膜科學與技術研究生課程的教學改革與實踐*

蘇保衛，高學理

（中國海洋大學化學化工學院，山東 青島 266100）

0 引 言

膜技術已成為解決當今全球水資源、能源和環境等領域重大問題的關鍵共性技術，是21世紀最有發展的高新技術之一［1］.當前，西方發達國家將膜技術作為優先發展和重點支持的戰略方向.加速推進膜技術的發展已成為我國實現節能減排、傳統產業升級與可持續發展的重大戰略需求［2］.高校的膜科學與技術研究生專業課程承擔著傳播膜技術和培養膜技術后備力量的雙重責任.膜科學與技術課程集成了材料、化學、化工、能源、環境和機械等多個學科的知識，其應用涉及化工、生化、醫藥、環保和食品生產等多個領域.

近年來，隨著經濟的發展和社會的進步，國家和社會亟需復合型和應用型的高層次人才.提高研究生工程實踐能力和創新能力，是實現創新型國家戰略的必然要求.在新工科的時代背景下，大力開展研究生教學改革勢在必行.目前，國內一些高校相繼開展了本科生膜科學與技術課程的教學改革與實踐［2-7］，如：天津工業大學林立剛等［2］構建了教研相長的教學體系，介紹國內外分離膜產業化情況及趨勢和進展，極大提高了學生對該行業的興趣，并帶動了一大批學生從事該行業；中國石油大學康子曦等［4］采用了研討式的教學模式，增強了學生自主思考問題的能力，訓練了學生的研究技能，收到了良好的教學效果.這些教學改革均是針對本科生進行的，對研究生教學有很好的啟發.與本科生相比，研究生已具備一定的專業基礎知識、較強的理解力和較明確的學習目的性，且其畢業后在建設創新型國家中能發揮更大的作用.所以，在研究生教學過程中，應該更注重培養科學研究和創新實踐的能力.然而，研究生階段膜科學與技術課程的教學改革未見相關報導.

中國海洋大學是一所具有鮮明海洋特色的“雙一流”建設重點高校.該校發揮海洋學科優勢，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.膜科學與技術是該方向的特色專業選修課程之一，面向本學院全體研究生開設，課程定位是培養具有一定專業背景的“復合型人才”［8］.該課程既要兼顧學術型碩士研究生的科研能力培養，又要兼顧專業型研究生的實踐能力培養.為此，本文提出通過調整教學內容，增強教學的針對性；進行課程思政建設、增強學生的使命感；實施教學模式改革，調動學生的積極性，全面提高研究生的科研能力和工程實踐能力以及專業知識水平，以期滿足新時代社會經濟發展對復合型工程科技人才的需求.

1 教學內容調整

1.1 明確教學目標

本課程在教學過程中針對研究生科研創新與實踐能力的培養做了一些探索.圍繞學校一流大學人才培養體系建設目標，根據學校研究生培養方案修訂的總體部署，對本課程的教學大綱進行了修訂，突出實踐動手能力和理論聯系實際能力的培養，兼顧學位標準要求和社會現實需求.通過本課程的學習，研究生應該達到具體目標：（1）掌握相轉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、接觸角和流動電位等；（3）理解溶解擴散模型和不可逆熱力學機制模型；（4）理解濃差極化的機制和膜污染現象，了解具體的膜污染所對應的膜清洗策略；（5）掌握微濾、超濾、納濾、反滲透和膜蒸餾等典型膜分離技術的基本概念、分離原理、工藝流程、發展現狀及存在問題；（6）掌握典型膜分離系統的分離效率的分析和預測、工藝參數篩選和耦合工藝優化等基本方法；（7）匯總膜分離技術相關的中英文專業文獻并課堂陳述.

1.2 調整教學內容

課堂教學是專業課程建設的重要環節.膜科學與技術涉及到化工、環保和材料等領域，具有較強的專業性、綜合性和實踐性，但由于課時有限，教學內容不能面面俱到.考慮到學科發展十分迅速，需要加強對學科前沿的跟蹤，這是培養高水平研究生所必需的［7，9］.筆者以培養研究生科研能力、創新實踐能力和提高研究生學習積極性與主動性為目標，根據學科培養目標和教學大綱對教學內容進行了凝練優化，將課時由原48學時調整為34學時，大幅度精減了授課內容，同時，分別增加了各4學時的實踐教學和翻轉課堂，并將膜污染、膜的應用與工藝設計的部分內容放到實踐教學過程中，突出了“膜材料、膜制備、膜表征、分離機制、膜應用和工藝流程”的主線和思路.

