膜科學(xué)與技術(shù)研究生課程的教學(xué)改革與實(shí)踐*

蘇保衛(wèi)，高學(xué)理

（中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引 言

膜技術(shù)已成為解決當(dāng)今全球水資源、能源和環(huán)境等領(lǐng)域重大問題的關(guān)鍵共性技術(shù)，是21世紀(jì)最有發(fā)展的高新技術(shù)之一［1］.當(dāng)前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家將膜技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展和重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略方向.加速推進(jìn)膜技術(shù)的發(fā)展已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求［2］.高校的膜科學(xué)與技術(shù)研究生專業(yè)課程承擔(dān)著傳播膜技術(shù)和培養(yǎng)膜技術(shù)后備力量的雙重責(zé)任.膜科學(xué)與技術(shù)課程集成了材料、化學(xué)、化工、能源、環(huán)境和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，其應(yīng)用涉及化工、生化、醫(yī)藥、環(huán)保和食品生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域.

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)家和社會(huì)亟需復(fù)合型和應(yīng)用型的高層次人才.提高研究生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家戰(zhàn)略的必然要求.在新工科的時(shí)代背景下，大力開展研究生教學(xué)改革勢(shì)在必行.目前，國(guó)內(nèi)一些高校相繼開展了本科生膜科學(xué)與技術(shù)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐［2-7］，如：天津工業(yè)大學(xué)林立剛等［2］構(gòu)建了教研相長(zhǎng)的教學(xué)體系，介紹國(guó)內(nèi)外分離膜產(chǎn)業(yè)化情況及趨勢(shì)和進(jìn)展，極大提高了學(xué)生對(duì)該行業(yè)的興趣，并帶動(dòng)了一大批學(xué)生從事該行業(yè)；中國(guó)石油大學(xué)康子曦等［4］采用了研討式的教學(xué)模式，增強(qiáng)了學(xué)生自主思考問題的能力，訓(xùn)練了學(xué)生的研究技能，收到了良好的教學(xué)效果.這些教學(xué)改革均是針對(duì)本科生進(jìn)行的，對(duì)研究生教學(xué)有很好的啟發(fā).與本科生相比，研究生已具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、較強(qiáng)的理解力和較明確的學(xué)習(xí)目的性，且其畢業(yè)后在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家中能發(fā)揮更大的作用.所以，在研究生教學(xué)過程中，應(yīng)該更注重培養(yǎng)科學(xué)研究和創(chuàng)新實(shí)踐的能力.然而，研究生階段膜科學(xué)與技術(shù)課程的教學(xué)改革未見相關(guān)報(bào)導(dǎo).

中國(guó)海洋大學(xué)是一所具有鮮明海洋特色的“雙一流”建設(shè)重點(diǎn)高校.該校發(fā)揮海洋學(xué)科優(yōu)勢(shì)，形成了海水淡化、膜分離、海水綜合利用和水處理等特色研究方向.膜科學(xué)與技術(shù)是該方向的特色專業(yè)選修課程之一，面向本學(xué)院全體研究生開設(shè)，課程定位是培養(yǎng)具有一定專業(yè)背景的“復(fù)合型人才”［8］.該課程既要兼顧學(xué)術(shù)型碩士研究生的科研能力培養(yǎng)，又要兼顧專業(yè)型研究生的實(shí)踐能力培養(yǎng).為此，本文提出通過調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)的針對(duì)性；進(jìn)行課程思政建設(shè)、增強(qiáng)學(xué)生的使命感；實(shí)施教學(xué)模式改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，全面提高研究生的科研能力和工程實(shí)踐能力以及專業(yè)知識(shí)水平，以期滿足新時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型工程科技人才的需求.

1 教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

1.1 明確教學(xué)目標(biāo)

