杜雪瀅 羅秀玲 肖信
摘要: 基于Journal of Chemical Education近二十年的載文,從教學(xué)主題與內(nèi)容、教學(xué)手段與方法等方面分析研究了國外有關(guān)“化學(xué)平衡”主題教學(xué)課例的基本情況和研究重點。根據(jù)具體課例的內(nèi)容分析,凝練出可以從實驗創(chuàng)新與探究、游戲模擬與活動、信息工具支持這三個方面促進“化學(xué)平衡”主題的有效教學(xué),介紹相應(yīng)的典型課例,以期補充國內(nèi)關(guān)于“化學(xué)平衡”主題教學(xué)課例的研究,為化學(xué)教學(xué)研究和實踐提供有益參考。
關(guān)鍵詞: Journal of Chemical Education; 國外化學(xué)教育; 化學(xué)平衡; 課例研究
文章編號: 10056629(2023)08001507中圖分類號: G633.8文獻標(biāo)識碼: B
1 研究背景與意義
化學(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)反應(yīng)原理的重要組成部分,與氧化還原反應(yīng)、酸堿滴定和溶解度等化學(xué)內(nèi)容密切相關(guān),其有關(guān)概念更是高中教與學(xué)的難點?!镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中明確要求學(xué)生學(xué)會運用動態(tài)平衡的觀點看待和分析化學(xué)變化,認(rèn)識反應(yīng)條件對化學(xué)平衡的影響,“化學(xué)平衡”主題的教學(xué)承載著發(fā)展“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的功能[1]。
化學(xué)平衡涉及大量抽象的概念,對學(xué)生的認(rèn)知理解能力要求較高。已有研究表明,大部分學(xué)生在認(rèn)識動態(tài)平衡與判斷平衡移動等方面存在困難,因此,有關(guān)“化學(xué)平衡”主題的教學(xué)研究一直是化學(xué)教育工作者關(guān)注的熱點。目前國內(nèi)學(xué)者主要圍繞迷思概念、認(rèn)識模型、圖像與計算等方面來探索其有效教學(xué)[2],但對國外相關(guān)教學(xué)課例的研究和總結(jié)仍比較欠缺。
分析國外已有的教學(xué)課例文獻,有助于教師深入了解該主題教學(xué)研究的特點和前沿?zé)狳c,拓寬教學(xué)思路,改進教學(xué)實踐,提高教學(xué)效果?;诖耍疚膶γ绹瘜W(xué)學(xué)會(ACS)出版的Journal of Chemical Education(以下簡稱JCE)期刊近二十年發(fā)表的有關(guān)“化學(xué)平衡”主題教學(xué)課例的文獻進行分析研究,以期為相關(guān)的教學(xué)實踐和研究提供參考。
2 研究對象與方法
JCE是美國化學(xué)學(xué)會化學(xué)教育部門的官方期刊,在國際化學(xué)界具有較高的影響力和權(quán)威性。期刊刊登的論文涵蓋從中學(xué)到研究生階段的化學(xué)教育研究專題,能幫助化學(xué)教育工作者了解化學(xué)學(xué)科的前沿?zé)狳c,更好地開展教學(xué)研究。
國外不少學(xué)者積極探索“化學(xué)平衡”主題的有效教學(xué),特別是進入21世紀(jì)以來,其教學(xué)課例的設(shè)計與所使用的策略工具等具有一定的創(chuàng)新性、借鑒性與啟發(fā)性?;谘芯恐黝},首先運用關(guān)鍵詞法,在JCE的期刊官網(wǎng)上以“chemical equilibrium”為關(guān)鍵詞,設(shè)置范圍為“anywhere”,限定出版時間為“2012.01~2022.07”進行檢索。為避免疏漏,進一步運用同義詞替換、溯源法補充相關(guān)文獻。初步檢索得到的文獻包含較多大學(xué)化學(xué)中的理論研究和科研實驗論文,因此從內(nèi)容相關(guān)性的角度對文獻進行逐篇篩選與剔除,最終確定與中學(xué)“化學(xué)平衡”主題教學(xué)密切相關(guān)的核心文獻共30篇。
3 研究結(jié)果與分析
3.1 整體特征
