(yè)可以講解材料腐蝕與防護(hù)的新技術(shù)及應(yīng)用。腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其防護(hù)技術(shù)也離不開化學(xué)原理的指導(dǎo)，如“熱化學(xué)表面改性”“高能等離子體表面涂層”“金剛石薄膜涂層技術(shù)”“表面改性與涂層工藝模擬和性能預(yù)測(cè)”等方面的新突破等。再如新能源工程、新汽車材料、安全工程監(jiān)控等方面的新進(jìn)展等。

（四）強(qiáng)化化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

教育從本質(zhì)上是一種心靈的點(diǎn)燃，培養(yǎng)“新工科”人才更是如此?！靶鹿た啤苯逃c(diǎn)燃學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，使其銘記他們是技術(shù)變遷和人類進(jìn)步的主要力量之一，對(duì)社會(huì)進(jìn)步、國(guó)家發(fā)展和人類幸福負(fù)有重要的責(zé)任。授課過程中結(jié)合科學(xué)家軼事及學(xué)科發(fā)展史，培養(yǎng)學(xué)生愛國(guó)精神、人文情懷、綜合素質(zhì)等。例如出身寒門，勤奮學(xué)習(xí)，終身投入科學(xué)事業(yè)，成果遍及化學(xué)、生物、哲學(xué)、氣象學(xué)等領(lǐng)域的“原子之父”道爾頓;如經(jīng)過100多年努力，凝聚無(wú)數(shù)化學(xué)家心血甚至付出生命的悲壯歷史——氟的制備過程;堅(jiān)定信仰、立志報(bào)國(guó)，數(shù)十年如一日，忘我工作，潛心研究的孫家鐘;再如把化學(xué)確定為一門科學(xué)的機(jī)械專家波義爾、睡夢(mèng)中領(lǐng)悟苯環(huán)結(jié)構(gòu)的凱庫(kù)勒、淡泊名利八十多歲仍不懈奮斗的屠呦呦等等。通過一個(gè)個(gè)生動(dòng)形象的故事，讓學(xué)生們了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，科學(xué)工作者具有的優(yōu)良品格，學(xué)科的相互交叉及發(fā)展歷程等，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)和科學(xué)家的尊重、遇到困難不言放棄的精神和強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感。

“新工科”是我國(guó)面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要決策，是結(jié)合國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略新需求、國(guó)際格局新形勢(shì)和立德樹人新要求，對(duì)我國(guó)工程教育提出的改革新方向?；瘜W(xué)是創(chuàng)造新物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)新方法的科學(xué)，為“新工科”人才培養(yǎng)提供了優(yōu)越的學(xué)科基礎(chǔ)。本文依托“新工科”理念，探討了交叉學(xué)科廣、極具創(chuàng)新性，但教學(xué)狀況不理想的重要基礎(chǔ)課程“工程化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容探索和改革，注重知識(shí)傳承、更新、應(yīng)用及人文關(guān)懷、品德培養(yǎng)，以提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、學(xué)科交融、責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)染C合素質(zhì)，為“新工科”人才培養(yǎng)提供一定的參考和借鑒。

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[7]宿輝，白青子.工程化學(xué)：第二版[M].北京：北京大學(xué)出版社，2018：5.

收稿日期：2019-04-25

作者簡(jiǎn)介：宿輝（1971—），女，山東萊州人，黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院教授，博士，主要從事材料及化學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃備案課題“‘基于互聯(lián)網(wǎng)+“新工科人才定位需求的課程體系構(gòu)建——以工程化學(xué)為例“（GBC1317127）;黑龍江工程學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的工程化學(xué)課程新體系的探索與實(shí)踐“（JG201815）;黑龍江工程學(xué)院新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于互聯(lián)網(wǎng)+‘新工科工程化學(xué)課程體系的研究與建設(shè)“（XGK2017208）