材料专业大学化学课程教学改革初探*

赵晓林，陈 辉，李欣欣，张 召

(聊城大学材料科学与工程学院，山东 聊城 252000)

《大学化学》作为材料专业的一门学科基础课程，为后续物理化学、材料腐蚀与防护、材料研究与测试方法、材料热力学等专业课程打下必需的化学基础。教学目标是能将化学的语言工具用于材料制备、加工与应用领域工程问题的表述，其次能够运用相关科学原理分析问题，并提出解决方案。旧的课程体系无法满足新形势下高等工程人才培养的要求，因此非化学化工类工科专业大学化学教学改革的研究与实践势在必行。针对非化学化工类专业学生化学知识薄弱，且学时少、内容多，针对性不强等问题，国内部分高校研究者[1-2]提出了一系列教学改革方案，并取得了较好的成果和研究进展，但是在大学化学教学中，仍然存在内容多课时少、教学方法陈旧、考核方式简单等问题。传统的教学方式使得课堂气氛沉闷，学生被动接受知识，主动性差，积极性不高，兴趣较低，课堂效率低，严重影响大学化学的教学效果，更不利于为了提高学生的化学素养，培养学生的创新意识和创新，本文从教学内容、教学方法、考核方式等方面提出一系列的教学改革措施。

1 教学内容改革

1.1 合理的选择教材

材料类专业的大学化学的教学目标是使学生掌握必需的化学基本知识、理论和技能，具有一定的分析解决涉及化学实际问题的能力，了解化学在材料制备、加工等工程技术上的应用，为以后的学习、研究和工作打下一定的化学基础，培养学生全面素质。因此，在教材选择和教学内容上，大学化学课程需要充分考虑材料专业的特点和教学目标，主要学习内容包括无机化学、分析化学两部分。大学化学教材具有广泛性和普适性，选择教材时，应针对材料专业特点，结合学生未来就业方向和考研需求，选择合理地，符合实用性需求的版本[3]，必要时可自行编著教材，增加化学基础知识在材料科学中的应用方面的知识，将化学和材料结合，以达到利用化学知识分析解决材料类实际问题的能力。

1.2 调整教学内容

大学化学基础知识、基本理论较多，是中学化学的延续，在内容上更加深入。非化学化工类专业大学化学讲授内容包括原子结构、分子结构、配位化和物，化学热力学和化学平衡、化学动力学、溶液中质子酸碱平衡、电子酸碱平衡及电化学基础与氧化还原平衡等内容。大学化学学时较少，以致出现教学内容多，课时少的矛盾。因而对于材料专业，应合理地取舍教学内容，淡化对基本理论的学习，重心放在化学知识与材料科学的有机结合方面，尤其是化学基本概念在材料科学中应用方面的知识。例如，对于金属材料专业的学生，金属的腐蚀与防护是很实际的工程实践问题，这其中包含由化学反应和电化学作用引起的化学腐蚀和电化学腐蚀两种情况，如何防止金属腐蚀又属于科学问题，需要化学知识来解释。在讲授这部分内容时可以先由同学们查阅相关资料并结合所学知识分析港珠澳大桥采取的防腐技术。港珠澳大桥的防腐采用的是一种高性能涂层钢筋技术与“阴极保护技术”联合的方法。阴极保护技术是指通过电化学的方法，将需要保护的金属结构极化，达到免腐蚀电位，处于被保护状态。计算在海泥电阻率最大和最小两种情况下阴极保护的电位是否能达到保护要求，并将此作为类似工程阴极保护设计的一种手段，最终解决了复杂环境中阴极保护设计问题。这里的阴极保护技术就是Nernst方程应用的一部分，通过计算相关电对在非标准状态时的电极电势及电池电动势，判断在非标准态时氧化还原反应能否自发进行。既能激发学生学习大学化学的兴趣，提升学习积极性和主动性，又能通过港珠澳大桥设计的高科技带来的民族自豪感，增强学生的爱国主义精神，也可以满足材料工程专业应用型人才培养的发展需要。

