“工程化学”及其实验课程线上线下结合教学的探索

2023-01-21吴友吉

安徽化工 2022年6期

孙杨，金盈，吴友吉，黄睿

（1.安徽工程大学化学与环境工程学院，安徽芜湖 241000；2.安徽工程大学教务处，安徽芜湖 241000）

时代的发展推动了科技的进步，许多新出现的问题和现有的知识相互交融，催生出的交叉专业日新月异，各学科间的交流与融合进一步加深。化学作为一门基础学科，也更加广泛地与其他学科发生相互渗透。相关专业的学生要求掌握一定的化学知识，“工程化学”这门课程就应运而生。可以说，“工程化学”就是连接化学知识与工程实践的一门“桥梁”型学科[1]，是高等工科院校非化学专业开设的一门必修课。通过“工程化学”基本理论的学习，使学生能有意识地运用化学观点去思考、认识和解决工作、生活中遇到的问题。

我校开设的“工程化学”这门课，所选用的教材是由浙江大学陈林根主编的《工程化学基础》，属于普通高等教育“十五”国家级规划教材。教材内容广泛，主要包括物质的化学组成和聚集状态、物质结构与性质、化学反应与能源、水溶液中的化学反应及材料的保护等；教材涉及的知识面较宽，囊括了“无机化学”“物理化学”“高分子材料”等学科的基本知识。“工程化学”一般作为高等学校各个理工科专业的通识必修课。各专业在使用“工程化学”作为化学基础课程方面认同度较高，如机械设计制造及其自动化、车辆工程、材料科学与工程、材料成型及控制工程、土木工程等各专业都需要学生对化学基础知识有一定程度的认知。“工程化学”作为基础课程有着雄厚的需求背景，作为研究课题有着大量的学生教学案例。

“工程化学”课程从开设至现在，课时数发生了很大变化。从一开始的72学时到现有课程中的48学时（长学时工程化学）和30学时（短学时工程化学），课时数总体来说是大幅度减少的。我们在教学过程中发现，非化学专业的学生在“工程化学”的课堂上学习兴趣不高，认为其难度大，学习效果亟待提高。

“工程化学”课程设置在“材料科学基础”“材料物理化学”“土木工程材料”等专业课程之前，对于学生来说是十分必要的，应当扎实学好。“工程化学”课程设置的内容衔接度高，能够前承高等数学、大学物理，后续上述各专业课程，也有利于老师在此基础上更深入地讲解。因此，“工程化学”课程的教学内容和教学方法有进行适度改革的必要。作者从近三年来各个专业“工程化学”课程教学实践的经验出发，结合我校各专业设置和学生学习能力的实际情况，在“工程化学”的课堂上开展了线上线下混合式教学活动，实施了一些课程内容的改变，探索了线上和线下两部分教学内容的适用场景以及讨论了具体内容的教学后反馈。

1 背景

近年来，在教学活动转移至线上开展的大背景下，教学方法发生了重大变化。原有的线下面对面教学活动被线上教学活动方式部分替代，因此教师在教学方法上也亟待转型升级。在这种情况下，“工程化学”教学方法也应当顺应时代潮流，积极对接雨课堂、学习通等线上教学平台，逐步建设成学生喜闻乐见、易于推广、便捷高效的课堂教学方式[2]，并且随着人机交互设备与软件日新月异的进步，线上的教学方法也更加灵活多样。多媒体教学早已不再局限于视频和ppt教学方法，线上教学平台的推送、海量资源的自主学习，甚至学生与程序人机交互式的个性化学习、拓展式学习[3]等新的学习模式不断涌现，这就要求“工程化学”课程能够与时俱进，敢于创新，从形式到内容作出深刻变革。因此，作为工程类高校，我校亟待率先推出特色鲜明的“工程化学”课程教学体系及与其配套的实验。

2 教学内容的改革探索

进行“工程化学”及其实验课程内容的修订目标是建设有安徽工程大学特色的“工程化学”课程和实践新内容，使“工程化学”课程紧跟各专业的发展变化，更新时代前沿的课程内容。同时，更新升级课程中使用的交互软件，建设虚拟的“工程化学”课堂，提高学生对化学基础课程的兴趣和学习效率。

完善“工程化学”课程和实验的教材、课件、网络资源整合等基本教学内容；将已有的教学经验和专业特色的教学内容在教学和实践环节中加以体现，并汇编整理成讲义，为建设具有工科大学特色的“工程化学”课程做准备。探索改革的内容如下：

（1）发展线上课堂教学：线上课堂教学中，雨课堂、学习通代替传统线下教学中的黑板和试卷，一节课结束以后围绕一个主题随堂开展教学效果检测。学生通过手机端作答迅速，易于操作，测试结果统计起来也相当方便。此外，“工程化学”教材的“第二章物质聚集状态”对于学生来说普遍学习起来比较容易，可以结合高中知识进一步学习。为此，结合线上开展教学活动的实际情况，让学生组成3～5人的学习小组，对这一章涉及的“2.2固体”“2.3液体与溶液依数性”“2.4气体与理想气体状态方程”进行讨论、分析与总结。然后，在线上课堂学生使用ppt汇报所总结的知识，教师最后点评与纠偏。组与组之间、学生与老师之间，通过这种线上课堂的方式交流，丰富了课堂形式和课程内容，增强了教学活动的参与感和启发性，有助于学生更加牢固掌握学习知识点。

