非化學化工專業《大學化學》課程教學的思考與

《國家教育事業發展“十三五”規劃》提出，加快培養戰略性新興產業急需人才，顯著提高創新型、復合型、應用型和技術技能型人才培養比例。本科教學已經不再是單純的專業知識傳輸，而是對知識、素質、能力等方面的綜合培養。化學是一門在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性能、應用及物質相互之間轉化規律的學科，是自然科學的基礎學科之一。美國化學會會長、哥倫比亞大學教授布里斯羅(R.Breslow)指出“化學是一門中心的、實用的和創造性的學科”，化學學科與材料、環境、能源、核科學等多種學科相互交叉、相互滲透，《大學化學》課程已成為許多高校針對非化學化工專業學生實施化學教育的一門基礎課程，對完善學生的知識能力結構、實施素質教育具有重要作用。通過《大學化學》課程的學習，可以幫助學生掌握必需的化學基礎理論、基本知識和化學基本實驗技能，能在后續專業課程以及以后的實際工作中以化學的觀點觀察物質變化的規律，能夠運用化學的理論、觀點、方法分析和解決環境、能源、信息、材料等學科中的相關問題，成為能適應21世紀挑戰的科學研究及工程技術人才。
課程體系改革和教學內容優化是高等教育教學改革的重要課題。構建科學合理的課程體系、優化教學內容是實現人才培養目標、保證人才培養質量的根本保證，如何盡可能地調動所有有益教學的因素，充分利用教學資源，為培養創新型、復合型人才服務是許多教育工作者關心的問題。許多高校針對《大學化學》課程進行了諸多有益的嘗試，包括從教學內容、考試模式、活力課堂建設和實驗教學等方面進行的教學改革，這些對培養學生的創新意識、探究能力和動手能力，提高教學效果等方面都提供了有益的經驗。筆者所在學校目前在能源與動力工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程、金屬材料工程、材料成型及控制工程等非化學化工類專業開設了《大學化學》課程，開課學期一般是在大學二年級上學期，學時安排36學時。在有限學時內探討適合于自己學校校情的大學化學教學改革更具針對性，更能有效提高大學化學教學質量。本文以能源與動力工程專業為例，從化學知識與專業應用結合的角度出發，探索適用于非化學化工類專業《大學化學》課程的教學途徑。
1 教學內容的甄選
教育部在2012年對本科專業的招生門類、專業目錄進行了調整，熱能與動力工程專業更名為能源與動力工程。專業名稱的改變，并不僅僅是改變了稱謂，而是隨著時代的發展，該專業內涵發生了很大的改變。原來的熱能與動力工程強調的是熱能與動力的轉換，而現在能源與動力工程專業是一個寬口徑專業，涵蓋的范圍更寬廣，由過去傳統的能量轉化與利用領域，發展到如今的能源生產、燃燒污染治理、新能源的開發與利用等多個領域，與化學、環境工程等學科的交叉關系越來越密切，能源動力學科領域的拓展對人才知識結構提出了新要求。《大學化學》作為能源與動力工程專業的基礎必修課程，如何讓課程教學得以更好的實施，從而完善學生的知識能力結構，提高其綜合素質，是擺在化學教師面前的一個重要課題。
在高等教育的改革中，教學內容、課程體系改革是核心。在指導思想上，將化學教育放到整個高等教育的大系統中去研究。從培養學生科學素質、創新能力出發，以工程技術的觀點來組織教學。在新的教學觀念指導下，筆者首先對教材進行了優選。目前《大學化學》教材版本較多，大部分教材為反映化學與其它學科的交叉滲透，力求內容面面俱到，覆蓋面很廣，但專業針對性不強，忽略了不同專業間的獨特需求。如果選用了這樣的教材進行講授，不僅不能拓寬這些學生的化學視野，反而會對學生的學習造成困擾。結合能源與動力工程專業的專業特色以及知識能力結構的整體需求，筆者選用金繼紅主編、化學工業出版社出版的《大學化學(第二版)》作為教材，該教材注重與中學化學的銜接，以化學熱力學、化學動力學和物質結構理論為基礎，先從宏觀的角度討論化學反應的一些基本規律，再從微觀的角度討論物質結構及其元素和化合物的性質。修訂的“化學與社會”章節對化學科學中重要的、具有典型代表的一些應用領域的現況與發展，如環境、能源、材料等公眾關心的熱點問題與化學結合起來研討審視，可以使學生了解化學與其他學科的關系、化學與社會的關系。
