材料專業(yè)大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)改革初探*

趙曉林，陳 輝，李欣欣，張 召

(聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 聊城 252000)

《大學(xué)化學(xué)》作為材料專業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課程，為后續(xù)物理化學(xué)、材料腐蝕與防護(hù)、材料研究與測(cè)試方法、材料熱力學(xué)等專業(yè)課程打下必需的化學(xué)基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)是能將化學(xué)的語(yǔ)言工具用于材料制備、加工與應(yīng)用領(lǐng)域工程問(wèn)題的表述，其次能夠運(yùn)用相關(guān)科學(xué)原理分析問(wèn)題，并提出解決方案。舊的課程體系無(wú)法滿足新形勢(shì)下高等工程人才培養(yǎng)的要求，因此非化學(xué)化工類工科專業(yè)大學(xué)化學(xué)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐勢(shì)在必行。針對(duì)非化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生化學(xué)知識(shí)薄弱，且學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多，針對(duì)性不強(qiáng)等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分高校研究者[1-2]提出了一系列教學(xué)改革方案，并取得了較好的成果和研究進(jìn)展，但是在大學(xué)化學(xué)教學(xué)中，仍然存在內(nèi)容多課時(shí)少、教學(xué)方法陳舊、考核方式簡(jiǎn)單等問(wèn)題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式使得課堂氣氛沉悶，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，主動(dòng)性差，積極性不高，興趣較低，課堂效率低，嚴(yán)重影響大學(xué)化學(xué)的教學(xué)效果，更不利于為了提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面提出一系列的教學(xué)改革措施。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

1.1 合理的選擇教材

材料類專業(yè)的大學(xué)化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握必需的化學(xué)基本知識(shí)、理論和技能，具有一定的分析解決涉及化學(xué)實(shí)際問(wèn)題的能力，了解化學(xué)在材料制備、加工等工程技術(shù)上的應(yīng)用，為以后的學(xué)習(xí)、研究和工作打下一定的化學(xué)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生全面素質(zhì)。因此，在教材選擇和教學(xué)內(nèi)容上，大學(xué)化學(xué)課程需要充分考慮材料專業(yè)的特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)兩部分。大學(xué)化學(xué)教材具有廣泛性和普適性，選擇教材時(shí)，應(yīng)針對(duì)材料專業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生未來(lái)就業(yè)方向和考研需求，選擇合理地，符合實(shí)用性需求的版本[3]，必要時(shí)可自行編著教材，增加化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)在材料科學(xué)中的應(yīng)用方面的知識(shí)，將化學(xué)和材料結(jié)合，以達(dá)到利用化學(xué)知識(shí)分析解決材料類實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.2 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論較多，是中學(xué)化學(xué)的延續(xù)，在內(nèi)容上更加深入。非化學(xué)化工類專業(yè)大學(xué)化學(xué)講授內(nèi)容包括原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、配位化和物，化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)平衡、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、溶液中質(zhì)子酸堿平衡、電子酸堿平衡及電化學(xué)基礎(chǔ)與氧化還原平衡等內(nèi)容。大學(xué)化學(xué)學(xué)時(shí)較少，以致出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)少的矛盾。因而對(duì)于材料專業(yè)，應(yīng)合理地取舍教學(xué)內(nèi)容，淡化對(duì)基本理論的學(xué)習(xí)，重心放在化學(xué)知識(shí)與材料科學(xué)的有機(jī)結(jié)合方面，尤其是化學(xué)基本概念在材料科學(xué)中應(yīng)用方面的知識(shí)。例如，對(duì)于金屬材料專業(yè)的學(xué)生，金屬的腐蝕與防護(hù)是很實(shí)際的工程實(shí)踐問(wèn)題，這其中包含由化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)作用引起的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種情況，如何防止金屬腐蝕又屬于科學(xué)問(wèn)題，需要化學(xué)知識(shí)來(lái)解釋。在講授這部分內(nèi)容時(shí)可以先由同學(xué)們查閱相關(guān)資料并結(jié)合所學(xué)知識(shí)分析港珠澳大橋采取的防腐技術(shù)。港珠澳大橋的防腐采用的是一種高性能涂層鋼筋技術(shù)與“陰極保護(hù)技術(shù)”聯(lián)合的方法。陰極保護(hù)技術(shù)是指通過(guò)電化學(xué)的方法，將需要保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)極化，達(dá)到免腐蝕電位，處于被保護(hù)狀態(tài)。計(jì)算在海泥電阻率最大和最小兩種情況下陰極保護(hù)的電位是否能達(dá)到保護(hù)要求，并將此作為類似工程陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的一種手段，最終解決了復(fù)雜環(huán)境中陰極保護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。這里的陰極保護(hù)技術(shù)就是Nernst方程應(yīng)用的一部分，通過(guò)計(jì)算相關(guān)電對(duì)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的電極電勢(shì)及電池電動(dòng)勢(shì)，判斷在非標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)氧化還原反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)的興趣，提升學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，又能通過(guò)港珠澳大橋設(shè)計(jì)的高科技帶來(lái)的民族自豪感，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義精神，也可以滿足材料工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的發(fā)展需要。

