新工科背景下《工程化学》教学改革的实践与思考

李 姣

(石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043)

新一轮科技革命和产业变革已经到来。为应对日益严峻的国际环境，进一步巩固并发展我国在传统工业和新兴工业领域中的地位，高等教育工科人才培养模式和课程教学改革势在必行。在全球科技革命驱动、国家重大战略需求及工程教育范式变革等因素交汇下催生出了工程教育新形态，即“新工科”[1]。新工科建设不仅是对人工智能等新兴产业输出对口人才，还是对土木、机械、交通、信息、材料等传统工科专业进行升级改造，致力于培养未来多元化、创新型卓越工程人才[2]。探索符合新工科人才培养要求的课程教学模式并提升教学质量对新工科建设具有重要意义。

《工程化学》是大部分工科高等院校面向土木工程、机械工程、车辆工程、交通运输等专业开设的非化学化工类专业课程。以笔者所在石家庄铁道大学为例，本课程是对土木学院的土木工程、勘察技术与工程等专业的大一学生，以及对机械学院的机械设计制造及其自动化、建筑环境与能源应用工程、车辆工程等专业的大二学生开设的专业基础课，涉及学生人数达一千多人。在学生原有中学化学知识的基础上，加深对化学理论和机理的学习，并侧重与工程实际的结合，对中后阶段学习其他专业课起到承上启下的重要作用。目前，各校常采用的教材有东南大学化学系编写的《工程化学》以及浙江大学陈林根教授主编的《工程化学基础》等。教材主要内容涵盖物质的组成、结构与性质、化学反应基本原理、水溶液中的解离、沉淀和配位反应及其平衡、氧化还原反应与化学电源等基础理论，并介绍化学在能源、水资源保护、金属材料防护、机械和环境工程材料、生物医药工程等领域中的应用。此外，根据各学校情况和专业特点，通常设置几个重点理论知识相关的实验操作，例如，解离平衡和沉淀反应实验。本课程的最终目标在于培养工科专业学生用化学的理论知识、观点和思维方式来解决实际工程案例中可能碰到的化学相关问题。课程目标对标于新工科下卓越人才工程教育的专业培养目标和应具备的能力，能够从知识、技能和研究、人文素养、发展和创新等多个层面给予支撑。

笔者通过近年来《工程化学》的教学实践发现，普遍存在着一些问题：1)作为非化学化工类专业的化学课程，分配的教学时数少，教学进度快，学生往往没有真正领悟并掌握解决问题的化学思维方式。2)教学内容和学生本专业的工程实际结合不紧密，依然采用原有传统课堂教学模式，没有针对卓越工程师计划结合课程相关内容着重提升学生的工程实际应用能力。3)仅较弱体现各工科专业培养目标中的人文素养和国际视野等软实力，不能提供满足新工科要求的复合型工程技术应用人才。4)学生化学基础参差不齐。由此可见，《工程化学》课程的教学目标必须与时俱进，教学环节必须进行改革与创新，才能培养出符合国家新时期工程建设所需的复合型、全面型人才。

1 工程化学教学改革策略

1.1 突出思政教育的重要位置

将教书与育人有机结合，育人为本，德育为先。这是由大学教育的性质、社会职能以及培养目标决定的。新时代全国高等学校本科教育工作会议中“四个回归”之一的“回归初心”，即将促进专业知识教育与思想政治教育相结合，把立德树人提升到一个新的高度，这些都与新工科内涵以立德树人为前提相辅相成。但在以《工程化学》为代表的工科专业课授课过程中，教师面临的一个难题就是如何选取合适的思政案例，并将具体知识和思政教育融合得自然而不生硬，起到“随风潜入夜，润物细无声”的效果[3]。

