基于工程案例教學法的《大學化學》構(gòu)建與實踐*

吳利軍，郭守杰，王 磊，張時星, 張萬強, 燕小然，程 妍

(許昌學院化工與材料學院，河南 許昌 461000)

隨著社會的不斷進步及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人才市場需求也在持續(xù)的變化之中，社會對高校畢業(yè)生的質(zhì)量提出了更高的要求，人才需求也逐漸從單一模式向多元化，多層次方向轉(zhuǎn)變，高等教育的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，就是順應社會發(fā)展，提高供給端的人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量就需要高校進行一系列的課程改革，這就對高校的課程教學提出了新的要求[1]。加之新時代高等教育的重心已由單純知識的傳授轉(zhuǎn)向工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，尤其對于地方性應用型本科院校而言，更應注重學生知識運用能力的培養(yǎng)。鑒于此，在專業(yè)課程教學過程中探索培養(yǎng)學生工程實踐能力的有效方法和途徑，建設一門以培養(yǎng)高素質(zhì)應用型工程人才為目的的化學類課程，開創(chuàng)有特色的教學，符合地方本科高校向應用型高校轉(zhuǎn)型發(fā)展需求。同時，可為“經(jīng)濟社會發(fā)展對高質(zhì)量多樣化人才需要與教育培養(yǎng)能力不足的矛盾”找到一條合適的解決方案?；谏鲜霰尘埃覀儗Α洞髮W化學》課程開展教學改革。

1 《大學化學》課堂教學現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 精于工程實踐有機融合教學內(nèi)容的教師隊伍欠缺

近年來，地方應用型高等院校加大了對應用型人才的培養(yǎng)力度，并進行了一系列的教學改革，但是專業(yè)人才隊伍仍存在工程實踐經(jīng)驗欠缺問題。大部分青年教師剛博士畢業(yè)便入職高校，沒有工程實戰(zhàn)經(jīng)歷，工程實踐經(jīng)驗尤為欠缺；針對此現(xiàn)狀，高校竭盡所能為新入職教師提供企業(yè)掛職學習的機會，但實際上，教師根本沒有機會真正參與到化工項目或?qū)嶋H生產(chǎn)中，故而使這種形式的掛職學習流于形式，教師本身在工程實踐與所學知識間建立聯(lián)系仍存在困難；而具有工程實戰(zhàn)經(jīng)驗的教師卻教學經(jīng)驗不足。最終就導致在教學過程中無法達到理論與實踐的有機結(jié)合，導致學生產(chǎn)生學而無用的想法[2]。因此，建設一支精于工程實踐有機融合教學內(nèi)容的教師隊伍是培養(yǎng)高素質(zhì)應用型工程人才亟待解決的問題。

1.2 教學內(nèi)容與相關(guān)工程實踐及應用脫節(jié)

《大學化學》課程設計和教學內(nèi)容過于強調(diào)基本知識、基本理論，而忽略了理論知識在實際生活中的應用，加上從教老師缺乏企業(yè)工作經(jīng)驗，在教學中注重理論知識的傳授，不利于應用型人才的培養(yǎng)[3]，與化學相關(guān)工程設計及實際生產(chǎn)銜接出現(xiàn)“斷檔”，一些高校雖根據(jù)自身發(fā)展、學生就業(yè)、社會發(fā)展等需求開發(fā)了化工工程相關(guān)實踐平臺，但仍局限于極少部分專業(yè)。因此，探尋《大學化學》課堂講授知識點與相關(guān)土木工程、機械工程實踐之間的融合點，打通傳統(tǒng)教學內(nèi)容與工程實踐銜接的渠道，實現(xiàn)教學內(nèi)容與工程實踐的有效銜接，仍是《大學化學》教學中的重要任務之一。

1.3 現(xiàn)有考核方式不能真實反映學生工程實踐能力

考試是學校掌握教學情況，檢查學生學習效果和檢驗教學質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，合理科學的考核方式是教學中必不可少的環(huán)節(jié)[4]。現(xiàn)有考核方式多以課堂上所學知識點為主，考核內(nèi)容中記憶成分所占比重較大，無法體現(xiàn)學生的工程實踐能力，學生在短時間內(nèi)對知識點進行背誦并通過考試，無法達到課程學習目標等問題。因此，加強在課堂教學中引入大型化工工程案例教學，促使學生深入理解理論知識，培養(yǎng)工程思維，提高解決實際工程問題的能力是《大學化學》課程亟待解決的問題。