本課程在教學(xué)過程中針對(duì)研究生科研創(chuàng)新與實(shí)踐能力的培養(yǎng)做了一些探索.圍繞學(xué)校一流大學(xué)人才培養(yǎng)體系建設(shè)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)校研究生培養(yǎng)方案修訂的總體部署，對(duì)本課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了修訂，突出實(shí)踐動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)，兼顧學(xué)位標(biāo)準(zhǔn)要求和社會(huì)現(xiàn)實(shí)需求.通過本課程的學(xué)習(xí)，研究生應(yīng)該達(dá)到具體目標(biāo)：（1）掌握相轉(zhuǎn)化法與界面聚合法這2類主要的膜制備方法；（2）掌握膜的各種表征方法，包括掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、紅外光譜、光電子能譜、接觸角和流動(dòng)電位等；（3）理解溶解擴(kuò)散模型和不可逆熱力學(xué)機(jī)制模型；（4）理解濃差極化的機(jī)制和膜污染現(xiàn)象，了解具體的膜污染所對(duì)應(yīng)的膜清洗策略；（5）掌握微濾、超濾、納濾、反滲透和膜蒸餾等典型膜分離技術(shù)的基本概念、分離原理、工藝流程、發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題；（6）掌握典型膜分離系統(tǒng)的分離效率的分析和預(yù)測(cè)、工藝參數(shù)篩選和耦合工藝優(yōu)化等基本方法；（7）匯總膜分離技術(shù)相關(guān)的中英文專業(yè)文獻(xiàn)并課堂陳述.

1.2 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)是專業(yè)課程建設(shè)的重要環(huán)節(jié).膜科學(xué)與技術(shù)涉及到化工、環(huán)保和材料等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的專業(yè)性、綜合性和實(shí)踐性，但由于課時(shí)有限，教學(xué)內(nèi)容不能面面俱到.考慮到學(xué)科發(fā)展十分迅速，需要加強(qiáng)對(duì)學(xué)科前沿的跟蹤，這是培養(yǎng)高水平研究生所必需的［7，9］.筆者以培養(yǎng)研究生科研能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和提高研究生學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性為目標(biāo)，根據(jù)學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)大綱對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了凝練優(yōu)化，將課時(shí)由原48學(xué)時(shí)調(diào)整為34學(xué)時(shí)，大幅度精減了授課內(nèi)容，同時(shí)，分別增加了各4學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂，并將膜污染、膜的應(yīng)用與工藝設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容放到實(shí)踐教學(xué)過程中，突出了“膜材料、膜制備、膜表征、分離機(jī)制、膜應(yīng)用和工藝流程”的主線和思路.

本課程經(jīng)過優(yōu)化，主要包括以下授課內(nèi)容：首先，介紹各種膜分離過程，讓學(xué)生了解各種具體的膜過程及其主要特點(diǎn)與應(yīng)用；其次，重點(diǎn)介紹主要膜的制備技術(shù)、表征手段、分離機(jī)制及膜運(yùn)行過程中的關(guān)鍵問題（濃差極化、膜污染及防治）；再次，選擇幾種膜過程，如反滲透、納濾、微濾、超濾、氣體分離、膜蒸餾和滲透汽化等詳細(xì)介紹，深入講解基本理論，并介紹最新的理論和發(fā)展，如：用一定的篇幅較系統(tǒng)地介紹膜科學(xué)與技術(shù)的前沿研究方向；最后，以反滲透海水淡化為例介紹膜的工藝設(shè)計(jì).

2 課程思政建設(shè)

本課程以培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷為使命擔(dān)當(dāng)，以人才培養(yǎng)為中心地位，將價(jià)值引領(lǐng)貫穿于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，結(jié)合學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，融入思政元素，進(jìn)行課程思政建設(shè).如：系統(tǒng)地介紹了以高從堦院士為代表的一代海洋科學(xué)家在海水淡化和膜分離領(lǐng)域的杰出成就，引導(dǎo)研究生培養(yǎng)科學(xué)家精神；通過介紹膜技術(shù)領(lǐng)域的專利，引導(dǎo)研究生認(rèn)清核心技術(shù)必須牢牢把握在自己手上，我國(guó)在先進(jìn)科技領(lǐng)域要趕超西方發(fā)達(dá)國(guó)家，從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，必須通過創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，這是后發(fā)國(guó)家實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)追趕的必要條件［10］；結(jié)合國(guó)際政治局勢(shì)［11］，讓研究生認(rèn)識(shí)到在膜技術(shù)領(lǐng)域國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的嚴(yán)峻性，認(rèn)識(shí)到自己作為科技戰(zhàn)線上的排頭兵和科技創(chuàng)新的主力軍在建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)中的使命感.

