伍鵬(蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部 化工與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

隨著我國改革開放和現(xiàn)代化進程的不斷加快，培養(yǎng)一大批量具有高素質(zhì)工程技術(shù)人才，對我國經(jīng)濟發(fā)展和科技進步具有重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[1]。大學(xué)生是創(chuàng)新型高素質(zhì)工程科技人才的培養(yǎng)主體。根據(jù)理科分流培養(yǎng)基礎(chǔ)性和應(yīng)用性專業(yè)人才的教學(xué)改革要求，對理科學(xué)生強化工程教育日益受到各高等院校的重視[2]?；せA(chǔ)是一門針對理科化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)必修課，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下、由理及工的橋梁作用，對培養(yǎng)兼具理論知識與工程思維的復(fù)合型人才有著舉足輕重的作用[3]。該課程作為一門工程學(xué)科課程，實踐性很強，涉及到化工、材料、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等多個領(lǐng)域，并且與生活中的衣食住行緊密相關(guān)?；せA(chǔ)課程內(nèi)容涉及化工單元操作、基本化學(xué)反應(yīng)器和典型的化學(xué)工藝三方面，濃縮了化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和化學(xué)工藝學(xué)等三門化工專業(yè)主干課程的基本知識[4]。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能掌握化工“三傳一反(動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)工程)”的基本原理、計算以及研究方法等。

興趣是創(chuàng)造性思維的源泉，也是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵。教學(xué)改革任重而道遠(yuǎn)，基礎(chǔ)教育有“興趣”，專業(yè)教育才能有“創(chuàng)新”[5]。討論創(chuàng)新型人才的教育模式，需要從“興趣”二字找答案，而具體到專業(yè)基礎(chǔ)課程中，需要探討如何落實“興趣”[6]?；せA(chǔ)課程涉及的公式多、計算繁雜，要求學(xué)生邏輯思維嚴(yán)密，具備扎實的高等數(shù)學(xué)、普通物理、大學(xué)化學(xué)、計算機等基礎(chǔ)課程知識，以及良好的綜合分析能力。理科化學(xué)專業(yè)學(xué)生的高等數(shù)學(xué)和物理的基礎(chǔ)相對薄弱，受課時少、教學(xué)材料匱乏、教學(xué)手段單一、疫情缺乏實習(xí)機會等因素影響，學(xué)習(xí)化工基礎(chǔ)課程的難度較大，學(xué)習(xí)積極性和興趣較低。

本文首先對本課程的教學(xué)現(xiàn)狀進行簡要回顧，闡明傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)筆者近年來在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高本課程的教學(xué)效果方面所采取的一系列改革措施，以期為培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型工程技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。

1 化工基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容多、課時少

如前所述，化工基礎(chǔ)課程內(nèi)容繁雜、涉及面廣、綜合性強，在當(dāng)前“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的教學(xué)培養(yǎng)模式下，該課程的課時數(shù)明顯偏少。根據(jù)我校最近修訂的2021 級化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案，化工基礎(chǔ)課程的學(xué)時已經(jīng)從54 學(xué)時壓縮至36 學(xué)時。學(xué)時的大幅度減少影響教學(xué)計劃的完成，知識點得不到詳細(xì)講解，尤其是化工傳遞和反應(yīng)工程相關(guān)的計算和設(shè)計往往一帶而過。更為重要的，受課時限制，教師也很難有充分的時間在課堂上與學(xué)生進行互動和交流，使得學(xué)生逐漸喪失對該課程的學(xué)習(xí)興趣和動力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容陳舊、缺乏新教材

目前全國各高校理科化學(xué)專業(yè)采用的化工基礎(chǔ)教材內(nèi)容均圍繞化工“三傳一反”展開，雖然涉及面廣，但內(nèi)容大多比較陳舊，不能反映當(dāng)代化工前沿科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平和現(xiàn)狀。且許多內(nèi)容仍然沿用工科教材的內(nèi)容體系，沒有突出培養(yǎng)理科人才的知識結(jié)構(gòu)需要，不能滿足理科化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求[7]。

1.3 教學(xué)手段和教學(xué)工具缺乏創(chuàng)新

目前大多數(shù)院校的化工基礎(chǔ)課程采用的主要教學(xué)工具依然是PPT 課件與黑板板書結(jié)合，課堂講授知識和學(xué)生課后完成作業(yè)的模式[8]。這種教學(xué)模式本質(zhì)上是一種填鴨式教學(xué)手段，學(xué)生只是被動地接受知識，而沒有積極地參與到課堂教學(xué)中，不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和課堂參與度，勢必影響教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

