工程教育環境類專業物理化學教學改革

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[摘要]以“新工科”建設與工程教育的理念為指導，調查分析了物理化學課程體系、思維模式等在環境類專業工程教育中的功能與作用規律，進一步明確物理化學在該專業中的專業定位。通過強化以學生為中心的教學模式、踐行以結果為導向的教學方式、借助持續性改進措施，開展了環境類專業物理化學工程教育的教學改革與實踐。

[關鍵詞]物理化學；教學改革；工程教育；環境類專業

為了適應國際發展趨勢，應對新一輪的科技革命和產業革命，在新的經濟背景下，基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢和立德樹人新要求，工科專業的工程教育改革是必然趨勢與發展方向[1]。新工科教育的定位明確、內涵豐富、要求嚴格，強調在立德樹人基礎上，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1]；同時，通過設定專業標準和連接專業準入制度，工程教育認證制度對于提高高校工程專業教學水平與學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，以工程教育認證為契機，通過持續性改進，全面轉向以學生為中心的培養模式[3]，強化以成果為導向的理念[4]，踐行持續改進的思路[5]，持續提高工程專業的教學質量并強化專業特色，從根本上提高學生的工程能力，是當前工程專業的改革重點與趨勢之一。當前大類招生與分類培養的基本教學培養模式日趨明顯，高校環境工程、給排水科學與工程、環境科學等專業建設和人才培養模式遇到了一些新的問題和挑戰，還不能很好地適應國際社會與行業快速發展對人才的需求。環境類學科的工程教育是針對學科自身發展規律、社會需求及良性發展而進行的教學模式改革，對專業教學與學生培養具有重要影響。物理化學是環境類專業非常重要的基礎課，針對環境類專業工程教育的課程改革是重要方向。物理化學邏輯性強、概念抽象、對數學基礎要求高、推理和公式繁多且應用條件嚴格復雜、學科交叉內容較多，導致學生在學習過程中普遍認為難以理解和掌握相關原理與方法，對很多學生來說是極具挑戰性的一門課程[6]。為了提高教學質量，物理化學的教學改革已有諸多設想與實踐[7-10]。針對環境類專業教學改革與專業發展現實述求(環境類大平臺招生，包括環境科學、環境工程、給排水科學與工程等專業)，結合當下招生培養新模式及教學改革新需求，以環境類專業培養中物理化學的基礎性功能為切入點，從效果跟蹤與結果反饋的角度，分析物理化學教學在新形勢下環境類專業發展中面臨的新挑戰，探討物理化學課程內容、教學方式、課程體系及學科思維在專業教學、學生培養及個人特性發展中的作用規律，尋找創新性的解決方法，進一步明確物理化學在專業培養中的功能與定位，并提出針對性的改進與強化措施，為提高專業素質和工程能力的培養質量提供一定參考。

1物理化學課程體系對環境類工程專業培養的支撐

物理化學是環境類專業的基礎性課程，具有建立基本物化概念、訓練物化思維、拓寬認識視野、提高認知水平、夯實專業基礎、加強專業能力、啟蒙專業認識等重要作用。通過調研國內典型工科院校中環境類專業的物理化學課程學時設置情況發現，整體上物理化學學分為3.0分以上，環境科學類專業可能會更高，授課內容基本涵蓋了完整的熱力學、溶液、平衡、電化學、動力學、界面、膠體與高分子等內容；“雙一流”工科院校對物理化學在課時和內容上的更高要求與其研究創新型人才培養的目標相一致。在實際授課過程中，根據課程目標與學生掌握情況，調研了五個平行教學班級(調研對象包括環境科學、環境工程、給排水科學與工程等三個專業的班級，樣本總數151人，下同)對物理化學課時數的期望值。學生對物理化學課時的平均期望值為80學時，普遍高于當前設置的48學時，可見物理化學內容較多，學生在短時間內掌握這么多內容存在一定的困難。實際上，學生普遍反映物理化學難度較大(平均9.3分/10分)，每次授課后需花平均4.4小時去復習鞏固知識、強化原理理解及提高相關能力。學生反映內容最難的部分主要是熱力學、平衡與動力學三部分，但是平衡與動力學部分內容是環境類專業最為基礎與核心的內容，為后續專業學習提供基礎與原理支撐。對環境類專業的本科生、碩士研究生、博士研究生等的持續跟蹤調研表明：在學完物理化學的后續學習與工作中，學生對物理化學中的熱力學、平衡、電化學及動力學印象相對更深刻，說明這些內容有可能在后續的學習與工作用有實際接觸或應用。可見，根據專業培養目標與物理化學課程特點，需要對整體教學內容進行優化，在平衡與動力學兩方面內容上進行適當強化，尤其是結合環境實際問題進行講解，使學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的方法去分析復雜環境問題的關鍵環節與解決實際問題的能力。

