基于新工科背景環(huán)境工程專業(yè)有機化學(xué)課程改革與探索

崔節(jié)虎 杜秀紅 王香平 姜靈彥

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450015；2.河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 檢驗系,河南 鄭州 451191)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新的發(fā)展戰(zhàn)略需求，國際環(huán)境競爭態(tài)勢日新月異，國家對工程人才的需求越來越多，要求也越來越高[1]。因此，作為人才培養(yǎng)的基地—高等教育應(yīng)緊跟經(jīng)濟社會發(fā)展的要求，針對這一現(xiàn)狀，高校新工科建設(shè)應(yīng)運而生。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[2-3]。為了實現(xiàn)新時代全國高等學(xué)校本科教育工作目標(biāo)，我們必須加強工科基礎(chǔ)教育。

環(huán)境工程專業(yè)同樣必須要適應(yīng)國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，大力開展新工科建設(shè)，以應(yīng)對新時代提出的新要求。新工科建設(shè)就是要使高校環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生掌握了基礎(chǔ)專業(yè)知識才能更好的學(xué)以致用，適應(yīng)專業(yè)的社會職業(yè)發(fā)展需求，才能成為符合行業(yè)發(fā)展和需求的卓越應(yīng)用型工程人才[4]。這一建設(shè)目標(biāo)就意味著新工科-環(huán)境工程專業(yè)建設(shè)將更加依賴于有機化學(xué)等基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革創(chuàng)新。有機化學(xué)作為環(huán)境工程一門重要必修專業(yè)基礎(chǔ)課，實用性操作性很強，可為環(huán)境有機化合物污染處理提供解鎖工具，那么如何才能使學(xué)生高效的學(xué)習(xí)掌握有機化學(xué)呢？關(guān)鍵在于教學(xué)模式、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以及能否學(xué)以致用。本文主要開展結(jié)合有機廢水案例庫等輔助工具和“大班授課+小班研討”教學(xué)模式[5-6]，努力培養(yǎng)符合高等院校人才培養(yǎng)目標(biāo)與規(guī)格要求、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的環(huán)境類應(yīng)用型專業(yè)人才。

1 有機化學(xué)在環(huán)境工程專業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)

通過多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，有機化學(xué)在環(huán)境工程專業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)[7-9]，主要問題集中在學(xué)生普遍反映有機化學(xué)難學(xué)，記憶點多而繁，學(xué)習(xí)時間相對較短，厭學(xué)情緒加大，直接導(dǎo)致學(xué)生對環(huán)境專業(yè)迷茫，不明白環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生為什么學(xué)習(xí)有機化學(xué)，怎么學(xué)習(xí)有機化學(xué)，對專業(yè)發(fā)展有什么幫助？這和所處環(huán)境有關(guān)：

(1) 有機化學(xué)課程特點，內(nèi)容多而復(fù)雜：有機物種類多且機理復(fù)雜，反應(yīng)條件多，理論抽象枯燥，囿于課時有限，未能結(jié)合環(huán)境專業(yè)講授，導(dǎo)致學(xué)生盲目被動接受知識，學(xué)生普遍反映難度大；

(2) 不同層次背景學(xué)生發(fā)展變化大，目前00后大學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入大學(xué)，他們有自身明顯的特點，強調(diào)相互尊重、平等交往等，需要教師認(rèn)真探索，只有掌握了現(xiàn)在大學(xué)生學(xué)習(xí)的特點，教學(xué)改革才有針對性；

(3) 不同省市高考教改，由于有機化學(xué)知識點繁雜，很多高中沒有把有機化學(xué)教學(xué)放到主要位置，導(dǎo)致學(xué)生有機化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)有機化學(xué)課程很吃力，并且大學(xué)知識傳授除了課堂以外，需要學(xué)生課下自學(xué)、多閱讀和做題練習(xí)，很多同學(xué)并不適應(yīng)。

(4) 有機化學(xué)課時減少，如我校經(jīng)過幾次專業(yè)修訂，有機化學(xué)從過去56理論課時減至48理論學(xué)時，到目前僅為32理論學(xué)時，然而有機化學(xué)知識點講授并沒有減少，因此僅僅采用傳統(tǒng)教學(xué)模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這就需要教師精簡內(nèi)容，協(xié)同環(huán)境工程專業(yè)知識，以微課、課外討論等形式補充其他知識點。

(5) 缺少環(huán)境工程有機化合物污染處理(廢氣、水和土壤等污染)案例分析，對于環(huán)境工程專業(yè)來說，并沒有與之配套有機化學(xué)教材，缺少每一章節(jié)內(nèi)容與廢水處理之間關(guān)系，不能理論聯(lián)系實際，導(dǎo)致學(xué)生迷茫和厭學(xué)情緒蔓延，掛科率相對較高，對教師同樣也是一個難題。