2 改革與探索

2.1 加強教師隊伍建設

百年大計，教育為本；教育大計，教師為本，作為學生的引路人，作為地方應用型高等院校的高校教師，肩負著教書育人，為社會輸送各類人應用型才的艱巨任務。就這要求教師除具有淵博的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，精通所任教課程涉及的理論知識之外，同時還需加強自身工程實踐能力的提高。因此，培養(yǎng)一批實踐能力突出、結(jié)構(gòu)相對合理的高校應用型教師隊伍是目前應用型本科院校轉(zhuǎn)型發(fā)展的重中之重。

以上對應用型本科院校教師提出了更高的要求，首先他們要深刻意識到工程實踐教學能力對應用型本科教學的重要性，在完成自己的教學任務之余，應主動提高自身的工程實踐能力，多深入研究本專業(yè)工程實踐相關(guān)的項目和書籍，多了解與本專業(yè)工程相關(guān)的安全事故新聞報道，然后結(jié)合理論知識對具體化工工程項目和化工相關(guān)安全事故進行一系列的研究和分析，逐步提升自身的綜合能力。其次，應用型本科院校也應該鼓勵教師經(jīng)常性的參與校外實習實訓基地的工程項目與工程實踐活動，進一步提升自身理論與工程實踐融合的能力。與此同時，學校也應出臺一系列的激勵政策，以提高教師們的積極性。同時作為應用型本科院校應與當?shù)氐南嚓P(guān)企業(yè)經(jīng)常性的進行深入對接，邀請企業(yè)走進高校進行深入落后工程技術(shù)交流溝通，充分利用高校這個優(yōu)良的科研平臺，協(xié)助企業(yè)攻克工程技術(shù)上面的難題，同時解決問題的同時，教師們的工程實踐能力得到了真正的提高。其次，高校教師做好教學科研工作之余亟需積極地與當?shù)仄髽I(yè)聯(lián)系、交流，尋找項目和技術(shù)合作點，積極帶領學生協(xié)助企業(yè)攻克科研難題及生產(chǎn)過程中的技術(shù)性難題。只有這樣全方位、多方面共同努力，教師的工程實踐能力才能得到實質(zhì)性的提高，從而在工程案例教學中才能做到游刃有余。

2.2 引入化工工程案例研究教學內(nèi)容

《大學化學》課程中理論較為抽象、難以理解，且涉及到的工程實踐應用幾乎沒有，如電化學基礎部分，偏重于理論推導，缺乏化工生產(chǎn)模型及具體的工程實踐案例建立。為加強該部分工程實踐知識學習，考慮在《大學化學》教學中引入商業(yè)化電池工業(yè)化生產(chǎn)過程中所涉及的材料混合、涂布、烘干、輥壓、稱重、卷繞、熱壓、抽真空、注入電解液、化成、封裝、容量分選等過程選為教學研究案例，分解電化學知識點，并將案例分解成不同的模塊；按照知識點順序調(diào)動相應模塊，融會講解。例如，在商業(yè)化鋰離子電池工程化生產(chǎn)過程中，在混合、涂布工序中，除了考慮保證電極材料的導電性及保持原始形貌以外，還要注意材料的分散性、后續(xù)電極烘干過程中極片表面平整度及壓實密度，進而合理調(diào)整活性物質(zhì)材料、導電劑、粘結(jié)劑的混合比例；烘干工序中，要綜合考慮粘結(jié)劑的固化和分解溫度、導電劑的氧化溫度、電極活性材料的分解溫度從而確定烘干溫度，根據(jù)所涂極片厚度確定烘干溫度范圍，并根據(jù)后續(xù)的化成容量結(jié)果確定最終的烘干溫度；輥壓工序中，為尋找具有最佳的電解液潤量及最佳容量的電極壓實密度，輥壓工序首先會進行一系列的壓實密度電極的容量測量；而在電解液的注入工序中，則需要根據(jù)鋰離子電池的額定容量計算電解液的注入量，如果沒有學習電化學理論知識，鋰離子電池額定容量的計算和電解液注入量的計算就無法進行，在此強調(diào)在當前鋰離子電池行業(yè)盛行的時代，學好本節(jié)課不僅對未來就業(yè)有幫助，同時還會對我們平時如何合理使用手機鋰電池有很多益處。電化學腐蝕部分對于土木工程專業(yè)和機械工程專業(yè)而言同樣具有非常重要的應用價值和工程理論參考價值，該部分偏重于單調(diào)的知識論述與推導，缺乏實際工程實踐應用，考慮從城市地下工程項目實施過程中防腐材料的選擇入手，引入不同濃度下離子氧化-還原電對發(fā)生的電化學反應機理-能斯特方程及相關(guān)計算，進而促使學生更深刻地認識與理解工程問題，及如何將理論知識應用于解決復雜工程問題。比如，鋼筋腐蝕導致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效已成為當今世界日益突出和普遍關(guān)注的災害，給世界各國造成巨大的經(jīng)濟損失。氯離子侵蝕[5]是引起混凝土中鋼筋去鈍化而發(fā)生腐蝕的主要原因,研究混凝土中鋼筋的腐蝕與防護已成為當今國際腐蝕科學領域亟需解決的重大問題。電化學除氯修復技術(shù)[6]是確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一種重要方法：即是在微電場作用下，降低在模擬混凝土中孔隙液中的氯離子的濃度。利用該方法可給學生提出問題：常溫常壓下可給定氯離子濃度，讓學生通過計算需施加多大電壓可使氯離子腐蝕降到最低，并給學生普及當前研究電化學除氯修復技術(shù)都有哪些。促使學生在學到理論知識的同時，做到與工程實踐的良好對接。

