新工科背景下《工程化學》教學改革的實踐與思考

李 姣

(石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043)

新一輪科技革命和產業(yè)變革已經到來。為應對日益嚴峻的國際環(huán)境，進一步鞏固并發(fā)展我國在傳統(tǒng)工業(yè)和新興工業(yè)領域中的地位，高等教育工科人才培養(yǎng)模式和課程教學改革勢在必行。在全球科技革命驅動、國家重大戰(zhàn)略需求及工程教育范式變革等因素交匯下催生出了工程教育新形態(tài)，即“新工科”[1]。新工科建設不僅是對人工智能等新興產業(yè)輸出對口人才，還是對土木、機械、交通、信息、材料等傳統(tǒng)工科專業(yè)進行升級改造，致力于培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[2]。探索符合新工科人才培養(yǎng)要求的課程教學模式并提升教學質量對新工科建設具有重要意義。

《工程化學》是大部分工科高等院校面向土木工程、機械工程、車輛工程、交通運輸等專業(yè)開設的非化學化工類專業(yè)課程。以筆者所在石家莊鐵道大學為例，本課程是對土木學院的土木工程、勘察技術與工程等專業(yè)的大一學生，以及對機械學院的機械設計制造及其自動化、建筑環(huán)境與能源應用工程、車輛工程等專業(yè)的大二學生開設的專業(yè)基礎課，涉及學生人數達一千多人。在學生原有中學化學知識的基礎上，加深對化學理論和機理的學習，并側重與工程實際的結合，對中后階段學習其他專業(yè)課起到承上啟下的重要作用。目前，各校常采用的教材有東南大學化學系編寫的《工程化學》以及浙江大學陳林根教授主編的《工程化學基礎》等。教材主要內容涵蓋物質的組成、結構與性質、化學反應基本原理、水溶液中的解離、沉淀和配位反應及其平衡、氧化還原反應與化學電源等基礎理論，并介紹化學在能源、水資源保護、金屬材料防護、機械和環(huán)境工程材料、生物醫(yī)藥工程等領域中的應用。此外，根據各學校情況和專業(yè)特點，通常設置幾個重點理論知識相關的實驗操作，例如，解離平衡和沉淀反應實驗。本課程的最終目標在于培養(yǎng)工科專業(yè)學生用化學的理論知識、觀點和思維方式來解決實際工程案例中可能碰到的化學相關問題。課程目標對標于新工科下卓越人才工程教育的專業(yè)培養(yǎng)目標和應具備的能力，能夠從知識、技能和研究、人文素養(yǎng)、發(fā)展和創(chuàng)新等多個層面給予支撐。

筆者通過近年來《工程化學》的教學實踐發(fā)現，普遍存在著一些問題：1)作為非化學化工類專業(yè)的化學課程，分配的教學時數少，教學進度快，學生往往沒有真正領悟并掌握解決問題的化學思維方式。2)教學內容和學生本專業(yè)的工程實際結合不緊密，依然采用原有傳統(tǒng)課堂教學模式，沒有針對卓越工程師計劃結合課程相關內容著重提升學生的工程實際應用能力。3)僅較弱體現各工科專業(yè)培養(yǎng)目標中的人文素養(yǎng)和國際視野等軟實力，不能提供滿足新工科要求的復合型工程技術應用人才。4)學生化學基礎參差不齊。由此可見，《工程化學》課程的教學目標必須與時俱進，教學環(huán)節(jié)必須進行改革與創(chuàng)新，才能培養(yǎng)出符合國家新時期工程建設所需的復合型、全面型人才。

1 工程化學教學改革策略

1.1 突出思政教育的重要位置

將教書與育人有機結合，育人為本，德育為先。這是由大學教育的性質、社會職能以及培養(yǎng)目標決定的。新時代全國高等學校本科教育工作會議中“四個回歸”之一的“回歸初心”，即將促進專業(yè)知識教育與思想政治教育相結合，把立德樹人提升到一個新的高度，這些都與新工科內涵以立德樹人為前提相輔相成。但在以《工程化學》為代表的工科專業(yè)課授課過程中，教師面臨的一個難題就是如何選取合適的思政案例，并將具體知識和思政教育融合得自然而不生硬，起到“隨風潛入夜，潤物細無聲”的效果[3]。

