摘要: 创新能力培养是研究生教学的主要目的。本文以《膜科学与技术原理》课程为基础，在创新能力培养理念的引导下，采用提高课件(PPT)的新颖性、丰富教学素材，采用知识讲解与文献阅读结合的教学方法，采用案例教学法、合作探究式教学法，以及创新实验教学等，探索课程建设新思路，以激发学生学习兴趣，培养高素质的创新型应用人才。在教学过程中，增强了学生的科研能力，训练了学生的研究技能，收到了良好的教学效果。
Abstract: The cultivation of innovation ability is the primary objective of graduate teaching. Based on the course “Principles of Membrane Science and Technology”, and guided by the concept of innovation ability cultivation, this paper explores new ideas for course construction by enhancing the novelty of PPT, enriching teaching materials, adopting a teaching method that combines knowledge explanation with literature reading, utilizing case teaching methods, collaborative inquiry teaching methods, and innovative experimental teaching. This approach aims to stimulate students’ interest in learning and cultivate high-quality innovative application talents. In the teaching process, students’ scientific research abilities have been enhanced, their research skills have been trained, and good teaching results have been achieved.
1. 引言
重庆理工大学化学化工学院溯源于2002年成立的生物工程学院，2009年独立设院开启了学院快速发展的新序幕，现已成为成渝及中西部地区重要的化工人才培养基地和创新高地。学院拥有化学工程与技术学术学位硕士点、材料与化工专业学位硕士点。化学工程与技术学科属于重庆市“十三五”和“十四五”重点学科以及省部级“双一流”建设学科，拥有6个省部级科研平台、10余名省部级人才和5个省部级团队，化学学科进入了ESI全球1%。
党的十七大报告明确指出“提高自主创新能力、建设创新型国家”是我国发展的战略核心之一，而培养大批创新型人才则是实现这一发展战略的根本保障[1]。研究生教育是大学本科后的、以培养精英人才和科学研究为主要特征的最高层次的专业教育[2]。研究生不仅具有专业领域的知识，还具有勇于创新的信心和勇气。研究生群体大部分处于青年时期，研究生是创新人才的来源，因此研究生教育是培养当代创新人才的重要途经[3]。
作为一种新型高效的化工分离单元，膜分离技术近年来在食品、医药、化工、石油化工、水处理、环保等领域发挥着越来越重要的角色[4]。基于膜分离技术的重要性，重庆理工大学化学化工学院从2014年开始为过程装备与控制工程专业的本科生开设了《膜分离技术概论》专业选修课，2019年将课程名称调整为《膜分离技术及装备》并更新了教学大纲。同时，从2019年开始，重庆理工大学化学化工学院开始为化学工程与技术的研究生开设《膜科学与技术原理》专业选修课。经过10余年的建设，该课程的相关教学内容和教学方法逐渐完善。现在结合自己的教学工作，从培养研究生创新能力的角度，谈谈在该课程教学改革中的一些体会，希望能为相关课程建设提供一些参考。
2. 教学目标和内容
膜科学技术是一门新兴的、多学科交叉的技术。膜技术和膜分离过程已成为工业上气体分离、液相分离、化学产品或生化产品的分离与纯化的重要过程。《膜科学与技术原理》课程向学生介绍膜分离技术的基础理论(具体包括反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析等膜技术的工作原理和特点)，各种膜分离组件的结构和各种膜技术的工业应用实例，培养学生综合利用膜技术基本理论进行应用设计的能力[5]。具体课程培养目标为：(1) 掌握膜分离技术的原理，理解膜传递规律，掌握不同膜分离过程的基本理论及影响因素。掌握不同膜材料的制备、表征方法。针对具体的分离体系，具备合理设计膜材料的能力。(2) 熟悉膜组件的工艺参数和膜工艺的设计计算方法，具备合理选择膜技术进行分离工艺设计和科学研究的能力。(3) 深刻理解膜分离技术在环境治理中的重要意义，加深对可持续发展理念和生态文明建设的理解，培养科学精神，树立正确的人生观、价值观，具有报效祖国的责任感。
