產教融合視域下《大學化學》課程教學方法改革

李夢佳，董衛平，王琳琳

（浙江師范大學，浙江 金華 321004）

《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》指出受體制機制等多種因素影響，人才培養高校供給側和企業產業需求側在結構、質量、水平上還不能完全適應，“兩張皮”問題仍然存在。深化產教融合，促進教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈有機銜接，是當前推進人力資源供給側結構性改革的迫切要求，對新形勢下全面提高教育質量具有重要意義[1-2]。

筆者主講的《大學化學》是一門簡明反映化學學科基本原理的通識課程。通過本課程的學習，使學生對化學反應的基本規律，變化過程中的能量關系以及物質組成、結構與性能的關系等有一個比較全面的認識；為學習后繼課、新理論、新工藝、新技術研究奠定必要的化學基礎。通過本課程的學習，學生還應了解當前化學學科發展的特點及與智能制造、交通運輸領域的聯系、交叉和滲透，在工程實踐及日常生活中能夠運用化學的觀點和所學化學知識分析問題和解決問題。由此可見，《大學化學》課程應是一門校內課程學習與校外實踐應用密切關聯的課程。然而，現有的教學內容與方式與產業關聯較小，無法滿足深化產教融合、全面提升人力資源質量的要求。本文基于智能制造專業和交通運輸專業通識課《大學化學》課程提出產教融合視域下的課程教學方法改革。針對理論課程與實驗實踐課程分別提出改革思路及具體實施方案。

1 改革思路

《大學化學》課程由理論課程教學與實驗實踐教學組成，課時比例為3：1，實踐內容較為豐富。其中智能制造專業和機器人工程專業的《大學化學》課程的理論教學課時為24課時，實踐課時為8課時。交通運輸專業的理論教學課時為32課時，實踐課時為16課時，參考教材為浙江大學普通化學教研組編《大學化學》和楊光瑞等編《普通化學》。圍繞深化產教融合主要目標與《大學化學》課程的特點，需分別針對理論教學與實踐教學進行改革。

對于理論教學，為了更好地激發學生的學習興趣，理解每一章學習內容可用于解決何種工程以及科學問題，明白“為什么”學，在每一部分課程教學開展之前通過案例分析引出與該部分章節理論知識相關的前沿科學研究及相關技術在產業中的應用。此外，邀請企業工程師介紹與該部分理論知識相關的企業前沿技術及技術瓶頸，或組織學生參觀相關企業引導學生思考。從而激發學生學習本章理論知識的興趣，并在學習的過程中不斷加深理解，思考技術瓶頸的解決方法。章節內容學習結束后，學生以小組形式討論對本章學習內容開展之前所引出的前沿技術的理解、對現有技術的改進方法，并頭腦風暴如何通過所學內容解決企業技術瓶頸。

對實踐教學，首先重新合理設計實驗教學大綱和實驗內容，在選擇和設計實驗時兼顧與產業的關聯性、與理論學習內容的密切相關性，并充分考慮實驗的趣味性。一方面使學生通過實際操作理解大學化學理論知識在產業中的應用，一方面激發學生對解決企業相關問題的興趣。再者，依托學院與多個高新企業間建立的黨建聯合體，學生的部分實踐課程可在企業中開展。黨建聯合體通過聯合企業、教工、學生，突出“三進三同工程”的特色，并從聯合制定培養計劃、聯合進行專業實踐、聯合指導學生競賽、聯合完成畢業設計等多方面著手促進產教融合的發展。其中“三進三同工程”通過“教師進企業、老總進課堂、學生進車間”和“同一個課堂，師生一起進企業學習”等建立并發展與企業、科研院所的合作，注重教學科研和生產實踐相結合。從而通過在企業聆聽一線技術人員的講座，參觀技術研發室并與前沿科研人員交流，及參觀生產車間并與一線工人交流，深入理解理論知識得到實際工程應用的過程，并思考如何解決企業面臨的與化學相關的技術難題。

2 教學改革的具體實施方案

2.1 理論教學

基于上述改革思路，理論教學部分的具體實施方案按章節開展，并通過邀請企業工程師進課堂或組織學生進相關企業充分聯系理論與產業實際。學院智能制造專業和交通運輸專業《大學化學》課程共分4個主要部分：

（1）第一部分的主要學習內容為熱化學與能源，本章在產教融合視域下的教學目標為理解能源的合理應用的長遠意義與途徑并有能力參與新能源的開發。針對該教學目標的實施方案如下：