深入挖掘結合點，并對學生“投其所好”，適度貫以具體而生動的事例效果較好。筆者認為，可以從幾個方面進行思政融入：1)加強愛國教育，培養(yǎng)民族精神。近年來，我國在多個科技領域取得了重大突破。在講原電池時，結合在我國航天工業(yè)和先進軍事裝備中的應用，培養(yǎng)學生的家國情懷。另外，“零零后”的大學生群體，對網絡新興熱門詞匯的好感度較高，可以融入有積極影響力的網絡詞匯。如，針對土木和機械專業(yè)的學生講解氧化還原反應時，以在橋梁隧道等工程建設中涉及到金屬防腐蝕為應用舉例，并提到外媒評價我國為“基建狂魔”，展示我國大國實力，培養(yǎng)學生的專業(yè)認可度以及民族自豪感。2)樹立學習榜樣，培養(yǎng)正確的人生態(tài)度和觀念。介紹和課程內容相關的貢獻突出的科學家。例如，講授化學反應動力學和酸堿理論時，介紹做出開創(chuàng)性貢獻的瑞典物理化學家阿累尼烏斯；在原電池講解中，介紹以最高齡獲諾貝爾化學獎的古迪納夫教授；講解配合物在生物化學中的應用時，引入在新型冠狀病毒疫情下我國科學家研制疫苗的事跡，鼓勵學生學習攻堅克難和精益求精的工匠精神。另外，在講解熱力學自發(fā)過程時以水的流動為例，并借助俗語“水往低處流，人往高處走”“學如逆水行舟，不進則退”，引導學生保持前進動力，以昂揚奮進的態(tài)度面對學習和生活。3)增強環(huán)保意識，培養(yǎng)良好的工程倫理觀?！笆奈濉币?guī)劃以來，我國更加突出了環(huán)保在社會發(fā)展中的首要地位，而化學又是和環(huán)保息息相關的一門學科。讓學生運用化學反應進行工業(yè)廢水處理的方案設計，推廣清潔能源交通工具出行等等，使學生清晰認識到“綠水青山就是金山銀山”，在今后的工程實踐中考慮到環(huán)保因素，樹立正確的工程倫理觀念。

課程思政在《工程化學》教學中能夠深挖到多個結合點，重要的是針對教學內容和學生專業(yè)的具體特征，在學習化學知識的同時培養(yǎng)學生樹立正確的思想觀念，使之堅定理想信念，矢志拼搏奮斗。

1.2 混合式教學模式和方法

針對大學教學的專業(yè)性、探索性、獨立性、實踐性等基本特點，在教學方法和模式的選擇上應做到因地制宜、靈活變通、因材施教，原則應是教學有法、教無定法、貴在得法、重在啟發(fā)。另外，如何采用合適的教學方法和模式使得工程實踐有機融入到理論教學中也是需要深入思考和改進的。

在傳統(tǒng)的《工程化學》課堂教學模式中采用的教學方法，應充分考慮和教學內容的匹配度以及對課堂教學質量提升的成效。1)恰到好處地運用多媒體演示法激發(fā)學習興趣，調動學習積極性。比如，在講解比較枯燥的原理時，運用生動形象的動畫展示；在講授和實際緊密結合的應用類知識點時播放相應短片，學生往往會對知識表現出濃厚興趣。另外，將課堂理論教學和實驗部分有機結合，采用多媒體演示圖形變化的方法，模擬實驗過程和思路，可使抽象的知識具象化，枯燥的知識趣味化，靜止的知識動態(tài)化。2)在課堂中采用實驗嵌入法結合問題引導探究法，達到事半功倍的效果。例如，講授弱電解質解離平衡時，在課堂上演示醋酸稀釋前后溶液酸堿度變化的實驗，能夠使學生更深刻地理解稀釋定律；講授沉淀-溶解平衡的酸效應時，將白醋去除水垢這一生活小妙招帶到課堂演示。實驗教學不可與理論課程割裂開來，而通過在課堂上引入實驗，或在課件中展示實驗操作過程和現象，能夠有效引導學生探究實驗現象的本質，加深對理論知識的理解。3)采用工程案例教學法引導并啟發(fā)學生思考，并將理論知識和學生本專業(yè)的實際應用緊密結合。例如，講授化學平衡移動的影響因素時，以工業(yè)高爐煉鐵反應為典型案例，思考和討論如何提高煉鐵產率，引導學生的開放性思維；講解不同類型化學反應的應用時，以工業(yè)上去除鍋垢作為沉淀轉化的典型案例，以機械金屬零部件表面電鍍作為配位反應應用的典型案例。重要的是深入挖掘工程化學知識和工科專業(yè)的切入點，并采用合適的教學方法講授。

另外，當今全球新冠疫情對傳統(tǒng)的課堂教學形成了巨大沖擊，為適應疫情新形勢，響應國家“停課不停教，停課不停學”的倡議，線上線下混合式教學的新模式已成為發(fā)展趨勢。這也對高校教師利用信息技術創(chuàng)新教學方式、方法，依托在線教學平臺實現互動教學、培養(yǎng)學生自主學習能力提出了新的挑戰(zhàn)[4]。充分利用好SPOC、MOOC、學堂在線等線上課程資源，并結合雨課堂、超星學習通等學習軟件和QQ直播、騰訊會議等通訊直播平臺的靈活使用，有利于實現以學生為主體的教育理念，激發(fā)學生的學習興趣，提高自主學習、獨立學習、知識整合以及主動解決問題的能力[5]，培養(yǎng)出新工科背景下國家所需的能力和素質全面的工程技術應用人才。

