大学专业课程教学改革的探索

崔振宇　黄庆林　林立刚　丁晓莉　叶卉　赵义平　张桂芳

摘要：文章以膜分离技术专业课为例，提出了以“拓展学生的知识面、培养提高分析问题、解决问题的综合能力”为核心、以“现象与问题→分析与综合→解决与拓展”为主线、以课堂上教师授课将知识“厚变薄”以及课后学生复习将知识“薄变厚”为原则，将专业课教学与基础课、专业基础课的知识点有机结合的教学理念。通过该教学方法的改革与实践，既有效巩固、加深学生对基础课、专业基础课知识的掌握，又培养了学生从专业的角度系统分析问题、解决问题的能力，从而全面提升学生的综合素质和专业能力。

关键词：膜分离技术;拓展;分析;解决

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0182-04

一、膜分离技术课程总体介绍

天津工业大学材料科学与工程学院在第五学期为本科生开设膜分离技术课程，它是培养本科生专业知识和技能的一门重要专业课。通过该门课程的学习，将使学生了解膜分离技术的发展概况，了解分离膜的概况及应用，掌握分离膜的基本结构、工作原理及制备方法，了解膜目前存在的问题和未来的发展趋勢。可以看出，该课程内容多且广，既涉及四大基础化学、材料学，又涉及化工传递过程及装备，甚至涉及环境、生物等学科。授课教师既要考虑到本课程知识点的讲解，又要兼顾该领域功能与智能膜、膜接触器以及膜反应器等方面的新进展，还要结合化学工程、环境工程等专业内容。如此多的内容使教师在有限的30学时内很难实现条理清晰、知识面覆盖广的有效讲授。

另外，由于该门课程涉及内容广、专业性较强，使得大多数尚未从基础课、专业基础课的思维方式转变过来的学生在完成学习之后仍难以掌握课程的主要内容，在结束学习时仍对该门课程一知半解。这不仅达不到满意的教学效果，也没有有效培养学生专业思维的能力。为此，如何合理规划授课思路和设计授课内容，使学生在掌握本课程基本内容的基础上，进一步拓展知识面、提升学生的专业思维能力显得尤为重要。

二、膜分离技术课程改革总体思路

膜分离技术课程很多内容是基于基础课、专业基础课的知识点展开的，笔者通过多年的授课经验认识到，与基础课、专业基础课以打基础的培养目标不同，专业课更侧重于专业思维和专业技能的培养。因此，授课应以“拓展学生的知识面、培养提高分析问题、解决问题的综合能力”为核心，提高学生的创新能力和综合素质。为此，需要授课教师依据膜分离技术专业课程的特点、要求与定位来重新合理设计授课内容。首先应理清课程主线，使学生从全局的角度把握课程的脉络和精髓。在理顺课程主体内容的基础上，本着“授课内容由厚变薄、学生学习内容由薄变厚”的原则，实现两个有机结合：即将专业课授课与基础课、专业基础课的知识点进行有机结合，将课堂教学和学生课后查阅资料完成综合作业有机结合，有效解决授课学时少与课程内容多之间的矛盾，从而达到满意的教学效果，实现学生毕业时达到“了解学科前沿和发展趋势，对工程问题具有系统表达、建模、分析求解、论证及设计的能力”等9个方面的能力要求[1]。

三、膜分离技术课程改革具体内容与方法

（一）构建课程总体框架、理清每次课程的主线

对授课内容进行筛选，从三个层次构建课程总体框架和主线。

1.从“总—分”的角度对授课内容进行合理编排和设计，整理出课程主线。基于膜主要涉及材料和化工这两个学科以及本专业需突出对材料的侧重，将这门课所讲述的15章内容分成三部分（如表1所示）。第一部分（1—9章）：以介绍比较成熟的几种膜为主，偏重于膜材料以及膜制备，这部分是本门课的经典内容。第二部分（10—11章）：主要从膜材料未来发展的角度来关联材料学发展前沿的内容。第三部分（12—15章）：从化工过程的角度，将膜与传统的分离、反应相结合，主要介绍膜的拓展应用以及未来发展。可以看出，这种授课内容的设计不仅将经典内容与未来学科发展相结合，还将材料学与化学工程与技术两个学科相融通，符合课程的培养要求。

