建設新工科背景下的大學化學教學改革與探索

摘" 要：大學化學是高校開設的面向工科學生的一門公共基礎課程，為響應“四新建設”中的新工科建設，引領高等教育的創新發展，本研究通過調查問卷的方式，分析總結了大學化學的教學現狀，以學生為中心，服務新工科建設的目標，進行教學改革探索。具體而言，教學改革主要從教學內容、教學方法、教學工具及考核機制等四個方面進行，制訂與工科專業關聯度更大的教學內容，結合線上線下教學模式，通過結果導向和參與式學習提高學生學習成就感，并引入多種教學工具，提升學生學習積極性，最后再通過多元化考核機制持續督促學生保持學習狀態，最終實現知識、能力、情感三維教學目標。

關鍵詞：新工科建設；大學化學公共基礎課；教學改革

一、新時代，新要求，新理念

面對百年未有之大變局，大學培養人才的方式也要緊跟時代步伐。2017年，聯合國教科文組織發表了《反思教育：向“全球共同利益”的理念轉變？》報告，報告中提出，時代在變，教育也必須變革。［1］自黨的十八大以來，習近平總書記就教育發表了一系列重要講話和論述，指出要把教育事業擺在更加突出的優先發展的戰略地位，培養能夠擔當民族復興大任的時代新人。［2-4］2017年，教育部高教司在復旦大學組織召開了高等工程教育發展戰略研討會，首先提出了“新工科”建設，達成了“復旦共識”，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的角度出發，建立具有新技術、新產業、新業態、新模式的“新工科”，以提升國家的硬實力及國際競爭力。［5］在此背景下，“現代化學基礎”作為成都理工大學面向全校工科專業開設的公共基礎課程之一，如何在教學過程中培養學生的扎實理論知識、解決問題的能力，為“新工科”的建設目標服務，培養出具有創新意識的新時代人才，成為擺在一線教師面前亟須解決的問題。本研究以“現代化學基礎”為例，結合“新工科”建設教學理念，首先通過分析目前教學過程中遇到的痛點問題，然后通過調查問卷的形式掌握學生的學習狀況，調查樣本為2022—2023年學習“現代化學基礎”課程的學生，包括油氣儲運專業、資源勘查專業、新能源材料工程專業，調查樣本數為240，收集到的有效問卷數為220份，調查內容主要為學生的化學學習基礎、課堂上能夠喚起學生學習興趣的內容及方法。之后，在調查問卷結果的基礎上，從教學內容、教學方法、教學工具和考核機制等四個方面做出了針對性的改革嘗試。

二、“現代化學基礎”的教學現狀

“現代化學基礎”是成都理工大學為工科專業開展的公共基礎課之一，將結構化學、物理化學、無機化學、有機化學及分析化學進行了融合，課程內容兼顧了化學學科基礎知識和各專業所需化學知識及應用技能，旨在幫助學生扎實地掌握化學基礎知識，并培養學生嚴密的邏輯思維能力和利用化學知識及技能解決本專業問題的能力。根據專業不同，課程難度也分為兩級，分別為“現代化學基礎I”和“現代化學基礎II”，其課時數分別為88課時（5.5學分）和72課時（4.5課時），均分兩學期授課，如表1所示。在新工科建設的背景之下，“現代化學基礎”課程作為工科學生的公共基礎課之一，十分有必要及時進行教學改革和探索。因此，課程組教師參照新工科的建設理念及目標，從教學內容、教學方法、教學工具和考核機制等方面進行了嘗試性探索，激發學生的學習興趣，注重提升學生的能力。

三、新工科建設背景下“現代化學基礎”課程的改革探索

（一）合理設計教學內容

從表1可以看出，“現代化學基礎”課程內容較為繁雜，涵蓋了結構化學、物理化學、無機化學、有機化學和分析化學等眾多內容，教學內容與教學課時不匹配，教師為了完成教學內容拉快進度，沒有時間在課堂上實現多種教學方法的使用，仍然以教師講授為主，導致課堂枯燥，學生學習積極性不高。此外，在高考改革背景下，有80%以上的學生在高中選修過化學課程，學習程度較深，很多相關理論的結論都已掌握，認為大學化學的學習內容重疊度高，因此上課積極性不高，很容易開小差，但他們對這些結論的推導或得出的過程并不了解，對知識細節的掌握也不扎實，最終無法形成完整的化學知識體系和脈絡，無法應用于本專業解決實際問題。與之相對的，還有一小部分學生在高中幾乎沒有學習過化學課程，面對進度較快的大學化學課堂，明顯感到力不從心，覺得學習難度較大，有的同學甚至放棄了學習。當然，目前的教學大綱在面對眾多不同專業的學生時，強調了基礎，內容相差卻不大，導致部分學生在學習過程中產生迷茫，不知道如何將所學知識與本專業建立聯系，因而學習積極性不高。

