基于新工科背景环境工程专业有机化学课程改革与探索

崔节虎 杜秀红 王香平 姜灵彦

(1.郑州航空工业管理学院 土木建筑学院,河南 郑州 450015；2.河南医学高等专科学校 检验系,河南 郑州 451191)

近年来，随着科学技术的进步和新的发展战略需求，国际环境竞争态势日新月异，国家对工程人才的需求越来越多，要求也越来越高[1]。因此，作为人才培养的基地—高等教育应紧跟经济社会发展的要求，针对这一现状，高校新工科建设应运而生。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[2-3]。为了实现新时代全国高等学校本科教育工作目标，我们必须加强工科基础教育。

环境工程专业同样必须要适应国家战略发展需求，大力开展新工科建设，以应对新时代提出的新要求。新工科建设就是要使高校环境工程专业学生掌握了基础专业知识才能更好的学以致用，适应专业的社会职业发展需求，才能成为符合行业发展和需求的卓越应用型工程人才[4]。这一建设目标就意味着新工科-环境工程专业建设将更加依赖于有机化学等基础课程的教学改革创新。有机化学作为环境工程一门重要必修专业基础课，实用性操作性很强，可为环境有机化合物污染处理提供解锁工具，那么如何才能使学生高效的学习掌握有机化学呢？关键在于教学模式、学生的学习效果以及能否学以致用。本文主要开展结合有机废水案例库等辅助工具和“大班授课+小班研讨”教学模式[5-6]，努力培养符合高等院校人才培养目标与规格要求、具有创新精神和实践能力的环境类应用型专业人才。

1 有机化学在环境工程专业面临新的挑战

通过多年的教学发现，有机化学在环境工程专业面临新的挑战[7-9]，主要问题集中在学生普遍反映有机化学难学，记忆点多而繁，学习时间相对较短，厌学情绪加大，直接导致学生对环境专业迷茫，不明白环境工程专业学生为什么学习有机化学，怎么学习有机化学，对专业发展有什么帮助？这和所处环境有关：

(1) 有机化学课程特点，内容多而复杂：有机物种类多且机理复杂，反应条件多，理论抽象枯燥，囿于课时有限，未能结合环境专业讲授，导致学生盲目被动接受知识，学生普遍反映难度大；

(2) 不同层次背景学生发展变化大，目前00后大学生已经进入大学，他们有自身明显的特点，强调相互尊重、平等交往等，需要教师认真探索，只有掌握了现在大学生学习的特点，教学改革才有针对性；

(3) 不同省市高考教改，由于有机化学知识点繁杂，很多高中没有把有机化学教学放到主要位置，导致学生有机化学基础薄弱，进入大学学习有机化学课程很吃力，并且大学知识传授除了课堂以外，需要学生课下自学、多阅读和做题练习，很多同学并不适应。

(4) 有机化学课时减少，如我校经过几次专业修订，有机化学从过去56理论课时减至48理论学时，到目前仅为32理论学时，然而有机化学知识点讲授并没有减少，因此仅仅采用传统教学模式远远不够，这就需要教师精简内容，协同环境工程专业知识，以微课、课外讨论等形式补充其他知识点。

(5) 缺少环境工程有机化合物污染处理(废气、水和土壤等污染)案例分析，对于环境工程专业来说，并没有与之配套有机化学教材，缺少每一章节内容与废水处理之间关系，不能理论联系实际，导致学生迷茫和厌学情绪蔓延，挂科率相对较高，对教师同样也是一个难题。

2 有机化学教学改革思路

2.1 强化基础，侧重应用，紧密结合环境工程专业知识

不同省市大学生化学知识基础不一，高考时一部分选择结构化学，一部分侧重有机化学，其他还有省市高考学生不选化学，因此不同省市生源化学基础不同，这就需要教师根据学生不同基础，对学生分类指导，鼓励课下多学多问，利用微信、QQ等新工具为学生解惑。

基于不同层次学生，根据环境工程专业特点，合理挑选有机化学授课内容。课堂讲授是教学实施重要环节，无法替代，且有机化学知识点多而繁，在课时逐年压缩的情况下，不可能面面俱到，必须有所侧重。基于典型化、实用化和先进性选择有机化学内容，理解强化典型性基础内容如不同物质命名、物理性质、化学性质(亲电、亲核反应等)；为了提高学生解决实际问题，创新能力，内容上加大应用有机废水案例分析，为其他课程水分析，水污控等提供有力帮助，与专业知识更加紧密，学生也从低年级更理解专业发展和前景，为后续课程学习打下良好的基础。

