基于工程案例教学法的《大学化学》构建与实践*

吴利军，郭守杰，王 磊，张时星, 张万强, 燕小然，程 妍

(许昌学院化工与材料学院，河南 许昌 461000)

随着社会的不断进步及经济的不断发展，人才市场需求也在持续的变化之中，社会对高校毕业生的质量提出了更高的要求，人才需求也逐渐从单一模式向多元化，多层次方向转变，高等教育的供给侧结构性改革，就是顺应社会发展，提高供给端的人才培养质量，提高人才培养质量就需要高校进行一系列的课程改革，这就对高校的课程教学提出了新的要求[1]。加之新时代高等教育的重心已由单纯知识的传授转向工程实践能力和创新能力的培养，尤其对于地方性应用型本科院校而言，更应注重学生知识运用能力的培养。鉴于此，在专业课程教学过程中探索培养学生工程实践能力的有效方法和途径，建设一门以培养高素质应用型工程人才为目的的化学类课程，开创有特色的教学，符合地方本科高校向应用型高校转型发展需求。同时，可为“经济社会发展对高质量多样化人才需要与教育培养能力不足的矛盾”找到一条合适的解决方案。基于上述背景，我们对《大学化学》课程开展教学改革。

1 《大学化学》课堂教学现状及存在的问题

1.1 精于工程实践有机融合教学内容的教师队伍欠缺

近年来，地方应用型高等院校加大了对应用型人才的培养力度，并进行了一系列的教学改革，但是专业人才队伍仍存在工程实践经验欠缺问题。大部分青年教师刚博士毕业便入职高校，没有工程实战经历，工程实践经验尤为欠缺；针对此现状，高校竭尽所能为新入职教师提供企业挂职学习的机会，但实际上，教师根本没有机会真正参与到化工项目或实际生产中，故而使这种形式的挂职学习流于形式，教师本身在工程实践与所学知识间建立联系仍存在困难；而具有工程实战经验的教师却教学经验不足。最终就导致在教学过程中无法达到理论与实践的有机结合，导致学生产生学而无用的想法[2]。因此，建设一支精于工程实践有机融合教学内容的教师队伍是培养高素质应用型工程人才亟待解决的问题。

1.2 教学内容与相关工程实践及应用脱节

《大学化学》课程设计和教学内容过于强调基本知识、基本理论，而忽略了理论知识在实际生活中的应用，加上从教老师缺乏企业工作经验，在教学中注重理论知识的传授，不利于应用型人才的培养[3]，与化学相关工程设计及实际生产衔接出现“断档”，一些高校虽根据自身发展、学生就业、社会发展等需求开发了化工工程相关实践平台，但仍局限于极少部分专业。因此，探寻《大学化学》课堂讲授知识点与相关土木工程、机械工程实践之间的融合点，打通传统教学内容与工程实践衔接的渠道，实现教学内容与工程实践的有效衔接，仍是《大学化学》教学中的重要任务之一。

1.3 现有考核方式不能真实反映学生工程实践能力

考试是学校掌握教学情况，检查学生学习效果和检验教学质量的重要环节，合理科学的考核方式是教学中必不可少的环节[4]。现有考核方式多以课堂上所学知识点为主，考核内容中记忆成分所占比重较大，无法体现学生的工程实践能力，学生在短时间内对知识点进行背诵并通过考试，无法达到课程学习目标等问题。因此，加强在课堂教学中引入大型化工工程案例教学，促使学生深入理解理论知识，培养工程思维，提高解决实际工程问题的能力是《大学化学》课程亟待解决的问题。

2 改革与探索

2.1 加强教师队伍建设

百年大计，教育为本；教育大计，教师为本，作为学生的引路人，作为地方应用型高等院校的高校教师，肩负着教书育人，为社会输送各类人应用型才的艰巨任务。就这要求教师除具有渊博的专业知识结构，精通所任教课程涉及的理论知识之外，同时还需加强自身工程实践能力的提高。因此，培养一批实践能力突出、结构相对合理的高校应用型教师队伍是目前应用型本科院校转型发展的重中之重。

以上对应用型本科院校教师提出了更高的要求，首先他们要深刻意识到工程实践教学能力对应用型本科教学的重要性，在完成自己的教学任务之余，应主动提高自身的工程实践能力，多深入研究本专业工程实践相关的项目和书籍，多了解与本专业工程相关的安全事故新闻报道，然后结合理论知识对具体化工工程项目和化工相关安全事故进行一系列的研究和分析，逐步提升自身的综合能力。其次，应用型本科院校也应该鼓励教师经常性的参与校外实习实训基地的工程项目与工程实践活动，进一步提升自身理论与工程实践融合的能力。与此同时，学校也应出台一系列的激励政策，以提高教师们的积极性。同时作为应用型本科院校应与当地的相关企业经常性的进行深入对接，邀请企业走进高校进行深入落后工程技术交流沟通，充分利用高校这个优良的科研平台，协助企业攻克工程技术上面的难题，同时解决问题的同时，教师们的工程实践能力得到了真正的提高。其次，高校教师做好教学科研工作之余亟需积极地与当地企业联系、交流，寻找项目和技术合作点，积极带领学生协助企业攻克科研难题及生产过程中的技术性难题。只有这样全方位、多方面共同努力，教师的工程实践能力才能得到实质性的提高，从而在工程案例教学中才能做到游刃有余。