針對以上問題，教學內容必須進行合理的重構和設計，即在重構教學內容時，首先應盡可能覆蓋化學學科的基本知識，幫助學生建立基礎化學知識體系，掌握常用的化學技術，在此基礎上，再傾向教授對學生本專業能力提升有幫助的內容。以新能源材料與工程專業為例，在授課過程中，首先覆蓋了學科知識體系，在此基礎上盡量向電化學與無機化學部分傾斜。具體而言，在科研前沿內容與基礎內容之間建立聯系，通過講授超級電容器、鋰離子電池、鋅離子電池、鋅碘電池、太陽能電池等新能源儲能器件和電化學儲能器件的工作機理、電極材料、電解質材料等科技前沿內容，激發學生的學習興趣，有效提高了學生的學習積極性。學生上課的反饋互動明顯更熱烈，甚至已經有學生會主動閱讀英文文獻并與教師進行交流。

（二）打造線上線下混合式課堂

大學化學教學內容多而課時少幾乎是大家公認的問題，該問題在“現代化學基礎”課程的教學過程中體現得尤為明顯，如表1所示，教學內容相對課時數量而言較多，教師在課堂上只能加快進度，課堂教學模式單一，導致課堂枯燥乏味，學生學習積極性不高。為了釋放出更多的課堂時間，近年來開展探索的線上線下混合模式是非常有效的一種教學模式，將部分概念性、記憶性的知識轉移至線上，讓學生在課外學習，以釋放出課堂時間，用于講授較難的知識點，幫助學生養成有邏輯性的思維方式，提升學生處理問題的高階能力。例如在講授原子結構部分時，可以將原子結構的理論發展史放在線上學習，課堂上即可用釋放出來的時間講授理解難度較高、較抽象的波函數、原子軌道等概念。釋放出課堂時間后，更有助于教師實現課程的高階目標。通過調查問卷結果可知，有88.6%的學生認為，引入與生活相關的案例對他們更有吸引力，而有81%的學生認為，引入科研前沿內容對他們更有吸引力，還有少數學生認為，化學發展史和科學家的故事更吸引他們。因此，將課堂時間釋放出來后，可以通過引入科研前沿內容和前輩科學家的故事，激發學生的學習興趣和學習信念。例如，在講授金屬晶體時，會涉及導體、半導體和絕緣體的區別，以半導體電極為例，講授太陽能電池的工作原理，引入科研前沿知識，實現課程的高階性，然后再向學生介紹中國科學家對新能源領域做出的貢獻及在世界上所處的較領先的地位，實現“潤物細無聲”的課程思政融入，提升學生的民族自豪感和學習信念感。最后，課堂上被釋放出來的時間還可以用來給學生自由討論生活中遇到的現象及問題，引導學生自主思考，培養學生嚴謹的科學思維能力。總之，只有將課堂上的時間盡可能多地釋放出來，教師才有可能組織豐富的教學活動，以提高學生的學習積極性。

（三）選用合理高效教學方法

通過學情分析，可以發現，大多數學生在高中時已經掌握了很多化學結論，但對結論得出的過程并不清楚，這為結果導向（OBE）教學模式提供了很好的基礎，可以讓學生根據所學知識，自己推導結論，在培養學生邏輯思維能力的同時，還可以讓學生感受到學習成就感，提高學生的學習積極性，實現良性循環。例如，在講授化學平衡移動的影響因素時，可以讓學生結合熱力學中所學的判斷反應方向的知識，自己推導出濃度、壓力、溫度等因素對化學平衡移動的影響，進而得出他們高中時已經學習過的勒夏特列原理。

先進的教學方式也可以引入大學化學課堂，例如BOPPPS教學方法，該方法最早由哥倫比亞大學的道格拉斯·克爾提出，主要分為六個步驟，分別為導入（Bridge-in）、學習目標（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory learning）、后測（Post-assessment）、總結（Summary），該方法自被提出以來，已被許多高校教師采用并卓有成效。［6-9］在大學化學的課堂上也進行了應用，例如在學習分子結構這一部分知識中，學生在中學課程中已經知道了甲烷屬于sp3雜化，其分子空間結構為正四面體型，這屬于BOPPPS教學模式中的導言設計。學生已經記住這個結論，但并不知道中心原子為何雜化、如何雜化以及雜化軌道理論的全貌，因此在教學過程中教師可以首先提出這個問題，這屬于BOPPPS教學模式中的學習目標設定。接下來，假設科學家遇到甲烷這個分子，該如何預測其分子空間結構？自然是利用價鍵理論進行分析，這也正是BOPPPS教學模式中的前測設計，即通過上一個知識點的應用，檢測學生的學習基礎。

