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市政工程研究生课程教学中的课堂模拟实践教学 ——以《化学反应工程》为例论文

发布时间:2020-11-19 16:11:05 文章来源:SCI论文网 我要评论














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摘要:为强化《化学反应工程》课程对学生创新精神和综合实践能力,针对市政工程专业自身特色,对传统课堂教学模式进行创新,开展课堂模拟实践教学的探索与实践。确定了将消毒动力学过程模拟研究、活性炭吸附污染物过程模拟研究和污染物在河流中的迁移转化模型研究模拟内容。将课堂模拟实践教学的实施分为3个阶段,分别为课前的准备阶段、课堂模拟阶段和模拟后的反思阶段。实践效果表明,课堂模拟实践教学,创造了理论与实际相结合的机会,强化了专业知识的应用和创新精神的培养,有利于团队合作精神的培养

关键词:市政工程;课堂;模拟实践教学;创新

本文引用格式:聂小保等.市政工程研究生课程教学中的课堂模拟实践教学——以《化学反应工程》为例[J].教育现代化,2019,6(66):91-93.

《化学反应工程》是化学化工专业的核心课程,其内容主要包括反应器型式和特点、工业反应动力学、反应器特性分析、反应器优化及稳定性分析4大部分。上世纪60年代,在一些权威性的市政工程教科书中开始引入化学工程中的单元操作和单元过程的概念[1],以对水处理方法进行更好的分类。此后,反应器理论的引入,极大地推动了水处理工程的发展。自上世纪70年代开始,国内外很多市政工程专业开始开设《化学反应工程》课程,国内哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学、西安建筑科技大学等传统市政强校还在研究生培养计划中将其列为必修课。我校于2009年开始在研究生培养计划中设置该课程,作为选修课,开课时间为研究生一年级下学期。该课程对市政工程研究生培养的重要意义主要体现在两个方面:一是在课题研究阶段运用反应器原理进行实验系统设计和优化运行,保障研究内容顺利实施;二是利用反应动力学原理对实验成果进行凝练和升华,提升研究成果的理论性和创新性。

新时代对以研究生为代表的高层次人才提出更高的要求,既要有独立开展科学研究的业务能力,同时又要具备团队协作精神,敢于创新实践和承担责任,还要拥有广泛的视野和多学科知识灵活应用等综合素质,这对高等教育的研究生培养提出新的挑战[2]。申请者自2010年起开始《化学反应工程》课程的教学工作,经连续10届教学实践,发现导致教学效果不佳,进而制约学生工程和创新理念提升的主要原因,一方面是现有教材大都针对化学化工专业编写,理论性和系统性强,但内容繁多,市政工程研究生难以准确把握知识脉络和理解重点难点,进而“望书生畏”,另一方面是受客观条件限制,该课程没有同步设置相应实践教学环节,学生工程和创新理念的提升得不到保证。

大量的教改实践表明,课堂模拟实践教学,不需要较大经费投入,就能实现理论与实践相结合,培养学生创新和实践能力[3-4]。为此,笔者针对《化学反应工程》课程特点,结合我校在市政工程硕士生课题研究选题方面的实际情况,积极探索课堂模拟实践教学的教学方法,并进行实践,以切实培养和提高学生的创新精神和综合实践能力。

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一《化学反应工程》课堂模拟实践教学的可行性分析

在市政工程专业的硕士生课程《化学反应工程》中开展课堂模拟实践教学,其可行性可以从模拟目标的可达性和模拟内容的有效性两个方面得到充分体现。

对市政工程硕士生而言,《化学反应工程》的核心教学目标在于,学生在后续的课题实验研究中,能够应用反应工程的基本原理解决相关的技术问题,以及提升研究成果的理论性。该目标集中体现了对学生创新能力、实践能力和知识综合应用能力的要求。这就为模拟目标的制定指明了方向,也奠定了良好的基础。因此,《化学反应工程》课堂模拟实践教学的目标,既可以是科学研究思路等宏观层面的目的或目标,也可以是具体某个研究领域或方向的微观层面的目的或目标。总之,无论是宏观层面还是微观层面的课堂模拟目标,都与《化学反应工程》的教学目标高度契合。以微观层面目标为例,在具体的课堂模拟中,学生只需要针对某个具体的研究方向,综合运用化学反应工程的知识,提出研究目标,制定研究研究,确定研究技术路线和研究方案,凝练出关键的科学问题,而不必开展真正的实验操作,上述在课堂教学过程中完全可以实现,因而模拟目标的可达性强。

我校目前市政工程专业主要开展的研究领域或方向包括:微污染水源水处理、高碱高硬度水处理、城市供水系统中微生物和水生生物控制、雨污水资源化利用、污废水厌氧生物处理、新型净水药剂研发应用、环保疏浚技术与装备研发、污染水环境修复,等等。上述研究领域或方向均与单元过程和单元操作密切相关,这为模拟实践教学提供了丰富的素材。从已有的一些研究项目中,提炼出部分典型性素材,开展化学反应工程原理的具体应用实践,从实际工程/项目来,经过化学反应工程原理的指导和拔高之后,取得的成果又回到实际工程/项目中去。从这个角度讲,在《化学反应工程》课程中开展课堂模拟实践教学,其模拟内容的有效性可以得到充分的保障。

