工程化學教學的實踐與思考

李紅姬 陳寶泉 劉雅

摘要：工程化學是面向非化工類本科生開設的一門基礎化學課。針對該課知識的系統性不足、課時少且不被學生重視的矛盾，筆者談及了一些體會并提出了解決的辦法。實踐證明，教師不僅要根據學生的專業需求為所授課程定位，也要結合自己的科研充實授課內容，而采用全員參與式教學方法，對模塊化的各個章節重新歸納、明確相互的聯系性并通俗化、形象化地講解專業問題，可以提高學生的學習積極性，使大部分學生在有限的課時內掌握最實用的化學知識，可以為培養一批應用型創新人才提供有利支撐。

關鍵詞：工程化學；教學實踐；新策略

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）18-0230-03

隨著高等教育的普及化，大學生的就業形勢變得嚴峻，而本科教育向應用技術型轉型也迫在眉睫[1]。可見，工科本科畢業生走向社會的基本定位多為一線工程師，而技術創新能力對于這一群體顯得非常重要[2]。為此，他們不僅要熟練應用本專業的知識，還應具備較寬的知識結構，學會從化學角度及觀點分析工程技術問題。工程化學是從普通化學更改而來的，是諸多高校面向非化工類工科生開設的公共基礎課，而教學課時多為28—48學時[3]。該課程的基礎內容包括物質結構、化學反應的基本原理、水溶液中的化學反應、電化學基礎等部分，因集合了諸多化學的基礎知識，知識的系統性不足[4]，因此任課教師既要講清楚基礎知識，又要安排實驗、習題課及應用討論課，課時明顯不足。學生不接觸其他化學課程，因教學改革及地方性差異，學生的高中知識積累也參差不齊。另外，因工程化學不屬于本專業的課程，學生對該課程不夠重視，興趣不大，學習的積極性也不高[5，6]。因此，這不僅給教師授課帶來了困難，學生更是難以從根本性上認識化學。為了讓工科畢業生不受化工知識缺乏的困擾，我們必須對該課程的教學進行思考，提出適當的改革方案，不斷地改進教學方法。工程化學分為理論和實驗教學兩部分，本文討論了筆者在理論教學中遇到的問題及對教學改革的一些看法。

一、教師最好有工科專業背景和多樣的知識積累

教師從事的專業不同，對知識的理解方式就不同，其授課方式也會有差異。例如“雜化軌道的提出”這一知識點，一位化學專業的教師講述時提出“甲烷（CH4）是最簡單的烷烴，所以是非極性分子，具有正四面體結構”；但一位材料專業的教師則提出“甲烷（CH4）是有機可燃氣體，穩定的存在于自然界，也應該具有最穩定的結構”。前者表達方式更專業，而后者更通俗。前者因其本身從事化學相關研究，會無意識地提高化學知識的起點，形成更專業化的授課方式；而后者因不直接從事化學研究，會以實用的方式簡單化理解化學知識，也就會形成更通俗化的授課方式。顯然，如果任課教師既具有化學專業背景，也具有機械、電子或材料等非化工類專業背景，那么因其知識儲備豐富，就更能體會以化學觀點理解工程問題的方式，更能把握不同知識點的表達方式及深淺度，更有利于針對授課對象的專業特征靈活講解教學內容。

二、教師應根據學生的專業背景為課程定位

不同的專業對化學知識的需求也不同，為了滿足不同專業的應用需求[7]，教師應根據學生的專業背景為該課程進行定位，針對專業特點對教學內容有所側重，甚至適當取舍教學內容。比如環境工程專業需要強化化學分析方面的知識；對于材料專業的學生，因他們后期會接觸材料合成和加工的相關化學知識，因此有必要加強基礎理論知識，這有利于學生分析材料形成機理及性能產生機制；對于機械類專業的學生，因他們后期從事機械制造、控制及測試技術等方向，應加強晶體結構及性能知識、相平衡及溶液理論、電化學器件的應用等，并適當講解工程中常見的化學應用部分。

