工程化學多元化教學方法探索與實踐*

謝云鵬

(華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074)

我國工程教育認證標準要求，專業(yè)必須有明確的畢業(yè)要求，課程體系應(yīng)能支撐畢業(yè)要求的達成，體現(xiàn)以能力為導向的工程教育人才培養(yǎng)的目標與要求?！豆こ袒瘜W》是工科學校非化工類專業(yè)的一門必修基礎(chǔ)課，是我院材料成型及控制工程專業(yè)工程教育論證中必須包含的一門化學課程。通過掌握基礎(chǔ)化學理論知識，拓寬化學視野，提高科學素質(zhì)，使學生學會用化學的眼光看世界，并能夠運用化學的理論、觀點和方法正確認識和解決社會和生活中遇到的問題。認識化學學科的概貌、發(fā)展方向以及與材料學科的關(guān)系，學會基礎(chǔ)化學分析方法。通過理解材料制備、加工和使用過程中的基本化學問題，能夠運用化學基礎(chǔ)理論認識和分析材料工程技術(shù)中的相關(guān)化學問題。學會綜合運用化學原理和規(guī)律，解決材料設(shè)計、成型及控制工程中的實際問題，理解和評價材料領(lǐng)域工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。根據(jù)工程化學的培養(yǎng)方案要求，該課程學時為 32 學時。然而，在新高考的情形下，部分學生化學基礎(chǔ)知識薄弱。在以往教學實踐中反映出學時少、內(nèi)容多、教學內(nèi)容與本專業(yè)工程實際銜接不緊密、反映新的科技成果少等諸多問題。因此，為了更好得實現(xiàn)在工程教育專業(yè)認證背景下，“以學生為中心”的教育理念，《工程化學》教學方法的多元化勢在必行[1]。

1 教材和大綱的合理優(yōu)化

根據(jù)材料成型專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求為依據(jù)，明確了《工程化學》課程教學目標，制定了能力培養(yǎng)大綱，理順了工程化學課程目標與專業(yè)畢業(yè)要求指標點的對應(yīng)關(guān)系。進一步設(shè)計教學過程，制定《工程化學》課程知識和能力培養(yǎng)目標，將課程教學目標落實到具體章節(jié)內(nèi)容中，落實到每一節(jié)課堂中，輔以具體的實現(xiàn)途徑，形成一整套講義。材料成型專業(yè)側(cè)重于金屬材料的性質(zhì)和應(yīng)用，因此在制定大綱時，第二章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、第六章電化學基礎(chǔ)與金屬腐蝕以及第八章化學的應(yīng)用，分配的課時要多一些。使學生掌握用于解決材料成型及控制工程復(fù)雜問題的化學基礎(chǔ)知識。在授課內(nèi)容上，化學電源、金屬的腐蝕與防護、化學與環(huán)境保護等可以詳細講解，并進行適當?shù)耐卣?，比如，電化學儲能新材料和新技術(shù)對碳達峰、碳中和等國家戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的重要支撐。對于化學熱力學和動力學部分應(yīng)弱化相關(guān)繁雜公式的推導，側(cè)重公式的實際應(yīng)用及計算； 原子的結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)部分概念多、理論性強， 教學內(nèi)容選擇應(yīng)重思維而輕具體內(nèi)容，對相關(guān)結(jié)構(gòu)理論只作簡單了解。

2 組合式教學模式

《工程化學》是材料成型專業(yè)第一學期開設(shè)的課程，作為非化學專業(yè)大一的學生而言，由于從高中剛踏入大學的校門，大學的學習環(huán)境跟高中完全不同，學習內(nèi)容更深，學習節(jié)奏快，學習科目多，而且大部分情況下要靠學生自覺學習。作為剛上大學的學生而言，沒有了高中的約束和壓力，容易養(yǎng)成懶惰和松懈的習慣，對大學的學習不夠適應(yīng)或不上心，容易造成學習興趣不高，學習積極性差的情況。同時還需要注意一些學生在高考中沒有選擇化學考試，因此化學的基礎(chǔ)知識相對薄弱。因此需要通過多種教學模式的組合，來有效促進學生的主動學習、合作學習和課堂參與度[2]。

2.1 通過線上線下相結(jié)合的方式，增強學生自主學習的意識

根據(jù)疫情防控工作需要，進行疫情背景下的混合式教學準備與設(shè)計是非常必要的。在多次傾聽“慕課堂”“雨課堂”、“智慧樹”、“超星”等教學平臺的在線教學培訓后，從理論和實踐方面努力提高自己的混合式教學重構(gòu)與設(shè)計素養(yǎng)，綜合考慮各個平臺的優(yōu)劣，選擇出適宜自己和學生，并可留有教學記錄的線上教學和學習平臺。加強學習通中學習資料的建設(shè)和完善，將課程PPT的觀看進度、課后作業(yè)的完成情況以及課前預(yù)習的完成度都納入到平時成績里，來提高學生自主學習的意識。另外，由于疫情的復(fù)雜性，若有學生不能參加線下學習，可以通過騰訊會議等軟件實現(xiàn)線上線下相結(jié)合的實時授課方式，不耽誤每一個學生的學習進度。