1.4 實踐和實習(xí)機會欠缺

化工基礎(chǔ)課程涉及到種類繁雜的化工單元操作設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)器工藝，而多數(shù)學(xué)生都沒有實際接觸化工生產(chǎn)過程，對化工設(shè)備和生成工藝流程缺乏感性認(rèn)識。工廠參觀和實習(xí)是了解化工生產(chǎn)設(shè)備和過程的有效途徑[9]，但受學(xué)校經(jīng)費、周邊化工廠數(shù)量、新冠疫情等多種因素的限制，當(dāng)前很難找到穩(wěn)定的、安全的、愿意對外開放的實習(xí)工廠。學(xué)校雖然開設(shè)了化工基礎(chǔ)實驗課程，但理論課與實驗課不同步，且實驗設(shè)備不齊全，理論知識得不到有效鞏固，實踐技能得不到提高，無法將所學(xué)理論知識與化工生產(chǎn)實際過程相結(jié)合。

上述化工基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀，導(dǎo)致學(xué)生對該課程缺乏學(xué)習(xí)興趣和動力。此外，從理科化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)上來看，大多數(shù)高等院校旨在培養(yǎng)能在科研機構(gòu)、高等學(xué)校及企事業(yè)等單位從事與化學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、教學(xué)和管理等工作的學(xué)術(shù)型人才，而不是工程技術(shù)人才[9]。因而許多學(xué)生認(rèn)為他們將來不會從事化工生產(chǎn)相關(guān)的工作，學(xué)習(xí)化工基礎(chǔ)這類工程技術(shù)課程對他們未來就業(yè)和深造沒有任何幫助。這種思想意識的偏差致使他們對本課程的學(xué)習(xí)不夠重視。興趣是一種特殊的意識傾向，是創(chuàng)造性思維的源泉，也是提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵[10-11]。因此，如何在充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，對該課程進行改革，構(gòu)建興趣導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生積極主動學(xué)習(xí)，真正學(xué)有所得，是所有一線化工教師應(yīng)該深入思考的問題。筆者自2018 年擔(dān)任化工基礎(chǔ)課程主講教師以來，對本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等進行了改革探索，并取得了積極成效。

2 教學(xué)改革探索與實踐

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強化工程觀點，構(gòu)建實用且前沿的課程體系

化工基礎(chǔ)課程的教材內(nèi)容涉及面非常廣，而課時又非常有限，因而在實際教學(xué)過程中，必然要對教材的內(nèi)容進行刪減。培養(yǎng)和強化學(xué)生的工程思維和技術(shù)經(jīng)濟觀點是本課程的重要教學(xué)目標(biāo)之一。因此，我們在課堂上主要介紹“三傳一反”的基本原理及處理工程問題采用的研究方法(包括數(shù)學(xué)分析法、數(shù)學(xué)模型法和因次分析法等)；著重于典型的化工單元操作(包括流體流動、熱傳導(dǎo)、熱對流、精餾和吸收)和基本反應(yīng)器(間歇操作反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器)，并結(jié)合化工案例強化技術(shù)經(jīng)濟分析等；而將比較復(fù)雜的單元操作(比如：膜分離、結(jié)晶、干燥) 和非理想反應(yīng)器相關(guān)的知識列入選修內(nèi)容；刪除了那些對理科學(xué)生不必要的繁瑣運算。這樣既能有效減少化工基礎(chǔ)課程知識內(nèi)容，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，又能有助于學(xué)生將精力與時間集中在能顯著強化工程觀點的化工單元操作和基本反應(yīng)器這兩項重難點內(nèi)容上。

為了豐富教學(xué)內(nèi)容，在課堂教學(xué)中及時補充本學(xué)科不斷涌現(xiàn)的新知識、新方法、新技術(shù)以及相關(guān)前沿內(nèi)容，不僅拉近了教學(xué)與學(xué)科前沿的距離，還促進了學(xué)生對新知識和新技術(shù)的認(rèn)知，拓寬了學(xué)生的知識面[8,12]。為了進一步強化學(xué)生的工程思維和經(jīng)濟分析能力，近年來將產(chǎn)品設(shè)計報告融入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中：要求學(xué)生自主組隊，基于化工傳遞和反應(yīng)原理，設(shè)計一款產(chǎn)品，并以PPT 形式從原理、技術(shù)、經(jīng)濟、安全方面對該產(chǎn)品進行綜合評價。這極大豐富了課堂的理論教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決實際工程問題的能力，增強了課程的趣味性。