另外，微滤和超滤、反渗透和纳滤相似之处较多，可采取重点介绍其中的一种（微滤和反渗透各安排3学时，如表1所示），而对另一种（超滤和纳滤各安排1学时，如表1所示）只需侧重讲解不同之处并分析原因，即进行对比讲解，以突出重点。这样安排减少了对不同章节相关重复内容不必要的介绍，更好地利用了宝贵的授课时间。

2.每一章内容的设计与安排。将每一章内容整理出合适的主线。例如，将第一部分所涉及的每一种膜以“基础（上游）—核心（中游）—拓展（下游）”为主线，即以“膜材料—膜制备—膜组件与应用—问题与未来发展”（如图1所示）方式进行讲授，这样可将每一章所涉及繁多的内容条理化，使之层次分明，而且可与其他章节相关的内容进行比较。

合并归纳，求同存异。例如，第一部分中的微滤、超滤、纳滤、反渗透均属于压力驱动膜，在膜材料的选择、膜制备方法、渗透性能的表征等方面有着共性的同时又各自具有自身的特点，可将这几部分共性的内容进行归纳总结（第2章）。例如，对渗透性能的讲授具体安排可如图2所示，对于不同的膜，由于通量和截留的计算公式相同，因此可合并在一起进行讲解，并将基础研究中所使用的纯水通量概念适当拓展到水处理工程中所使用的设计通量和临界通量两个概念。而对于膜截留性能的表示方式是不同的，微滤用孔径、超滤用切割分子量（对截留超过90%的某种有机物的分子量）而纳滤或反渗透用脱盐率，从膜孔径范围的不同以及所截留组分特性差异这两个方面就可清晰地阐述每种膜过程对截留性能不同表示方式的原因：比如微滤的孔径范围在50nm—10μm，其所截留的组分通常为悬浮颗粒，尺寸较大且可看成刚体，因此可用孔径来表示微滤的截留性能;超滤的孔径范围在2nm—50nm，这个尺寸范围所截留的物质主要是蛋白或水溶性聚合物，由于这两种物质的外形随溶液性质的不同而发生改变，所以不能将其看成刚体，因此不能用孔径来描述超滤的截留性能，而是换成切割分子量;反渗透的进水经超滤处理后溶质只剩下盐，即其主要作用是脱盐，所以用脱盐率来衡量其截留性能。通过上述对比讲解，使学生在掌握基本概念的同时能更好地理解为何不同的膜过程对截留性能表示方式不同。

3.每堂课主题内容的选择、分解。从三个方面设计每堂课的授课内容：首先通过生活实例引出授课内容，并将授课内容分成几个主题，然后依据每个主题所涉及的几个方面将其分解成所对应的问题，最后將每一个问题的回答拆分成基础课或专业基础课中的知识点（如图3所示）。教师需要理清哪些是本课程的内容，哪些是需借助基础课、专业基础课的知识来完成。因此，如何将主题分解成恰当的问题，如何从几个不同方面回答问题，如何将本课与相关基础课、专业基础课有机的结合至关重要。

例如，聚合物膜材料是这门课很多章节都要涉及的重要内容，如果只是泛泛地介绍聚合物膜材料包括聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等[2]，讲课效果则大打折扣。如果采用图4所示的框架进行讲解，效果就会好很多。

首先，将聚合物膜材料所要讲述的问题分成“选择的原则、中空膜形状的问题”等几个主题内容。将聚合物膜材料选择的原则这个主题分解成“（材料）性质稳定性、亲疏水性、可加工性、力学性能”四个问题进行讲解，将可加工性和力学性能这两个问题与聚合物的分子量、分布指数、结晶等高分子物理[3]中的几个基本知识点相关联。例如，材料的可加工性和力学性能是决定材料是否具有应用价值的前提，聚合物分子量过低，膜的力学性能就越差;而分子量过高导致材料在加工过程中黏度过大，使得材料的可加工性变差，因此只有当聚合物的分子量适中才能使膜获得良好的可加工性和保证较佳的力学性能;又如，分布指数反映出聚合物链段长短的均匀情况：分布指数越接近1表明聚合物链长短越均匀，膜受外力后力在聚合物链段上的分布也均匀，否则，短链段会成为膜力学性能薄弱之处而使膜发生变形甚至损坏，从而使学生能更好地体会高分子化学中所讲述的聚合反应为何希望获得分布指数为1的聚合物;又如，结晶区为聚合物链段有序排列形成的区域，为破坏这种有序结构就需要较强的外力，而无定形聚合物不存在这种链段有序排列的区域，因此抵抗外力变形的能力就比较弱，因此就很好理解了为何污水处理膜选择结晶性聚合物。