2 有機化學(xué)教學(xué)改革思路

2.1 強化基礎(chǔ)，側(cè)重應(yīng)用，緊密結(jié)合環(huán)境工程專業(yè)知識

不同省市大學(xué)生化學(xué)知識基礎(chǔ)不一，高考時一部分選擇結(jié)構(gòu)化學(xué)，一部分側(cè)重有機化學(xué)，其他還有省市高考學(xué)生不選化學(xué)，因此不同省市生源化學(xué)基礎(chǔ)不同，這就需要教師根據(jù)學(xué)生不同基礎(chǔ)，對學(xué)生分類指導(dǎo)，鼓勵課下多學(xué)多問，利用微信、QQ等新工具為學(xué)生解惑。

基于不同層次學(xué)生，根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)特點，合理挑選有機化學(xué)授課內(nèi)容。課堂講授是教學(xué)實施重要環(huán)節(jié)，無法替代，且有機化學(xué)知識點多而繁，在課時逐年壓縮的情況下，不可能面面俱到，必須有所側(cè)重?；诘湫突?、實用化和先進(jìn)性選擇有機化學(xué)內(nèi)容，理解強化典型性基礎(chǔ)內(nèi)容如不同物質(zhì)命名、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)(親電、親核反應(yīng)等)；為了提高學(xué)生解決實際問題，創(chuàng)新能力，內(nèi)容上加大應(yīng)用有機廢水案例分析，為其他課程水分析，水污控等提供有力幫助，與專業(yè)知識更加緊密，學(xué)生也從低年級更理解專業(yè)發(fā)展和前景，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

2.2 改變授課模式，引入討論式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣

受制于目前高校班級規(guī)模的不斷擴大、教學(xué)內(nèi)容、上課地點、人數(shù)和學(xué)校管理等因素的限制，一般情況下采用灌輸?shù)恼n堂講授法授課模式，滿堂灌教學(xué)模式降低教師對學(xué)生的關(guān)注，缺乏師生交流，同樣學(xué)生也缺乏課堂表現(xiàn)和參與機會被動接受知識不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)；因此，盡管有機化學(xué)具有多繁雜等特點，需要教師根據(jù)專業(yè)取舍內(nèi)容，有所側(cè)重，如何在有限學(xué)時下讓學(xué)生對有機化學(xué)有清晰的認(rèn)識和理解，必須要加強小班討論、大班啟發(fā)和探究式等多種師生互動的教學(xué)方法[10]；

2.3 探索大學(xué)生學(xué)習(xí)特點，激發(fā)學(xué)生的“質(zhì)疑意識”

00后大學(xué)生有自己非常鮮明的特征，雖然有一定冒險和創(chuàng)新精神，但普遍缺乏吃苦耐勞品質(zhì)，合作精神不足，同時又十分關(guān)注尊重、交往、自主等。了解掌握大學(xué)生的，尊重大學(xué)生個人特點，適當(dāng)增加知識傳授中的團結(jié)協(xié)作精神，如對于一個完整水處理系統(tǒng)，獨立個人無法完成，通過協(xié)作才能使水處理系統(tǒng)良好運行，提高他們對環(huán)境工程專業(yè)高度認(rèn)同感。強烈的質(zhì)疑意識作為思維的內(nèi)動力，是創(chuàng)新精神的基石，是學(xué)術(shù)創(chuàng)新的突破口。眾所周知，質(zhì)疑意識決定學(xué)生創(chuàng)新能力高低。然而“質(zhì)疑意識”需要老師的培養(yǎng)和激發(fā)。我國大學(xué)生由于受應(yīng)試教育和家庭教育等多種因素影響，不善于表達(dá)和質(zhì)疑，作為授課教師，在討論課時要想方設(shè)法激發(fā)其顯在的、動態(tài)的質(zhì)疑意識，提高他們的創(chuàng)新能力和素質(zhì)[11]。

2.4 確定課堂探討的問題和成績評定

基于理論聯(lián)系實際確定討論問題(1)選擇既符合教學(xué)要求、具有工程應(yīng)用背景和具有一定理論思考性題目；(2)選擇有利于教師有課程教學(xué)，而且大部分學(xué)生能有機會提出新的答案的問題；(3)討論題針對教材中的重要難點、不容易理解問題；(4)學(xué)生自己關(guān)心和理論有關(guān)問題。

學(xué)生關(guān)心自己成績，如果課堂探討的問題進(jìn)行中不能合理的進(jìn)行成績劃定，學(xué)生就會敷衍了事，不深入?yún)⑴c，基于課堂討論教學(xué)效果和學(xué)生綜合素養(yǎng)提高很有難度，特別有必要對有機化學(xué)課程討論成績進(jìn)行全面分析制定合理規(guī)定。

