基于新工科背景環境工程專業有機化學課程改革與探索

崔節虎 杜秀紅 王香平 姜靈彥

(1.鄭州航空工業管理學院 土木建筑學院,河南 鄭州 450015；2.河南醫學高等專科學校 檢驗系,河南 鄭州 451191)

近年來，隨著科學技術的進步和新的發展戰略需求，國際環境競爭態勢日新月異，國家對工程人才的需求越來越多，要求也越來越高[1]。因此，作為人才培養的基地—高等教育應緊跟經濟社會發展的要求，針對這一現狀，高校新工科建設應運而生。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[2-3]。為了實現新時代全國高等學校本科教育工作目標，我們必須加強工科基礎教育。

環境工程專業同樣必須要適應國家戰略發展需求，大力開展新工科建設，以應對新時代提出的新要求。新工科建設就是要使高校環境工程專業學生掌握了基礎專業知識才能更好的學以致用，適應專業的社會職業發展需求，才能成為符合行業發展和需求的卓越應用型工程人才[4]。這一建設目標就意味著新工科-環境工程專業建設將更加依賴于有機化學等基礎課程的教學改革創新。有機化學作為環境工程一門重要必修專業基礎課，實用性操作性很強，可為環境有機化合物污染處理提供解鎖工具，那么如何才能使學生高效的學習掌握有機化學呢？關鍵在于教學模式、學生的學習效果以及能否學以致用。本文主要開展結合有機廢水案例庫等輔助工具和“大班授課+小班研討”教學模式[5-6]，努力培養符合高等院校人才培養目標與規格要求、具有創新精神和實踐能力的環境類應用型專業人才。

1 有機化學在環境工程專業面臨新的挑戰

通過多年的教學發現，有機化學在環境工程專業面臨新的挑戰[7-9]，主要問題集中在學生普遍反映有機化學難學，記憶點多而繁，學習時間相對較短，厭學情緒加大，直接導致學生對環境專業迷茫，不明白環境工程專業學生為什么學習有機化學，怎么學習有機化學，對專業發展有什么幫助？這和所處環境有關：

(1) 有機化學課程特點，內容多而復雜：有機物種類多且機理復雜，反應條件多，理論抽象枯燥，囿于課時有限，未能結合環境專業講授，導致學生盲目被動接受知識，學生普遍反映難度大；

(2) 不同層次背景學生發展變化大，目前00后大學生已經進入大學，他們有自身明顯的特點，強調相互尊重、平等交往等，需要教師認真探索，只有掌握了現在大學生學習的特點，教學改革才有針對性；

(3) 不同省市高考教改，由于有機化學知識點繁雜，很多高中沒有把有機化學教學放到主要位置，導致學生有機化學基礎薄弱，進入大學學習有機化學課程很吃力，并且大學知識傳授除了課堂以外，需要學生課下自學、多閱讀和做題練習，很多同學并不適應。

(4) 有機化學課時減少，如我校經過幾次專業修訂，有機化學從過去56理論課時減至48理論學時，到目前僅為32理論學時，然而有機化學知識點講授并沒有減少，因此僅僅采用傳統教學模式遠遠不夠，這就需要教師精簡內容，協同環境工程專業知識，以微課、課外討論等形式補充其他知識點。

(5) 缺少環境工程有機化合物污染處理(廢氣、水和土壤等污染)案例分析，對于環境工程專業來說，并沒有與之配套有機化學教材，缺少每一章節內容與廢水處理之間關系，不能理論聯系實際，導致學生迷茫和厭學情緒蔓延，掛科率相對較高，對教師同樣也是一個難題。

2 有機化學教學改革思路

2.1 強化基礎，側重應用，緊密結合環境工程專業知識

不同省市大學生化學知識基礎不一，高考時一部分選擇結構化學，一部分側重有機化學，其他還有省市高考學生不選化學，因此不同省市生源化學基礎不同，這就需要教師根據學生不同基礎，對學生分類指導，鼓勵課下多學多問，利用微信、QQ等新工具為學生解惑。

基于不同層次學生，根據環境工程專業特點，合理挑選有機化學授課內容。課堂講授是教學實施重要環節，無法替代，且有機化學知識點多而繁，在課時逐年壓縮的情況下，不可能面面俱到，必須有所側重。基于典型化、實用化和先進性選擇有機化學內容，理解強化典型性基礎內容如不同物質命名、物理性質、化學性質(親電、親核反應等)；為了提高學生解決實際問題，創新能力，內容上加大應用有機廢水案例分析，為其他課程水分析，水污控等提供有力幫助，與專業知識更加緊密，學生也從低年級更理解專業發展和前景，為后續課程學習打下良好的基礎。

