談環(huán)境類專業(yè)物理化學(xué)教學(xué)改革實踐

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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)境類專業(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)在該專業(yè)中的專業(yè)定位。通過強化以學(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，開展了環(huán)境類專業(yè)物理化學(xué)工程教育的教學(xué)改革與實踐。

[關(guān)鍵詞]物理化學(xué)；教學(xué)改革；工程教育；環(huán)境類專業(yè)

為了適應(yīng)國際發(fā)展趨勢，應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，在新的經(jīng)濟背景下，基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢和立德樹人新要求，工科專業(yè)的工程教育改革是必然趨勢與發(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，強調(diào)在立德樹人基礎(chǔ)上，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1]；同時，通過設(shè)定專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和連接專業(yè)準(zhǔn)入制度，工程教育認(rèn)證制度對于提高高校工程專業(yè)教學(xué)水平與學(xué)生的工程能力具有重要的推動作用[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，通過持續(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)提高工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量并強化專業(yè)特色，從根本上提高學(xué)生的工程能力，是當(dāng)前工程專業(yè)的改革重點與趨勢之一。當(dāng)前大類招生與分類培養(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)等專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)模式遇到了一些新的問題和挑戰(zhàn)，還不能很好地適應(yīng)國際社會與行業(yè)快速發(fā)展對人才的需求。環(huán)境類學(xué)科的工程教育是針對學(xué)科自身發(fā)展規(guī)律、社會需求及良性發(fā)展而進(jìn)行的教學(xué)模式改革，對專業(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)境類專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課，針對環(huán)境類專業(yè)工程教育的課程改革是重要方向。物理化學(xué)邏輯性強、概念抽象、對數(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)過程中普遍認(rèn)為難以理解和掌握相關(guān)原理與方法，對很多學(xué)生來說是極具挑戰(zhàn)性的一門課程[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)想與實踐[7-10]。針對環(huán)境類專業(yè)教學(xué)改革與專業(yè)發(fā)展現(xiàn)實述求(環(huán)境類大平臺招生，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)境類專業(yè)培養(yǎng)中物理化學(xué)的基礎(chǔ)性功能為切入點，從效果跟蹤與結(jié)果反饋的角度，分析物理化學(xué)教學(xué)在新形勢下環(huán)境類專業(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)科思維在專業(yè)教學(xué)、學(xué)生培養(yǎng)及個人特性發(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)在專業(yè)培養(yǎng)中的功能與定位，并提出針對性的改進(jìn)與強化措施，為提高專業(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)課程體系對環(huán)境類工程專業(yè)培養(yǎng)的支撐

物理化學(xué)是環(huán)境類專業(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)識視野、提高認(rèn)知水平、夯實專業(yè)基礎(chǔ)、加強專業(yè)能力、啟蒙專業(yè)認(rèn)識等重要作用。通過調(diào)研國內(nèi)典型工科院校中環(huán)境類專業(yè)的物理化學(xué)課程學(xué)時設(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)類專業(yè)可能會更高，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)、動力學(xué)、界面、膠體與高分子等內(nèi)容；“雙一流”工科院校對物理化學(xué)在課時和內(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。在實際授課過程中，根據(jù)課程目標(biāo)與學(xué)生掌握情況，調(diào)研了五個平行教學(xué)班級(調(diào)研對象包括環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程等三個專業(yè)的班級，樣本總數(shù)151人，下同)對物理化學(xué)課時數(shù)的期望值。學(xué)生對物理化學(xué)課時的平均期望值為80學(xué)時，普遍高于當(dāng)前設(shè)置的48學(xué)時，可見物理化學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)生在短時間內(nèi)掌握這么多內(nèi)容存在一定的困難。實際上，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小時去復(fù)習(xí)鞏固知識、強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)、平衡與動力學(xué)三部分，但是平衡與動力學(xué)部分內(nèi)容是環(huán)境類專業(yè)最為基礎(chǔ)與核心的內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)與原理支撐。對環(huán)境類專業(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)生對物理化學(xué)中的熱力學(xué)、平衡、電化學(xué)及動力學(xué)印象相對更深刻，說明這些內(nèi)容有可能在后續(xù)的學(xué)習(xí)與工作用有實際接觸或應(yīng)用?？梢?，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與物理化學(xué)課程特點，需要對整體教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，在平衡與動力學(xué)兩方面內(nèi)容上進(jìn)行適當(dāng)強化，尤其是結(jié)合環(huán)境實際問題進(jìn)行講解，使學(xué)生對基本的物化原理有實際針對性的理解，并加強利用平衡與動力學(xué)的方法去分析復(fù)雜環(huán)境問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與解決實際問題的能力。

2物理化學(xué)教學(xué)對環(huán)境類工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的作用