現(xiàn)代化學(xué)教學(xué)的目標(biāo)是使學(xué)生超越對事實和程序的記憶,轉(zhuǎn)向?qū)瘜W(xué)核心原理的理解和應(yīng)用[3]。對篩選出的30篇文獻進行分析,發(fā)現(xiàn)其為了促進學(xué)生對化學(xué)平衡及其相關(guān)概念的理解與應(yīng)用,在教學(xué)主題內(nèi)容與教學(xué)手段方法的選擇上呈現(xiàn)兩個顯著特點。
一是強調(diào)內(nèi)容的綜合性與知識的遷移應(yīng)用。在教學(xué)主題和內(nèi)容上,與國內(nèi)相比,國外“化學(xué)平衡”的教學(xué)主題與內(nèi)容選擇更加廣泛,一般選取具有關(guān)聯(lián)性、整體性的綜合內(nèi)容進行教學(xué),呈現(xiàn)學(xué)科交叉的特點與趨勢。文獻主要圍繞跨學(xué)科知識素材的應(yīng)用和化學(xué)平衡知識在陌生情境或真實問題下的遷移而展開。如在實際的教學(xué)中,將化學(xué)平衡的教學(xué)與酸堿化學(xué)、分析化學(xué)、無機化學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容緊密結(jié)合,常使用與酸堿平衡[4]、滴定實驗[5]、無機變色實驗[6]等有關(guān)素材,激發(fā)學(xué)生的興趣,并將抽象的動態(tài)平衡可視化和數(shù)字化,幫助學(xué)生理解化學(xué)平衡的動態(tài)性和勒夏特列原理等內(nèi)容。跨學(xué)科知識素材的應(yīng)用能促使學(xué)生加深對化學(xué)平衡相關(guān)概念的理解,幫助其解釋各種現(xiàn)象,找到問題的解決方案[7]。此外,國外學(xué)者關(guān)注教學(xué)情境的真實性與陌生性,注重在真實問題或陌生情境下發(fā)展學(xué)生對化學(xué)平衡的理解,增強其對所學(xué)知識的遷移應(yīng)用能力,幫助學(xué)生內(nèi)化所學(xué)知識。如要求學(xué)生綜合生物與化學(xué)知識解釋海洋酸化對貝殼生物的影響[8],利用勒夏特列原理等知識對白葡萄酒中亞硫酸鹽離子進行定性分析等[9]。
二是重視學(xué)生的主體地位與多樣化活動的設(shè)計。在教學(xué)手段和方法上,以學(xué)生為中心的教學(xué)能顯著增加學(xué)生對課堂材料的理解,有助于學(xué)生對所呈現(xiàn)的信息進行深入的思考,利于其對信息的組織、存儲和檢索[10]。選取并統(tǒng)計文獻關(guān)鍵詞中涉及的教學(xué)手段/方法及其出現(xiàn)頻次,結(jié)果見圖1。由高頻關(guān)鍵詞“Hands-On Learning/Manipulatives(實踐學(xué)習(xí)/操作)”“Problem Solving/Decision Making(問題解決/決策制定)”與“Student-Centered Learning(以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí))”可知,在“化學(xué)平衡”主題的教學(xué)中,注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,如組織學(xué)生進行實驗探究[11]、模擬反應(yīng)和游戲[12]等活動,促使學(xué)生獲得感性體驗,建構(gòu)知識,增強動手實踐和探究能力。此外,關(guān)鍵詞“Computer-based Learning(基于計算機的學(xué)習(xí))”也是高頻關(guān)鍵詞,說明該主題的教學(xué)中,常利用計算機輔助課堂教學(xué)。總的來說,國外化學(xué)平衡的教學(xué)強調(diào)學(xué)生的主體地位,重視設(shè)計如實驗探究、游戲模擬等多樣化的動手操作和實踐活動,采用新型的教學(xué)工具促使學(xué)生深入理解化學(xué)平衡的知識,能有效豐富課堂教學(xué)的多樣性。
3.2 課例類型分析
國外“化學(xué)平衡”主要聚焦于化學(xué)平衡狀態(tài)及其特征、外界條件對化學(xué)平衡的影響、勒夏特列原理的理解與應(yīng)用這三方面開展教學(xué)研究。究其原因,學(xué)生在這三個方面存在較多的迷思概念,如學(xué)生對化學(xué)平衡的理解通常只停留在宏觀層面,難以從微觀層面認(rèn)識平衡的建立[13],此外學(xué)生還難以理解化學(xué)平衡狀態(tài)的特征(動態(tài)性、可逆性等)[14],認(rèn)為只有當(dāng)正反應(yīng)結(jié)束時,逆反應(yīng)才開始[15]等。這也與我國目前化學(xué)平衡教學(xué)要突破的教學(xué)重難點相適配,具有一定的參考價值。