2.2 引入新的授課方式，增加課堂的趣味性

化學是一門知識點相對比較零散的學科，尤其對于工科學生來說，學習起來既感覺枯燥，又深感微觀難懂。仔細分析學生的學習認知心理后發(fā)現(xiàn)，學生最難接受的就是零散知識點的記憶，往往因為沒有興奮點而引不起重視，學習記憶起來深感困難。可以引入新型的教學軟件，如慕課堂、雨課堂app等，使上課形式多樣化，提高學生的參與度。雨課堂中有在線選人，比單純的老師點名提問會更有趣味性，可以活躍課堂氣氛，而課堂討論和互動也可以拉近老師與學生的距離[3]?，F(xiàn)在的學生已經(jīng)是00后，網(wǎng)絡(luò)發(fā)達，對新鮮的事物有著濃厚的興趣，但是很少能把網(wǎng)絡(luò)上的一些信息跟所學的專業(yè)相聯(lián)系。將年輕人感興趣的東西引入到課堂，跟所學的知識相聯(lián)系不僅能夠提高學生的學習興趣，還能讓學生養(yǎng)成勤于思考，理論聯(lián)系實際的好習慣。比如在講到熵增原理的時候可以將網(wǎng)絡(luò)上流行的化學青年問禪師的梗引入到課堂中，“世界萬物都是潮起潮落，不可能只增不減，但是熵除外”，這樣既增加了課堂的趣味性，又加深了學生對熵增的理解。其次是利用平臺的翻轉(zhuǎn)課，可以發(fā)布學習任務(wù)、學習資料、加強學生的作業(yè)訓練、開展直播課堂答疑、簽到、搶答、投票、頭腦風暴等；建立QQ群，也是必不可少的交流工具，可以實現(xiàn)任課教師和學生之間“無縫銜接”，及時收集學生疑問并進行適時答疑，不受課堂時間限制，并可以長期保存學習資料與文件。最終將線上線下混合式教學設(shè)計為 “線上自主學習-線下翻轉(zhuǎn)課堂- 師生互動反饋”的教學模式。

通過教學軟件，又可以對所有學生的學情分析，了解每個學生的學習特點、學習方法、習慣、興趣、成績等，對每個學生的具體情況進行處理等。及時關(guān)注學情，每周調(diào)閱一次各門功課的在線學習數(shù)據(jù)，比如，視頻學習時間、PPT預(yù)習情況、作業(yè)完成情況等，并及時批閱作業(yè)，發(fā)放成績與答案，隨時隨刻督促學生學習，不放棄任何一個學生，認真作業(yè)批改后盡可能留有評語，及時反饋，方便每個學生查閱自己的不足與欠缺，不使任何一個同學掉隊。

2.3 加入思政內(nèi)容，提高學生的專業(yè)素養(yǎng)

在2016年的全國高校思想政治工作會議上，中共中央總書記習近平指出“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)”，將思政課程和課程思政相結(jié)合，實現(xiàn)“全程育人，全方位育人”。因此，各門課程要深挖德育功能，從而全面提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量[4]。《工程化學》涉及到的化學基礎(chǔ)知識較多，因此在課程教學過程中一方面可以通過引導學生查閱資料的方式介紹各位化學家的名人軼事，既能增加互動性，提高學生的主動參與性，還能讓學生學到化學家們堅持不懈、勤于思考的科學精神。比如講到德布羅意提出了波粒二象性，可以介紹一下他的生平。原本德布羅意學的是歷史，但是哥哥喜歡物理，大學畢業(yè)后在哥哥書房中接觸了普朗克的著作，改學了物理，最后憑借畢業(yè)論文獲得了諾貝爾物理學獎。通過德布羅意生平的分享可以讓學生更深刻得體會，學習任何時候都不晚，但是想要成功需要付出比別人更多的努力和熱忱。在思政課堂讓學生了解化學對社會和經(jīng)濟發(fā)展的作用以及中國科研工作者對化學的貢獻。通過介紹我國科學家的生平事跡、我們國家的最新科技創(chuàng)新成果，使得學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀。將中華傳統(tǒng)美德、文化自信內(nèi)化為學生的精神氣質(zhì)和道德品格。對材料成型專業(yè)學生來說，實踐是培養(yǎng)職業(yè)能力的主要手段，“工匠精神”理念的滲透是其中重要的方面，讓學生體會讓用“中國制造”成為世界引以為榮的自豪感。

