工程教育環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)教學(xué)改革
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[摘要]以“新工科”建設(shè)與工程教育的理念為指導(dǎo)，調(diào)查分析了物理化學(xué)課程體系、思維模式等在環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程教育中的功能與作用規(guī)律，進(jìn)一步明確物理化學(xué)在該專(zhuān)業(yè)中的專(zhuān)業(yè)定位。通過(guò)強(qiáng)化以學(xué)生為中心的教學(xué)模式、踐行以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)方式、借助持續(xù)性改進(jìn)措施，開(kāi)展了環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)物理化學(xué)工程教育的教學(xué)改革與實(shí)踐。
[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)；教學(xué)改革；工程教育；環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)
為了適應(yīng)國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，在新的經(jīng)濟(jì)背景下，基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)和立德樹(shù)人新要求，工科專(zhuān)業(yè)的工程教育改革是必然趨勢(shì)與發(fā)展方向[1]。新工科教育的定位明確、內(nèi)涵豐富、要求嚴(yán)格，強(qiáng)調(diào)在立德樹(shù)人基礎(chǔ)上，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]；同時(shí)，通過(guò)設(shè)定專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和連接專(zhuān)業(yè)準(zhǔn)入制度，工程教育認(rèn)證制度對(duì)于提高高校工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平與學(xué)生的工程能力具有重要的推動(dòng)作用[2]。以新工科的教育理念為指導(dǎo)，以工程教育認(rèn)證為契機(jī)，通過(guò)持續(xù)性改進(jìn)，全面轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心的培養(yǎng)模式[3]，強(qiáng)化以成果為導(dǎo)向的理念[4]，踐行持續(xù)改進(jìn)的思路[5]，持續(xù)提高工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)質(zhì)量并強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)特色，從根本上提高學(xué)生的工程能力，是當(dāng)前工程專(zhuān)業(yè)的改革重點(diǎn)與趨勢(shì)之一。當(dāng)前大類(lèi)招生與分類(lèi)培養(yǎng)的基本教學(xué)培養(yǎng)模式日趨明顯，高校環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程、環(huán)境科學(xué)等專(zhuān)業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式遇到了一些新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，還不能很好地適應(yīng)國(guó)際社會(huì)與行業(yè)快速發(fā)展對(duì)人才的需求。環(huán)境類(lèi)學(xué)科的工程教育是針對(duì)學(xué)科自身發(fā)展規(guī)律、社會(huì)需求及良性發(fā)展而進(jìn)行的教學(xué)模式改革，對(duì)專(zhuān)業(yè)教學(xué)與學(xué)生培養(yǎng)具有重要影響。物理化學(xué)是環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課，針對(duì)環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程教育的課程改革是重要方向。物理化學(xué)邏輯性強(qiáng)、概念抽象、對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、推理和公式繁多且應(yīng)用條件嚴(yán)格復(fù)雜、學(xué)科交叉內(nèi)容較多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍認(rèn)為難以理解和掌握相關(guān)原理與方法，對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)是極具挑戰(zhàn)性的一門(mén)課程[6]。為了提高教學(xué)質(zhì)量，物理化學(xué)的教學(xué)改革已有諸多設(shè)想與實(shí)踐[7-10]。