《大學化學》課程內容融合了部分無機化學、分析化學和物理化學課程的內容，涉及面廣。《大學化學》課程的開設目的，并不是培養化學家，而是旨在使相關專業的學生對化學學科有較為全面的了解并初步掌握化學領域內必需的基礎知識，為后續課程和各自專業課程的學習打下堅實的基礎，這與化學化工專業的化學教育有很大的不同。因此，任課教師在進行課堂教學時應首先明確教學目的和任務，根據授課對象的專業背景對教學內容進行合理取舍和調整，并結合當前專業方向和本學科的最新發展動態和科學成果，適當介紹一些現代化學的前沿領域或重大發現。結合能源與動力工程專業對熱量、熱力學等方面知識能力的需求，在有限學時內，《大學化學》課程選取物質的聚集狀態、熱力學第一定律與熱化學、熱力學第二定律與化學反應的方向和限度、化學平衡、相平衡、化學動力學基礎等作為課堂教學的主要內容，與該專業的核心課程“傳熱學”、“工程熱力學”進行有機銜接以及相關知識點的拓展補充，掌握化學變化中熱效應的計算，補全顯熱、相變熱、化學反應熱等3種熱量形式的完整知識鏈條，并將熱力學的基本定律用于溶液、相平衡和化學平衡，研究化學變化中的能量轉換及方向和限度，對化學反應的可能性及平衡條件做出預示。作為課堂教學內容的延伸，安排學生選讀“物質結構理論”部分內容，例如分子結構和分子間力、固體結構和固體性質等，從微觀方面了解研究對象的結構及性質，從而提高對化學變化中的知識點的深層次理解；要求學生閱讀教材“化學與環境”、“化學與能源”、“化學與材料”章節，引導學生關注社會熱點問題，突出《大學化學》課程的社會性、應用性，使學生了解到所學內容能為其所用，從而調動其學習積極性和主動性。
2 教學過程的思考
2.1結合專業特色，精心設計緒論課
作為課程的第一堂課，緒論課在整個教學中起著提綱挈領、綱舉目張的作用，其教學效果關乎到學生能否在學習課程開始就能明確學習本課程的目的和意義。對于非化學化工專業的學生而言，《大學化學》課程的緒論課學習最主要的是讓學生接受本課程，明確本課程的學習對其專業的影響及作用。在多媒體教學手段的配合下，任課教師可以在緒論中生動形象地向學生展現化學的起源和發展，闡述各章節之間的邏輯關系和相應的學習方法，并且有針對性地講述大學化學在其未來專業學習和職業發展中所起的作用，對于能源與動力工程專業的學生，可以設計“現代化學化工與能源”專題講座，例如簡要介紹煤炭液化、化學方法精制生物柴油、燃料電池、熱化學工藝制氫技術等，消除學生與該課程的距離感，開闊學生視野，引導學生明確學習目的，端正學習態度，從而讓學生自我解決為什么要學、學什么以及怎么學等疑問。
2.2合理運用教學方法，有效提高教學質量
任課教師是教學活動的組織者，是教學過程的施教者，學生是學習的主體。大學化學作為面向非化學化工專業的課程，大班授課普遍存在。傳統的教學方法是教師根據課程教學大綱的要求，在課堂上為學生講解課程內容，向學生灌輸知識，教師處于完全的主導地位，而學生只是被動地聽，提問意識非常薄弱，教學效果不理想。因此，迫切需要打破傳統的教育模式，堅持以學生為中心，任課教師需要了解授課對象對化學知識的要求，在教學中進行重點講解，跟蹤學科前沿，將新知識、新觀點及時充實到教學內容中，避免使用一成不變的課件進行慣性教學；鼓勵教師改變過去傳統單一的“傳授式”教學法，運用啟發式、討論式、問題引入式等教學方法，加強課堂教學。