首先以溫室氣體如二氧化碳及一氧化二氮等引起的溫室氣體效應與碳排放當量的概念及其導致的氣候災難為切入點，在本章教學內容開展前引導學生討論化石能源存在的問題，對工業和生活的影響，并提出可產業化的可替代能源與普及方法。通過案例法讓學生理解核裂變、核聚變、離岸風電、地熱等“零碳”電力的特點、適用性和面臨的挑戰[3]。其中，核裂變是目前已被應用的唯一一種可一年四季不分晝夜連續提供穩定電力的“零碳”電力技術。在介紹的過程中，學生們不可避免的會想到核能的安全性。因此，繼而從切爾諾內利和福島核電站事故出發，理解核電站發電的化學原理、巨大的發電潛能并分析事故發生的化學原因，探討核能的安全性和應用前景。此外，通過數據讓學生理解電力生產和存儲產生的溫室氣體排放量只占人類活動溫室氣體排放量的27%，因此實現零碳目標還需考慮生產和制造（如水泥、鋼、塑料）、植物和動物的種植與養殖、交通運輸、取暖和制冷這4個主要方面?；诖?，在該部分教學內容結束后通過組織學生去高碳排放企業參觀（如水泥廠、制鋼廠、塑料生產企業等）理解生產過程中引起碳排放的環節、相關的化學反應。隨后，學生以小組形式討論如何從源頭減少碳排放或在生產末端采用“碳捕獲”等減小碳排放的技術面臨的挑戰，頭腦風暴如何通過所學內容解決企業減小碳排放問題上面臨的技術瓶頸。

（2）第二部分的主要學習內容為化學反應的基本原理與大氣污染控制。該部分內容在產教融合視域下的教學目標為了解傳統化學工業向綠色化學轉變的途徑。針對該教學目標的實施方案如下：

在該部分教學內容開展前引導學生討論傳統化學工業存在的問題與危害。通過習近平總書記在十九大報告中指出的“堅持人與自然和諧共生，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策”指出踐行綠色化學的重要性[4-5]。從化學能源的日益消耗，近年國際關系問題導致的能源價格不穩定等問題出發，引出新能源汽車市場熱度不斷攀升的現狀，進而討論新能源汽車給人們生活帶來的便利，對保護環境的貢獻。轉而引導學生指出新能源汽車帶來的污染問題，如電池的報廢與處理問題[5]。指出廢舊鋰電池會污染周邊環境，并通過環境作用到動植物及人類，造成不可忽視的負面影響。同時，合理回收廢舊鋰電池中存在的大量鈷、銅、鋰等貴重金屬有利于緩解資源短缺現狀，促進新能源電池的可持續發展，并減少電池對環境的污染[8]。隨后，通過案例法理解使原料分子中的原子100%或接近100%地轉變為產物、不產生副產物或廢物，實現廢物的零排放或接近零排放的“原子經濟學”反應。如從廢舊LiFePO4電池極片中原子經濟回收Li、Fe和集流體-Al箔的方法，其中Fe的回收率為97%，Li的回收率可以達到96%[6]。通過提出問題-解決問題，引導學生思考解決新能源汽車電池污染問題的方案。

此外，依托學院與企業密切聯系并建立聯合培養機制的特點，在該部分教學內容的教學中期或完成課堂教學內容后邀請綠色化學企業科技人員或面臨傳統化學工業向綠色化學轉變挑戰的企業科技人員進課堂，講授企業從傳統化學工業向綠色化學轉變的推動力，轉變思路和舉措以及帶來的益處，并指出目前傳統化學工業向綠色化學轉變的主要科技及面臨的挑戰，使學生在學習的過程中不斷加深理解，思考并以小組形式討論企業面臨技術瓶頸的突破方法以及本部分教學開始前提出的新能源汽車廢舊電池的回收處理方法。

（3）第三部分的主要學習內容為水溶液化學，本章在產教融合視域下的教學目標為理解飲用水凈化方法和各水凈化方法的優缺點。針對該教學目標的實施方案如下：

通過案例分析生活飲用水的凈化方法，如粗濾、混凝、消毒、離子交換、電滲析、蒸餾等。如活性炭過濾技術去污快，但容易在活性炭表面聚集細菌造成二次污染；膜過濾技術與本章將學習的溶液滲透壓、滲透、反滲透的聯系；家庭自來水的“氯味”與次氯酸鈉消毒的廣泛應用與消毒副產物對人的危害。在此基礎上，了解第一代、第二代飲用水凈化工藝的特點及對水質的污染（如藥物法）和局限性。通過歷史故事調動學生興趣，向學生介紹20世紀末由于第一代和第二代凈水技術無法有效去除飲用水中的賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲而造成的飲用水污染引起的“兩蟲”傳染病爆發。從而，引出第三代飲用水凈化工藝——綠色工藝技術，如膜濾為核心的綠色凈水工藝，不僅可以去除“兩蟲”，還可去除其他微生物和污染物[7]。此外，邀請學校所在地自來水公司技術人員進課堂講解水源地水質情況、需要達到飲用水標準所需進行的水凈化程序種類，第一代、第二代、第三代水凈化工藝應用情況，并揭示目前自來水公司水凈化過程存在的技術難題，啟發學生思考。繼而在課堂教學過程中不斷通過聯系飲用水凈化過程引導學生加深對相關知識理解，思考水凈化過程中存在問題的解決方法。章節內容學習結束后，學生以小組形式討論對第一代、第二代及第三代水凈化工藝的理解、對現有技術的改進方法，并頭腦風暴如何通過所學內容解決自來水凈化過程中遇到的技術瓶頸。

