新工科背景下“工程化学基础”课程教学改革与实践

张 坤 马晓轩* 张鹤

(1. 德州学院 能源与机械学院,山东 德州 253023;

新工科的目标是培养面向未来、拥有全球视野的多学科复合式创新型工程师。其核心理念强调与未来合作、应对变化、塑造未来[1-4]。“工程化学基础”作为高等院校工科非化学专业的一门专业基础课,旨在培养学生掌握相应的化学知识,能够运用基本的化学思维和技能去思考、分析、解决工程实践中出现的问题。该课程的教学质量直接影响后续专业类课程的学习和毕业设计。传统教学中存在知识结构松散、章节之间缺乏联系、案例陈旧且与应用或科技前沿脱节等问题,严重影响了学生的学习积极性和课程教学效果。作者以某地方应用型本科院校工科非化学专业学生为研究对象,探究和分析新工科背景下工科非化学专业“工程化学基础”课程中授课过程中存在的主要问题,并提出相应的课程教学改革思路与措施,如图1所示。

图1 新工科视域下“工程化学基础”课程改革示意图

1 现阶段课程教学中存在的主要问题

1.1 课程结构不合理

传统课程内容是由化学领域核心课程精简而成,一般分为六个部分:绪论、物质的物理化学性质、物质结构与元素周期律、热力学简介、分析化学理论和材料防护。其课程内容筛选原则为选取化学学科中主要课程的核心内容,使学生可以在短时间内掌握相关专业知识。由于课程内容分别摘自不同的化学专业课程,导致了章节间没有关联,且各章节学时分配不合理。这加大了学生的学习难度,导致其缺乏学习积极性,为后续其他专业课程学习埋下了隐患。

1.2 教学模式单一

传统课程教学模式为线下授课/多媒体授课-作业巩固-补充讲解-期末复习-期末考评的教学模式。虽然这种教学模式下培养的学生应试能力强,但对知识的理解、应用和迁移能力较弱。而且在这种模式下课堂教学效果差,学生普遍缺乏学习兴趣[5]。学生缺乏兴趣的原因主要为:认为知识本身过于抽象和乏味,对课程重要性产生怀疑。

1.3 教学内容与专业课程体系脱节

该课程作为部分专业课程和新材料类课程的前置课程,起着沟通学生高中化学基础知识过渡到专业课程知识的桥梁作用。而传统授课内容忽略了对工科专业核心知识结构的关注。这就导致了学生在学习了相关化学知识后,将该部分知识与核心专业课知识体系割裂开,无法同其专业知识结构产生密切关联,当课程结束后,授课学生对课程重要性评价较低,认为该课程无助于其知识结构的扩展和相关能力的培养。

1.4 教学案例与当今工业领域脱节

该课程所用案例多集中于第二次工业革命时期的工业成果,缺乏对当代案例的引入。导致同学在学习课程的时候有一种学习西方化学史的错觉。案例的老旧使学生对该课程的重要性产生疑虑,导致后续其他专业课程实验和相关课程设计中缺乏相关知识和能力储备。过时的教学案例同当今工业领域的脱节使学生缺乏学习兴趣,对所学知识缺乏应用能力。

1.5 评价体系单一

传统课程评价体系采用平时成绩+作业+章节测试+期末考试的评价体系,该种评价体系针对的是应试教育模式。传统评价体系以教师课堂授课为中心,重视学生对知识概念和结构的把握,缺乏对学生对化学知识的思考和应用能力的考察。这种评价未起到及时有效反馈教学过程的效果,也不能对学生阶段性学习效果和能力培养及时反馈。

2 新工科视域下课程教学改革措施

2.1 课程结构的重构

新工科视域下更加注重学生应用能力的培养和学科的融合,需要对所学知识进一步的精选,以及对课程结构的重塑。该课程章节结构改革为:大学化学基础概念、物质结构与周期律、热力学简介、能源化学、材料原理与工艺等几个模块。章节内容涉及华北某省产业结构几个重要构成部分:新能源、新材料、新兴制造业和高端工科产业领域基础知识。精选最基本的和最重要的知识,删减部分老旧、夕阳行业、专业性过强且枯燥的知识。章节安排依照:化学类基本概念-化学基本原理-能源类化学原理-材料类化学原理与工艺的逻辑顺序展开。筛选与工业领域紧密关联的知识,难度梯度由易至难,逐层递进。

2.2 教学模式的多样化

传统讲授型的授课模式以教师教授为核心[6],其基本模式为:线下授课/多媒体授课-作业巩固-多媒体补充讲解-期末复习-期末考评的教学模式。教学模式改革后以学生为核心,其基本教学模式为:预习-实地参观-分析-线下授课/多媒体教学-案例分析/课程设计-期末考试,或预习-案例分析-多媒体教学-知识迁移/前沿进展-期末考试。参观环节为本校化学展览室、能源工程实验室、机械工程实验与创新中心、太阳能产业小镇和半导体加工厂。多媒体讲解环节,删减部分繁杂的数学推导、物理/化学模型构建和原理利用部分,更多采用图片、视频或动画等直观易懂的方式辅助学生学习,提升教学效果。