学生会提出这样的问题，既然疏水材料过滤阻力大，因此水处理膜应该选择亲水材料，可是工业化的膜为何都是由疏水材料制备？针对这个问题需要从力学性能以及材料性质稳定性两个方面进行回答：材料亲水性越强，在水处理过程因结合过多的水，使其溶胀也越厉害，因此大大降低膜的力学性能。而疏水材料不仅可加工性好，而且在使用过程中也不会发生吸水溶胀的现象，因此不会降低膜的力学性能。另外，由于膜在使用过程中需要定期用氧化剂进行清洗消毒，因此，膜材料需要具有较强的耐氧化性能，C-F键键能大、砜基和芳环结构稳定性好，因此含有这些结构的材料具有较强的耐氧化性，这正好体现出材料学[4]中“结构与性能”这一最基本的问题。通过上述对问题的分析讲解，学生就不难理解为什么疏水的聚偏氟乙烯、聚砜等材料成为膜法水处理的主流材料，而不选择亲水性强的聚合物，也不选择聚丙烯或聚酰胺这样的聚合物材料。

在此基础上，适当拓展为降低聚偏氟乙烯膜的过滤阻力以及提高抗污染性能，需要对其进行亲水改性，进而将共混掺杂或者接枝改性技术与高分子材料加工、高分子化学[5]等课程中的基本知识点相关联，这样就让学生清楚了如何根据实际的应用情况来选择和改进材料，以后遇到类似的问题就会知道如何找到切入点。

饮水机的滤芯为短而细的中空纤维膜，这是一个非常好的例子来讲述中空纤维膜加工成不同形状（长短粗细）的原因。这是因为用户希望膜产水量高的同时占地尽可能小，而产水量主要受膜过滤面积和过滤阻力的影响，占地也受膜过滤面积的影响：膜丝越细，一方面过滤面积变大，这使得膜产水量增大或者减小占地;但另一方面，产水在膜内外侧的流动阻力损失（加深了化工原理[6]中流体流动相关内容的理解）也明显增加，使通量降低，也就是说当膜丝达到一定长度时，其最末端的点通量为零，继续增长的膜丝不会有产水。因此，从过滤面积和过滤阻力这两个因素的平衡角度，就很容易理解为何饮水机的膜丝细且不能过长。

总之，上述讲解方式不仅涵盖了本门课的所有内容，而且深化了基础课和专业基础课的知识，节省时间、条理清晰、举一反三，从而提高教学质量。

（二）教师授课“厚变薄”与学生学习“薄变厚”

教师在授课过程中从生活实例出发引出授课内容，将每次课的授课内容分成几个主题并提出所对应的问题，在讲授难点或关键问题（不是以叙述为主，而是要以分析并回答问题为主，从而加深对难点的理解）的同时归纳出哪些是本课程所涉及的内容，哪些是需要借助基础课、专业基础课的知识点完成。即课堂上讲授以纲和线的主干内容为主，将繁多的专业课内容精简，从而实现了知识由“厚变薄”。

授课完毕，以思考题和讨论题两种形式布置习题，实现学生将知识由“薄变厚”。思考题主要是针对本课程的主题内容和知识点，使学生在掌握课堂讲授知识点的基础上，对教师主体内容框架进行系统复习，进一步将主线知识点细化。讨论题目是融通本门课程及与其相关的基础课、专业基础课之间的知识点，将教师授课的主体内容拓展成“网”，加深对所学知识的理解，培养和提升学生的专业思维能力。