2.4 將學生劃分小組，加強學生的集體榮譽感和互動性

由于課時或班級規(guī)模限制，授課過程中進行課堂提問、翻轉(zhuǎn)課堂或提交課程論文時，不能保證提問到每一位學生[5-6]。且為了體現(xiàn)課堂的多元化、增加趣味性、加強學生小組合作能力以及集體榮譽感，將學生劃分為小組，以3～4人為一個小組進行討論，明確最終的提交結(jié)果會影響每個小組成員的平時成績。授課教師作為課外輔導員，針對于同學們感興趣的化學知識，教師和同學討論后確定一些主題，例如：化學與環(huán)境污染問題；如何理解微觀結(jié)構(gòu)決定材料性質(zhì)？如何提高化學能轉(zhuǎn)化為電能的效率？如何測量化學反應(yīng)速率？人體酸堿平衡失衡與疾病關(guān)系等。課外組織同學們分組、查相關(guān)資料、組內(nèi)討論、組內(nèi)推選同學展示討論結(jié)果、教師總結(jié)的方式進行。這種方式不僅可以增加同學們團結(jié)互助的精神還可以提高學生的動手、動腦及表達等各方面能力。同時，多樣化作業(yè)使得作業(yè)成績不再單一，所有作業(yè)成績均會計入期末總評成績中去，體現(xiàn)了對學生的過程性考核。

3 開辟第二課堂

設(shè)置學術(shù)講座專題、觀摩儀器和動手做實驗的多種方式，達到學生了解該專業(yè)的研究前沿，激發(fā)學生對該專業(yè)的主動性[7]。實現(xiàn)學生的使用現(xiàn)代工具、研究、溝通的能力培養(yǎng)。能正確使用和處理實驗數(shù)據(jù)，通過信息綜合處理，具備對復(fù)雜的材料成型及控制工程實驗結(jié)果進行正確解釋和分析，比較和選擇合理研究路線能力。

開展專題學術(shù)講座：邀請石墨烯、電催化、光催化、鋰電池、太陽能電池等領(lǐng)域的老師，結(jié)合自己的研究課題，以學術(shù)講座的方式，使學生鞏固課堂所學的理論知識，了解各類新材料研發(fā)及其應(yīng)用情況，大大開闊學生的視野、提高學生的學習熱情。例如，學生通過對離子電池相關(guān)學術(shù)報告學習，可以了解到鋰離子電池作為一種重要的化學電源，在降低碳排放過程中起到關(guān)鍵作用。同時結(jié)合課上有關(guān)電化學內(nèi)容，分析出鋰離子電池的特點及優(yōu)缺點，了解鋰離子電池的正、負極材料的構(gòu)成，熟練寫出鋰離子電池表達式以及正負極反應(yīng)方程式等。

走進實驗室觀看用現(xiàn)代分析儀器對樣品進行制備、分離、表征和分析。例如，先用高效液相色譜對樣品分離，從記錄儀中的幾個峰，可知樣品中物質(zhì)的種類，對已分離的物質(zhì)分別收集后，再通過紅外光譜，質(zhì)譜，氫譜和碳譜等分析，確定樣品中的物質(zhì)成分。最后，通過X-射線單晶衍射儀對于一些單晶樣品進行結(jié)構(gòu)的精確測定?？梢粤私釾-射線單晶衍射儀的工作原理，鞏固課上有關(guān)化學鍵與晶體結(jié)構(gòu)等知識。實驗儀器雖然只是演示實驗，但學生通過觀看，可以體會到現(xiàn)在分析技術(shù)的先進，知道在以后工作中遇到需了解材料成分時，能通過現(xiàn)代分析儀器來實現(xiàn)。鼓勵學生以小組的形式走進實驗室做一些基本化學實驗。通過開設(shè)第二課堂，使學生掌握材料表征的相關(guān)儀器和測試設(shè)備，具備材料成型及控制復(fù)雜工程問題研究與分析的能力。

從2016年授課至今，我院該課程通過“教師走下講臺，學生走出教室”的理論加實踐相結(jié)合的授課方式能夠讓學生更快地了解和掌握書本上的理論知識并與之后的專業(yè)知識和應(yīng)用相結(jié)合，得到了師生的一致好評。

4 結(jié) 語

我院《工程化學》課程一直堅持以學生為中心，重視對學生專業(yè)知識以及專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)。在學科建設(shè)的基礎(chǔ)上，成立教師團隊，深化教學改革，努力將《工程化學》打造成一門具有趣味性和吸引力的實用性課程。通過對《工程化學》教學內(nèi)容和教學大綱進行優(yōu)化整合；引入新技術(shù)，建立了符合認證標準的教學模式和課程考核評價體系；開展學術(shù)講座、觀摩儀器使用，不僅為專業(yè)認證背景下公共基礎(chǔ)課的建設(shè)起到借鑒和示范作用，還可以大大開闊學生的視野、提高學生的學習熱情、讓學生化被動學習為主動學習、提高教學效果。