2.2 改变授课模式，引入讨论式教学，激发学生兴趣

受制于目前高校班级规模的不断扩大、教学内容、上课地点、人数和学校管理等因素的限制，一般情况下采用灌输的课堂讲授法授课模式，满堂灌教学模式降低教师对学生的关注，缺乏师生交流，同样学生也缺乏课堂表现和参与机会被动接受知识不利于学生创新能力培养；因此，尽管有机化学具有多繁杂等特点，需要教师根据专业取舍内容，有所侧重，如何在有限学时下让学生对有机化学有清晰的认识和理解，必须要加强小班讨论、大班启发和探究式等多种师生互动的教学方法[10]；

2.3 探索大学生学习特点，激发学生的“质疑意识”

00后大学生有自己非常鲜明的特征，虽然有一定冒险和创新精神，但普遍缺乏吃苦耐劳品质，合作精神不足，同时又十分关注尊重、交往、自主等。了解掌握大学生的，尊重大学生个人特点，适当增加知识传授中的团结协作精神，如对于一个完整水处理系统，独立个人无法完成，通过协作才能使水处理系统良好运行，提高他们对环境工程专业高度认同感。强烈的质疑意识作为思维的内动力，是创新精神的基石，是学术创新的突破口。众所周知，质疑意识决定学生创新能力高低。然而“质疑意识”需要老师的培养和激发。我国大学生由于受应试教育和家庭教育等多种因素影响，不善于表达和质疑，作为授课教师，在讨论课时要想方设法激发其显在的、动态的质疑意识，提高他们的创新能力和素质[11]。

2.4 确定课堂探讨的问题和成绩评定

基于理论联系实际确定讨论问题(1)选择既符合教学要求、具有工程应用背景和具有一定理论思考性题目；(2)选择有利于教师有课程教学，而且大部分学生能有机会提出新的答案的问题；(3)讨论题针对教材中的重要难点、不容易理解问题；(4)学生自己关心和理论有关问题。

学生关心自己成绩，如果课堂探讨的问题进行中不能合理的进行成绩划定，学生就会敷衍了事，不深入参与，基于课堂讨论教学效果和学生综合素养提高很有难度，特别有必要对有机化学课程讨论成绩进行全面分析制定合理规定。

3 新工科背景下基于环境工程专业有机化学课程应用探索

3.1 研究对象与分组

以2016级73名和2017级128名环境工程专业学生为研究对象，采取随机数字表法将其分为4个研究组，传统教学和讨论两种方式穿插进行，并把2015级环境工程69名学生采用传统教学模式作为对照组。

3.2 取舍讲授内容，加强讨论环节

首先进行传统教学授课，使同学初步认识有机化学课程整个知识脉络，理解每个体系(烷烃、不饱和烃、共轭体系、芳香烃、卤代烃、醇和酚等)命名、物理性质和典型化学性质(取代、氧化、加成、自由基等)；掌握典型反应机理：亲核反应、亲电和消除反应机理；了解规则：亲电反应、定位规则和休克尔规则等；利用典型反应鉴定物质：炔烃鉴定等；这些典型知识链条就如同导火索般点燃和激发了学生的记忆链，不仅有利于掌握各知识点之间的关联，也有利于知识点的记忆，努力培养一种不断扩展学生思维空间的“学习即思考，思考即学习”情景[12-13]。

其次抽出一定时间以课堂讨论教学为主，第一步为了对已学理论知识进一步的理解、巩固和掌握，侧重应用，将其作为基础，假设每一章讲授有机化合物均能造成水体污染，讨论采用什么技术如何消除？过程怎么样？然后四个小组课下查阅资料，课堂发言5分钟讨论。例如芳香族衍生物-苯酚污染水体，如何消除？根据文献资料选择何种技术处理，高级氧化或生物处理等，如何降解，产物为什么？最后讨论反应机理，总结消除有机物污染即为合成反应的逆过程。通过一系列问题讨论，教师结合经典的工业苯酚废水处理实例，讲授如何在实际生产中构建有机化合物化学性质与不同条件下反应机理等知识框架。

又如碳氢化合物的燃烧，充分燃烧或不充分燃烧，最后产物是什么，导致什么危害？燃料燃烧不完全排放碳氢化合物，汽车尾气中有10%碳氢化合物，它是光化学烟雾的主要成分。设置问题，引导学生积极参与，举一反三理论联系实际，提高学习有机化学课程兴趣。