1.3 增加化學(xué)實(shí)驗(yàn)

大學(xué)化學(xué)是一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，精減理論課學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，添加設(shè)計(jì)性、研究性、綜合性實(shí)驗(yàn)，保證學(xué)生能學(xué)有所得。例如，在講授電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)增加電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)原電池，先寫(xiě)出正負(fù)極電極反應(yīng)及電池總反應(yīng)，繪制出原電池電子流動(dòng)示意圖，再準(zhǔn)備原材料并組裝原電池，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的原電池是否可行。對(duì)于設(shè)計(jì)成功的學(xué)生給予平時(shí)成績(jī)加分，并幫助設(shè)計(jì)失敗的同學(xué)查找原因，進(jìn)而改正設(shè)計(jì)方案，直至成功為止。在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生得到了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的鍛煉，同學(xué)間還可以相互合作，積極研討，不僅鞏固了課堂知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。

2 改進(jìn)教學(xué)方法

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

“翻轉(zhuǎn)課堂”是對(duì)傳統(tǒng)的“課上授課，課下作業(yè)”教學(xué)模式的翻轉(zhuǎn)，通過(guò)借助現(xiàn)代教育技術(shù)手段預(yù)先錄制授課視頻來(lái)取代傳統(tǒng)的課堂知識(shí)講授，并在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行共享，要求學(xué)生課前自主觀看學(xué)習(xí)，然后利用課堂時(shí)間集中解決學(xué)生在觀看視頻時(shí)所產(chǎn)生的困惑和疑問(wèn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化，其關(guān)鍵在于課上實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化[4]。采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)首先要求教師明確教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的，選擇性設(shè)計(jì)好與課堂教學(xué)內(nèi)容匹配的文案、視頻、課件、思考題等，利用雨課堂、學(xué)習(xí)通等學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)；其次學(xué)生利用教學(xué)資源學(xué)習(xí)后，需要完成自測(cè)題以檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析自己的學(xué)習(xí)情況，提出問(wèn)題；最后在課堂上組織學(xué)生討論并對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)。因此，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式可以使教師與學(xué)生最大程度的參與教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師最大化的“教”，學(xué)生最大化的“學(xué)”，能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5]。

例如，在講授電化學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容時(shí)，將學(xué)生6人一組分成若干小組，課前布置任務(wù)，“以中學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，選用生活中的材料制作原電池”，課堂上，由小組組長(zhǎng)展示作品，并講解原理。學(xué)生會(huì)發(fā)揮想象力，利用身邊的物品(西紅柿、檸檬、鑰匙、鐵釘、裝飾用LED燈等)制作成簡(jiǎn)易原電池裝置，并積極地向大家展示作品。這種授課方式通過(guò)生活中實(shí)例加深學(xué)生理解原電池形成原理和氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，使學(xué)生覺(jué)得化學(xué)課有用有趣，與其生活息息相關(guān)。緊接著，給學(xué)生講解原電池的組成和符號(hào)，讓同學(xué)們思考如何利用簡(jiǎn)單的化學(xué)符號(hào)來(lái)描述各自做出的原電池，帶動(dòng)學(xué)生思維，提升學(xué)習(xí)積極性。通過(guò)對(duì)生活中使用的干電池進(jìn)行剖析，學(xué)生深入理解了鹽橋的作用。最后，通過(guò)例題講解和習(xí)題訓(xùn)練鞏固所學(xué)知識(shí)，使學(xué)生真正掌握氧化還原反應(yīng)和原電池的相互轉(zhuǎn)變，最終達(dá)到課程教學(xué)目的。