將線上線下混合式教學設計為“線上自主學習-線下翻轉課堂-師生互動反饋”的教學模式。為節(jié)約有限的學時并拓展課堂知識，引導學生主動探究理論和工程實踐的結合，通過課前學習平臺推送，以任務驅動的方式引導學生搜集工程案例。例如，在學習化學動力學的簡單級數反應時，讓機械學院的學生查找零級反應和專業(yè)相關的應用，許多學生通過自學了解了金屬器件表面電解拋光技術。另外，鼓勵學生主動完成線上平臺已搭建好的微課學習，教師全程監(jiān)督學習進度和情況。學生通過對主要知識點進行前期學習形成初步概念，并完成相應測驗，把自學中不懂的問題在學習平臺發(fā)布，教師及時收集問題和錯題。在課堂上采用“案例引入、拋出問題、重難點講授、聯(lián)系實際和練習、總結歸納”的模式。陶行知先生指出“教學的中心是實際生活”，因此引入環(huán)節(jié)主要采用學習任務中搜集的優(yōu)秀工程實際案例，激發(fā)學生求知欲并使其認識到工程化學知識與專業(yè)、生活和今后工作的緊密聯(lián)系。隨后拋出案例中隱含的理論問題引出課程的核心內容，針對預習問題和錯題進行重點講解和分析，將知識點進行梳理和強化，并開展教學內容的拓展和升華。心理學家波斯納提出教師成長等于經驗加反思的公式。因此教師在教學過程中要勤思考、肯鉆研、善反思、多總結。采取教學全程師生互動和接收學生反饋的方式，例如，在學習平臺的討論區(qū)定期開展主題討論和項目研究等活動，在留言區(qū)定期組織學生對教學效果進行階段性評價和反饋，都有利于《工程化學》教學效果的提升。

1.3 適當融入專業(yè)英語

高等教育更重要的是達到能力培養(yǎng)和情感激發(fā)的高階教育目標。對標新工科背景下的工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標，即具有一定的國際視野，了解學科和專業(yè)的國內外發(fā)展動態(tài)和技術前沿，具備在實踐中不斷獲取知識的能力，以及具備愛國、創(chuàng)新等精神。因此除了使學生掌握課程教學內容涵蓋的知識點并形成知識體系，培養(yǎng)學生具備從事本專業(yè)技術工作所需的基礎理論知識及專業(yè)技術能力以外，大學教師要更加清晰的認識到“授之以魚不如授之以漁”。大學只不過是人生中的一個學習階段，教師要培養(yǎng)學生持續(xù)學習的能力和態(tài)度，使工程技術應用人才具備應對新形式下國外技術封鎖的能力，跟得上技術更新的速度，并且能夠在先進技術領域中主動探求創(chuàng)新。

目前，在諸多工科專業(yè)中均設有專業(yè)英語課程，然而隨著高等教育減負和學分減少，一些學校削減了專業(yè)英語課程學時，或將其融入到其他專業(yè)課程教學中而取消了獨立設課。但專業(yè)英語對于培養(yǎng)學生的國際視野，了解學科和專業(yè)的國內外發(fā)展動態(tài)和技術前沿具有重要的工具作用。筆者認為，在講述和學生本專業(yè)銜接緊密的知識內容時，將工程化學領域的專業(yè)英語貫穿其中，尤其是普及和積累一些化學英語詞匯，能夠為學生在今后讀懂國際上的專業(yè)英文資料，持續(xù)學習國際上先進的化學化工技術，并采用前沿技術解決實際工程問題打下良好基礎。例如，在對土木學院的勘察技術與工程專業(yè)授課時，對照教材附錄的元素周期表著重介紹地質中的常見化學元素，并補充常見元素和物質的英文名稱；面向機械學院的建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的學生重點講解熱、功、能量、能源等相關英文詞匯。另外，在課時允許的情況下給學生講授工程化學相關的文獻、法律法規(guī)、技術規(guī)范與標準等英文資料的查找方法。例如，在講解利用沉淀反應去除工業(yè)廢水中的重金屬離子時，讓學生查找國內和國際的水資源質量標準，并通過檢索和閱讀權威期刊上英文文獻，了解光催化、電催化去除水體污染物的先進科學技術，將科學研究的前沿知識和課本中的傳統(tǒng)知識結合起來，在科研和教學融合、知識更新的同時也開拓了學生的國際視野，鍛煉了學生的綜合能力和素質。

2 結語

新工科建設在高等教育整體改革創(chuàng)新中具有“頭雁效應”。新工科背景下為培養(yǎng)復合型、創(chuàng)新型、全面型的工程技術應用人才，《工程化學》這門工科專業(yè)基礎課程的改革勢在必行，可以從多個方面著手，如探索突出并自然融入思政教育的方法，將課堂教學模式和方法合理充分混合，并適當開展專業(yè)英語教學。通過以上措施和方案，希望對《工程化學》課程乃至對培養(yǎng)新工科人才具有重要作用的其他專業(yè)基礎課程的教學起到一定啟發(fā)作用。