工程教育环境类专业物理化学教学改革
[摘要]以“新工科”建设与工程教育的理念为指导，调查分析了物理化学课程体系、思维模式等在环境类专业工程教育中的功能与作用规律，进一步明确物理化学在该专业中的专业定位。通过强化以学生为中心的教学模式、践行以结果为导向的教学方式、借助持续性改进措施，开展了环境类专业物理化学工程教育的教学改革与实践。
[关键词]物理化学；教学改革；工程教育；环境类专业
为了适应国际发展趋势，应对新一轮的科技革命和产业革命，在新的经济背景下，基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势和立德树人新要求，工科专业的工程教育改革是必然趋势与发展方向[1]。新工科教育的定位明确、内涵丰富、要求严格，强调在立德树人基础上，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1]；同时，通过设定专业标准和连接专业准入制度，工程教育认证制度对于提高高校工程专业教学水平与学生的工程能力具有重要的推动作用[2]。以新工科的教育理念为指导，以工程教育认证为契机，通过持续性改进，全面转向以学生为中心的培养模式[3]，强化以成果为导向的理念[4]，践行持续改进的思路[5]，持续提高工程专业的教学质量并强化专业特色，从根本上提高学生的工程能力，是当前工程专业的改革重点与趋势之一。当前大类招生与分类培养的基本教学培养模式日趋明显，高校环境工程、给排水科学与工程、环境科学等专业建设和人才培养模式遇到了一些新的问题和挑战，还不能很好地适应国际社会与行业快速发展对人才的需求。环境类学科的工程教育是针对学科自身发展规律、社会需求及良性发展而进行的教学模式改革，对专业教学与学生培养具有重要影响。物理化学是环境类专业非常重要的基础课，针对环境类专业工程教育的课程改革是重要方向。物理化学逻辑性强、概念抽象、对数学基础要求高、推理和公式繁多且应用条件严格复杂、学科交叉内容较多，导致学生在学习过程中普遍认为难以理解和掌握相关原理与方法，对很多学生来说是极具挑战性的一门课程[6]。为了提高教学质量，物理化学的教学改革已有诸多设想与实践[7-10]。针对环境类专业教学改革与专业发展现实述求(环境类大平台招生，包括环境科学、环境工程、给排水科学与工程等专业)，结合当下招生培养新模式及教学改革新需求，以环境类专业培养中物理化学的基础性功能为切入点，从效果跟踪与结果反馈的角度，分析物理化学教学在新形势下环境类专业发展中面临的新挑战，探讨物理化学课程内容、教学方式、课程体系及学科思维在专业教学、学生培养及个人特性发展中的作用规律，寻找创新性的解决方法，进一步明确物理化学在专业培养中的功能与定位，并提出针对性的改进与强化措施，为提高专业素质和工程能力的培养质量提供一定参考。
1物理化学课程体系对环境类工程专业培养的支撑
物理化学是环境类专业的基础性课程，具有建立基本物化概念、训练物化思维、拓宽认识视野、提高认知水平、夯实专业基础、加强专业能力、启蒙专业认识等重要作用。通过调研国内典型工科院校中环境类专业的物理化学课程学时设置情况发现，整体上物理化学学分为3.0分以上，环境科学类专业可能会更高，授课内容基本涵盖了完整的热力学、溶液、平衡、电化学、动力学、界面、胶体与高分子等内容；“双一流”工科院校对物理化学在课时和内容上的更高要求与其研究创新型人才培养的目标相一致。在实际授课过程中，根据课程目标与学生掌握情况，调研了五个平行教学班级(调研对象包括环境科学、环境工程、给排水科学与工程等三个专业的班级，样本总数151人，下同)对物理化学课时数的期望值。学生对物理化学课时的平均期望值为80学时，普遍高于当前设置的48学时，可见物理化学内容较多，学生在短时间内掌握这么多内容存在一定的困难。实际上，学生普遍反映物理化学难度较大(平均9.3分/10分)，每次授课后需花平均4.4小时去复习巩固知识、强化原理理解及提高相关能力。学生反映内容最难的部分主要是热力学、平衡与动力学三部分，但是平衡与动力学部分内容是环境类专业最为基础与核心的内容，为后续专业学习提供基础与原理支撑。对环境类专业的本科生、硕士研究生、博士研究生等的持续跟踪调研表明：在学完物理化学的后续学习与工作中，学生对物理化学中的热力学、平衡、电化学及动力学印象相对更深刻，说明这些内容有可能在后续的学习与工作用有实际接触或应用。可见，根据专业培养目标与物理化学课程特点，需要对整体教学内容进行优化，在平衡与动力学两方面内容上进行适当强化，尤其是结合环境实际问题进行讲解，使学生对基本的物化原理有实际针对性的理解，并加强利用平衡与动力学的方法去分析复杂环境问题的关键环节与解决实际问题的能力。
2物理化学教学对环境类工程专业学生培养的作用
2.1物理化学教学对学生能力培养的作用
