新工科背景下“工程化學基礎”課程教學改革與實踐

張 坤 馬曉軒* 張鶴

(1. 德州學院 能源與機械學院,山東 德州 253023;

新工科的目標是培養面向未來、擁有全球視野的多學科復合式創新型工程師。其核心理念強調與未來合作、應對變化、塑造未來[1-4]。“工程化學基礎”作為高等院校工科非化學專業的一門專業基礎課,旨在培養學生掌握相應的化學知識,能夠運用基本的化學思維和技能去思考、分析、解決工程實踐中出現的問題。該課程的教學質量直接影響后續專業類課程的學習和畢業設計。傳統教學中存在知識結構松散、章節之間缺乏聯系、案例陳舊且與應用或科技前沿脫節等問題,嚴重影響了學生的學習積極性和課程教學效果。作者以某地方應用型本科院校工科非化學專業學生為研究對象,探究和分析新工科背景下工科非化學專業“工程化學基礎”課程中授課過程中存在的主要問題,并提出相應的課程教學改革思路與措施,如圖1所示。

圖1 新工科視域下“工程化學基礎”課程改革示意圖

1 現階段課程教學中存在的主要問題

1.1 課程結構不合理

傳統課程內容是由化學領域核心課程精簡而成,一般分為六個部分:緒論、物質的物理化學性質、物質結構與元素周期律、熱力學簡介、分析化學理論和材料防護。其課程內容篩選原則為選取化學學科中主要課程的核心內容,使學生可以在短時間內掌握相關專業知識。由于課程內容分別摘自不同的化學專業課程,導致了章節間沒有關聯,且各章節學時分配不合理。這加大了學生的學習難度,導致其缺乏學習積極性,為后續其他專業課程學習埋下了隱患。

1.2 教學模式單一

傳統課程教學模式為線下授課/多媒體授課-作業鞏固-補充講解-期末復習-期末考評的教學模式。雖然這種教學模式下培養的學生應試能力強,但對知識的理解、應用和遷移能力較弱。而且在這種模式下課堂教學效果差,學生普遍缺乏學習興趣[5]。學生缺乏興趣的原因主要為:認為知識本身過于抽象和乏味,對課程重要性產生懷疑。

1.3 教學內容與專業課程體系脫節

該課程作為部分專業課程和新材料類課程的前置課程,起著溝通學生高中化學基礎知識過渡到專業課程知識的橋梁作用。而傳統授課內容忽略了對工科專業核心知識結構的關注。這就導致了學生在學習了相關化學知識后,將該部分知識與核心專業課知識體系割裂開,無法同其專業知識結構產生密切關聯,當課程結束后,授課學生對課程重要性評價較低,認為該課程無助于其知識結構的擴展和相關能力的培養。

1.4 教學案例與當今工業領域脫節

該課程所用案例多集中于第二次工業革命時期的工業成果,缺乏對當代案例的引入。導致同學在學習課程的時候有一種學習西方化學史的錯覺。案例的老舊使學生對該課程的重要性產生疑慮,導致后續其他專業課程實驗和相關課程設計中缺乏相關知識和能力儲備。過時的教學案例同當今工業領域的脫節使學生缺乏學習興趣,對所學知識缺乏應用能力。

1.5 評價體系單一

傳統課程評價體系采用平時成績+作業+章節測試+期末考試的評價體系,該種評價體系針對的是應試教育模式。傳統評價體系以教師課堂授課為中心,重視學生對知識概念和結構的把握,缺乏對學生對化學知識的思考和應用能力的考察。這種評價未起到及時有效反饋教學過程的效果,也不能對學生階段性學習效果和能力培養及時反饋。

2 新工科視域下課程教學改革措施

2.1 課程結構的重構

新工科視域下更加注重學生應用能力的培養和學科的融合,需要對所學知識進一步的精選,以及對課程結構的重塑。該課程章節結構改革為:大學化學基礎概念、物質結構與周期律、熱力學簡介、能源化學、材料原理與工藝等幾個模塊。章節內容涉及華北某省產業結構幾個重要構成部分:新能源、新材料、新興制造業和高端工科產業領域基礎知識。精選最基本的和最重要的知識,刪減部分老舊、夕陽行業、專業性過強且枯燥的知識。章節安排依照:化學類基本概念-化學基本原理-能源類化學原理-材料類化學原理與工藝的邏輯順序展開。篩選與工業領域緊密關聯的知識,難度梯度由易至難,逐層遞進。

2.2 教學模式的多樣化

傳統講授型的授課模式以教師教授為核心[6],其基本模式為:線下授課/多媒體授課-作業鞏固-多媒體補充講解-期末復習-期末考評的教學模式。教學模式改革后以學生為核心,其基本教學模式為:預習-實地參觀-分析-線下授課/多媒體教學-案例分析/課程設計-期末考試,或預習-案例分析-多媒體教學-知識遷移/前沿進展-期末考試。參觀環節為本校化學展覽室、能源工程實驗室、機械工程實驗與創新中心、太陽能產業小鎮和半導體加工廠。多媒體講解環節,刪減部分繁雜的數學推導、物理/化學模型構建和原理利用部分,更多采用圖片、視頻或動畫等直觀易懂的方式輔助學生學習,提升教學效果。