圍繞經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)介紹膜技術(shù)可以發(fā)揮的重要作用.通過講解膜技術(shù)在污水處理和大氣凈化等方面的應(yīng)用，將“綠水青山就是金山銀山”的理念和生態(tài)文明等思政元素融入教學(xué)內(nèi)容中；講解“雙碳目標(biāo)”［12］的深刻內(nèi)涵，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面綠色轉(zhuǎn)型，推動(dòng)中華民族的永續(xù)發(fā)展，推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體［12-13］；從膜技術(shù)必將在綠色低碳發(fā)展中發(fā)揮的作用出發(fā)，讓學(xué)生明白肩負(fù)國(guó)家建設(shè)與民族復(fù)興的歷史重任，必須加快低碳關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新［14］，加速構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系［15］.

結(jié)合全球新型冠狀病毒肺炎疫情，給研究生們講解膜技術(shù)在防疫方面的應(yīng)用，如體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）治療儀［16］，即人工呼吸機(jī)，以及中國(guó)在疫情防控方面的快速響應(yīng)能力和對(duì)世界做出的貢獻(xiàn)，讓研究生們加深對(duì)膜技術(shù)在生命健康領(lǐng)域作用的認(rèn)識(shí).通過介紹膜技術(shù)最新進(jìn)展，讓研究生們認(rèn)識(shí)到膜技術(shù)作為21世紀(jì)最重要的化工分離技術(shù)，必將在不久的將來發(fā)揮更大的作用，“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了化工的未來”.

3 教學(xué)模式改革

3.1 改進(jìn)教學(xué)方法

傳統(tǒng)的課程授課的教學(xué)方式單一，遠(yuǎn)不能滿足研究生學(xué)習(xí)的需求和研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求.將單一課堂講授模式改為課堂內(nèi)外相結(jié)合的教學(xué)方式，通過課堂內(nèi)的教具模型、工程設(shè)備實(shí)物和多媒體教學(xué)等與課堂外的演示實(shí)驗(yàn)、文獻(xiàn)查閱和翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學(xué)模式［17］等有機(jī)結(jié)合起來.如：建立翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué)模式的全覆蓋.具體做法是：首先，在課堂教學(xué)中增加概述的內(nèi)容，分類介紹各種膜過程，讓學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣；其次，布置一些題目，指導(dǎo)研究生們針對(duì)自己感興趣的方向，到圖書館或?qū)W術(shù)網(wǎng)站查閱膜分離技術(shù)相關(guān)的書籍、中英文專業(yè)文獻(xiàn)，進(jìn)一步開闊視野，并進(jìn)行有效的歸納總結(jié)；最后，安排全體研究生分組在課堂中做PPT匯報(bào)，由教師點(diǎn)評(píng).翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學(xué)模式增強(qiáng)了研究生對(duì)膜分離技術(shù)基本原理的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力和歸納能力，提高了其學(xué)習(xí)主動(dòng)性、自主學(xué)習(xí)能力、信息加工能力與表達(dá)交流能力［18］.

3.2 培養(yǎng)科研能力

研究生教育強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［19］，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代、新技術(shù)要求［20］、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才［21］.在教學(xué)過程注重發(fā)揮教師的科研優(yōu)勢(shì)，傳授科研方法，并注意教研結(jié)合，把教師的科研成果引入課堂教學(xué)中.并且，增加了一些國(guó)內(nèi)外的最新科研進(jìn)展介紹，將國(guó)內(nèi)外最新學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果與課堂教學(xué)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生思考，在了解膜技術(shù)的最新成果和發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，強(qiáng)化綜合素質(zhì)和綜合能力的提升.如：突出介紹化工過程中的零排放技術(shù)，其核心技術(shù)是將傳統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶得到雜鹽作為固廢的過程，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^納濾分鹽、再結(jié)晶從而得到高品質(zhì)鹽，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)能、降耗、環(huán)保和有效利用；分享教師參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議中所了解的一些最新技術(shù)，并在課堂上講解膜技術(shù)領(lǐng)域頂尖期刊近年來發(fā)表的研究論文或綜述性論文，輔助教學(xué)，使研究生在學(xué)習(xí)本課程之后，能夠較容易地從事膜技術(shù)領(lǐng)域的科研工作.

3.3 實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)

膜科學(xué)與技術(shù)課程普遍存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視不足的問題［2］.近年來，國(guó)內(nèi)高校開始在本科生膜科學(xué)與技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，加入膜制備等大型綜合實(shí)驗(yàn)［2］、研究技能訓(xùn)練和課外大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐等內(nèi)容［4］.但在研究生階段的膜科學(xué)與技術(shù)教學(xué)中未見實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的報(bào)導(dǎo).