同時，要積極引導學生參與，讓學生真正成為教學的主體，充分發揮學生在教學中的主體地位和主觀能動性，調動學生的學習積極性，將教學的重點由單純的傳授知識、技能，轉向學生科學思維方式和創新能力的培養。在具體教學過程中，針對教學內容的難點和重點，結合工業生產、日常生活中的現象，精心設計相關問題，通過師生間的討論和交流，引導學生對學習的對象采取研究和質疑的態度，更有效地提高教學質量，也有利于培養學生反問思維、發現問題、提出問題的能力。例如在講授化學反應熱力學時，以冶金工業中的高爐煉鐵為例，反應式如下：
Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+CO2(g)(1)
工業生產過程中發現在出口氣體中含有22%~28%的CO，以前認為是CO與鐵礦石接觸時間不夠，因而提出的解決辦法是加高爐身、升高爐溫，但經過工藝改造后發現出口氣體中CO含量并未明顯減少。再次分析原因并經過化學熱力學計算表明，該反應不能進行到底，盲目地改造只能是無用功。
又例如化學工業中的基礎反應——合成氨的反應：
N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)(2)
要求學生在課堂上利用所學的化學熱力學知識進行計算和分析，得出常溫常壓下的標準摩爾反應吉布斯函數變為-33.26kJ?mol-1，說明該反應在常溫、常壓條件下是有可能進行的，而目前工業生產的反應條件比較苛刻(高溫、高壓)，熱力學雖然能判斷常溫、常壓條件下合成氨反應能發生，但如何使它發生，熱力學無法回答。因此需要結合化學動力學分析，將熱力學的反應可能性變為現實性，提出解決方案是研究有效的催化劑及最佳途徑，從而為工藝流程、反應條件的優化指明了努力的方向，而事實上已有澳大利亞的科研團隊正是通過催化劑的優化設計與制備，成功地在常溫、常壓下完成合成氨反應。利用這些實際案例，將教學內容有機地聯系起來，形成知識模塊，有助于學生在已有概念的基礎上去認識新的事物，產生知識的遷移。
2.3優化考核方式
考核是教學過程的重要環節，是教師檢查教學質量、檢驗學習效果、反饋教與學信息的有效手段和方法。對于非化學化工類專業的學生來講，大學化學的目的是為了提高其觀察、分析和解決問題的能力，因此也需要建立合理的考評機制，而不以考試作為唯一的考評依據。首先通過課后作業考察學生的學習效果，獲得學生的及時信息反饋，作業是學生鞏固知識培養技能技巧的手段，通過作業進行反饋矯正，這樣就給了學生第二次學習的機會，使不同層次的學生都能在反饋矯正中完成學習任務，達到教學目標的要求。此外，教師還可以讓學生提交課程論文，尤其是關于大學化學和本專業的關系的論文，既可以考核學生對化學思想和化學方法的理解和應用能力，加深學生對專業知識的理解，又能使其體會到學科交叉的重要性。最后，對于閉卷的期末考試，除了考察基本理論知識的掌握，還要注重綜合分析能力的考察，例如可以設計案例分析題，要求學生進行定性分析或定量計算。總之，盡量完善考核機制，使考核機制多元化，避免出現“一卷定天下”的局面，從而有效地監督、評價、考核學生的學習狀況和學習績效。
3 結語
化學是一門中心的、實用的和創造性的學科，本著“寬口徑、厚基礎、重創新、強能力”的人才培養理念，《大學化學》課程對于理工科學生知識結構的構建以及今后的專業學習具有重要作用。非化學化工類專業的《大學化學》課程學時有限，對其教學內容和教學方法進行改革和創新非常必要。通過從專業應用角度安排教學內容，展開針對性、目的性的課堂教學，并將科研前沿和科研成果與教學內容進行有機的結合，以此構建與專業研究方向緊密聯系的大學化學知識體系，強化學生利用化學知識解決專業問題的意識，為其今后的專業學習打好良好的化學基礎。