例如，如何解决膜通量和截留之间存在的trade-off效应（通量和截留率呈反方向变化，如图2所示），可引导学生从影响通量和截留的因素入手，找出既可增大通量又可提高截留率的手段，或者让学生考虑满足这种条件的膜应该具有哪些特征，然后提出解决方案。又如，针对聚合物亲疏水性问题（图4所示），可适当拓展一下常见亲水官能团的种类、亲水性能的高低以及与自然界水体中钙镁离子结合的强弱对膜抗污染性能的影响，从而增强学生从工程的角度思考问题的意识。

这种课堂上将知识由“厚变薄”和课后将知识由“薄变厚”的结合方式，完全可实现在有限的学时里达到有效掌握专业课的精髓，加深对专业知识的理解，培养专业思维方式的目的。学生可以进一步巩固以前所学的四大基础化学、《化工原理》《高分子物理》《高分子化学》等基础课或专业基础课的知识，从而为后续学习《功能高分子》《材料表面与界面》《化纤工艺学》《高分子材料及应用》《高分子材料及改性》等课程打下坚实的基础。当然，这种授课方式对教师也提出了更高的要求，即教师不仅要对本专业的知识体系有较深的了解，熟知相关学科的课程体系，而且还要有长时间从事科研的经历，这样方可从纵、横两方面归纳出课程知识点并将其有机地连接起来。

四、结束语

专业课的教学改革是一个不断探索的过程，学生通过一门专业课的学习，不仅仅只是学到书本的内容，更重要的是要学会用专业的思维去思考和解決问题，也就是说，既要有本专业的技能，更要学会知识横纵向的融通，达到上述目的需要学校、教师和学生的共同努力。从该课程在材料专业大三本科生五年的教学实践效果来看，这种针对专业课的教学方式既有效巩固和加深学生对专业课以及与其相关的基础课、专业基础课知识的掌握，又培养了学生从专业的角度系统分析问题、解决问题的能力，有利于全面提升学生的专业能力和综合素质。

参考文献：

[1]教育部高等学校教学指导委员会.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（上）-材料类教学质量国家标准[K].北京：高等教育出版社，2018，（1）：284-292.

[2]安树林.膜科学技术及其应用[M].北京：中国纺织出版社，2018，（10）.

[3]何曼君，张红东，等.高分子物理（第三版）[K].复旦大学出版社，2006，（10）.

[4]顾宜，赵长生.材料科学与工程基础（第二版）[K].化学工业出版社，2018，（6）.

[5]潘祖仁.高分子化学（第五版）[K].化学工业出版社，2011，（3）.

[6]陈敏恒，丛德滋，方图南.化工原理（上册）[K].化学工业出版社，1996，（3）.

The Exploration of Reform in Education for University Major Courses

—Educational Reform and Practice for the Curriculum "Membrane Separation Technology" of Materials Science and Engineering

CUI Zhen-yu，HUANG Qing-lin，LIN Li-gang，DING Xiao-li，YE Hui，ZHAO Yi-ping，ZHANG Gui-fang

（School of Material Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin 300387，China）

Abstract：In this paper，the core about expanding knowledge，cultivating and improving comprehensive ability to analyze and solve problems of student，the main line of phenomena and Problems→Analysis and Synthesis→Solution and Development"，the principle of "Thicker to Thinner" in classroom teaching and "Thicker to Thinner" of knowledge review after-class were proposed.The teaching idea on combining the knowledge points of specialized course teaching with basic course and specialized basic course was established.Through the reform and practice of this teaching method，it not only effectively consolidates and deepens the students' knowledge of basic courses and specialized basic courses，but also cultivates the students' ability to systematically analyze and solve problems from the professional point of view.Finally，the students' comprehensive quality and professional ability were improved.

Key words：membrane separation technology;expandition;analysis;solve

收稿日期：2019-05-11

基金项目：天津工业大学高等教育教学改革项目《膜分离技术》课程改革与实践（项目编号：2017-2-06），天津市教育科学“十三五”规划重点课题“地方高校材料专业供给侧改革与双一流大学专业建设研究”（项目编号：E1001），“纺织之光”中国纺织工业联合会高等教育教学改革项目“大型综合实验在大学生创新能力培养中的作用”（项目编号：2017BKJGLX233）

作者简介：崔振宇（1975-），男（汉族），辽宁阜新人，天津工业大学材料科学与工程学院，教授，博士，研究方向：聚合物膜材料。

通讯作者：崔振宇。