本課程經過優化，主要包括以下授課內容：首先，介紹各種膜分離過程，讓學生了解各種具體的膜過程及其主要特點與應用；其次，重點介紹主要膜的制備技術、表征手段、分離機制及膜運行過程中的關鍵問題（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介紹，深入講解基本理論，并介紹最新的理論和發展，如：用一定的篇幅較系統地介紹膜科學與技術的前沿研究方向；最后，以反滲透海水淡化為例介紹膜的工藝設計.

2 課程思政建設

本課程以培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷為使命擔當，以人才培養為中心地位，將價值引領貫穿于知識傳授和能力培養之中，結合學科專業特點，融入思政元素，進行課程思政建設.如：系統地介紹了以高從堦院士為代表的一代海洋科學家在海水淡化和膜分離領域的杰出成就，引導研究生培養科學家精神；通過介紹膜技術領域的專利，引導研究生認清核心技術必須牢牢把握在自己手上，我國在先進科技領域要趕超西方發達國家，從制造業大國向制造業強國邁進，必須通過創新驅動發展，這是后發國家實現經濟追趕的必要條件［10］；結合國際政治局勢［11］，讓研究生認識到在膜技術領域國際科技競爭的嚴峻性，認識到自己作為科技戰線上的排頭兵和科技創新的主力軍在建設科技強國中的使命感.

圍繞經濟、社會、環境可持續發展，系統介紹膜技術可以發揮的重要作用.通過講解膜技術在污水處理和大氣凈化等方面的應用，將“綠水青山就是金山銀山”的理念和生態文明等思政元素融入教學內容中；講解“雙碳目標”［12］的深刻內涵，讓學生認識到這項重大戰略決策將推動經濟社會全面綠色轉型，推動中華民族的永續發展，推動構建人類命運共同體［12-13］；從膜技術必將在綠色低碳發展中發揮的作用出發，讓學生明白肩負國家建設與民族復興的歷史重任，必須加快低碳關鍵核心技術研發和創新［14］，加速構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系［15］.

結合全球新型冠狀病毒肺炎疫情，給研究生們講解膜技術在防疫方面的應用，如體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）治療儀［16］，即人工呼吸機，以及中國在疫情防控方面的快速響應能力和對世界做出的貢獻，讓研究生們加深對膜技術在生命健康領域作用的認識.通過介紹膜技術最新進展，讓研究生們認識到膜技術作為21世紀最重要的化工分離技術，必將在不久的將來發揮更大的作用，“誰掌握了膜技術，誰就掌握了化工的未來”.

3 教學模式改革

3.1 改進教學方法

傳統的課程授課的教學方式單一，遠不能滿足研究生學習的需求和研究生創新能力培養的要求.將單一課堂講授模式改為課堂內外相結合的教學方式，通過課堂內的教具模型、工程設備實物和多媒體教學等與課堂外的演示實驗、文獻查閱和翻轉課堂混合式教學模式［17］等有機結合起來.如：建立翻轉課堂混合式教學模式，實現混合式教學模式的全覆蓋.具體做法是：首先，在課堂教學中增加概述的內容，分類介紹各種膜過程，讓學生產生濃厚的學習興趣；其次，布置一些題目，指導研究生們針對自己感興趣的方向，到圖書館或學術網站查閱膜分離技術相關的書籍、中英文專業文獻，進一步開闊視野，并進行有效的歸納總結；最后，安排全體研究生分組在課堂中做PPT匯報，由教師點評.翻轉課堂混合式教學模式增強了研究生對膜分離技術基本原理的理解，培養了學生的文獻查閱能力和歸納能力，提高了其學習主動性、自主學習能力、信息加工能力與表達交流能力［18］.