針對(duì)環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革與專(zhuān)業(yè)發(fā)展現(xiàn)實(shí)述求(環(huán)境類(lèi)大平臺(tái)招生，包括環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程等專(zhuān)業(yè))，結(jié)合當(dāng)下招生培養(yǎng)新模式及教學(xué)改革新需求，以環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)中物理化學(xué)的基礎(chǔ)性功能為切入點(diǎn)，從效果跟蹤與結(jié)果反饋的角度，分析物理化學(xué)教學(xué)在新形勢(shì)下環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)發(fā)展中面臨的新挑戰(zhàn)，探討物理化學(xué)課程內(nèi)容、教學(xué)方式、課程體系及學(xué)科思維在專(zhuān)業(yè)教學(xué)、學(xué)生培養(yǎng)及個(gè)人特性發(fā)展中的作用規(guī)律，尋找創(chuàng)新性的解決方法，進(jìn)一步明確物理化學(xué)在專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)中的功能與定位，并提出針對(duì)性的改進(jìn)與強(qiáng)化措施，為提高專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)質(zhì)量提供一定參考。
1物理化學(xué)課程體系對(duì)環(huán)境類(lèi)工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的支撐
物理化學(xué)是環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)性課程，具有建立基本物化概念、訓(xùn)練物化思維、拓寬認(rèn)識(shí)視野、提高認(rèn)知水平、夯實(shí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)、加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)能力、啟蒙專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)等重要作用。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)典型工科院校中環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的物理化學(xué)課程學(xué)時(shí)設(shè)置情況發(fā)現(xiàn)，整體上物理化學(xué)學(xué)分為3.0分以上，環(huán)境科學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)可能會(huì)更高，授課內(nèi)容基本涵蓋了完整的熱力學(xué)、溶液、平衡、電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)、界面、膠體與高分子等內(nèi)容；“雙一流”工科院校對(duì)物理化學(xué)在課時(shí)和內(nèi)容上的更高要求與其研究創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)相一致。在實(shí)際授課過(guò)程中，根據(jù)課程目標(biāo)與學(xué)生掌握情況，調(diào)研了五個(gè)平行教學(xué)班級(jí)(調(diào)研對(duì)象包括環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程等三個(gè)專(zhuān)業(yè)的班級(jí)，樣本總數(shù)151人，下同)對(duì)物理化學(xué)課時(shí)數(shù)的期望值。學(xué)生對(duì)物理化學(xué)課時(shí)的平均期望值為80學(xué)時(shí)，普遍高于當(dāng)前設(shè)置的48學(xué)時(shí)，可見(jiàn)物理化學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握這么多內(nèi)容存在一定的困難。實(shí)際上，學(xué)生普遍反映物理化學(xué)難度較大(平均9.3分/10分)，每次授課后需花平均4.4小時(shí)去復(fù)習(xí)鞏固知識(shí)、強(qiáng)化原理理解及提高相關(guān)能力。學(xué)生反映內(nèi)容最難的部分主要是熱力學(xué)、平衡與動(dòng)力學(xué)三部分，但是平衡與動(dòng)力學(xué)部分內(nèi)容是環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)最為基礎(chǔ)與核心的內(nèi)容，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)與原理支撐。對(duì)環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的本科生、碩士研究生、博士研究生等的持續(xù)跟蹤調(diào)研表明：在學(xué)完物理化學(xué)的后續(xù)學(xué)習(xí)與工作中，學(xué)生對(duì)物理化學(xué)中的熱力學(xué)、平衡、電化學(xué)及動(dòng)力學(xué)印象相對(duì)更深刻，說(shuō)明這些內(nèi)容有可能在后續(xù)的學(xué)習(xí)與工作用有實(shí)際接觸或應(yīng)用?？梢?jiàn)，根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與物理化學(xué)課程特點(diǎn)，需要對(duì)整體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，在平衡與動(dòng)力學(xué)兩方面內(nèi)容上進(jìn)行適當(dāng)強(qiáng)化，尤其是結(jié)合環(huán)境實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行講解，使學(xué)生對(duì)基本的物化原理有實(shí)際針對(duì)性的理解，并加強(qiáng)利用平衡與動(dòng)力學(xué)的方法去分析復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
2物理化學(xué)教學(xué)對(duì)環(huán)境類(lèi)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的作用