2.2 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法的引入，能夠極大地調(diào)動(dòng)不同專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)的原動(dòng)力，提升學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)化學(xué)知識(shí)分析及解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到了化學(xué)來(lái)源于生活，也服務(wù)于生活，體會(huì)到化學(xué)對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)，樹(shù)立學(xué)習(xí)化學(xué)的信心。例如，在講授理想氣體狀態(tài)方程和實(shí)際氣體方程式(pV=nRT和[p+a(1/Vm)2](Vm-b)=RT)及其應(yīng)用時(shí)，采用典型案例討論、分組討論，課上課下、線上線下相結(jié)合的多樣化教學(xué)模式。課前在超星學(xué)習(xí)通上傳2019年鹽城響水“321”爆炸事故的資料和視頻供學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)查閱，也可讓學(xué)生自己利用網(wǎng)絡(luò)資源搜集相關(guān)資料，查看后自己分析并總結(jié)造成事故的原因并上傳。統(tǒng)計(jì)同學(xué)們的回答，在上課時(shí)，選擇優(yōu)秀的答案供同學(xué)們參考，并做出總結(jié)評(píng)價(jià)，幫助同學(xué)們理解氣體的體積、溫度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系。因苯氣罐體積恒定，當(dāng)溫度升高時(shí)，罐內(nèi)壓強(qiáng)升高，持續(xù)升溫導(dǎo)致爆炸。由此延伸到實(shí)驗(yàn)室常用氣瓶，化工生產(chǎn)中常用鍋爐設(shè)備，要注意溫度和壓力不能超過(guò)安全線。提升本科生的安全意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生在將來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐中注重細(xì)節(jié)意識(shí)、提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，樹(shù)立安全意識(shí)處處在、時(shí)時(shí)在的理念。

2.3 立體化教學(xué)

多媒體教學(xué)在大學(xué)教學(xué)中越來(lái)越普及，在教學(xué)過(guò)程中引入了圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等元素，不僅能使學(xué)生形象地認(rèn)識(shí)并理解化學(xué)知識(shí)，還營(yíng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。比如，講解電子云時(shí)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)使一個(gè)電子在原子核外運(yùn)動(dòng)，每一時(shí)刻該電子所處的位置用一個(gè)幾何點(diǎn)來(lái)表示，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加，標(biāo)出越來(lái)越多的幾何點(diǎn)，所有幾何點(diǎn)呈現(xiàn)出的繞核云霧狀的圖像被稱為電子云，表示電子在核外空間某處出現(xiàn)的概率密度，通過(guò)動(dòng)態(tài)圖的形成過(guò)程，學(xué)生可以很直觀的理解電子云的概念；講解原子軌道雜化時(shí)引入了動(dòng)畫(huà)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示了不同原子軌道的雜化過(guò)程，學(xué)生很輕易的掌握了原子軌道雜化理論的要點(diǎn)；講解分子的空間構(gòu)型時(shí)，利用Materials Studio、CrystalMaker、ATOMS軟件繪制出原子結(jié)構(gòu)，生動(dòng)形象地展示給學(xué)生，由抽象變具體，使學(xué)生充分理解分子的空間構(gòu)型，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.4 理論與實(shí)踐結(jié)合