1.3 增加化学实验

大学化学是一门应用性很强的课程，精减理论课学时，增加实验学时，添加设计性、研究性、综合性实验，保证学生能学有所得。例如，在讲授电化学基础知识时增加电化学实验，让学生自己设计原电池，先写出正负极电极反应及电池总反应，绘制出原电池电子流动示意图，再准备原材料并组装原电池，最后通过实验验证自己设计的原电池是否可行。对于设计成功的学生给予平时成绩加分，并帮助设计失败的同学查找原因，进而改正设计方案，直至成功为止。在本实验过程中，学生得到了提出问题、分析问题、解决问题的锻炼，同学间还可以相互合作，积极研讨，不仅巩固了课堂知识，同时也培养了学生的创新思维和动手能力。

2 改进教学方法

2.1 翻转课堂教学

“翻转课堂”是对传统的“课上授课，课下作业”教学模式的翻转，通过借助现代教育技术手段预先录制授课视频来取代传统的课堂知识讲授，并在网络上进行共享，要求学生课前自主观看学习，然后利用课堂时间集中解决学生在观看视频时所产生的困惑和疑问，实现知识内化，其关键在于课上实现知识内化[4]。采用翻转课堂教学首先要求教师明确教学内容和教学目的，选择性设计好与课堂教学内容匹配的文案、视频、课件、思考题等，利用雨课堂、学习通等学习平台发布学习任务；其次学生利用教学资源学习后，需要完成自测题以检测学习效果，并根据统计结果分析自己的学习情况，提出问题；最后在课堂上组织学生讨论并对学生进行有针对性的指导。因此，“翻转课堂”教学模式可以使教师与学生最大程度的参与教学活动，实现教师最大化的“教”，学生最大化的“学”，能够充分激发学生的学习潜能，有利于培养学生的创新思维和创新能力[5]。

例如，在讲授电化学基础内容时，将学生6人一组分成若干小组，课前布置任务，“以中学知识为基础，选用生活中的材料制作原电池”，课堂上，由小组组长展示作品，并讲解原理。学生会发挥想象力，利用身边的物品(西红柿、柠檬、钥匙、铁钉、装饰用LED灯等)制作成简易原电池装置，并积极地向大家展示作品。这种授课方式通过生活中实例加深学生理解原电池形成原理和氧化还原反应的实质，使学生觉得化学课有用有趣，与其生活息息相关。紧接着，给学生讲解原电池的组成和符号，让同学们思考如何利用简单的化学符号来描述各自做出的原电池，带动学生思维，提升学习积极性。通过对生活中使用的干电池进行剖析，学生深入理解了盐桥的作用。最后，通过例题讲解和习题训练巩固所学知识，使学生真正掌握氧化还原反应和原电池的相互转变，最终达到课程教学目的。

2.2 案例教学法

案例教学法的引入，能够极大地调动不同专业的学生学习大学化学的原动力，提升学生综合运用所学化学知识分析及解决问题的能力，使学生充分认识到了化学来源于生活，也服务于生活，体会到化学对人类社会的贡献，树立学习化学的信心。例如，在讲授理想气体状态方程和实际气体方程式(pV=nRT和[p+a(1/Vm)2](Vm-b)=RT)及其应用时，采用典型案例讨论、分组讨论，课上课下、线上线下相结合的多样化教学模式。课前在超星学习通上传2019年盐城响水“321”爆炸事故的资料和视频供学生预习时查阅，也可让学生自己利用网络资源搜集相关资料，查看后自己分析并总结造成事故的原因并上传。统计同学们的回答，在上课时，选择优秀的答案供同学们参考，并做出总结评价，帮助同学们理解气体的体积、温度和压强之间的关系。因苯气罐体积恒定，当温度升高时，罐内压强升高，持续升温导致爆炸。由此延伸到实验室常用气瓶，化工生产中常用锅炉设备，要注意温度和压力不能超过安全线。提升本科生的安全意识，培养学生在将来的生产实践中注重细节意识、提前发现安全隐患，树立安全意识处处在、时时在的理念。