2.1物理化學(xué)教學(xué)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的作用
對(duì)授課班級(jí)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)：學(xué)生普遍認(rèn)為物理化學(xué)對(duì)自己的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)很重要(7.9分/10分)，但是難度很大(9.3分/10分)，實(shí)際上學(xué)生普遍認(rèn)為物理化學(xué)是他們目前所有學(xué)習(xí)課程中難度最大的學(xué)科，造成了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)的興趣產(chǎn)生很大波動(dòng)(4.8分/10分)。持續(xù)跟蹤調(diào)查顯示：近80%的學(xué)生認(rèn)為物理化學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)與工作是重要的(高于5分)，近40%的學(xué)生認(rèn)為物理化學(xué)非常重要(高于8分)。具體的表現(xiàn)在公式運(yùn)用、知識(shí)面、邏輯推導(dǎo)、思維方式及基本原理應(yīng)用。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力和創(chuàng)新精神，是物理化學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中需要解決的實(shí)際問(wèn)題。這需要對(duì)物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行深入研討，并對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行創(chuàng)新，以培養(yǎng)出“新工科”背景下具有扎實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)并能夠解決復(fù)雜工程問(wèn)題的高級(jí)人才。針對(duì)環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知規(guī)律，借助教師的科研經(jīng)歷與理解，以通俗的方式引入實(shí)際環(huán)境問(wèn)題與案例，并將物理化學(xué)原理方法與最新科技前沿相結(jié)合，采用“設(shè)疑啟發(fā)”與“問(wèn)題導(dǎo)向”的教學(xué)模式，讓學(xué)生參與到教學(xué)過(guò)程中，將有助于形成良性互動(dòng)教學(xué)氛圍。通過(guò)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理化學(xué)基本原理的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，啟蒙學(xué)生的科研興趣，并強(qiáng)化學(xué)生利用物理化學(xué)原理與方法分析和解決實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的獨(dú)立思考意識(shí)、創(chuàng)新精神、思維與能力。新工科建設(shè)與工程教育要求利用物理化學(xué)的基本原理與方法分析實(shí)際環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并能?chē)L試思考與解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。因此，物理化學(xué)教學(xué)的核心之一應(yīng)該是對(duì)物理化學(xué)基本規(guī)律的應(yīng)用。利用針對(duì)性的課后習(xí)題進(jìn)行訓(xùn)練，以加深學(xué)生理解基本規(guī)律，并強(qiáng)化其對(duì)實(shí)際問(wèn)題的思考與解決。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為課后設(shè)置的習(xí)題對(duì)于物理化學(xué)內(nèi)容的掌握與能力的提高具有很重要的作用(7.8分/10分)。因此，今后還需要針對(duì)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置更加貼近實(shí)際的問(wèn)題、案例，強(qiáng)化學(xué)生將物理化學(xué)的基本原理與方法用于解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題。
2.2物理化學(xué)學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生個(gè)性發(fā)展的作用
實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)掌握物理化學(xué)基本原理方法及應(yīng)用情況的自我評(píng)價(jià)整體較差(4.4分/10分)，說(shuō)明學(xué)生在物理化學(xué)原理與方法掌握的全面性、系統(tǒng)性上存在一定問(wèn)題，在利用物理化學(xué)的方法解決實(shí)際問(wèn)題方面存在較大的不確定性，本質(zhì)問(wèn)題應(yīng)該是在物理化學(xué)基本規(guī)律與原理的理解的深刻性和應(yīng)用拓展上存在不足與漏洞。同時(shí)，經(jīng)過(guò)物理化學(xué)，學(xué)生認(rèn)為可以顯著拓寬其知識(shí)面(7.5分/10分)，有助于加深對(duì)專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵的理解(6.9分/10分)，可以適當(dāng)提升其對(duì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣(5.1分/10分)，并有效地促進(jìn)對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的理解與分析(6.8分/10分)。