3.2 培養科研能力

研究生教育強調創新意識和創新能力的培養［19］，強調培養適應新時代、新技術要求［20］、實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才［21］.在教學過程注重發揮教師的科研優勢，傳授科研方法，并注意教研結合，把教師的科研成果引入課堂教學中.并且，增加了一些國內外的最新科研進展介紹，將國內外最新學術及產業化成果與課堂教學結合，啟發學生思考，在了解膜技術的最新成果和發展趨勢的同時，培養創新意識和創新能力，強化綜合素質和綜合能力的提升.如：突出介紹化工過程中的零排放技術，其核心技術是將傳統蒸發結晶得到雜鹽作為固廢的過程，轉變為通過納濾分鹽、再結晶從而得到高品質鹽，實現資源的節能、降耗、環保和有效利用；分享教師參加國內外學術會議中所了解的一些最新技術，并在課堂上講解膜技術領域頂尖期刊近年來發表的研究論文或綜述性論文，輔助教學，使研究生在學習本課程之后，能夠較容易地從事膜技術領域的科研工作.

3.3 實施實驗教學

膜科學與技術課程普遍存在實驗教學重視不足的問題［2］.近年來，國內高校開始在本科生膜科學與技術課程教學內容設計中，加入膜制備等大型綜合實驗［2］、研究技能訓練和課外大學生創新實驗實踐等內容［4］.但在研究生階段的膜科學與技術教學中未見實施實驗教學的報導.

在多年的教學過程中，通過與化學工程與技術及相關專業的許多研究生交流，了解到研究生普遍希望開設相關的實驗課程，迅速提高研究生科研水平和對相關課程的理解深度，以便更好地開展研究工作.因此，通過承擔學校的研究生教育質量提升項目，建立了膜科學與技術研究生課程的實驗教學模式，選取并開設了具有代表性的超濾/反滲透海水淡化、膜蒸餾海水淡化2個演示實驗，每個實驗2學時.以典型膜分離工程為載體，通過實驗教學講解工藝流程和基本原理，結合課堂教學，加深研究生對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驗報告和查閱相關文獻，從膜的性能、制備方法和應用等方面，加強研究生的工程實踐訓練，培養研究生的科研能力、創新能力和工程應用能力.

實驗的開展極大地激發了學生的實驗熱情，并使學生的動手能力、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的理論知識與具體的實踐結合后，對理論知識的理解更深刻.

3.4 改革評價體系

考試是教育活動中檢驗受教育者掌握、運用知識能力的主要手段.但是，單一的考試評價體系存在不完善、考試結果利用不正確和部分學生容易對考試產生強烈的功利思想等現象.將評價指標由單一的期末考試卷面成績調整為由期末考試、平時作業、翻轉課堂匯報和實驗成績4項指標加權，其權重分別占60.0%、10.0%、10.0%和20.0%，以加權后的分數評價學生的學習情況.

在學期結束后，通過調查問卷的形式，從課程內容、價值引領（課程思政）、教研結合、實驗教學、翻轉課堂、評價體系和總體評價（教學效果）等方面，對2019和2020級研究生進行課程滿意度調研，滿意度包括很滿意、基本滿意、一般、不滿意和很不滿意5項，計算不同方面學生整體滿意度比例.2屆學生共115人，參與問卷調查54人.由于2019級上課時間較久，參與調研人數較少，該調查結果主要反映2020級研究生的情況，調研結果列于表1.結果顯示，71.4%的研究生對本課程的總體評價很滿意，25.0%的研究生基本滿意，二者加和達到了96.4%，說明本課程的改革達到了預期的效果.

表1 2019和2020級膜科學與技術課程滿意度調研匯總 單位：%

4 結束語

以提升研究生的科研能力為目標，充分發揮學校的海洋學科優勢和教學資源，本文修訂了教學大綱，調整了教課內容，增加了實踐教學環節，建立了以課堂教學為主、以實驗教學與翻轉課堂為輔的研究生教學模式，突出了“膜材料、膜制備、膜表征、分離機制、膜應用和工藝流程”的主線.緊密圍繞我國的經濟、社會與環境可持續發展的現狀以及國際形勢，增加思政元素，使研究生們認識到膜科學與技術課程在節能減排綠色發展中的重要作用，增強了建設科技強國的使命感；將國內外最新學術及產業化成果與課堂教學結合，啟發學生思考，培養了學生創新意識和創新能力；增加翻轉課堂教學，培養了研究生文獻查閱能力、信息加工能力與表達交流能力，提高了學習主動性和積極性；通過實驗教學，激發了學生的學習熱情，并增強了研究生的實踐能力和工程應用能力.通過教學改革，取得了很好的教學效果，滿足了新時代社會經濟發展對復合型工程科技人才的需求.