2.3 立体化教学

多媒体教学在大学教学中越来越普及，在教学过程中引入了图片、动画、视频等元素，不仅能使学生形象地认识并理解化学知识，还营造了良好的学习氛围，激发了学生学习兴趣。比如，讲解电子云时，通过动画使一个电子在原子核外运动，每一时刻该电子所处的位置用一个几何点来表示，随着运动时间增加，标出越来越多的几何点，所有几何点呈现出的绕核云雾状的图像被称为电子云，表示电子在核外空间某处出现的概率密度，通过动态图的形成过程，学生可以很直观的理解电子云的概念；讲解原子轨道杂化时引入了动画，通过动画展示了不同原子轨道的杂化过程，学生很轻易的掌握了原子轨道杂化理论的要点；讲解分子的空间构型时，利用Materials Studio、CrystalMaker、ATOMS软件绘制出原子结构，生动形象地展示给学生，由抽象变具体，使学生充分理解分子的空间构型，大大提高了教学质量。

2.4 理论与实践结合

化学与实际生产生活息息相关，讲抽象的化学知识与现实生活有机结合，理论联系实际，能更好地帮助学生理解基础知识点。比如，讲解系统分类时，有与环境有物质和能量交换的敞开系统，与环境无物质交换有能量交换的封闭系统，与环境无物质交换无能量交换的孤立系统，为了使学生理解模糊的概念，在课堂上以不同的三杯热水(敞口的玻璃水杯、盖盖子的玻璃水杯、密闭保温杯)类比三个系统，学生很快能接受并理解系统的概念。又如在讲解多元弱酸弱碱的解离平衡知识点之前，先让学生观察一个奇妙的“明矾净水”实验，“将适量明矾(硫酸铝钾)粉末加入到一杯浑水中，不一会儿，水变得清澈透底”，然后让学生思考发生如此变化的原因。主要是因为水的浑浊是泥土和灰尘等微小粒子在水中游荡，明矾中硫酸铝遇到水发生水解反应生成白色絮状氢氧化铝沉淀，带有正电荷的氢氧化铝吸附带负电的泥尘颗粒，聚集在一起，最终沉于水底。这样通过引入趣味化学知识，可激发学生学习大学化学的兴趣。

2.5 专题讲座

对于化学知识薄弱的非化学化工类学生来说，化学反应原理部分的学习比较困难。在讲授这部分知识时，将化学反应基本规律划分为热力学和动力学两个专题，采用专题讲座的授课方式，首先给出知识点框架，如图1所示，让学生在最开始就能够理清掌握整个模块的知识点的相互联系，然后针对每个知识点进行讲解，让学生有目的有条理的去学习。通过热力学和动力学两个专题的学习，了解利用化学热力学工具可以帮助科研人员或工程师解决化学反应方向和程度的问题，利用化学动力学揭示化学反应如何进行且控制反应的进行。两个专题讲授完成后，深入剖析化学反应热力学和动力学的区别和联系，促使学生从整体上理解热力学和动力学两个工具各自的应用。

图1 化学反应原理知识点框架

3 优化考核方式

大学化学课程的期末考核一般采用平时成绩和期末考试成绩的统计计分方式，且以期末考试成绩为主。以致部分学生只关注期末考试，不重视平时的学习，不认真思考作业题，存在作业抄袭现象，只在期末考试前突击复习，有些学生为应付考试对相关理论知识死记硬背，这样不利于学生系统学习基本化学知识，甚至出现“高分低能”现象，不利于培养学生创新能力，与培养应用型人才的目标相悖。可以调整优化平时成绩和期末考试成绩的比重，如提高课后作业、课程思政小论文、随堂讨论、随堂小测验和期中考试等考核内容的比重；也可以调整随堂测验形式，如采取线上考试形式，在雨课堂或学习通等平台进行，完善线上考试题库，测试时由系统随机抽取题目并设置为每位学生的试卷均不完全相同，尽量保证线上考试的公平公正性，又避免了学生互相抄袭，对督促学生学习起到积极作用，并能真实反映学生运用知识解决问题的能力，达到考察学习效果的目的。

4 结 语

大学化学是一门有着重要意义的学科，通过不同教学方式的课程改革，不仅能引导学生理解知识点，还能激发学生的学习兴趣，加强知识在学生脑海中的记忆，使教学效果显著提高[6]。大学化学课程教学改革是一个长期的工作，通过大学化学课程的教学改革与实践，更新教学内容，改进教学方法，应用现代化教学手段提高教学水平，努力实现培养应用技术型人才的目标。