2.2 改變授課模式，引入討論式教學，激發學生興趣

受制于目前高校班級規模的不斷擴大、教學內容、上課地點、人數和學校管理等因素的限制，一般情況下采用灌輸的課堂講授法授課模式，滿堂灌教學模式降低教師對學生的關注，缺乏師生交流，同樣學生也缺乏課堂表現和參與機會被動接受知識不利于學生創新能力培養；因此，盡管有機化學具有多繁雜等特點，需要教師根據專業取舍內容，有所側重，如何在有限學時下讓學生對有機化學有清晰的認識和理解，必須要加強小班討論、大班啟發和探究式等多種師生互動的教學方法[10]；

2.3 探索大學生學習特點，激發學生的“質疑意識”

00后大學生有自己非常鮮明的特征，雖然有一定冒險和創新精神，但普遍缺乏吃苦耐勞品質，合作精神不足，同時又十分關注尊重、交往、自主等。了解掌握大學生的，尊重大學生個人特點，適當增加知識傳授中的團結協作精神，如對于一個完整水處理系統，獨立個人無法完成，通過協作才能使水處理系統良好運行，提高他們對環境工程專業高度認同感。強烈的質疑意識作為思維的內動力，是創新精神的基石，是學術創新的突破口。眾所周知，質疑意識決定學生創新能力高低。然而“質疑意識”需要老師的培養和激發。我國大學生由于受應試教育和家庭教育等多種因素影響，不善于表達和質疑，作為授課教師，在討論課時要想方設法激發其顯在的、動態的質疑意識，提高他們的創新能力和素質[11]。

2.4 確定課堂探討的問題和成績評定

基于理論聯系實際確定討論問題(1)選擇既符合教學要求、具有工程應用背景和具有一定理論思考性題目；(2)選擇有利于教師有課程教學，而且大部分學生能有機會提出新的答案的問題；(3)討論題針對教材中的重要難點、不容易理解問題；(4)學生自己關心和理論有關問題。

學生關心自己成績，如果課堂探討的問題進行中不能合理的進行成績劃定，學生就會敷衍了事，不深入參與，基于課堂討論教學效果和學生綜合素養提高很有難度，特別有必要對有機化學課程討論成績進行全面分析制定合理規定。

3 新工科背景下基于環境工程專業有機化學課程應用探索

3.1 研究對象與分組

以2016級73名和2017級128名環境工程專業學生為研究對象，采取隨機數字表法將其分為4個研究組，傳統教學和討論兩種方式穿插進行，并把2015級環境工程69名學生采用傳統教學模式作為對照組。

3.2 取舍講授內容，加強討論環節

首先進行傳統教學授課，使同學初步認識有機化學課程整個知識脈絡，理解每個體系(烷烴、不飽和烴、共軛體系、芳香烴、鹵代烴、醇和酚等)命名、物理性質和典型化學性質(取代、氧化、加成、自由基等)；掌握典型反應機理：親核反應、親電和消除反應機理；了解規則：親電反應、定位規則和休克爾規則等；利用典型反應鑒定物質：炔烴鑒定等；這些典型知識鏈條就如同導火索般點燃和激發了學生的記憶鏈，不僅有利于掌握各知識點之間的關聯，也有利于知識點的記憶，努力培養一種不斷擴展學生思維空間的“學習即思考，思考即學習”情景[12-13]。

其次抽出一定時間以課堂討論教學為主，第一步為了對已學理論知識進一步的理解、鞏固和掌握，側重應用，將其作為基礎，假設每一章講授有機化合物均能造成水體污染，討論采用什么技術如何消除？過程怎么樣？然后四個小組課下查閱資料，課堂發言5分鐘討論。例如芳香族衍生物-苯酚污染水體，如何消除？根據文獻資料選擇何種技術處理，高級氧化或生物處理等，如何降解，產物為什么？最后討論反應機理，總結消除有機物污染即為合成反應的逆過程。通過一系列問題討論，教師結合經典的工業苯酚廢水處理實例，講授如何在實際生產中構建有機化合物化學性質與不同條件下反應機理等知識框架。

又如碳氫化合物的燃燒，充分燃燒或不充分燃燒，最后產物是什么，導致什么危害？燃料燃燒不完全排放碳氫化合物，汽車尾氣中有10%碳氫化合物，它是光化學煙霧的主要成分。設置問題，引導學生積極參與，舉一反三理論聯系實際，提高學習有機化學課程興趣。