多年跟蹤調(diào)查表明：學(xué)生對(duì)物理化學(xué)在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)掌握、工科專(zhuān)業(yè)能力培養(yǎng)、學(xué)術(shù)創(chuàng)新研究中最有幫助的比例最高；有近26%的學(xué)生會(huì)經(jīng)常用到物理化學(xué)的規(guī)律、方法與相關(guān)能力，有近7%的學(xué)生會(huì)翻閱物理化學(xué)資料解決理論與實(shí)際問(wèn)題。今后的教學(xué)過(guò)程中需進(jìn)一步聯(lián)系環(huán)境領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，以貼近實(shí)際生活的經(jīng)驗(yàn)與案例，利用物理化學(xué)的規(guī)律與方法進(jìn)行解讀與分析，將基本方法用于解決實(shí)際問(wèn)題，并在實(shí)際問(wèn)題中提煉與總結(jié)物理化學(xué)的基本規(guī)律。緊密聯(lián)系實(shí)際，從實(shí)際工程中來(lái)，到實(shí)際工程中去，加強(qiáng)啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵(lì)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新性分析與思考，強(qiáng)化利用理論方法分析實(shí)際問(wèn)題，并以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)佐證與支撐理論，學(xué)以致用、教學(xué)相長(zhǎng)，拓寬學(xué)生知識(shí)面，加深對(duì)原理的理解與掌握，提高分析問(wèn)題的全面性與深刻性，促進(jìn)對(duì)專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵與發(fā)展的理解，提高對(duì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，夯實(shí)分析與解決實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題關(guān)鍵環(huán)節(jié)與核心問(wèn)題的獨(dú)立思考素質(zhì)與能力。
2.3物理化學(xué)思維模式對(duì)學(xué)生思維能力與工程能力的作用
思維能力是所有素質(zhì)與能力的核心，思維能力的廣度與深度決定了思維的層次與含金量。工程教育中的思維能力是重點(diǎn)之一，而物理化學(xué)對(duì)于塑造學(xué)生思維能力的獨(dú)立性、全面性、系統(tǒng)性、深刻性、嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性、創(chuàng)新性等方面具有非常重要的作用。通過(guò)調(diào)研表明：學(xué)生普遍認(rèn)為物理化學(xué)的學(xué)習(xí)對(duì)與其思維能力的提升具有顯著作用，顯著提高了自學(xué)能力(7.7分/10分)，明顯強(qiáng)化了思維的深刻性與全面性(7.2分/10分)，加深了對(duì)自然科學(xué)的理解(6.9分/10分)，加強(qiáng)了對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的理解與分析能力(6.7分/10分)，明顯提升了對(duì)實(shí)際問(wèn)題分析的全面性與深刻性(7.4分/10分)，并有助于對(duì)科學(xué)研究的啟蒙與興趣培養(yǎng)(6.6分/10分)。多年跟蹤調(diào)查顯示，有近41%的學(xué)生認(rèn)為物理化學(xué)對(duì)其思維方式和思維能力的培養(yǎng)最為重要。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，以實(shí)際環(huán)境問(wèn)題與工程為核心，將物理化學(xué)的基本原理進(jìn)行學(xué)科交叉地發(fā)散性思考，觸類(lèi)旁通，總結(jié)歸納，并通過(guò)邏輯推理與批判分析，針對(duì)性地提出創(chuàng)新性的環(huán)境問(wèn)題分析方法與解決思路，為分析復(fù)雜工程問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而從根本上提高其分析問(wèn)題的能力、學(xué)術(shù)創(chuàng)新的意識(shí)與專(zhuān)業(yè)的工程能力。
3結(jié)論
通過(guò)調(diào)研的方式進(jìn)一步明確了物理化學(xué)在環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)中的功能與定位。針對(duì)新工科建設(shè)的趨勢(shì)與工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的形勢(shì)，總結(jié)了相關(guān)院校教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)反饋結(jié)果，嘗試將涉及到的教學(xué)方式與方法改革的成果，如實(shí)際環(huán)境問(wèn)題導(dǎo)向、重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)置、推導(dǎo)過(guò)程簡(jiǎn)化、工程案例探討、課堂主題討論、課后訓(xùn)練強(qiáng)化等方式方法應(yīng)用到環(huán)境類(lèi)專(zhuān)業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)中，以提高學(xué)生分析與解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的能力。
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作者：李旭春 陳華麗 單位：浙江工商大學(xué)