基于此,通過梳理文獻內(nèi)容發(fā)現(xiàn),國外“化學(xué)平衡”主題教學(xué)為幫助教師轉(zhuǎn)變學(xué)生的迷思概念,突破教學(xué)重難點,主要從實驗創(chuàng)新與探究、游戲模擬與活動、信息工具支持3個方面闡述了對該主題教學(xué)的有效課堂組織、教學(xué)策略與輔助工具(見表1)。
由表1可知,通過實驗創(chuàng)新與探究、游戲模擬與活動兩個層面促進“化學(xué)平衡”主題的有效教學(xué)是研究的熱點。實驗是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)與特色,是影響該主題學(xué)生可視化和概念化的關(guān)鍵因素之一[31]。進行實驗及其裝置的創(chuàng)新,開展高水平的探究活動是促進學(xué)生化學(xué)平衡概念理解的有效手段。有趣的游戲模擬與跨學(xué)科活動能幫助學(xué)生在分子水平上可視化一個簡單的反應(yīng),使其積極參與知識的形成過程,在活動中建構(gòu)對化學(xué)平衡的理解。此外,在化學(xué)平衡的教學(xué)中還涉及關(guān)于平衡常數(shù)復(fù)雜計算的問題,合理利用信息技術(shù)工具輔助教學(xué)可以簡化復(fù)雜計算,解決關(guān)于化學(xué)平衡系統(tǒng)組成的問題,強調(diào)學(xué)生對概念方面的理解,而不是執(zhí)著于代數(shù)方程的解。
3.2.1 實驗創(chuàng)新與探究
實驗創(chuàng)新與探究主要采用與化學(xué)平衡相關(guān)的多樣化、跨學(xué)科的課堂演示實驗、創(chuàng)新或探究實驗等開展教學(xué),著眼于解決學(xué)生對平衡動態(tài)性、勒夏特列原理、外界條件影響化學(xué)平衡的錯誤認(rèn)識。
在進行化學(xué)平衡動態(tài)性和勒夏特列原理的教學(xué)時,通常利用可觀察的實驗現(xiàn)象如溶液的顏色變化等,將平衡等概念形象化、直觀化,促使學(xué)生形成對化學(xué)平衡的本質(zhì)理解。例如,Eilks[32]等人利用陽離子交換樹脂Amberlyst 15在不同pH環(huán)境下顏色不同的性質(zhì),通過添加不同試劑引起的顏色和pH變化來探究化學(xué)平衡。Amberlyst 15和百里酚藍形成的溶液顏色隨著氯化鈉、氫氧化鈉溶液的加入,由黃色變?yōu)榧t色再變?yōu)樗{色,且由于水合氫離子在溶液中緩慢擴散,使整個溶液產(chǎn)生不同pH,從而呈現(xiàn)藍色、黃色、橙色、紅色的顏色梯度變化(見圖2c、 d)。在這個過程中,學(xué)生能看到反應(yīng)緩慢達到平衡的過程,直觀地感受外界因素改變時,化學(xué)平衡短時間內(nèi)是如何發(fā)生改變的,進而幫助學(xué)生突破概念理解的難點,該實驗已被廣泛應(yīng)用于德國高中化學(xué)課程和教師教育中。
在探究化學(xué)平衡影響因素的教學(xué)中,往往涉及多個實驗,耗費較多藥品,實驗操作復(fù)雜。為此,Kajornklin[34]等人使用橡膠乳膠廢料作為疏水試劑,設(shè)計了一種經(jīng)濟環(huán)保且制作方法簡易的紙巾基環(huán)形實驗裝置(PTED),以此替代傳統(tǒng)的實驗裝置。采用該裝置,利用兩種鈷(Ⅱ)配合物,Co(H2O)2+6(粉色)和CoCl2-4(藍色)之間的平衡,通過改變氯離子的濃度或溫度,引起顏色變化,從而探究試劑濃度和溫度對化學(xué)平衡的影響(見圖3),幫助學(xué)生理解外界條件變化是如何影響化學(xué)平衡的,使學(xué)生學(xué)會判斷平衡移動的方向[35]。
此外,不僅可以利用PTFD進行影響化學(xué)平衡因素的實驗,還可以讓學(xué)生參與PTED的實踐制作(見圖4),開展項目式學(xué)習(xí)。研究發(fā)現(xiàn),制造和使用PTED有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,增強學(xué)生動手實踐的能力,更好地理解影響化學(xué)平衡的因素。PTED具有較高的耐腐蝕性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和設(shè)計靈活性,方便經(jīng)濟,適合大規(guī)模生產(chǎn),為教學(xué)工具的創(chuàng)新開發(fā)提供支持。