再次鼓勵學生自己思索并提交相應應用實例，提供可能解決方案；如講到苯環化合物的時候，可以提問大家：同學們都喜歡吃燒烤，經高溫處理后烤制品含有一種產物？引導大家積極參與討論，提出可能存在產物，再引入稠環芳烴看其性質，有一定致癌性，結合社會現象提醒大家少吃燒制食品，盡管味道鮮美，但不可長期食用。從課堂討論來看，學生參與度很高，借助于小組深入探討，學生理解并掌握大班授課中所講授的基礎知識點之間聯系，培養了學生之間協作精神和表達能力，注重與老師之間的互動和交流、提高學生綜合素養和創新精神，效果良好。

3.3 工業有機廢水水處理案例庫的建設

依據環境工程專業的有機化學課程標準，結合環保工程師等資格考試知識要點，搜集具備典型工業有機廢水處理指標的案例。盡可能包含環境工程絕大多數常規有機廢水處理項目、最新的處理方法及技術的反應機理問題案例。同時也搜集設計一些典型有機廢水處理案例，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力，拓寬知識面，如表1。

表1 典型工業有機廢水處理技術及反應機理

3.4 選擇典型專業背景研究問題，利用問題和質疑意識法培養學生創新意識

基于科研和相關企業課題，選擇典型專業背景研究問題，解決實際問題，切實提高學生收集文獻、歸納整理、分析與解決能力問題。

氨基苯酚廢水具有致癌性，難處理。根據課題組多年科研研究，從氨基苯酚結構入手，讓學生了解其物理和化學性質，基于理論講授臭氧等氧化劑作用，設置氨基苯酚中苯環怎么才能斷裂這一問題，會涉及到那一部分內容，可能會怎么樣？根據問題學生課題進行補充；

再比如近幾年，大蒜制造業蓬勃發展，各種大蒜加工企業規模不斷擴大，由此產生了大量的加工廢水，近三年引入課堂，大蒜廢水很難用生化法進行處理，為什么難？了解大蒜成分：大蒜廢水主要含有大蒜素，化學名稱為二烯丙基三硫化物，具有強烈的刺激味和特有的辛辣味，對許多革蘭氏陽性和陰性細菌及真菌具有很強的抑制作用，怎么解決呢？需要對大蒜廢水進行前處理，把二烯丙基三硫化物分子進行破壞，使其失去抗菌性，后續可以進行生物處理。這樣一步一步設置問題進行引導，讓學生自己提出問題，課下查閱資料課上交答案，通過這樣問題引導法，學生查閱資料能力，問題能力和解決能力提高很快，超出預期。

3.5 教學效果評價

培養創新性應用型人才，學生必須體現解決實際問題的能力，因此制定合理評價體系對提高學生積極參與和學習至關重要。改革考核方式：(1)期末考試占70%，試題增加要貼近專業和社會現象，考核學生理論聯系實際能力；(2)討論課程占20%，此項分數由兩部分不同組學生匿名和教師共同打分，匯總后提交教師；(3)突出獎勵加分，若討論課中表現突出，解決問題能力優異，可給予不超過5分的加分獎勵。(4)作業和考勤占10%，通過課后作業和日?？记诠餐_定。

通過近三年實施，對參加學生嚴格考核，并進行學習效果評價和針對教學效果的學生信息反饋調查。結果發現，多數同學都積極參與討論課發言，每位同學都參與打分，說明有機化學改革模式受到了學生的關注和認可。按總成績90～100分、80～89分、60～79分、60分以下，結果見表2。

表2 傳統與改革成績評價對比分析

2015級以傳統授課模式，課堂中發現學生學習興趣不高，厭學情況嚴重，在成績上同樣表現，不及格率高達38.24%。從2016級開始改革教學模式，根據環境工程專業需求，大膽精簡課程內容，取舍講授內容，加強討論環節，強基礎，重應用，引入科研和社會環境現象，積極引導學生思考，提高學生興趣。學生學習態度端正，積極參與課堂討論，實施以后，效果良好。2016級和2017級學生降至16.44%,15.63%。同時針對教學效果的信息反饋調查采用問卷形式，調查研究組學生對教學效果的評價，90%以上學生喜歡授課+討論模擬+案例教學，引導學生思考模式。

4 結束語

基于新工科建設背景，針對環境工程專業有機化學課程存在知識點多和課時少局限，在教學中進行了一系列有意義的嘗試，開展有機廢水案例庫和“大班授課+小班研討”教學模式等輔助模式，教學與生產實踐及科研相結合等課程改革的探索與實踐。大膽精簡課程內容，取舍講授內容，加強討論環節，強基礎，重應用，引入科研和社會環境現象，積極引導學生思考，提高學生興趣。學生學習態度明顯端正，積極參與課堂討論，效果良好。通過有機化學改革教學模式可以有效多維度地培養學生的創新能力、學習能力及獲取能力，為環境工程專業新工科應用型人才培養提供有益探索。