目前，我校选用的是王湛主编的《膜分离技术基础》第三版为教材，该教材对各种膜分离技术(例如微滤、超滤、纳滤等)的发展历史、原理、应用实例都进行了详细介绍，并且各种膜的制备方法都有详细配方，很利于讲授。参考教材选用的是陈翠仙主编的《膜分离》，该书介绍了现代膜分离技术的主要进展，同时还介绍了近年来新发展的膜过程，适合创新和提高。课程总学时为32学时，包括24学时的理论教学和8学时的实验教学。理论课学时安排如下：绪论，2学时，介绍膜和膜工业的发展历史；膜材料和膜制备方法，6学时；微滤、超滤原理及应用实例，4学时；纳滤原理及应用实例，4学时；反渗透原理及应用实例，4学时；新膜过程(包括膜蒸馏、膜反应器等)，4学时。课程设置了8学时的实验，主要包括两个实验：相转化法制备聚醚砜超滤膜实验和微滤、超滤、纳滤多功能膜分离实验，这两个实验各占4学时。在理论课讲解时，由于微滤、超滤、纳滤、反渗透在膜材料和膜制备方法上有相似之处，所以我们集中安排6学时讲解；微滤、超滤的原理也有相似之处，我们也集中安排4学时讲解；后面再各安排4学时分别讲解纳滤和反渗透的原理和应用。这样在讲解时，层次更加分明、逻辑更通顺，避免了相关内容的重复讲解，合理地利用了授课时间。
3. 教学方法
在传统知识讲解的基础上，如何在《膜科学与技术原理》课程中培养研究生的创新性能力，我们对教学方法进行了一些改革。
3.1. 提高教学课件的新颖性
教师自身要具有比较强烈的创新意识，构建创新的氛围和课堂环境。教师运用比较现代化的手段和方法激起研究生的积极性和主动性，最可行的方式就是教学课件、教学素材具有创新性[6]。我们在讲授《膜科学与技术原理》课程时，PPT内容为中英文对照，PPT的颜色、格式都设计得很精美。课件的内容和形式比本科课程有较大的提升，一方面让学生直观地感受到研究生教育相对于本科生教育的提高，另一方面也体现了授课教师对膜分离技术的精通和对工作的爱岗敬业。教学素材，我们也进行了丰富。首先，我们利用Adobe Flash Professional软件制作了大量的Flash动画，充实教学内容，提高教学效果。制作的Flash动画有：压力驱动膜过程的分离原理，溶胶凝胶法制备陶瓷膜的涂膜原理，错流过滤污染层对通量的影响，泡压法测膜孔径原理，反渗透膜分离原理。此外，我们还对部分制膜方法和膜应用实例进行摄影摄像，剪辑成短片，作为授课资源。例如，我们拍摄了相转化法制备聚醚砜膜的全部流程，也拍摄了干压法制备片状陶瓷膜的全部流程，利于学生掌握膜制备程序和操作细节。我们还对一些膜工程现场，如大型超滤设备、大型反渗透装置，进行实景摄像，授课时向学生展示。例如，我们利用开学术会议的参观机会，考察了青岛金龙宏业环保有限公司、江苏膜科技产业园、浙江易膜新材料科技有限公司、成都易态科技有限公司等企业。结合上述实例讲解膜分离原理和膜分离工艺，达到了产教融合的效果。
3.2. 知识点讲解与文献阅读结合
在讲授制膜方法时，我们会结合国内外知名课题组的SCI论文进行讲解。我们会先讲授制膜的原理，再打开SCI论文，详细讲解制膜过程和膜性能评价方法。这种方式，将理论知识和最新的科研进展相结合，讲授知识的同时，也介绍了科研进展(国内外知名课题组、研究方向、研究热点等)。课堂上，一起阅读SCI论文，也提高了研究生的英文阅读能力。这种方式，不仅促进了对课程知识点的理解，也能够激发学生的学习兴趣，提高学生的科研能力(文献检索、文献阅读等)，还能够营造向上的创新氛围，达到一石多鸟的目的[7]。例如，在讲解固态粒子烧结法制备无机陶瓷微滤、超滤膜时，我们会结合讲解南京工业大学范益群教授课题组的论文“Co-sintered ceramic membranes for separation applications: Where are we and where to go?”；在讲解相转化法制备有机微滤、超滤膜时，我们会结合讲解天津工业大学吕晓龙教授课题组的论文“Preparation of super-hydrophobic PVDF membrane for MD purpose via hydroxyl induced crystallization-phase inversion”；在讲解界面聚合法制备纳滤膜时，我们会结合讲解天津大学王志教授课题组的论文“Interfacial polymerization plus: a new strategy for membrane selective layer construction”；在讲解呼吸图法制备有机微滤膜时，我们会结合讲解浙江大学万灵书教授课题组的论文“Grain boundaries of self-assembled porous polymer films for unclonable anti-counterfeiting”。