3.2.2 游戲模擬與活動
游戲模擬與活動是結(jié)合不同的教學(xué)策略和方法,利用游戲模擬化學(xué)反應(yīng)或基于真實情境項目活動的知識遷移,其主要目的是促進學(xué)生對化學(xué)平衡微觀層面的認(rèn)識,解決知識的抽象性問題,并在綜合性的活動中深化對化學(xué)平衡的理解,促進知識的遷移與應(yīng)用。
學(xué)生對化學(xué)平衡的理解通常只停留在宏觀層面,難以從微觀層面認(rèn)識平衡的建立。為此,可用體積較小的宏觀物體表示原子或分子(如硬幣、積木等物體),以游戲活動的形式模擬化學(xué)平衡過程,寓教于樂。如Xian[37]等人通過讓學(xué)生以分組的形式完成游戲中積木的組裝和拆解,生動形象地模擬可逆反應(yīng)(A+BAB)。通過該游戲活動,學(xué)生能體會正向和逆向的反應(yīng)速率與平衡之間的關(guān)系,從微觀粒子的運動層面去理解化學(xué)平衡的特征。在該游戲活動中,小組內(nèi)的每個成員均被分配不同的角色和任務(wù)(組裝者、拆卸者、攪拌者、計時者),更多組裝者的組代表更快的合成速率,更多拆卸者的組代表更快的分解速率,組裝者和拆卸者都只有一個的組表示正、逆反應(yīng)速率相等。學(xué)生同時進行合成和分解反應(yīng),以代表相互競爭的正、逆反應(yīng),反應(yīng)通常在三次1min的間隔中達到平衡。每個間隔后,計算并報告產(chǎn)物AB積木的數(shù)量。通過這一系列的組裝過程,能讓學(xué)生更真實地感受化學(xué)平衡狀態(tài)的建立與其特征,在感性的動手操作中構(gòu)建理性的認(rèn)知。調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生對平衡問題的認(rèn)識得到顯著的改善,學(xué)生認(rèn)為該連鎖積木拼接活動有趣且有效。
在化學(xué)教學(xué)中,設(shè)置真實的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生融合各學(xué)科知識,嘗試解決生活中的復(fù)雜問題,有利于加深學(xué)生對化學(xué)知識的理解,體會學(xué)科知識對生產(chǎn)生活的指導(dǎo)作用,促進知識向能力素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。在化學(xué)平衡的教學(xué)中,Roche[38]等人以二氧化碳溶解在海洋中的多個反應(yīng)為對象,要求學(xué)生利用生物知識和化學(xué)平衡中的勒夏特列原理,解釋海洋酸化及其對有殼生物的影響。這符合高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對教師教學(xué)的建議——重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織,加強化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)等其他學(xué)科的聯(lián)系,引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律[39]。在該活動中,以海洋中二氧化碳溶解涉及的多個反應(yīng)為模型,要求學(xué)生根據(jù)相關(guān)的化學(xué)知識(酸堿反應(yīng)、勒夏特列原理、平衡原理等)解釋二氧化碳濃度變化對海洋pH的影響,及這些變化對海洋中殼類生物的影響。活動分三個階段進行:教師為學(xué)生提供海洋酸化的視頻和論文;學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識做出預(yù)測,如:大氣中二氧化碳濃度不斷增加,導(dǎo)致海洋中溶解的二氧化碳增加,海水的pH減??;學(xué)生就“海洋酸化對海洋生物的影響”問題進行小組討論,將化學(xué)知識與其他學(xué)科知識結(jié)合,解釋海洋酸化致使有殼生物殼軟化的現(xiàn)象。最后,課堂討論“減少二氧化碳以緩解海洋酸化”的解決方案。研究表明,大部分學(xué)生能正確預(yù)測并運用化學(xué)平衡的相關(guān)知識解釋二氧化碳和pH之間的關(guān)系,增強了對化學(xué)平衡知識的遷移應(yīng)用能力。開展跨學(xué)科的項目活動,能讓學(xué)生深入理解相關(guān)的知識與概念,增強學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。