（2）开展线下翻转课堂：例如在环境化学、金属材料腐蚀部分内容结束后，增加了一定学时的ppt汇报。机械制造及其自动化专业的学生对于机械设备的运行条件、大气湿度等对机械设备的影响以及空气污染等实践意义较大，学生结合其他专业知识可进行一定程度的深入探索；土木专业的学生自主探究的方向为建筑室内环境的影响因素、橡胶等高分子材料的加工；材料、材科专业的学生自主探究了金属材料腐蚀电化学过程。在准备ppt过程中，学生们理清了思路，通过翻转课堂的学习过程加深了知识的印象，掌握了专业相关的前沿领域。

（3）完善更新最前沿的多媒体教学内容。在“第四章化学反应与能源”和“第五章水溶液中的化学反应”中使用的化学热力学公式推导方面以板书为主，但是在教水溶液离子化学、腐蚀电化学、水资源保护等方面内容时，使用多媒体视频可以在短时间内向学生直观地介绍大量知识信息，若单纯地介绍概念性内容很可能造成课堂气氛沉闷，教学过程死板。因此，教学中多插入视频介绍应用方面的实例，能调动学生的在课堂上的学习兴趣，提高前排率和抬头率。

（4）加强”工程化学“实验方面的探索。未来可以增加实验的开放程度，实行设置多级结论的实验结果，充分发挥学生的自主探究和灵活运用能力，进一步完善学生学习能力评价体系。例如：在6滴0.1 mol/L硝酸银溶液中滴加3滴0.1 mol/L铬酸钾溶液，要求学生记录观察到的现象。再逐滴加入0.1 mol/L氯化钠溶液，充分振摇，观察有何变化，写出反应方程式。这类沉淀的转化验证实验，原理清晰，反应明确，但学生操作过程中往往记录的结果五花八门。沉淀应当为白色的氯化银，由于转化前沉淀铬酸银颜色的影响，学生往往会记录氯化银最终为黄色沉淀，甚至这一实验结果有学生记录为黄色溶液，这很可能是学生在悬浊液未能固液分离的情况下就已经下了结论，也有可能是学生在“逐滴加入”这个环节中，滴加数的变量有多有少，氯化银和铬酸银两种沉淀混杂的情形也可能会被当作结果记录下来。因此，教师应当对这样不同的结论进行分级评价，对学生的学习能力以示区分。学生坚定得到氯化银白色沉淀结论并写出完整化学方程式的，应当给予优良评级；学生犹豫在黄色还是白色沉淀的，或者对于化学方程式与结论不一致、不匹配的，应当给予良中评级；学生仅仅是做了该实验，记录了黄色溶液或者其他文不对题的答案的情况，应当酌情给予及格，甚至不及格的评级，以示区分。

3 修订特色

编写有本校特色的“工程化学”课程，如新增的人工智能专业的化学基础知识衔接和紧跟专业动态的实践内容需要更新换代。针对现有机械设计制造及其自动化、车辆工程、材料科学与工程、材料成型及控制工程、土木工程等专业学习“工程化学”或者“工程化学基础”课程的特点和需求，在主干教学内容基础上，定制有特色的教学与实践内容。

修订后的“工程化学”多媒体内容丰富，学生交互方式多样，是适应线上线下混合式教学的课程，具体方案如下：

（1）汇编更多教学内容供学生使用，形成本校特色的”工程化学“讲义。

（2）制作更新一套可以线上交互的智能课件，建设多媒体课件库、手机端习题库和试卷库，调动学生课下线上自主学习的积极性。

（3）根据课程实验内容，制作“工程化学”实验虚拟仿真平台，逐步编入内容为结果开放型的“工程化学”实验线上交互平台。

全新编排的“工程化学”课程内容增加了多媒体教学互动课堂，学生上课同步可以线上互动答题。互动内容紧密结合教材，有益于学生自主安排课余时间复习课堂知识，练习巩固知识，提高学业水平。同时，线上内容与传统线下的混合又灵活运用了教材之外的一切移动设备和互联网资源，给学生打造一个立体、自主、高效、便捷的课程学习体验。

“工程化学”课内的实验内容设置为颜色变化较多的“沉淀溶解平衡和氧化还原反应”，基本都是基于液相反应的不同颜色的沉淀析出、少量存在冒出气泡的反应。新修订的这一实验作为“工程化学”课内的实验内容，特点：①有益于激发理工科非化学类专业学生对于化学实验的兴趣，通过颜色变化的沉淀反应和氧化还原，认识化学、了解化学；②液液反应析出固体，实验现象丰富，特别是固体的颜色多样，能充分调动学生学习化学的兴趣；③这类实验的条件比较温和，没有明火加热，温度最高为90℃水浴加热，实施起来安全、高效又节能。

《工程化学讲义》预备将来形成我校自主编制的教材，拥有公共章节和特色章节。公共章节涵盖普通化学和无机化学的部分内容，是大学理工科均需学习的化学知识内容的总论和基础知识。特色章节紧随其后，仍按顺序统一编排，在面向各个学院的相关专业讲授时，选讲相应的章或者节。特色章节力求少而精，符合当前教育改革短学时的特点，把讲授的内容编得“精”，把线上课后学习的内容编得“广”。既照顾了所有学生学习到大纲规定的通识知识，也考虑学有余力，有望提升的学生的学习兴趣和发展需要。