3.3. 案例教学法
案例教学法以学生为中心、专业知识为基础、案例为媒介，通过师生间的协作，加深学生对知识的理解和掌握，激发学生的求知欲和探究精神[8]。膜分离技术本身是一门和生产实际结合紧密的应用型科学。教学过程中，我们采用案例教学法，引入工程实例，培养学生的工程意识和基于工程基础知识解决复杂工程问题的能力[9]。例如，讲解微滤膜的应用时，我们介绍大输液的生产净化流程、中药提取液的过滤澄清流程、矿泉水的净化流程、MBR的工艺流程；讲解超滤膜的应用时，我们介绍汽车涂装车间电泳漆的回收工艺、棉纺织物上浆剂(聚乙烯醇)的回收工艺；讲解纳滤膜的应用时，我们介绍水中砷元素去除的膜集成工艺；讲解反渗透膜的应用时，我们介绍海水淡化工艺。这些案例围绕着膜材料及其应用进行设计，与教学内容的核心知识点相互支撑。讲解时，我们与学生共同探讨“分离对象是什么、膜分离操作的优点是什么”等问题，引导学生参与讨论，对案例进行深入剖析，形成思考的过程和知识拓展。这些案例将膜分离单元引入到具体的工艺设计中，不仅增强了学生对工艺流程的理解和工程思维，而且增加了学习的趣味性。采用案例教学法，也增加了学生对膜技术重要性的认识，以期望在国家生态文明建设中贡献力量。
3.4. 合作探究式教学
在创新教育模式中，学生主动参与学习和创新是教育的基本途经[2]。所以，创新教育必须要注重学生的主动性。合作探究式教学模式，是把知识放在问题中，让学生通过收集信息、分析信息、处理信息，主动地探索发现和解决问题[10]。从2019年开始，每年选修《膜科学与技术原理》课程的研究生约为10人，并且每人的研究课题各不相同。我们布置任务，让各研究生调研：膜分离技术在各自研究领域的应用情况，并做PPT进行专题汇报(时间约30分钟)。以2022年春季学期为例，研究生们的汇报题目分别为：燃料电池质子交换膜的研究状况及进展、膜技术在锌电池中的应用、膜技术在微藻工业中的应用综述、基于STM32实现改进EMD框架MBR混合模型的脱氨智能系统研究、膜技术在油水分离中的应用进展、导尿管生物污染与抗菌膜技术研究、微藻生物膜光生物反应器等。汇报完后，其余研究生提问，汇报人回答，并由老师点评。这种教学模式让学生的学习更有针对性，从而将学生的内在积极性调动起来。这种教学模式不仅增强了学生对膜分离技术的理解，而且培养了学生的文献检索、归纳、总结的能力。这种教学模式也类似于学术沙龙，有利于开阔学生的视野，有利于学生表达自己的想法和讨论热点问题，从而营造浓厚的学术氛围，培养学生的创新思维[7]。
3.5. 实验教学
实验教学是理论知识的延伸和检验，更能锻炼学生解决实际问题的能力，提升学生的创新思维和科学素养[11]。本课程引入了8学时的实验，让学生在实践中感受科技创新的魅力。两个实验分别是：相转化法制备聚醚砜超滤膜实验和微滤、超滤、纳滤多功能膜分离实验。第一个实验涉及到聚合物膜的制备方法，包括铸膜液的配置、铸膜液脱泡、刮膜、相转化过程，接着是膜性能(如纯水通量)的表征。该实验的膜制备流程和市场上的有机膜制备流程完全一样，可以让学生实际接触有机膜，增加学生的感性认识和动手能力。第二个实验涉及到纯净水的制备流程、设备组成和结构特点。该实验流程和市场上的净水器净水流程完全一样，可以让学生掌握超滤、纳滤和反渗透膜性能的测定方法，加深学生对净水原理的理解。教学方法上，首先我们提供实验视频和实验手册，让学生预习；实验时，每5人一组，实现从膜材料制备到膜性能测定的整个流程。评价方式包括实验过程表现、口头回答问题、提交实验报告等。实验过程表现评价学生的科学态度、操作技能、合作精神和分析解决问题的能力；口头回答问题评价学生对膜技术原理的理解；实验报告评价学生的数据处理、实验结果分析和科学表达的能力[12]。实验教学鼓励学生参与实验设计，通过调整膜制备条件、改进操作步骤或者选用新型膜材料，追求更好的分离效果，培养了学生的知识综合运用能力和创新思维[3]。
4. 结语
《膜科学与技术原理》是一门涉及材料、化工、环境等多学科交叉的专业课程，传统教学模式不能适应研究生创新能力培养的需求。在具体的课程建设中，我们提高课件(PPT)的新颖性、丰富教学素材，采用知识讲解与文献阅读结合的教学方法，采用案例教学法、合作探究式教学法，以及创新实验教学，以激发学生学习兴趣，提高学生的科研能力，培养高素质的创新型应用人才。采用以上教学方式，初步取得了良好的教学效果。学生在评教时，普遍反映该课程创新性强、知识点丰富、具有很好的实践性。今后，我们将在课程思政、融入科研等方面继续努力，以期把课程建设得更好。当然，这种高度投入的教学模式对教学时间和教师的精力要求极高，可能适合学生人数较少(十几人)的小班教学。对于人数较多(30人以上)的情况，可能会存在时间不足、实验设备有限等问题，本论文提出的教学模式如何进行推广和改进，还需要进一步研究。
NOTES
*通讯作者。