三、教師應研究課程中全部知識點之間的相互聯系性

目前的工程化學教材章節的分配大同小異，教師需要先講述化學反應的基本原理，然后逐一介紹各類化學反應，這不利于學生全盤把握知識并融會貫通。實際上相同類型的參數在不同種類化學反應中具有各不相同的名稱。以標準平衡常數為例，在水的解離反應中稱為電離常數，在水解反應中稱為水解常數，在沉淀反應中稱為溶度積常數，在配合物反應中稱為穩定常數或不穩定常數。以轉化率為例，在水的解離反應中稱為電離度，在水解反應中稱為水解度，在沉淀反應中稱為溶解度，等等。我們知道，化學反應原理適用于所有化學反應，就如摩爾反應的吉布斯自由能（ΔrGm）是所有化學反應方向的判斷依據。相同的知識點，在不同種類化學反應中重復出現，如果教師不能合理總結并明確告訴學生知識點之間的相關性，會使學生混淆概念、加重學習負擔并造成理解困難。

四、適合采用全員參與式的教學方式

做科學和用科學是不同的。參與式教學有利于提高學習積極性及知識的應用能力。目前大多高校采用了大班授課的方式，大多授課班級的人數會達到70—200人。分組討論、提問等個別學生的參與式教學方式顯然不適用于大班授課，為此應開發全員參與式教學方式。要想達到全員參與的目的，應結合時尚話題如“iPhone”手機電池安全問題的分析，熱門話題如“PM2.5”成分及分析方法，生活常識如汽油標號的意義，等等，盡可能貼近生活激發學生的興趣，從而產生對“知識的共鳴”效果。當然，必須與傳統的板書、多媒體、網絡教學等手段結合豐富的教學內容，增強教學效果。

五、科研與教學應結合

任課教師必須從事科研工作。美國是世界高等教育發達國家之一，對于助教、副教授、教授均要求具備不同程度的學術及教學水平[8]。從事科研的教師會把課堂內容和科研內容及成果聯系起來，為學生傳達課程相關的最新發展動態、成果及存在的問題。以從事電化學傳感器研究的教師為例，在講述氧化還原反應的過程中會注重解釋電極電勢在傳感器定性指標中的體現方式，注重應用型電極的新產品及反應特征，介紹電流型傳感器的發展動態，等等；以從事晶體結構研究的教師為例，在講述物質的結構時，會介紹新的晶體結構，針對性能設計晶體結構的新思路，等等。

六、我們所采取的一些方法及成效

首先，筆者對兩個授課班級采用了不同的授課方式。兩個授課班都是由本校機械工程學院的本科生組成且人數接近（約100人）。對于一個授課班，仍然采用了傳統教學方式，從物質的結構到化學反應原理及各個化學反應逐一進行了講解，最后歸納了知識點之間的相互關系。對于另一個班，融合了化學反應的基本原理與各類化學反應，對于每個概念針對不同的化學反應都進行了概括。從學生的反應來看，后者明顯具有成效，學生的理解程度、聽課的積極性都有了提高。

其次，通過傳授小的技巧幫助學生快速理解概念并記住了符號。例如，化學反應中的能量部分涉及較多的難記、容易混淆的概念及符號，筆者則采取了“拆分符號”的解釋方法。例如，“標準摩爾反應焓變（ΔrH■■）”，拆分符號含義“標準‘θ摩爾‘m反應‘r焓‘H變‘Δ”；再如“標準摩爾生成焓變（ΔfH■■）”，分解為“標準‘θ摩爾‘m生成‘f焓‘H變‘Δ”。實踐證明，學生既不混淆概念又能輕松掌握該名稱，更能延伸應用到熵、吉布斯自由能等其他狀態函數上。

再次，講述“分子間力”部分時，先提出“瞬間偶極”、“誘導偶極”、“固有偶極”的概念，后引入“色散力”、“誘導力”及“取向力”，量化給出分子間力、氫鍵和共價鍵的鍵能范圍，由此提升學生對分子間力、鍵能大小的認識。

另外，針對專業特點舉例講述了物質的結構、化學反應原理及性能表現、應用之間的關系。對于機電專業的學生，以金屬銅為例，核外電子排布及價層電子結構的特點來解釋銅離子的價態，用銅的氧化還原反應原理來解釋鍍銅鋼技術，用鍍銅鋼的導電率、熱穩定系數、防腐性能來介紹接地網的工作原理。從教學效果來看，學生對化學知識在專業領域的體現方式及應用方法有了初步的認識。

如前所述，為工科類本科生開設工程化學課，不應僅僅滿足普及化學知識的素質教育，更應教會學生用化學知識作為橋梁建立工程材料與性能之間的聯系性，以便用于解決實際工程問題，實施技術創新。因此，教師應豐富知識積累，結合專業特征優化和重組課程內容，不斷嘗試新的授課方式，解決少的課時與知識需求之間的矛盾，達到使學生融會貫通知識點的目的。

參考文獻：

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