3 新工科背景下基于環(huán)境工程專業(yè)有機化學(xué)課程應(yīng)用探索

3.1 研究對象與分組

以2016級73名和2017級128名環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生為研究對象，采取隨機數(shù)字表法將其分為4個研究組，傳統(tǒng)教學(xué)和討論兩種方式穿插進(jìn)行，并把2015級環(huán)境工程69名學(xué)生采用傳統(tǒng)教學(xué)模式作為對照組。

3.2 取舍講授內(nèi)容，加強討論環(huán)節(jié)

首先進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)授課，使同學(xué)初步認(rèn)識有機化學(xué)課程整個知識脈絡(luò)，理解每個體系(烷烴、不飽和烴、共軛體系、芳香烴、鹵代烴、醇和酚等)命名、物理性質(zhì)和典型化學(xué)性質(zhì)(取代、氧化、加成、自由基等)；掌握典型反應(yīng)機理：親核反應(yīng)、親電和消除反應(yīng)機理；了解規(guī)則：親電反應(yīng)、定位規(guī)則和休克爾規(guī)則等；利用典型反應(yīng)鑒定物質(zhì)：炔烴鑒定等；這些典型知識鏈條就如同導(dǎo)火索般點燃和激發(fā)了學(xué)生的記憶鏈，不僅有利于掌握各知識點之間的關(guān)聯(lián)，也有利于知識點的記憶，努力培養(yǎng)一種不斷擴展學(xué)生思維空間的“學(xué)習(xí)即思考，思考即學(xué)習(xí)”情景[12-13]。

其次抽出一定時間以課堂討論教學(xué)為主，第一步為了對已學(xué)理論知識進(jìn)一步的理解、鞏固和掌握，側(cè)重應(yīng)用，將其作為基礎(chǔ)，假設(shè)每一章講授有機化合物均能造成水體污染，討論采用什么技術(shù)如何消除？過程怎么樣？然后四個小組課下查閱資料，課堂發(fā)言5分鐘討論。例如芳香族衍生物-苯酚污染水體，如何消除？根據(jù)文獻(xiàn)資料選擇何種技術(shù)處理，高級氧化或生物處理等，如何降解，產(chǎn)物為什么？最后討論反應(yīng)機理，總結(jié)消除有機物污染即為合成反應(yīng)的逆過程。通過一系列問題討論，教師結(jié)合經(jīng)典的工業(yè)苯酚廢水處理實例，講授如何在實際生產(chǎn)中構(gòu)建有機化合物化學(xué)性質(zhì)與不同條件下反應(yīng)機理等知識框架。

又如碳?xì)浠衔锏娜紵?，充分燃燒或不充分燃燒，最后產(chǎn)物是什么，導(dǎo)致什么危害？燃料燃燒不完全排放碳?xì)浠衔铮囄矚庵杏?0%碳?xì)浠衔?，它是光化學(xué)煙霧的主要成分。設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生積極參與，舉一反三理論聯(lián)系實際，提高學(xué)習(xí)有機化學(xué)課程興趣。

再次鼓勵學(xué)生自己思索并提交相應(yīng)應(yīng)用實例，提供可能解決方案；如講到苯環(huán)化合物的時候，可以提問大家：同學(xué)們都喜歡吃燒烤，經(jīng)高溫處理后烤制品含有一種產(chǎn)物？引導(dǎo)大家積極參與討論，提出可能存在產(chǎn)物，再引入稠環(huán)芳烴看其性質(zhì)，有一定致癌性，結(jié)合社會現(xiàn)象提醒大家少吃燒制食品，盡管味道鮮美，但不可長期食用。從課堂討論來看，學(xué)生參與度很高，借助于小組深入探討，學(xué)生理解并掌握大班授課中所講授的基礎(chǔ)知識點之間聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生之間協(xié)作精神和表達(dá)能力，注重與老師之間的互動和交流、提高學(xué)生綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，效果良好。

3.3 工業(yè)有機廢水水處理案例庫的建設(shè)

依據(jù)環(huán)境工程專業(yè)的有機化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合環(huán)保工程師等資格考試知識要點，搜集具備典型工業(yè)有機廢水處理指標(biāo)的案例。盡可能包含環(huán)境工程絕大多數(shù)常規(guī)有機廢水處理項目、最新的處理方法及技術(shù)的反應(yīng)機理問題案例。同時也搜集設(shè)計一些典型有機廢水處理案例，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，拓寬知識面，如表1。

表1 典型工業(yè)有機廢水處理技術(shù)及反應(yīng)機理

3.4 選擇典型專業(yè)背景研究問題，利用問題和質(zhì)疑意識法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