2.2 引入化工工程案例研究教学内容

《大学化学》课程中理论较为抽象、难以理解，且涉及到的工程实践应用几乎没有，如电化学基础部分，偏重于理论推导，缺乏化工生产模型及具体的工程实践案例建立。为加强该部分工程实践知识学习，考虑在《大学化学》教学中引入商业化电池工业化生产过程中所涉及的材料混合、涂布、烘干、辊压、称重、卷绕、热压、抽真空、注入电解液、化成、封装、容量分选等过程选为教学研究案例，分解电化学知识点，并将案例分解成不同的模块；按照知识点顺序调动相应模块，融会讲解。例如，在商业化锂离子电池工程化生产过程中，在混合、涂布工序中，除了考虑保证电极材料的导电性及保持原始形貌以外，还要注意材料的分散性、后续电极烘干过程中极片表面平整度及压实密度，进而合理调整活性物质材料、导电剂、粘结剂的混合比例；烘干工序中，要综合考虑粘结剂的固化和分解温度、导电剂的氧化温度、电极活性材料的分解温度从而确定烘干温度，根据所涂极片厚度确定烘干温度范围，并根据后续的化成容量结果确定最终的烘干温度；辊压工序中，为寻找具有最佳的电解液润量及最佳容量的电极压实密度，辊压工序首先会进行一系列的压实密度电极的容量测量；而在电解液的注入工序中，则需要根据锂离子电池的额定容量计算电解液的注入量，如果没有学习电化学理论知识，锂离子电池额定容量的计算和电解液注入量的计算就无法进行，在此强调在当前锂离子电池行业盛行的时代，学好本节课不仅对未来就业有帮助，同时还会对我们平时如何合理使用手机锂电池有很多益处。电化学腐蚀部分对于土木工程专业和机械工程专业而言同样具有非常重要的应用价值和工程理论参考价值，该部分偏重于单调的知识论述与推导，缺乏实际工程实践应用，考虑从城市地下工程项目实施过程中防腐材料的选择入手，引入不同浓度下离子氧化-还原电对发生的电化学反应机理-能斯特方程及相关计算，进而促使学生更深刻地认识与理解工程问题，及如何将理论知识应用于解决复杂工程问题。比如，钢筋腐蚀导致混凝土结构耐久性失效已成为当今世界日益突出和普遍关注的灾害，给世界各国造成巨大的经济损失。氯离子侵蚀[5]是引起混凝土中钢筋去钝化而发生腐蚀的主要原因,研究混凝土中钢筋的腐蚀与防护已成为当今国际腐蚀科学领域亟需解决的重大问题。电化学除氯修复技术[6]是确保钢筋混凝土结构耐久性的一种重要方法：即是在微电场作用下，降低在模拟混凝土中孔隙液中的氯离子的浓度。利用该方法可给学生提出问题：常温常压下可给定氯离子浓度，让学生通过计算需施加多大电压可使氯离子腐蚀降到最低，并给学生普及当前研究电化学除氯修复技术都有哪些。促使学生在学到理论知识的同时，做到与工程实践的良好对接。

2.3 构建基于工程案例研究的教学法

采用引入工程案例研究教学法，以合成氨项目建设工程实践案例为依托，提出原料气-氢气和氮气输送过程中、合成氨初始阶段、合成反应稳定阶段及氨气输送过程中所涉及的不同化学反应热力学问题，以学生为主导，分析合成氨项目建设中所用到相关化学反应热力知识，并利用已学热力学知识分组讨论项目设计与实践过程中存在的优缺点，促使学生理解、掌握化学基础理论与知识，及学会运用所学化学理论与知识分析、判断和解决工程设计与实践中的问题，从而提高学生的学习兴趣，提升学生理论联系实践的能力，缩短由理论知识到工程实践的适应期。比如，众所周知，传统的工业合成氨方法是将氮气和氢气在高温高压和催化剂存在下直接制备而成。首先向学生提出需讨论的问题：从原料气的输运过程、合成成本、安全性等方面论述传统的工业合成氨工艺的优缺点？近期有哪些合成氨的创新方法？查阅相关文献，并做简要总结。写出传统的工业合成氨工艺流程中所涉及的热力学知识点有哪些？并给出合成氨初始阶段的热力学化学反应方程式，根据第一章所学标准摩尔生成焓、标准摩尔熵和标准吉布斯自由能变等热力学内容，并参阅课本附录2中的N2、H2和NH3气的标准摩尔生成焓、标准摩尔熵和标准吉布斯自由能变说明氨气或液氨为什么室温、常压或标准压力下无法制备成功？若在常压下采用传统的合成氨工艺，最低需多高的温度可成功制备？从上述工程问题引出热力学知识的同时，激发学生对学习热力学知识的兴趣的同时，并达到与工程实际相融合的目的。

2.4 优化多元化考核方式

将课外实践纳入平时成绩，增加课外实践作业项，具体考核方式为：课外实践、小组评分及互评、课后作业和期末考试，分别占总成绩的10%、10%、20%和60%。在期末考试方面，增加工程案例分析方面的试题。同时，加强大数据时代下的线上考评统计和线下考评与学生自评互评结合的全维度多元化考核方式，检验学生的学习效果。

3 结 语

采用具体工程案例融汇《大学化学》课程的创新教学法，以岗位需求为导向、以实际工程项目与实践案例为载体，不仅能充分调动学生学习的主动性，而且可将工程素质教育渗透到专业教育之中，使学生较早地参与科学研究和社会生产实践，提高学生的人文与科学素养、创新创业精神和实践能力，增强社会竞争能力，提高就业率。同时为其他理论课程课堂工程化教学的改进提供了强有力支撑。