化學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)生活息息相關(guān)，講抽象的化學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活有機(jī)結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，能更好地幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。比如，講解系統(tǒng)分類時(shí)，有與環(huán)境有物質(zhì)和能量交換的敞開(kāi)系統(tǒng)，與環(huán)境無(wú)物質(zhì)交換有能量交換的封閉系統(tǒng)，與環(huán)境無(wú)物質(zhì)交換無(wú)能量交換的孤立系統(tǒng)，為了使學(xué)生理解模糊的概念，在課堂上以不同的三杯熱水(敞口的玻璃水杯、蓋蓋子的玻璃水杯、密閉保溫杯)類比三個(gè)系統(tǒng)，學(xué)生很快能接受并理解系統(tǒng)的概念。又如在講解多元弱酸弱堿的解離平衡知識(shí)點(diǎn)之前，先讓學(xué)生觀察一個(gè)奇妙的“明礬凈水”實(shí)驗(yàn)，“將適量明礬(硫酸鋁鉀)粉末加入到一杯渾水中，不一會(huì)兒，水變得清澈透底”，然后讓學(xué)生思考發(fā)生如此變化的原因。主要是因?yàn)樗臏啙崾悄嗤梁突覊m等微小粒子在水中游蕩，明礬中硫酸鋁遇到水發(fā)生水解反應(yīng)生成白色絮狀氫氧化鋁沉淀，帶有正電荷的氫氧化鋁吸附帶負(fù)電的泥塵顆粒，聚集在一起，最終沉于水底。這樣通過(guò)引入趣味化學(xué)知識(shí)，可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)化學(xué)的興趣。

2.5 專題講座

對(duì)于化學(xué)知識(shí)薄弱的非化學(xué)化工類學(xué)生來(lái)說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)原理部分的學(xué)習(xí)比較困難。在講授這部分知識(shí)時(shí)，將化學(xué)反應(yīng)基本規(guī)律劃分為熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)專題，采用專題講座的授課方式，首先給出知識(shí)點(diǎn)框架，如圖1所示，讓學(xué)生在最開(kāi)始就能夠理清掌握整個(gè)模塊的知識(shí)點(diǎn)的相互聯(lián)系，然后針對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，讓學(xué)生有目的有條理的去學(xué)習(xí)。通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)專題的學(xué)習(xí)，了解利用化學(xué)熱力學(xué)工具可以幫助科研人員或工程師解決化學(xué)反應(yīng)方向和程度的問(wèn)題，利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)揭示化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行且控制反應(yīng)的進(jìn)行。兩個(gè)專題講授完成后，深入剖析化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系，促使學(xué)生從整體上理解熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)工具各自的應(yīng)用。

圖1 化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)點(diǎn)框架

3 優(yōu)化考核方式

大學(xué)化學(xué)課程的期末考核一般采用平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)的統(tǒng)計(jì)計(jì)分方式，且以期末考試成績(jī)?yōu)橹鳌Ｒ灾虏糠謱W(xué)生只關(guān)注期末考試，不重視平時(shí)的學(xué)習(xí)，不認(rèn)真思考作業(yè)題，存在作業(yè)抄襲現(xiàn)象，只在期末考試前突擊復(fù)習(xí)，有些學(xué)生為應(yīng)付考試對(duì)相關(guān)理論知識(shí)死記硬背，這樣不利于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)基本化學(xué)知識(shí)，甚至出現(xiàn)“高分低能”現(xiàn)象，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，與培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)相悖。可以調(diào)整優(yōu)化平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)的比重，如提高課后作業(yè)、課程思政小論文、隨堂討論、隨堂小測(cè)驗(yàn)和期中考試等考核內(nèi)容的比重；也可以調(diào)整隨堂測(cè)驗(yàn)形式，如采取線上考試形式，在雨課堂或?qū)W習(xí)通等平臺(tái)進(jìn)行，完善線上考試題庫(kù)，測(cè)試時(shí)由系統(tǒng)隨機(jī)抽取題目并設(shè)置為每位學(xué)生的試卷均不完全相同，盡量保證線上考試的公平公正性，又避免了學(xué)生互相抄襲，對(duì)督促學(xué)生學(xué)習(xí)起到積極作用，并能真實(shí)反映學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，達(dá)到考察學(xué)習(xí)效果的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

大學(xué)化學(xué)是一門(mén)有著重要意義的學(xué)科，通過(guò)不同教學(xué)方式的課程改革，不僅能引導(dǎo)學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)知識(shí)在學(xué)生腦海中的記憶，使教學(xué)效果顯著提高[6]。大學(xué)化學(xué)課程教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的工作，通過(guò)大學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，更新教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段提高教學(xué)水平，努力實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才的目標(biāo)。