对授课班级进行调研发现：学生普遍认为物理化学对自己的专业学习与能力培养很重要(7.9分/10分)，但是难度很大(9.3分/10分)，实际上学生普遍认为物理化学是他们目前所有学习课程中难度最大的学科，造成了学生对物理化学的兴趣产生很大波动(4.8分/10分)。持续跟踪调查显示：近80%的学生认为物理化学对学习与工作是重要的(高于5分)，近40%的学生认为物理化学非常重要(高于8分)。具体的表现在公式运用、知识面、逻辑推导、思维方式及基本原理应用。如何在有限的学时内激发学生的学习兴趣、培养学生的知识运用能力和创新精神，是物理化学课程教学过程中需要解决的实际问题。这需要对物理化学的教学内容根据专业培养目标进行深入研讨，并对教学方法和教学手段进行创新，以培养出“新工科”背景下具有扎实基础知识和创新意识并能够解决复杂工程问题的高级人才。针对环境类专业的特点，根据学生的认知水平和认知规律，借助教师的科研经历与理解，以通俗的方式引入实际环境问题与案例，并将物理化学原理方法与最新科技前沿相结合，采用“设疑启发”与“问题导向”的教学模式，让学生参与到教学过程中，将有助于形成良性互动教学氛围。通过增强学生对物理化学基本原理的理解，激发学生的学习热情，启蒙学生的科研兴趣，并强化学生利用物理化学原理与方法分析和解决实际环境问题的独立思考意识、创新精神、思维与能力。新工科建设与工程教育要求利用物理化学的基本原理与方法分析实际环境问题的关键环节，并能尝试思考与解决复杂的实际问题。因此，物理化学教学的核心之一应该是对物理化学基本规律的应用。利用针对性的课后习题进行训练，以加深学生理解基本规律，并强化其对实际问题的思考与解决。调研发现，学生认为课后设置的习题对于物理化学内容的掌握与能力的提高具有很重要的作用(7.8分/10分)。因此，今后还需要针对专业特点，设置更加贴近实际的问题、案例，强化学生将物理化学的基本原理与方法用于解决复杂环境问题。
2.2物理化学学习对学生个性发展的作用
实际调研发现学生对掌握物理化学基本原理方法及应用情况的自我评价整体较差(4.4分/10分)，说明学生在物理化学原理与方法掌握的全面性、系统性上存在一定问题，在利用物理化学的方法解决实际问题方面存在较大的不确定性，本质问题应该是在物理化学基本规律与原理的理解的深刻性和应用拓展上存在不足与漏洞。同时，经过物理化学，学生认为可以显著拓宽其知识面(7.5分/10分)，有助于加深对专业内涵的理解(6.9分/10分)，可以适当提升其对专业的学习兴趣(5.1分/10分)，并有效地促进对实际工程问题的理解与分析(6.8分/10分)。多年跟踪调查表明：学生对物理化学在专业基础知识掌握、工科专业能力培养、学术创新研究中最有帮助的比例最高；有近26%的学生会经常用到物理化学的规律、方法与相关能力，有近7%的学生会翻阅物理化学资料解决理论与实际问题。今后的教学过程中需进一步联系环境领域的实际问题，以贴近实际生活的经验与案例，利用物理化学的规律与方法进行解读与分析，将基本方法用于解决实际问题，并在实际问题中提炼与总结物理化学的基本规律。紧密联系实际，从实际工程中来，到实际工程中去，加强启发式教学，鼓励对实际问题的创新性分析与思考，强化利用理论方法分析实际问题，并以实际经验佐证与支撑理论，学以致用、教学相长，拓宽学生知识面，加深对原理的理解与掌握，提高分析问题的全面性与深刻性，促进对专业内涵与发展的理解，提高对专业的学习兴趣，夯实分析与解决实际复杂工程问题关键环节与核心问题的独立思考素质与能力。
2.3物理化学思维模式对学生思维能力与工程能力的作用
思维能力是所有素质与能力的核心，思维能力的广度与深度决定了思维的层次与含金量。工程教育中的思维能力是重点之一，而物理化学对于塑造学生思维能力的独立性、全面性、系统性、深刻性、严谨性、批判性、创新性等方面具有非常重要的作用。通过调研表明：学生普遍认为物理化学的学习对与其思维能力的提升具有显著作用，显著提高了自学能力(7.7分/10分)，明显强化了思维的深刻性与全面性(7.2分/10分)，加深了对自然科学的理解(6.9分/10分)，加强了对实际工程问题的理解与分析能力(6.7分/10分)，明显提升了对实际问题分析的全面性与深刻性(7.4分/10分)，并有助于对科学研究的启蒙与兴趣培养(6.6分/10分)。多年跟踪调查显示，有近41%的学生认为物理化学对其思维方式和思维能力的培养最为重要。在实际教学过程中，以实际环境问题与工程为核心，将物理化学的基本原理进行学科交叉地发散性思考，触类旁通，总结归纳，并通过逻辑推理与批判分析，针对性地提出创新性的环境问题分析方法与解决思路，为分析复杂工程问题的关键环节打下坚实基础，从而从根本上提高其分析问题的能力、学术创新的意识与专业的工程能力。
3结论
通过调研的方式进一步明确了物理化学在环境类专业培养中的功能与定位。针对新工科建设的趋势与工程教育专业认证的形势，总结了相关院校教学经验，根据反馈结果，尝试将涉及到的教学方式与方法改革的成果，如实际环境问题导向、重点内容设置、推导过程简化、工程案例探讨、课堂主题讨论、课后训练强化等方式方法应用到环境类专业的物理化学教学中，以提高学生分析与解决复杂环境问题的能力。
参考文献
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作者：李旭春 陈华丽 单位：浙江工商大学
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