深入挖掘结合点，并对学生“投其所好”，适度贯以具体而生动的事例效果较好。笔者认为，可以从几个方面进行思政融入：1)加强爱国教育，培养民族精神。近年来，我国在多个科技领域取得了重大突破。在讲原电池时，结合在我国航天工业和先进军事装备中的应用，培养学生的家国情怀。另外，“零零后”的大学生群体，对网络新兴热门词汇的好感度较高，可以融入有积极影响力的网络词汇。如，针对土木和机械专业的学生讲解氧化还原反应时，以在桥梁隧道等工程建设中涉及到金属防腐蚀为应用举例，并提到外媒评价我国为“基建狂魔”，展示我国大国实力，培养学生的专业认可度以及民族自豪感。2)树立学习榜样，培养正确的人生态度和观念。介绍和课程内容相关的贡献突出的科学家。例如，讲授化学反应动力学和酸碱理论时，介绍做出开创性贡献的瑞典物理化学家阿累尼乌斯；在原电池讲解中，介绍以最高龄获诺贝尔化学奖的古迪纳夫教授；讲解配合物在生物化学中的应用时，引入在新型冠状病毒疫情下我国科学家研制疫苗的事迹，鼓励学生学习攻坚克难和精益求精的工匠精神。另外，在讲解热力学自发过程时以水的流动为例，并借助俗语“水往低处流，人往高处走”“学如逆水行舟，不进则退”，引导学生保持前进动力，以昂扬奋进的态度面对学习和生活。3)增强环保意识，培养良好的工程伦理观。“十四五”规划以来，我国更加突出了环保在社会发展中的首要地位，而化学又是和环保息息相关的一门学科。让学生运用化学反应进行工业废水处理的方案设计，推广清洁能源交通工具出行等等，使学生清晰认识到“绿水青山就是金山银山”，在今后的工程实践中考虑到环保因素，树立正确的工程伦理观念。

课程思政在《工程化学》教学中能够深挖到多个结合点，重要的是针对教学内容和学生专业的具体特征，在学习化学知识的同时培养学生树立正确的思想观念，使之坚定理想信念，矢志拼搏奋斗。

1.2 混合式教学模式和方法

针对大学教学的专业性、探索性、独立性、实践性等基本特点，在教学方法和模式的选择上应做到因地制宜、灵活变通、因材施教，原则应是教学有法、教无定法、贵在得法、重在启发。另外，如何采用合适的教学方法和模式使得工程实践有机融入到理论教学中也是需要深入思考和改进的。

在传统的《工程化学》课堂教学模式中采用的教学方法，应充分考虑和教学内容的匹配度以及对课堂教学质量提升的成效。1)恰到好处地运用多媒体演示法激发学习兴趣，调动学习积极性。比如，在讲解比较枯燥的原理时，运用生动形象的动画展示；在讲授和实际紧密结合的应用类知识点时播放相应短片，学生往往会对知识表现出浓厚兴趣。另外，将课堂理论教学和实验部分有机结合，采用多媒体演示图形变化的方法，模拟实验过程和思路，可使抽象的知识具象化，枯燥的知识趣味化，静止的知识动态化。2)在课堂中采用实验嵌入法结合问题引导探究法，达到事半功倍的效果。例如，讲授弱电解质解离平衡时，在课堂上演示醋酸稀释前后溶液酸碱度变化的实验，能够使学生更深刻地理解稀释定律；讲授沉淀-溶解平衡的酸效应时，将白醋去除水垢这一生活小妙招带到课堂演示。实验教学不可与理论课程割裂开来，而通过在课堂上引入实验，或在课件中展示实验操作过程和现象，能够有效引导学生探究实验现象的本质，加深对理论知识的理解。3)采用工程案例教学法引导并启发学生思考，并将理论知识和学生本专业的实际应用紧密结合。例如，讲授化学平衡移动的影响因素时，以工业高炉炼铁反应为典型案例，思考和讨论如何提高炼铁产率，引导学生的开放性思维；讲解不同类型化学反应的应用时，以工业上去除锅垢作为沉淀转化的典型案例，以机械金属零部件表面电镀作为配位反应应用的典型案例。重要的是深入挖掘工程化学知识和工科专业的切入点，并采用合适的教学方法讲授。

另外，当今全球新冠疫情对传统的课堂教学形成了巨大冲击，为适应疫情新形势，响应国家“停课不停教，停课不停学”的倡议，线上线下混合式教学的新模式已成为发展趋势。这也对高校教师利用信息技术创新教学方式、方法，依托在线教学平台实现互动教学、培养学生自主学习能力提出了新的挑战[4]。充分利用好SPOC、MOOC、学堂在线等线上课程资源，并结合雨课堂、超星学习通等学习软件和QQ直播、腾讯会议等通讯直播平台的灵活使用，有利于实现以学生为主体的教育理念，激发学生的学习兴趣，提高自主学习、独立学习、知识整合以及主动解决问题的能力[5]，培养出新工科背景下国家所需的能力和素质全面的工程技术应用人才。