二 课堂模拟实践教学的模拟内容选择

模拟目标确定好之后,就需要根据教学大纲内容,确定具体的模拟内容。一般而言,由于课程学时数量有限,课堂模拟的内容不宜过多,以免对整个课程的教学产生不利影响。模拟的内容尽量和课程的主干内容密切联系,充分体现课程的重点所在[5]。模拟内容的选择还要考虑可行性的问题。有些内容虽然是课程的重点,但是难以在课堂情景中实现,若要强行开展课堂模拟,模拟效果难免大打折扣,也会打击学生的积极性。

根据上述,拟在整个教学过程中开展3个模块的课堂模拟实践教学,每个模块分配2个学时。3个模块分别为消毒动力学过程模拟研究、活性炭吸附污染物过程模拟研究和污染物在河流中的迁移转化模型研究。以上2个模块各自对应的教学内容分别为反应级数和反应活化能、非催化反应过程控制步和一维河流水质模型。

三《化学反应工程》课堂模拟实践教学的实施

将课堂模拟实践教学的实施分为3个阶段,分别为课前的准备阶段、课堂模拟阶段和模拟后的反思阶段。在课前的准备阶段,教师将模拟实践教学主题告知学生,学生根据主题去查找国内外的研究现状与发展动态,结合所要模拟的内容知识点,思考确定出明显的研究目标。由既定的研究目标制定出整个研究方案,包括研究内容、拟解决的关键问题、研究思路和技术路线,实验方案、进度安排和可行性分析等,最后提炼出运用化学反应工程原理所能得到的潜在创新成果。

在课堂模拟阶段,由各组学生(根据选秀人数,定为3组)选出陈述代表,就小组制定的研究方案进行答辩称述。在此过程中,学生是关键要素,处于主体地位,答辩小组围绕自己的研究方案,充分表现;其余学生则针对研究方案进行质疑,如研究内容是否选择合理?能够达到预期的研究目标?研究方案是否可行?成果的创新性是否成立?等等。教师在此过程中只是发挥一个引导或者叫主持人的作用,主要负责引导整个答辩过程的顺利进行,充分调动学生的积极性、主动性和创造性。如果时间允许,教师可以针对学生的具体研究方案提一些意见和建议。

课堂模拟结束后,教师和学生要进行及时的总结与反思。其中,学生是反思的主体,反思内容包括:研究方案的陈述过程中是否思路清晰、重点突出?技术路线和实验方案设计是否合理?与其他组的研究方案相比,主要劣势主要在哪些地方?通过上述反思,学生运用专业知识进行创新和实践的能力将进一步得到提升。教师的反思包括两个方面,一是指出模拟过程中学生应该注意的地方并提出合理化建议,二是对学生研究方案的完善提出意见和建议,特别是对3个小组的不同研究方案进行比较,进一步提升学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。

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四《化学反应工程》课堂模拟实践教学的效果分析

自2016年起,我们在连续3届市政工程专业《化学反应工程》的教学中引入了课堂模拟实践教学,取得的成效主要体现在以下3个方面:首先是在有限的时间内创造了理论与实际相结合的机会,不但提高了学生的学习积极性,还为理论知识的即时应用提供了机会。以往在介绍化学反应工程原理的应用中,往往是教师结合自己的科研经历来进行灌输式教学,由于学生缺乏科研经历,难以引起学生的共鸣,无法调动学生的积极性。而在课堂模拟实践教学中,学生变被动为主动,在了解和熟悉基础理论的基础上,围绕模拟主体,自行制定研究目标,确定研究方案,从而对课程学习产生了极大的兴趣。其次是强化了专业知识的应用和创新精神的培养。跟踪调查发现,16届~18届学生中,已经有8位同学在后续的硕士课题研究中,运用到了化学反应工程原理的知识,并发表了6篇学术论文,其中还包含2篇SCI的2区文章。最后是有利于团队合作精神的培养。课堂模拟实践教学的核心内容的研究方案的制定,在此过程中需要查找大量的文献资料,需要团队合作和反复讨论形成研究方案。讨论过程中出现观点的矛盾是不可避免的,如何在冲突争论中提升方案的科学和理性,确保研究方案的顺利制定,这是每位组员需要具备的能力,期间团队协作精神必不可少。

参考文献

[1]许保玖.给水处理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[2]王涵乐.新时代应用型创新型材料科学与工程本科人才培养机制刍议[J].科技经济导刊,2019(15):163-164.
[3]焦阳.会计学课堂模拟实验及双向互评实践教学模式探索[J].教育教学论坛,2018(24):145-146.
[4]陶瑞卿,温川飙,严小英,等.基于CDIO人才培养模式对课堂教学与实践教学的重构研究[J].成都中医药大学学报(教育科学版),2019(1):29-30.
[5]崔波,柳清秀.浅析高校课堂模拟实践教学的实施、效果及问题[J].湖北师范学院学报(哲学社会科学版),2008(3):123-125


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