2.2 合理運用現(xiàn)代化教學(xué)手段，提升學(xué)生課堂參與度

適合的教學(xué)手段是提高學(xué)生課堂參與度和學(xué)習(xí)主動性，進而確保取得良好教學(xué)效果的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)已成為可能，很大程度上已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的板書教學(xué)[10]?，F(xiàn)代化的教學(xué)手段對于化工基礎(chǔ)課程的教學(xué)非常重要?；卧僮骱突瘜W(xué)反應(yīng)都涉及到多種化工設(shè)備，比如：離心泵、流化床、換熱器、精餾塔、吸收塔、反應(yīng)器等。利用黑板、教材、掛圖等傳統(tǒng)的教學(xué)手段，學(xué)生只能看到它們的平面圖或結(jié)構(gòu)簡圖，缺乏立體和動態(tài)的感性認(rèn)識，很難與實際設(shè)備聯(lián)系起來。現(xiàn)代化多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(比如3D Max 和虛擬仿真VR)不僅可以將設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作原理，以三維立體圖形、動畫和“沉浸式游戲”的形式生動、直觀、形象地展示出來，并且能活躍課堂的學(xué)習(xí)氣氛，增強學(xué)生的感性認(rèn)識。比如在講解精餾塔的結(jié)構(gòu)和工作原理時，使用動畫和視頻素材，逼真地呈現(xiàn)了精餾塔的各部分結(jié)構(gòu)和安裝過程，液流和氣流在塔內(nèi)的流向，易揮發(fā)組分和難容組分在不同塔板處濃度的變化，以及液泛、漏液和霧沫夾帶等不正常操作現(xiàn)象。在演示的過程中，教師“畫龍點睛”地補充一些解釋，學(xué)生就能很快地理解和掌握相關(guān)知識，達到事倍功半的教學(xué)效果。近兩年受新冠疫情的影響，本課程建設(shè)了完整的線上課程資源(微課、慕課、作業(yè)、習(xí)題庫等)，供學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，用于鞏固和復(fù)習(xí)課堂知識，打破了“老師講，學(xué)生聽”的傳統(tǒng)上課模式，促進老師與學(xué)生間的互動，提升了課堂參與度。需要指出的是，盡管多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)越來越普遍，但在實際教學(xué)過程中，不能一味追求現(xiàn)代教學(xué)手段而不考慮課程自身的特點。筆者認(rèn)為，對于方法原理、重要公式的推導(dǎo)等內(nèi)容，傳統(tǒng)的PPT課件與黑板板書結(jié)合更容易幫學(xué)生建立更完善的知識體系和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.3 系統(tǒng)引用生活實例，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性

化工基礎(chǔ)是一門實踐性強、與日常生活密切相關(guān)的工程技術(shù)課程。筆者結(jié)合近年來的教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，生活聯(lián)想教學(xué)法可以很大程度上彌補工程實踐的不足。在教學(xué)中聯(lián)想生活常識，巧妙地將復(fù)雜的問題簡單化，拉近了課本知識與實踐的距離，讓學(xué)生真正認(rèn)識到知識的重要性。該教學(xué)法注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過程和方法，強調(diào)讓學(xué)生自主地參與獲得化工基礎(chǔ)知識和技能的過程[13]。在講解某部分知識點之前，教師先提出若干與此相關(guān)的生活常識問題或現(xiàn)象，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)相關(guān)知識；隨后，通過提問的方式讓學(xué)生運用所學(xué)的理論知識回答此前提出的問題或解釋生活現(xiàn)象。比如在講解流體的連續(xù)性方程時，可以引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解釋為什么河道狹窄處的流速更大；在介紹離心泵的工作原理和安裝時，請學(xué)生思考為什么農(nóng)用泵(離心泵) 在啟動之前需要先灌泵(氣縛現(xiàn)象) 和農(nóng)用泵的安裝高度不能太高(汽蝕現(xiàn)象)；類似地，在熱量傳遞章節(jié)，冬天坐在鐵凳子上比木板凳更冷(導(dǎo)熱系數(shù))；保暖衣需要穿在身體最里層(傅里葉定律和牛頓冷卻定律)；在相同的室外溫度條件下，有風(fēng)比無風(fēng)時感到更冷些(對流傳熱)；在質(zhì)量傳遞部分，夏天雨后感覺空氣清新且涼爽(吸收)；打開碳酸飲料瓶蓋會冒泡(解吸)；白酒生產(chǎn)和牛奶提濃(蒸餾)等。通過生活聯(lián)想教學(xué)法，不僅加深學(xué)生對化工原理知識點的理解和掌握，而且能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)過程的趣味性，同時也增強了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[14]。