将线上线下混合式教学设计为“线上自主学习-线下翻转课堂-师生互动反馈”的教学模式。为节约有限的学时并拓展课堂知识，引导学生主动探究理论和工程实践的结合，通过课前学习平台推送，以任务驱动的方式引导学生搜集工程案例。例如，在学习化学动力学的简单级数反应时，让机械学院的学生查找零级反应和专业相关的应用，许多学生通过自学了解了金属器件表面电解抛光技术。另外，鼓励学生主动完成线上平台已搭建好的微课学习，教师全程监督学习进度和情况。学生通过对主要知识点进行前期学习形成初步概念，并完成相应测验，把自学中不懂的问题在学习平台发布，教师及时收集问题和错题。在课堂上采用“案例引入、抛出问题、重难点讲授、联系实际和练习、总结归纳”的模式。陶行知先生指出“教学的中心是实际生活”，因此引入环节主要采用学习任务中搜集的优秀工程实际案例，激发学生求知欲并使其认识到工程化学知识与专业、生活和今后工作的紧密联系。随后抛出案例中隐含的理论问题引出课程的核心内容，针对预习问题和错题进行重点讲解和分析，将知识点进行梳理和强化，并开展教学内容的拓展和升华。心理学家波斯纳提出教师成长等于经验加反思的公式。因此教师在教学过程中要勤思考、肯钻研、善反思、多总结。采取教学全程师生互动和接收学生反馈的方式，例如，在学习平台的讨论区定期开展主题讨论和项目研究等活动，在留言区定期组织学生对教学效果进行阶段性评价和反馈，都有利于《工程化学》教学效果的提升。

1.3 适当融入专业英语

高等教育更重要的是达到能力培养和情感激发的高阶教育目标。对标新工科背景下的工科专业人才培养目标，即具有一定的国际视野，了解学科和专业的国内外发展动态和技术前沿，具备在实践中不断获取知识的能力，以及具备爱国、创新等精神。因此除了使学生掌握课程教学内容涵盖的知识点并形成知识体系，培养学生具备从事本专业技术工作所需的基础理论知识及专业技术能力以外，大学教师要更加清晰的认识到“授之以鱼不如授之以渔”。大学只不过是人生中的一个学习阶段，教师要培养学生持续学习的能力和态度，使工程技术应用人才具备应对新形式下国外技术封锁的能力，跟得上技术更新的速度，并且能够在先进技术领域中主动探求创新。

目前，在诸多工科专业中均设有专业英语课程，然而随着高等教育减负和学分减少，一些学校削减了专业英语课程学时，或将其融入到其他专业课程教学中而取消了独立设课。但专业英语对于培养学生的国际视野，了解学科和专业的国内外发展动态和技术前沿具有重要的工具作用。笔者认为，在讲述和学生本专业衔接紧密的知识内容时，将工程化学领域的专业英语贯穿其中，尤其是普及和积累一些化学英语词汇，能够为学生在今后读懂国际上的专业英文资料，持续学习国际上先进的化学化工技术，并采用前沿技术解决实际工程问题打下良好基础。例如，在对土木学院的勘察技术与工程专业授课时，对照教材附录的元素周期表着重介绍地质中的常见化学元素，并补充常见元素和物质的英文名称；面向机械学院的建筑环境与能源应用工程专业的学生重点讲解热、功、能量、能源等相关英文词汇。另外，在课时允许的情况下给学生讲授工程化学相关的文献、法律法规、技术规范与标准等英文资料的查找方法。例如，在讲解利用沉淀反应去除工业废水中的重金属离子时，让学生查找国内和国际的水资源质量标准，并通过检索和阅读权威期刊上英文文献，了解光催化、电催化去除水体污染物的先进科学技术，将科学研究的前沿知识和课本中的传统知识结合起来，在科研和教学融合、知识更新的同时也开拓了学生的国际视野，锻炼了学生的综合能力和素质。

2 结语

新工科建设在高等教育整体改革创新中具有“头雁效应”。新工科背景下为培养复合型、创新型、全面型的工程技术应用人才，《工程化学》这门工科专业基础课程的改革势在必行，可以从多个方面着手，如探索突出并自然融入思政教育的方法，将课堂教学模式和方法合理充分混合，并适当开展专业英语教学。通过以上措施和方案，希望对《工程化学》课程乃至对培养新工科人才具有重要作用的其他专业基础课程的教学起到一定启发作用。