基于科研和相關(guān)企業(yè)課題，選擇典型專業(yè)背景研究問題，解決實際問題，切實提高學(xué)生收集文獻(xiàn)、歸納整理、分析與解決能力問題。

氨基苯酚廢水具有致癌性，難處理。根據(jù)課題組多年科研研究，從氨基苯酚結(jié)構(gòu)入手，讓學(xué)生了解其物理和化學(xué)性質(zhì)，基于理論講授臭氧等氧化劑作用，設(shè)置氨基苯酚中苯環(huán)怎么才能斷裂這一問題，會涉及到那一部分內(nèi)容，可能會怎么樣？根據(jù)問題學(xué)生課題進(jìn)行補充；

再比如近幾年，大蒜制造業(yè)蓬勃發(fā)展，各種大蒜加工企業(yè)規(guī)模不斷擴大，由此產(chǎn)生了大量的加工廢水，近三年引入課堂，大蒜廢水很難用生化法進(jìn)行處理，為什么難？了解大蒜成分：大蒜廢水主要含有大蒜素，化學(xué)名稱為二烯丙基三硫化物，具有強烈的刺激味和特有的辛辣味，對許多革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌及真菌具有很強的抑制作用，怎么解決呢？需要對大蒜廢水進(jìn)行前處理，把二烯丙基三硫化物分子進(jìn)行破壞，使其失去抗菌性，后續(xù)可以進(jìn)行生物處理。這樣一步一步設(shè)置問題進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生自己提出問題，課下查閱資料課上交答案，通過這樣問題引導(dǎo)法，學(xué)生查閱資料能力，問題能力和解決能力提高很快，超出預(yù)期。

3.5 教學(xué)效果評價

培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才，學(xué)生必須體現(xiàn)解決實際問題的能力，因此制定合理評價體系對提高學(xué)生積極參與和學(xué)習(xí)至關(guān)重要。改革考核方式：(1)期末考試占70%，試題增加要貼近專業(yè)和社會現(xiàn)象，考核學(xué)生理論聯(lián)系實際能力；(2)討論課程占20%，此項分?jǐn)?shù)由兩部分不同組學(xué)生匿名和教師共同打分，匯總后提交教師；(3)突出獎勵加分，若討論課中表現(xiàn)突出，解決問題能力優(yōu)異，可給予不超過5分的加分獎勵。(4)作業(yè)和考勤占10%，通過課后作業(yè)和日?？记诠餐_定。

通過近三年實施，對參加學(xué)生嚴(yán)格考核，并進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評價和針對教學(xué)效果的學(xué)生信息反饋調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)同學(xué)都積極參與討論課發(fā)言，每位同學(xué)都參與打分，說明有機化學(xué)改革模式受到了學(xué)生的關(guān)注和認(rèn)可。按總成績90～100分、80～89分、60～79分、60分以下，結(jié)果見表2。

表2 傳統(tǒng)與改革成績評價對比分析

2015級以傳統(tǒng)授課模式，課堂中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，厭學(xué)情況嚴(yán)重，在成績上同樣表現(xiàn)，不及格率高達(dá)38.24%。從2016級開始改革教學(xué)模式，根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)需求，大膽精簡課程內(nèi)容，取舍講授內(nèi)容，加強討論環(huán)節(jié)，強基礎(chǔ)，重應(yīng)用，引入科研和社會環(huán)境現(xiàn)象，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，提高學(xué)生興趣。學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度端正，積極參與課堂討論，實施以后，效果良好。2016級和2017級學(xué)生降至16.44%,15.63%。同時針對教學(xué)效果的信息反饋調(diào)查采用問卷形式，調(diào)查研究組學(xué)生對教學(xué)效果的評價，90%以上學(xué)生喜歡授課+討論模擬+案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考模式。

4 結(jié)束語

基于新工科建設(shè)背景，針對環(huán)境工程專業(yè)有機化學(xué)課程存在知識點多和課時少局限，在教學(xué)中進(jìn)行了一系列有意義的嘗試，開展有機廢水案例庫和“大班授課+小班研討”教學(xué)模式等輔助模式，教學(xué)與生產(chǎn)實踐及科研相結(jié)合等課程改革的探索與實踐。大膽精簡課程內(nèi)容，取舍講授內(nèi)容，加強討論環(huán)節(jié)，強基礎(chǔ)，重應(yīng)用，引入科研和社會環(huán)境現(xiàn)象，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，提高學(xué)生興趣。學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度明顯端正，積極參與課堂討論，效果良好。通過有機化學(xué)改革教學(xué)模式可以有效多維度地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)能力及獲取能力，為環(huán)境工程專業(yè)新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供有益探索。