2.3 加強教學內容與專業課程體系關聯度

在能源和機械專業的后續課程中,部分專業課程都需要一些學生高中未曾接觸過的化學知識。在該門課程中系統引導學生學習,掌握這些前置知識點對其他專業課程的學習起到支撐和輔助作用。比如,增加熱力學簡介中的部分概念、引入傳質學部分概念與應用案例、增加電化學部分和材料的選用與防護等教學內容。增加了學生畢業設計所需化學知識,如儲能電池機理及相應熱力學計算、金屬管材的選用與防護、冷庫制冷劑的基本原理等內容,為后續課程或畢業設計提供化學知識和技能支持,引導學生以化學視角在多學科中進行知識、思維和技能的交叉融合。

2.4 教學案例與當今工業/能源領域緊密關聯

將教學中知識點的案例更新為當代工業領域應用案例或最近科研進展。經典知識點則以生活中的化學、化學家的故事,以課程思政等形式開展。部分教學案例選用電能、空調、儲能、半導體或新材料企業案例,引入-分析-過渡所學知識點-再分析-應用-遷移應用的方式開展。精選一些反映當代工業界最新成果或最新科研的案例,注重同一知識點在歷史上的案例、不同領域的案例和最近工業界或科研進展案例的有效結合,在案例教學或案例分析中培養學生將化學類專業知識同現今工業或科研領域相結合。此外,還側重培養學生在實例中靈活運用多學科的理論知識和專業技能,如分析科學問題、應用科學原理、解決實際問題的能力。

2.5 評價方式多樣化

教學模式的多樣性必然會導致評價模式的多樣性。傳統考核方法過于單一,側重于期末考試成績。學生課堂參與度低,每到期末考試集中應試復習,整體教學效果差。新的考核形式由原來的兩部分調整為七部分,總成績包括出勤、作業、課程論文、課堂討論、調研報告、化學設計和期末試卷成績七個部分。這樣的評價模式也反映在對學生階段性教學和能力培養反饋形式的及時性和多樣性,有助授課教師在授課過程中及時發現問題,及時調整授課策略和方法,從而更快和更高效地解決問題。

3 新工科視域下課程教學改革措施前后教學效果對比分析

本次研究選用某地方應用型大學兩個本科班為研究對象,其中B班為教學改革試點班級。研究課程章節測試和期末試卷考試測評、課程論文和課程設計中對教學內容所涉及的化學知識點應用情況、在課程結束后一年中學生在其他課程論文中對教學內容所涉及的化學知識點平均引用次數和在科技創新大賽和創新創業大賽中對教學內容所涉及的化學知識點總使用次數。

學生對知識點的掌握情況是評價課程效果的核心要素,從圖2(A)中可以看出,課程改革后, B班考試學生對所教授知識點的掌握情況明顯優于A班。這客觀反映了進行課程改革后的B班學生對課程相關知識點的掌握情況明顯優于傳統多媒體授課形式的A班學生。

學生對所學化學知識的應用能力可以在課程設計、課程論文和調研報告中直接反映出來。從圖2(B)中可以看出,課程改革后的學生會在課程設計中更多地引用相關知識點;而采用傳統授課方式的班級引用新學知識點較少。由此可以看出,相較于傳統填鴨應試的方式。學生更容易從實際案例中習得化學知識,并且這樣也有助于學生將所習得的化學知識遷移應用到其他學科領域內所遇到的相關問題。

如圖2(C)所示,通過后續對“空氣調節”“熱工測試技術”“儲能原理與技術”“大學物理”和“分布式能源系統概論”這五門課程論文、實驗設計或課程設計中對本課程中化學知識的相關引用情況。采用傳統教學方式授課的學生在一年后已經不再傾向于采用所學習的化學專業知識去分析或理解其他領域存在的問題。而采用課程改革后的教學方式授課的學生在授課結束一年后依然傾向于將所學的化學知識運用到實際。該課程改革更有利于培養學生將所學化學知識融合和遷移到其他課程的能力。

該課程結束一年后,學生參與創新創業大賽或省科技創新大賽作品中相關知識點總引用情況間接比較性評價學生課程知識的遷移能力和應用能力。從圖2(D)中可以看出,采用課程改革后的授課方式使得學生在實際產品設計和應用的過程中對化學類知識的應用能力及在不同學科中的融合和遷移能力都得到了一定程度的提高。

4 結語

綜上所述,在新工科背景下對“工程化學基礎”進行課程改革探索,通過對課程結構的調整,精選化學專業知識,增強課程邏輯關聯度;教學內容與其他專業課程體系關聯度增強,培養學生具有多層面、多學科的視角、豐富的知識和相關技能;教學案例與當今工業/能源領域緊密關聯,優化教學內容,增強學生知識遷移和應用能力;通過對教學模式的多樣化改革,注重對學生應用能力培養;多樣化評價方式將學生的過程導向培養與結果導向培養相結合,綜合提升學生的專業能力。