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浅谈“物理化学”课程在轻化工程专业“卓越工程师”培养中的教学实践与探索

作者: amvip
来源: uumtu
日期: 2018-11-19 17:56
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我校(武汉纺织大学)轻化工程专业于2011年成功入选教育部“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”),开设了轻化工程专业卓越工程师班,“物理化学”是其专业基础课程。本文探讨面向轻化工程专业“卓越工程师”培养如何进行“物理化学”课程的教学。
  一、合理安排课程教学内容
  “卓越计划”分校内学习和企业学习两个培养阶段。四年制本科采用“3+1”校企联合培养模式,即3年在校内学习,累计1年在企业学习、实践和毕业设计。因此,“卓越工程师”班的学生在学校学习时间比其他专业少。我校轻化工程专业的“物理化学”课程课时为80,所学内容中,化学热力学、化学平衡、化学动力学和电化学等章节知识与学生在大一阶段学习的“无机化学”课程中的内容有所重复。因此有的教学内容应以复习为主,不宜讲解得面面俱到。如在讲授热力学第一、第二定律章节时,可以把这两章的知识框架结构介绍给学生,包括理论的提出、理论的延伸及理论的应用。其中理论的提出属于难点,特别是热力学第二定律;理论的延伸主要体现在热力学定律在实际条件(如恒容、恒压等)下的进一步具体化,此过程涉及大量计算公式及结论;理论的应用是对热力学定律在实际过程(主要为单纯PVT变化、相变化以及化学变化)中的计算。从而使学生对热力学第一、第二定律的知识既有宏观的印象,又认识到“物理化学”课程中遵循的“实践—理论—实践”认识过程,这样可为以后章节的学习奠定基础。而对于以前没有学习过的章节,则应强调基础知识和理论产生的意义,简化理论的推导过程,注重理论的适用条件,加强理论知识的应用实例。这样的安排有利于学生把握知识的重点和难点,提高学习兴趣,充分发挥其主观能动性。
  二、紧密联系专业的教学
  “物理化学”课程的学习为以后专业课程的学习打下理论基础。但单纯地讲授“物理化学”课程知识而不与专业相联系,就会让学生觉得学习这门课程没有意义。因此应将轻化工程专业的专业课程知识渗透到“物理化学”课程的教学过程中,让学生意识到“物理化学”课程对以后专业课程学习的重要性。所以,“物理化学”课教师应了解轻化工程专业的相关专业课程,与专业课程教师沟通交流,把一些专业知识与“物理化学”课程知识相结合。我校轻化工程专业“卓越工程师”培养的专业课程中,“染整工艺原理”“助剂化学”“染料化学”等课程与“物理化学”课程中的化学动力学、表面活性剂、胶体与界面化学等章节内容相互联系。教师在讲授时就可以把这些专业课程中的典型实例与“物理化学”课的基础知识点相结合,让学生明白只有掌握物理化学的基础知识后才能将专业课程学好。如在讲授“化学动力学”章节时,可以联系“染整工艺原理”课程中棉织物的染色工艺过程的实例,简单介绍棉织物的染色包括练漂、烧毛、退浆、煮练及染色工艺过程。其中染色过程包含对温度、pH值、反应时间、染料浓度、助剂等工艺参数的控制,而这些工艺过程的控制其实是染料分子与棉纤维化学反应动力学的控制,教师就可以引出反应动力学速率方程、影响化学反应动力学的因素等知识。
  三、与工程人才培养目标相结合
  “物理化学”课程一直以来被称为理论化学,以抽象的理论、复杂的推导和繁琐的计算为特点,是一门既难教又难学的课程。如果在讲授中从理论到理论,只注意基本概念的讲解、数学推导及计算,这就完全脱离了“卓越工程师”的培养目标。因此,为了把学生培养成具有工程意识、工程素质和工程实践能力的应用型人才,教师在讲授时,应根据理论的逻辑性和内容的关联性,恰当地引入科研项目、企业生产工艺与过程以及实验教学等实践性环节相关内容,以激发学生的学习热情,培养学生发现问题、提出问题、分析问题和解决问题的能力。如在讲授“表面现象”章节中的接触角知识时,可以根据杨氏方程得到:cosθ=γs-g-γs-lγl-g。式中:θ为接触角;γs-g为固气界面张力,γs-l为固液界面张力;γl-g为液气表面张力。当γs-g>γs-l、θ<90°时,固体表面润湿,为亲水特性;当γs-g<γs-l、θ>90°时,固体表面不润湿,为疏水特性。教师可以通过“如何将棉织物整理成拒水面料”课题进行工程实例讲解。由于棉纤维表面大量的羟基基团使γs-g>γs-l,因此θ<90°,棉布具有亲水特性。在棉织物的拒水整理课题中,可以通过在整理液中加入有机硅类WP-107A和有机氟类AG-480整理剂,使棉织物的表面形成有机硅和有机氟类的物质,从而使γs-g<γs-l、θ>90°,这样就使棉织物具有拒水性能。这样的教学加强了学生对工程实践的理解,同时也使学生学会了如何将物理化学知识运用到实践中去。
  四、设计具有工程实践特色的综合实验
  轻化工程专业“卓越工程师”强调学生工程实践能力的培养,而“物理化学”课程属于基础化学课程,更多的是注重基础理论的学习。如何在基础化学课程实践教学中培养学生的工程实践能力?笔者认为,在“物理化学”课程的实验中开展具有工程实践特色的综合实验项目,一方面,可以将理论联系实践,加强学生对基础理论知识的理解和认识;另一方面,可以培养学生的工程能力和素养。例如,我们设计了“改性活性炭材料的制备及对染料分子的吸附动力学研究”综合实验。该实验项目包含材料的制备及改性研究、染料分子的吸附动力学研究、数据的处理及分析等过程。通过该实验项目的实施,让学生将所学的物理化学知识运用到实践中,锻炼了学生的材料合成能力以及仪器操作与测试分析能力;同时也使学生学习到染料废水的处理方法,为今后在企业工作建立清洁生产的理念。
  五、探索教学新方法
  传统的“物理化学”课程教学方法往往偏重课堂讲授,学生被动学习,这种教学方法已经不适应“卓越工程师”人才培养。当前,网络信息技术的快速发展和运用,使MOOCs(慕课)、翻转课堂等新的教学方法不断涌现,而这些教学方法可以为“物理化学”课程教学提供新的思路。笔者在教学过程中也进行了“翻转课堂”等新方法的探索与实践。如选取“化学平衡”“相图”等部分章节进行探索。教学时,首先将学生分成多个小组并选定组长;然后布置学生课后学习的章节,并指导他们上网观看相应章节的视频;由组长组织小组成员进行讨论学习,每个小组提出问题并介绍学习心得;最后教师在课堂上开展讨论和复习,每个小组派代表上台汇报学习情况,全班共同讨论,教师对讨论的问题进行答疑和总结。这样的教学方法,使学生兴趣浓厚、参与度高,学习效果不错;同时,也充分发挥了学生学习的主动性,提高了师生教学的互动性。

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