再次鼓励学生自己思索并提交相应应用实例，提供可能解决方案；如讲到苯环化合物的时候，可以提问大家：同学们都喜欢吃烧烤，经高温处理后烤制品含有一种产物？引导大家积极参与讨论，提出可能存在产物，再引入稠环芳烃看其性质，有一定致癌性，结合社会现象提醒大家少吃烧制食品，尽管味道鲜美，但不可长期食用。从课堂讨论来看，学生参与度很高，借助于小组深入探讨，学生理解并掌握大班授课中所讲授的基础知识点之间联系，培养了学生之间协作精神和表达能力，注重与老师之间的互动和交流、提高学生综合素养和创新精神，效果良好。

3.3 工业有机废水水处理案例库的建设

依据环境工程专业的有机化学课程标准，结合环保工程师等资格考试知识要点，搜集具备典型工业有机废水处理指标的案例。尽可能包含环境工程绝大多数常规有机废水处理项目、最新的处理方法及技术的反应机理问题案例。同时也搜集设计一些典型有机废水处理案例，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力，拓宽知识面，如表1。

表1 典型工业有机废水处理技术及反应机理

3.4 选择典型专业背景研究问题，利用问题和质疑意识法培养学生创新意识

基于科研和相关企业课题，选择典型专业背景研究问题，解决实际问题，切实提高学生收集文献、归纳整理、分析与解决能力问题。

氨基苯酚废水具有致癌性，难处理。根据课题组多年科研研究，从氨基苯酚结构入手，让学生了解其物理和化学性质，基于理论讲授臭氧等氧化剂作用，设置氨基苯酚中苯环怎么才能断裂这一问题，会涉及到那一部分内容，可能会怎么样？根据问题学生课题进行补充；

再比如近几年，大蒜制造业蓬勃发展，各种大蒜加工企业规模不断扩大，由此产生了大量的加工废水，近三年引入课堂，大蒜废水很难用生化法进行处理，为什么难？了解大蒜成分：大蒜废水主要含有大蒜素，化学名称为二烯丙基三硫化物，具有强烈的刺激味和特有的辛辣味，对许多革兰氏阳性和阴性细菌及真菌具有很强的抑制作用，怎么解决呢？需要对大蒜废水进行前处理，把二烯丙基三硫化物分子进行破坏，使其失去抗菌性，后续可以进行生物处理。这样一步一步设置问题进行引导，让学生自己提出问题，课下查阅资料课上交答案，通过这样问题引导法，学生查阅资料能力，问题能力和解决能力提高很快，超出预期。

3.5 教学效果评价

培养创新性应用型人才，学生必须体现解决实际问题的能力，因此制定合理评价体系对提高学生积极参与和学习至关重要。改革考核方式：(1)期末考试占70%，试题增加要贴近专业和社会现象，考核学生理论联系实际能力；(2)讨论课程占20%，此项分数由两部分不同组学生匿名和教师共同打分，汇总后提交教师；(3)突出奖励加分，若讨论课中表现突出，解决问题能力优异，可给予不超过5分的加分奖励。(4)作业和考勤占10%，通过课后作业和日常考勤共同确定。

通过近三年实施，对参加学生严格考核，并进行学习效果评价和针对教学效果的学生信息反馈调查。结果发现，多数同学都积极参与讨论课发言，每位同学都参与打分，说明有机化学改革模式受到了学生的关注和认可。按总成绩90～100分、80～89分、60～79分、60分以下，结果见表2。

表2 传统与改革成绩评价对比分析

2015级以传统授课模式，课堂中发现学生学习兴趣不高，厌学情况严重，在成绩上同样表现，不及格率高达38.24%。从2016级开始改革教学模式，根据环境工程专业需求，大胆精简课程内容，取舍讲授内容，加强讨论环节，强基础，重应用，引入科研和社会环境现象，积极引导学生思考，提高学生兴趣。学生学习态度端正，积极参与课堂讨论，实施以后，效果良好。2016级和2017级学生降至16.44%,15.63%。同时针对教学效果的信息反馈调查采用问卷形式，调查研究组学生对教学效果的评价，90%以上学生喜欢授课+讨论模拟+案例教学，引导学生思考模式。

4 结束语

基于新工科建设背景，针对环境工程专业有机化学课程存在知识点多和课时少局限，在教学中进行了一系列有意义的尝试，开展有机废水案例库和“大班授课+小班研讨”教学模式等辅助模式，教学与生产实践及科研相结合等课程改革的探索与实践。大胆精简课程内容，取舍讲授内容，加强讨论环节，强基础，重应用，引入科研和社会环境现象，积极引导学生思考，提高学生兴趣。学生学习态度明显端正，积极参与课堂讨论，效果良好。通过有机化学改革教学模式可以有效多维度地培养学生的创新能力、学习能力及获取能力，为环境工程专业新工科应用型人才培养提供有益探索。