2.4 科研反哺教學(xué)，激發(fā)學(xué)生探索學(xué)科前沿的興趣

在教學(xué)活動中結(jié)合科研成果，以科研成果支撐教學(xué)改革，教學(xué)與科研有機結(jié)合、互相促進，是激發(fā)學(xué)生探索學(xué)科前沿興趣、提高教學(xué)質(zhì)量的重要舉措[10]。在教學(xué)過程中除了將化工學(xué)科發(fā)展前沿的新理論、新成果和新方法及發(fā)展動態(tài)向?qū)W生進行介紹，還可以將相關(guān)的科研項目、科研成果等與具體的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。筆者主要從事體外仿生胃腸道消化系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用研究，從化工過程工程角度看，人體胃腸道本質(zhì)上也是一種復(fù)雜的生化反應(yīng)器，如圖1 所示，比如胃可看作一種特殊的攪拌槽式反應(yīng)器，小腸類似于管式反應(yīng)器，大腸則是發(fā)酵罐[15-16]。攝入的食物類似化學(xué)反應(yīng)器中的物料，消化酶可看成催化劑，食物在消化酶的作用下分解成小分子營養(yǎng)物質(zhì)的過程也是反應(yīng)器中的物料在催化劑作用下的化學(xué)反應(yīng)過程。另外，營養(yǎng)物質(zhì)在小腸內(nèi)的跨膜吸收過程也可以看成一種化工單元操作(膜吸收)。在講授基本化學(xué)反應(yīng)器時，注重引導(dǎo)學(xué)生思考人體胃腸道的結(jié)構(gòu)和生理功能與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器有何異同，這不僅有助于提升學(xué)生對反應(yīng)器的理解程度，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，為他們將來從事相關(guān)科學(xué)研究工作奠定基礎(chǔ)。除了將科研融入教學(xué)，鼓勵和支持學(xué)生參加教師承擔(dān)的研究課題，以及大學(xué)生創(chuàng)新科研項目、化工設(shè)計和實驗競賽等，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實踐能力[17]。

圖1 基于化工過程工程思維的食物在胃腸道內(nèi)的加工(消化與吸收)過程

2.5 建立多元化成績評定機制，強調(diào)過程化考核

課程考核作為重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是檢驗教學(xué)效果的重要途徑。課程考核方式顯著影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和重視程度，也是教學(xué)改革的重要一環(huán)。目前大多數(shù)院校化工基礎(chǔ)課程均采用“總成績 = 平時成績 + 期末考試成績”的傳統(tǒng)考核方式，其中平時成績主要由考勤和平時作業(yè)組成。教師經(jīng)常會批閱到雷同的平時作業(yè)，難以判斷是否由學(xué)生獨立完成。期末考試一般采用閉卷考試，側(cè)重于化工“三傳一反”基本概念、原理和公式的考查。這導(dǎo)致有些學(xué)生平時對課程過程學(xué)習(xí)不重視，只在考前突擊背誦和復(fù)習(xí)相關(guān)知識點，最后也能得到不錯的成績，但實際上他們對課程內(nèi)容的理解和掌握程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。總之，傳統(tǒng)的課程考核方式較為單一，不能反映學(xué)生對知識掌握的實際程度，也忽視了學(xué)生的主觀能動性和探索性學(xué)習(xí)的意識[10,12]。因此，改變傳統(tǒng)的考核方式，探索建立科學(xué)、靈活、多元的考核方式已經(jīng)勢在必行。

筆者構(gòu)建了多元化、過程化考核機制，如圖2 所示。課程成績由四部分組成，包括平時成績、期中考試、期末考試和產(chǎn)品設(shè)計項目，分別占比20%、20%、35%和25%，降低期末考試成績的比例，強調(diào)過程化考核。平時成績由出勤情況(反映學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度)、平時作業(yè)(考查對知識的記憶、理解等)、課堂討論或分組作業(yè)等(考查學(xué)生搜集資料的能力、自我學(xué)習(xí)能力)構(gòu)成。平時作業(yè)以開放性思考題為主，鼓勵學(xué)生利用所學(xué)理論知識和網(wǎng)絡(luò)資源自主尋找答案，提出解決問題的措施，并分組討論和歸納總結(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣和提高自主學(xué)習(xí)能力；試卷內(nèi)容主要由開放式主觀問答題和計算分析題組成，側(cè)重考查學(xué)生對知識的記憶、理解、總結(jié)歸納、應(yīng)用等綜合能力；在產(chǎn)品設(shè)計項目成績評定上，采用教師評價和生生互評的方式從項目的科學(xué)性、可行性和趣味性以及PPT 陳述方面多角度評價，最后匯總得到綜合成績。改革后的課程考核方式，不僅有利于全方面、多角度地考查學(xué)生的知識水平和掌握程度，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，提高了學(xué)生對學(xué)習(xí)過程的重視程度與參與度。

圖2 基于多元化和過程化考核機制的 化工基礎(chǔ)課程成績評定方式

3 結(jié)語

興趣是求知的起點和源泉。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高主動學(xué)習(xí)的積極性，是提升化工基礎(chǔ)課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵。為此必須把握課程的特點，研究教學(xué)的科學(xué)性和藝術(shù)性，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方法、考核和評價機制方式等多方面進行改革探索和實踐，以增加課堂教學(xué)的趣味性，充分調(diào)動學(xué)生的課堂參與度，提高解決復(fù)雜工程問題的能力，為培養(yǎng)兼具理論知識和工程思維的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)。