2.3 構(gòu)建基于工程案例研究的教學法

采用引入工程案例研究教學法，以合成氨項目建設工程實踐案例為依托，提出原料氣-氫氣和氮氣輸送過程中、合成氨初始階段、合成反應穩(wěn)定階段及氨氣輸送過程中所涉及的不同化學反應熱力學問題，以學生為主導，分析合成氨項目建設中所用到相關(guān)化學反應熱力知識，并利用已學熱力學知識分組討論項目設計與實踐過程中存在的優(yōu)缺點，促使學生理解、掌握化學基礎理論與知識，及學會運用所學化學理論與知識分析、判斷和解決工程設計與實踐中的問題，從而提高學生的學習興趣，提升學生理論聯(lián)系實踐的能力，縮短由理論知識到工程實踐的適應期。比如，眾所周知，傳統(tǒng)的工業(yè)合成氨方法是將氮氣和氫氣在高溫高壓和催化劑存在下直接制備而成。首先向?qū)W生提出需討論的問題：從原料氣的輸運過程、合成成本、安全性等方面論述傳統(tǒng)的工業(yè)合成氨工藝的優(yōu)缺點？近期有哪些合成氨的創(chuàng)新方法？查閱相關(guān)文獻，并做簡要總結(jié)。寫出傳統(tǒng)的工業(yè)合成氨工藝流程中所涉及的熱力學知識點有哪些？并給出合成氨初始階段的熱力學化學反應方程式，根據(jù)第一章所學標準摩爾生成焓、標準摩爾熵和標準吉布斯自由能變等熱力學內(nèi)容，并參閱課本附錄2中的N2、H2和NH3氣的標準摩爾生成焓、標準摩爾熵和標準吉布斯自由能變說明氨氣或液氨為什么室溫、常壓或標準壓力下無法制備成功？若在常壓下采用傳統(tǒng)的合成氨工藝，最低需多高的溫度可成功制備？從上述工程問題引出熱力學知識的同時，激發(fā)學生對學習熱力學知識的興趣的同時，并達到與工程實際相融合的目的。

2.4 優(yōu)化多元化考核方式

將課外實踐納入平時成績，增加課外實踐作業(yè)項，具體考核方式為：課外實踐、小組評分及互評、課后作業(yè)和期末考試，分別占總成績的10%、10%、20%和60%。在期末考試方面，增加工程案例分析方面的試題。同時，加強大數(shù)據(jù)時代下的線上考評統(tǒng)計和線下考評與學生自評互評結(jié)合的全維度多元化考核方式，檢驗學生的學習效果。

3 結(jié) 語

采用具體工程案例融匯《大學化學》課程的創(chuàng)新教學法，以崗位需求為導向、以實際工程項目與實踐案例為載體，不僅能充分調(diào)動學生學習的主動性，而且可將工程素質(zhì)教育滲透到專業(yè)教育之中，使學生較早地參與科學研究和社會生產(chǎn)實踐，提高學生的人文與科學素養(yǎng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力，增強社會競爭能力，提高就業(yè)率。同時為其他理論課程課堂工程化教學的改進提供了強有力支撐。