（4）第四部分的主要學習內容為電化學與金屬腐蝕。該部分內容在產教融合視域下的教學目標為了解新能源汽車的電池技術和工業金屬腐蝕發生的原理及防護方法。針對該教學目標的實施方案如下：

在該部分內容教學開始前，通過國務院頒發的《2030年前碳達峰行動方案》及“十四五”規劃中碳達峰、碳中和污染防治目標引出電力生產與存儲、生產制造、植物種植與動物養殖、交通運輸等四種人類活動是引起溫室氣體排放的主要原因。同時，清潔能源及電力的使用有助于各類活動碳排放量的降低。進而引導學生討論生產生活中常見的清潔能源應用，并引出新能源汽車的電池技術。同時，在該部分課堂教學工程中，邀請科研團隊中研究Li離子電池和固體燃料電池的老師進課堂概述Li離子電池和固體燃料電池的結構、工作原理、性能特點與優缺點。固體燃料電池可以通過電化學反應將燃料（氫氣、天然氣、煤氣）和氧化劑（氧氣）中的化學能直接轉變為電能，是一種高效、清潔的綠色能源技術。其中固體氧化物燃料電池對學生來說是一個很新的概念，可有助于幫助學生建立學習電化學的興趣。隨后，介紹Li離子電池和固體燃料電池的產業應用現狀，面臨的問題，進而引出電池領域的前沿研究技術，引發學生的學習興趣[8]。在該部分內容的教學過程中不斷將學習內容與講座內容進行聯系，使學生加深對相關知識的理解，促進理論聯系實際。此外，在該部分內容學習完成后，引出陰極保護法防止金屬腐蝕的方法及應用場景，如犧牲陽極保護法和外加電流法。通過案例法理解陰極保護法在提升埋地燃氣輸送鋼制管道、電力電纜保護中的應用。深入理解背后的電化學腐蝕原理[9-11]。

2.2 實踐教學

針對實踐教學，圍繞“產教融合”視域下的課程教學，重新合理設計實驗內容，使課程知識與產業密切銜接。此外，邀請專家帶學生現場參觀實驗室，學習采用電鍍法、微弧氧化法進行金屬防護的前沿科學研究及相關技術在產業中的應用。在燃料電池與電力系統方面，通過進科研實驗室了解固體氧化物燃料電池將化學能直接轉變為電能的方法及應用。另一方面，與企業共同設計實踐課程，通過在企業聆聽講座、參觀技術研發室和生產車間等方式，使學生深入理解理論知識得到實際工程應用的過程，并思考如何解決企業面臨的與化學相關的技術難題。

圖1 學生在工學院化學實驗室開展實驗

除常規實驗內容外，還邀請了專家在實驗室現場做講座（見圖2），概述Li離子電池和固體燃料電池的結構、工作原理、性能特點與優缺點。固體燃料電池可以通過電化學反應將燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）中的化學能直接轉變為電能，是一種高效、清潔的綠色能源技術。其中固體氧化物燃料電池對學生來說是一個很新的概念，可有助于幫助學生建立學習電化學的興趣。隨后，介紹Li離子電池和固體燃料電池的產業應用現狀，面臨的問題，進而引出電池領域的前沿研究技術，引發學生思考。此外，還邀請電化學金屬防護專家帶學生參觀了實驗室（見圖3），講解了與電化學相關的金屬表面防護涂層的制備和材料腐蝕、摩擦磨損性能研究以及功能陶瓷薄膜材料的制備和性能研究相關的科研設備，討論陰極保護法防止金屬腐蝕的方法及應用場景。

圖2 專家在實驗室現場與學生討論燃料電池產業應用現狀、瓶頸和前景

圖3 專家在實驗室現場與學生討論金屬防護產業應用現狀、瓶頸和前景

3 結語

筆者提出的產教融合視域下《大學化學》課程的教學改革方法順應“產教融合”的理念，可提高行業企業參與學校課程教學的程度，實踐校企協同育人。通過探討與理論知識相關的前沿科學研究與相關技術在產業中的應用及技術瓶頸，引導學生思考，激發學生學習興趣，思考技術瓶頸的解決方法。通過實驗教學大綱和實驗內容的合理設計，使學生通過實際操作加深理解大學化學知識在產業中的應用。激發學生學習理論知識的興趣，在學習的過程中不斷加深理解，主動思考產業面臨技術瓶頸的解決方法。此外，通過在企業聆聽一線技術人員的講座，參觀技術研發室與前沿科研人員交流，及參觀生產車間與一線工人交流等方式，深入理解理論知識得到實際工程應用的過程，進而探索大學化學實驗在企業中開展的教學效果。