2物理化學教學對環境類工程專業學生培養的作用

2.1物理化學教學對學生能力培養的作用

對授課班級進行調研發現：學生普遍認為物理化學對自己的專業學習與能力培養很重要(7.9分/10分)，但是難度很大(9.3分/10分)，實際上學生普遍認為物理化學是他們目前所有學習課程中難度最大的學科，造成了學生對物理化學的興趣產生很大波動(4.8分/10分)。持續跟蹤調查顯示：近80%的學生認為物理化學對學習與工作是重要的(高于5分)，近40%的學生認為物理化學非常重要(高于8分)。具體的表現在公式運用、知識面、邏輯推導、思維方式及基本原理應用。如何在有限的學時內激發學生的學習興趣、培養學生的知識運用能力和創新精神，是物理化學課程教學過程中需要解決的實際問題。這需要對物理化學的教學內容根據專業培養目標進行深入研討，并對教學方法和教學手段進行創新，以培養出“新工科”背景下具有扎實基礎知識和創新意識并能夠解決復雜工程問題的高級人才。針對環境類專業的特點，根據學生的認知水平和認知規律，借助教師的科研經歷與理解，以通俗的方式引入實際環境問題與案例，并將物理化學原理方法與最新科技前沿相結合，采用“設疑啟發”與“問題導向”的教學模式，讓學生參與到教學過程中，將有助于形成良性互動教學氛圍。通過增強學生對物理化學基本原理的理解，激發學生的學習熱情，啟蒙學生的科研興趣，并強化學生利用物理化學原理與方法分析和解決實際環境問題的獨立思考意識、創新精神、思維與能力。新工科建設與工程教育要求利用物理化學的基本原理與方法分析實際環境問題的關鍵環節，并能嘗試思考與解決復雜的實際問題。因此，物理化學教學的核心之一應該是對物理化學基本規律的應用。利用針對性的課后習題進行訓練，以加深學生理解基本規律，并強化其對實際問題的思考與解決。調研發現，學生認為課后設置的習題對于物理化學內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特點，設置更加貼近實際的問題、案例，強化學生將物理化學的基本原理與方法用于解決復雜環境問題。

2.2物理化學學習對學生個性發展的作用

實際調研發現學生對掌握物理化學基本原理方法及應用情況的自我評價整體較差(4.4分/10分)，說明學生在物理化學原理與方法掌握的全面性、系統性上存在一定問題，在利用物理化學的方法解決實際問題方面存在較大的不確定性，本質問題應該是在物理化學基本規律與原理的理解的深刻性和應用拓展上存在不足與漏洞。同時，經過物理化學，學生認為可以顯著拓寬其知識面(7.5分/10分)，有助于加深對專業內涵的理解(6.9分/10分)，可以適當提升其對專業的學習興趣(5.1分/10分)，并有效地促進對實際工程問題的理解與分析(6.8分/10分)。多年跟蹤調查表明：學生對物理化學在專業基礎知識掌握、工科專業能力培養、學術創新研究中最有幫助的比例最高；有近26%的學生會經常用到物理化學的規律、方法與相關能力，有近7%的學生會翻閱物理化學資料解決理論與實際問題。今后的教學過程中需進一步聯系環境領域的實際問題，以貼近實際生活的經驗與案例，利用物理化學的規律與方法進行解讀與分析，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物理化學的基本規律。緊密聯系實際，從實際工程中來，到實際工程中去，加強啟發式教學，鼓勵對實際問題的創新性分析與思考，強化利用理論方法分析實際問題，并以實際經驗佐證與支撐理論，學以致用、教學相長，拓寬學生知識面，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，促進對專業內涵與發展的理解，提高對專業的學習興趣，夯實分析與解決實際復雜工程問題關鍵環節與核心問題的獨立思考素質與能力。

2.3物理化學思維模式對學生思維能力與工程能力的作用

思維能力是所有素質與能力的核心，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，而物理化學對于塑造學生思維能力的獨立性、全面性、系統性、深刻性、嚴謹性、批判性、創新性等方面具有非常重要的作用。通過調研表明：學生普遍認為物理化學的學習對與其思維能力的提升具有顯著作用，顯著提高了自學能力(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)，并有助于對科學研究的啟蒙與興趣培養(6.6分/10分)。多年跟蹤調查顯示，有近41%的學生認為物理化學對其思維方式和思維能力的培養最為重要。在實際教學過程中，以實際環境問題與工程為核心，將物理化學的基本原理進行學科交叉地發散性思考，觸類旁通，總結歸納，并通過邏輯推理與批判分析，針對性地提出創新性的環境問題分析方法與解決思路，為分析復雜工程問題的關鍵環節打下堅實基礎，從而從根本上提高其分析問題的能力、學術創新的意識與專業的工程能力。

3結論

通過調研的方式進一步明確了物理化學在環境類專業培養中的功能與定位。針對新工科建設的趨勢與工程教育專業認證的形勢，總結了相關院校教學經驗，根據反饋結果，嘗試將涉及到的教學方式與方法改革的成果，如實際環境問題導向、重點內容設置、推導過程簡化、工程案例探討、課堂主題討論、課后訓練強化等方式方法應用到環境類專業的物理化學教學中，以提高學生分析與解決復雜環境問題的能力。

參考文獻

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作者：李旭春 陳華麗 單位：浙江工商大學