2.3 加强教学内容与专业课程体系关联度

在能源和机械专业的后续课程中,部分专业课程都需要一些学生高中未曾接触过的化学知识。在该门课程中系统引导学生学习,掌握这些前置知识点对其他专业课程的学习起到支撑和辅助作用。比如,增加热力学简介中的部分概念、引入传质学部分概念与应用案例、增加电化学部分和材料的选用与防护等教学内容。增加了学生毕业设计所需化学知识,如储能电池机理及相应热力学计算、金属管材的选用与防护、冷库制冷剂的基本原理等内容,为后续课程或毕业设计提供化学知识和技能支持,引导学生以化学视角在多学科中进行知识、思维和技能的交叉融合。

2.4 教学案例与当今工业/能源领域紧密关联

将教学中知识点的案例更新为当代工业领域应用案例或最近科研进展。经典知识点则以生活中的化学、化学家的故事,以课程思政等形式开展。部分教学案例选用电能、空调、储能、半导体或新材料企业案例,引入-分析-过渡所学知识点-再分析-应用-迁移应用的方式开展。精选一些反映当代工业界最新成果或最新科研的案例,注重同一知识点在历史上的案例、不同领域的案例和最近工业界或科研进展案例的有效结合,在案例教学或案例分析中培养学生将化学类专业知识同现今工业或科研领域相结合。此外,还侧重培养学生在实例中灵活运用多学科的理论知识和专业技能,如分析科学问题、应用科学原理、解决实际问题的能力。

2.5 评价方式多样化

教学模式的多样性必然会导致评价模式的多样性。传统考核方法过于单一,侧重于期末考试成绩。学生课堂参与度低,每到期末考试集中应试复习,整体教学效果差。新的考核形式由原来的两部分调整为七部分,总成绩包括出勤、作业、课程论文、课堂讨论、调研报告、化学设计和期末试卷成绩七个部分。这样的评价模式也反映在对学生阶段性教学和能力培养反馈形式的及时性和多样性,有助授课教师在授课过程中及时发现问题,及时调整授课策略和方法,从而更快和更高效地解决问题。

3 新工科视域下课程教学改革措施前后教学效果对比分析

本次研究选用某地方应用型大学两个本科班为研究对象,其中B班为教学改革试点班级。研究课程章节测试和期末试卷考试测评、课程论文和课程设计中对教学内容所涉及的化学知识点应用情况、在课程结束后一年中学生在其他课程论文中对教学内容所涉及的化学知识点平均引用次数和在科技创新大赛和创新创业大赛中对教学内容所涉及的化学知识点总使用次数。

学生对知识点的掌握情况是评价课程效果的核心要素,从图2(A)中可以看出,课程改革后, B班考试学生对所教授知识点的掌握情况明显优于A班。这客观反映了进行课程改革后的B班学生对课程相关知识点的掌握情况明显优于传统多媒体授课形式的A班学生。

学生对所学化学知识的应用能力可以在课程设计、课程论文和调研报告中直接反映出来。从图2(B)中可以看出,课程改革后的学生会在课程设计中更多地引用相关知识点;而采用传统授课方式的班级引用新学知识点较少。由此可以看出,相较于传统填鸭应试的方式。学生更容易从实际案例中习得化学知识,并且这样也有助于学生将所习得的化学知识迁移应用到其他学科领域内所遇到的相关问题。

如图2(C)所示,通过后续对“空气调节”“热工测试技术”“储能原理与技术”“大学物理”和“分布式能源系统概论”这五门课程论文、实验设计或课程设计中对本课程中化学知识的相关引用情况。采用传统教学方式授课的学生在一年后已经不再倾向于采用所学习的化学专业知识去分析或理解其他领域存在的问题。而采用课程改革后的教学方式授课的学生在授课结束一年后依然倾向于将所学的化学知识运用到实际。该课程改革更有利于培养学生将所学化学知识融合和迁移到其他课程的能力。

该课程结束一年后,学生参与创新创业大赛或省科技创新大赛作品中相关知识点总引用情况间接比较性评价学生课程知识的迁移能力和应用能力。从图2(D)中可以看出,采用课程改革后的授课方式使得学生在实际产品设计和应用的过程中对化学类知识的应用能力及在不同学科中的融合和迁移能力都得到了一定程度的提高。

4 结语

综上所述,在新工科背景下对“工程化学基础”进行课程改革探索,通过对课程结构的调整,精选化学专业知识,增强课程逻辑关联度;教学内容与其他专业课程体系关联度增强,培养学生具有多层面、多学科的视角、丰富的知识和相关技能;教学案例与当今工业/能源领域紧密关联,优化教学内容,增强学生知识迁移和应用能力;通过对教学模式的多样化改革,注重对学生应用能力培养;多样化评价方式将学生的过程导向培养与结果导向培养相结合,综合提升学生的专业能力。