學生自主分析之后，就會發現通過價鍵理論無法解釋甲烷的分子空間構型，這個時候就進入主要內容的講授階段，學習雜化軌道理論的主要內容，分析原子軌道如何雜化以及為何雜化。教師以甲烷、三氟化硼、二氯化鈹為例，請學生自主分析它們的中心原子如何雜化，最終形成的分子空間構型如何，這屬于BOPPPS教學模式中的參與式學習。通過這樣的參與式學習，可以使學生更好地掌握基礎理論知識，嘗試利用化學知識去解決問題，并通過自主學習，區分雜化軌道空間構型與分子空間構型之間的細微差別，這也體現了教學過程中以學生為中心的教學思想。這個時候，再提出新的問題，學生中學時已經接觸過甲烷分子、氨分子、水分子中的中心原子均屬于sp3雜化，但它們的分子空間構型卻分別為正四面體、三角錐和角形。在已知結論情況下，教師采用OBE教學理念中的探究式教學方法，請學生利用已有知識，解決這個問題，這同樣屬于BOPPPS教學模式中的參與式學習部分。

通過這樣的以學生為中心的參與式學習，可以更好地幫助學生掌握相關理論知識，鍛煉其利用化學知識解決問題的能力，培養其邏輯思維能力和化學式思維模式，幫助其更深刻地體會學習的成就感和快樂，并形成窮究其理的學習精神，更好地完成設定的三層教育目標（知識、能力、情感）。

OBE教學理念和BOPPPS教學結合方法，可以使學生具有較好的學習體驗，產生強烈的學習成就感，從而提高學習積極性，實現良性循環，而且也可以幫助教師即時掌握學生的學習情況，及時調整教學內容和方法，更有效地實現教學目標。

（四）結合信息化工具實現多元考核

隨著科技的進步，學生接受信息的方式也變得多種多樣，尤其是現在的“00后”學生，他們可以從互聯網上接收到各種各樣的信息知識。而與之相對的，在課堂上教師的教學方式還沒有發生明顯的變化，仍然大量采用傳統的講授方式，相比于其他知識獲取渠道，這種教學模式未免滯后，無法吸引學生，導致學生學習積極性不高。教師需要與時俱進，掌握一些簡單實用的工具來增加課堂的趣味性，提高學生學習的積極性。例如在課堂上可以做一些調查問卷、用線上小紙條或彈幕的方式收集開放思考題的答案等。一些常用的課堂輔助工具也可以減少教師的部分工作量，實時記錄學生的學習情況，讓教師釋放更多的精力進行教學設計，關注后進學生，實現良性循環。

當然，由于教改嘗試，學生課下的學習壓力也較大，會有部分學生對線上學習有所懈怠，導致教學效果不佳，這就需要教師通過一些手段進行督促，其中，增加過程性考評是一種較好的方法。通過增加過程性考評的比重，督促學生在課程學習過程中保持較高的專注力和學習積極性，最終較好地實現教學目標。

四、結論

通過以上幾個方面的改革探索，一線教師明顯感受到學生上課的積極性有明顯提高，上課反饋互動熱烈。從調查問卷結果來看，學生對課程的評價也有了較大提高，200名學生中有37.5%的學生認為課堂上層層遞進的教學模式對他們的學習有一定的幫助，有61.9%的學生認為該教學模式對他們學習的幫助很大，可見大多數學生的學習體驗十分愉快。在此基礎上，有66.7%的學生認為他們實現了知識層面的教學目標，即能夠建立較完整的化學知識體系，較扎實地掌握化學基礎知識及常用技能。有16.7%的學生認為自己在達到知識目標的同時，實現了能力目標，即邏輯思維能力和自主學習能力得到了提升，能夠自主解決一些問題。剩余13.5%的同學認為，在實現知識目標和能力目標的基礎上，也能夠實現一部分情感目標，即具有了嚴謹求實的科學態度、增強了民族自豪感、堅定了學習信念和方向等。學生對課程的評價也進一步證明了目前嘗試采用的改革方法取得了一定的成效，對課程目標的達成產生了積極作用。

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（責任編輯：邵秋露）

基金項目：2022—2024年成都理工大學中青年骨干教師發展資助計劃（項目編號：10912-JXGG2022-09017）。

作者簡介：姚瑤（1994—），女，博士，成都理工大學材料與化學化工學院講師，研究方向為納米材料的合成及其儲能應用；李絳（1966—），男，博士，成都理工大學材料與化學化工學院副教授，研究方向為量子化學計算應用研究。