2.1物理化學(xué)教學(xué)對學(xué)生能力培養(yǎng)的作用

對授課班級進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)：學(xué)生普遍認(rèn)為物理化學(xué)對自己的專業(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)生對物理化學(xué)的興趣產(chǎn)生很大波動(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)在公式運用、知識面、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)時內(nèi)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的知識運用能力和創(chuàng)新精神，是物理化學(xué)課程教學(xué)過程中需要解決的實際問題。這需要對物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行深入研討，并對教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行創(chuàng)新，以培養(yǎng)出“新工科”背景下具有扎實基礎(chǔ)知識和創(chuàng)新意識并能夠解決復(fù)雜工程問題的高級人才。針對環(huán)境類專業(yè)的特點，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際環(huán)境問題與案例，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“問題導(dǎo)向”的教學(xué)模式，讓學(xué)生參與到教學(xué)過程中，將有助于形成良性互動教學(xué)氛圍。通過增強學(xué)生對物理化學(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，并強化學(xué)生利用物理化學(xué)原理與方法分析和解決實際環(huán)境問題的獨立思考意識、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際環(huán)境問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并能嘗試思考與解決復(fù)雜的實際問題。因此，物理化學(xué)教學(xué)的核心之一應(yīng)該是對物理化學(xué)基本規(guī)律的應(yīng)用。利用針對性的課后習(xí)題進(jìn)行訓(xùn)練，以加深學(xué)生理解基本規(guī)律，并強化其對實際問題的思考與解決。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，今后還需要針對專業(yè)特點，設(shè)置更加貼近實際的問題、案例，強化學(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)境問題。

2.2物理化學(xué)學(xué)習(xí)對學(xué)生個性發(fā)展的作用

實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)學(xué)生對掌握物理化學(xué)基本原理方法及應(yīng)用情況的自我評價整體較差(4.4分/10分)，說明學(xué)生在物理化學(xué)原理與方法掌握的全面性、系統(tǒng)性上存在一定問題，在利用物理化學(xué)的方法解決實際問題方面存在較大的不確定性，本質(zhì)問題應(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，經(jīng)過物理化學(xué)，學(xué)生認(rèn)為可以顯著拓寬其知識面(7.5分/10分)，有助于加深對專業(yè)內(nèi)涵的理解(6.9分/10分)，可以適當(dāng)提升其對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣(5.1分/10分)，并有效地促進(jìn)對實際工程問題的理解與分析(6.8分/10分)。多年跟蹤調(diào)查表明：學(xué)生對物理化學(xué)在專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握、工科專業(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)生會翻閱物理化學(xué)資料解決理論與實際問題。今后的教學(xué)過程中需進(jìn)一步聯(lián)系環(huán)境領(lǐng)域的實際問題，以貼近實際生活的經(jīng)驗與案例，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際問題，并在實際問題中提煉與總結(jié)物理化學(xué)的基本規(guī)律。緊密聯(lián)系實際，從實際工程中來，到實際工程中去，加強啟發(fā)式教學(xué)，鼓勵對實際問題的創(chuàng)新性分析與思考，強化利用理論方法分析實際問題，并以實際經(jīng)驗佐證與支撐理論，學(xué)以致用、教學(xué)相長，拓寬學(xué)生知識面，加深對原理的理解與掌握，提高分析問題的全面性與深刻性，促進(jìn)對專業(yè)內(nèi)涵與發(fā)展的理解，提高對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，夯實分析與解決實際復(fù)雜工程問題關(guān)鍵環(huán)節(jié)與核心問題的獨立思考素質(zhì)與能力。

2.3物理化學(xué)思維模式對學(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之一，而物理化學(xué)對于塑造學(xué)生思維能力的獨立性、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。通過調(diào)研表明：學(xué)生普遍認(rèn)為物理化學(xué)的學(xué)習(xí)對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)，明顯強化了思維的深刻性與全面性(7.2分/10分)，加深了對自然科學(xué)的理解(6.9分/10分)，加強了對實際工程問題的理解與分析能力(6.7分/10分)，明顯提升了對實際問題分析的全面性與深刻性(7.4分/10分)，并有助于對科學(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)對其思維方式和思維能力的培養(yǎng)最為重要。在實際教學(xué)過程中，以實際環(huán)境問題與工程為核心，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，觸類旁通，總結(jié)歸納，并通過邏輯推理與批判分析，針對性地提出創(chuàng)新性的環(huán)境問題分析方法與解決思路，為分析復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)打下堅實基礎(chǔ)，從而從根本上提高其分析問題的能力、學(xué)術(shù)創(chuàng)新的意識與專業(yè)的工程能力。

3結(jié)論

通過調(diào)研的方式進(jìn)一步明確了物理化學(xué)在環(huán)境類專業(yè)培養(yǎng)中的功能與定位。針對新工科建設(shè)的趨勢與工程教育專業(yè)認(rèn)證的形勢，總結(jié)了相關(guān)院校教學(xué)經(jīng)驗，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，如實際環(huán)境問題導(dǎo)向、重點內(nèi)容設(shè)置、推導(dǎo)過程簡化、工程案例探討、課堂主題討論、課后訓(xùn)練強化等方式方法應(yīng)用到環(huán)境類專業(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)