在多年的教學(xué)過程中，通過與化學(xué)工程與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的許多研究生交流，了解到研究生普遍希望開設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程，迅速提高研究生科研水平和對(duì)相關(guān)課程的理解深度，以便更好地開展研究工作.因此，通過承擔(dān)學(xué)校的研究生教育質(zhì)量提升項(xiàng)目，建立了膜科學(xué)與技術(shù)研究生課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，選取并開設(shè)了具有代表性的超濾/反滲透海水淡化、膜蒸餾海水淡化2個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí).以典型膜分離工程為載體，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)講解工藝流程和基本原理，結(jié)合課堂教學(xué)，加深研究生對(duì)膜過程中的工藝流程以及具體膜分離性能的理解，并通過安排研究生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，從膜的性能、制備方法和應(yīng)用等方面，加強(qiáng)研究生的工程實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)研究生的科研能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力.

實(shí)驗(yàn)的開展極大地激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，并使學(xué)生的動(dòng)手能力、基本科研能力得到大幅提高，取得了良好的效果.研究生們普遍反映將課堂上所學(xué)的理論知識(shí)與具體的實(shí)踐結(jié)合后，對(duì)理論知識(shí)的理解更深刻.

3.4 改革評(píng)價(jià)體系

考試是教育活動(dòng)中檢驗(yàn)受教育者掌握、運(yùn)用知識(shí)能力的主要手段.但是，單一的考試評(píng)價(jià)體系存在不完善、考試結(jié)果利用不正確和部分學(xué)生容易對(duì)考試產(chǎn)生強(qiáng)烈的功利思想等現(xiàn)象.將評(píng)價(jià)指標(biāo)由單一的期末考試卷面成績(jī)調(diào)整為由期末考試、平時(shí)作業(yè)、翻轉(zhuǎn)課堂匯報(bào)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)4項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)，其權(quán)重分別占60.0%、10.0%、10.0%和20.0%，以加權(quán)后的分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.

在學(xué)期結(jié)束后，通過調(diào)查問卷的形式，從課程內(nèi)容、價(jià)值引領(lǐng)（課程思政）、教研結(jié)合、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、評(píng)價(jià)體系和總體評(píng)價(jià)（教學(xué)效果）等方面，對(duì)2019和2020級(jí)研究生進(jìn)行課程滿意度調(diào)研，滿意度包括很滿意、基本滿意、一般、不滿意和很不滿意5項(xiàng)，計(jì)算不同方面學(xué)生整體滿意度比例.2屆學(xué)生共115人，參與問卷調(diào)查54人.由于2019級(jí)上課時(shí)間較久，參與調(diào)研人數(shù)較少，該調(diào)查結(jié)果主要反映2020級(jí)研究生的情況，調(diào)研結(jié)果列于表1.結(jié)果顯示，71.4%的研究生對(duì)本課程的總體評(píng)價(jià)很滿意，25.0%的研究生基本滿意，二者加和達(dá)到了96.4%，說明本課程的改革達(dá)到了預(yù)期的效果.

表1 2019和2020級(jí)膜科學(xué)與技術(shù)課程滿意度調(diào)研匯總 單位：%

4 結(jié)束語(yǔ)

以提升研究生的科研能力為目標(biāo)，充分發(fā)揮學(xué)校的海洋學(xué)科優(yōu)勢(shì)和教學(xué)資源，本文修訂了教學(xué)大綱，調(diào)整了教課內(nèi)容，增加了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，建立了以課堂教學(xué)為主、以實(shí)驗(yàn)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂為輔的研究生教學(xué)模式，突出了“膜材料、膜制備、膜表征、分離機(jī)制、膜應(yīng)用和工藝流程”的主線.緊密圍繞我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及國(guó)際形勢(shì)，增加思政元素，使研究生們認(rèn)識(shí)到膜科學(xué)與技術(shù)課程在節(jié)能減排綠色發(fā)展中的重要作用，增強(qiáng)了建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的使命感；將國(guó)內(nèi)外最新學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果與課堂教學(xué)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力；增加翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，培養(yǎng)了研究生文獻(xiàn)查閱能力、信息加工能力與表達(dá)交流能力，提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性；通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并增強(qiáng)了研究生的實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力.通過教學(xué)改革，取得了很好的教學(xué)效果，滿足了新時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型工程科技人才的需求.