3.2.3 信息工具支持
信息工具支持主要是指借助計算機的各類工具來輔助課堂教學(xué),簡化化學(xué)平衡涉及的復(fù)雜計算,重視發(fā)展學(xué)生對化學(xué)平衡狀態(tài)及其概念本身的理解。目前,化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合也是國外“化學(xué)平衡”主題教學(xué)的研究熱點,如Raviolo[40]運用電子表格滾動條來計算和尋找化學(xué)平衡時系統(tǒng)的組成,該方法可以對任一種化學(xué)平衡進行模擬,預(yù)測不同因素改變對平衡的影響,幫助糾正學(xué)生關(guān)于化學(xué)平衡狀態(tài)的迷思概念。
以氨的合成反應(yīng)為例,500K時,該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kc為269。根據(jù)平衡常數(shù)可以用物質(zhì)的量和體積之間的關(guān)系來表示,假設(shè)N2和H2初始物質(zhì)的量分別為0.2mol和0.5mol,總體積為5L,反應(yīng)過程中消耗N2的量為xmol,得到的平衡常數(shù)表達式,如下:
基于該表達式,可以使用電子表格滾動條為x分配一系列可能的值,模擬不同的化學(xué)平衡情況,避免求解四次方程。根據(jù)化學(xué)計量關(guān)系,確定平衡狀態(tài)下反應(yīng)物和生成物的數(shù)量或濃度,通過這些濃度,可以計算出Kc的值。在給定溫度下,當(dāng)Qc的值與已知值Kc一致或最接近時,最終的解即為系統(tǒng)的組成。在這個問題中,需要解決的平衡態(tài)混合物的組成將對應(yīng)于Kc=269(見圖5)。此外,鑒于電子表格允許學(xué)生輸入系統(tǒng)的總體積,可以利用該方法模擬體積變化對平衡的影響,從定量的角度驗證勒夏特列原理。
該方法避免了多項式方程的復(fù)雜求解,強調(diào)化學(xué)計量關(guān)系的應(yīng)用,程序簡單,可以由學(xué)生來開發(fā)和操作。同時,其適用范圍廣泛,可以應(yīng)用于所有類型的化學(xué)平衡,不僅可以由學(xué)生在課堂上構(gòu)建,也可以作為家庭作業(yè)??偟膩碚f,電子表格在化學(xué)教學(xué)中的使用具有較大的發(fā)展?jié)摿屯ㄓ眯浴?/p>
4 研究結(jié)論與建議
對JCE文獻的整體特征分析發(fā)現(xiàn),總體上,國外化學(xué)平衡教學(xué)的主題和內(nèi)容選擇上強調(diào)內(nèi)容的綜合性與知識的遷移應(yīng)用,在教學(xué)手段和方法上重視學(xué)生的主體地位與多樣化活動設(shè)計。
對文獻具體課例的分析發(fā)現(xiàn),國外學(xué)者在化學(xué)平衡的教學(xué)中,重視應(yīng)用演示或探究實驗促進概念的理解,鼓勵設(shè)計有趣的游戲活動,合理使用信息技術(shù)輔助教學(xué)。由此,從以下3個方面對“化學(xué)平衡”主題的教學(xué)提出建議。
4.1 利用多樣化、創(chuàng)新性的實驗活動促進學(xué)生的概念理解
以實驗為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征,化學(xué)實驗對于全面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)有著重要作用。在“化學(xué)平衡”主題的教學(xué)中,通過色彩斑斕的演示實驗,如百里酚藍的顏色變化,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,將平衡移動的過程可視化,幫助學(xué)生深入理解動態(tài)平衡的概念。教師在選擇實驗素材和設(shè)計實驗活動時,可以不局限于教材的傳統(tǒng)實驗,而重視實驗的跨學(xué)科性和創(chuàng)新性,將與平衡有關(guān)的化學(xué)反應(yīng),結(jié)合課堂與學(xué)生實際,進行創(chuàng)新設(shè)計。如紙巾基實驗裝置(PTED)、醇基鈷絡(luò)合物的顏色變化實驗和芳香酯?;粨Q的氣味轉(zhuǎn)化實驗等都是很好的參考素材。多樣化、創(chuàng)新性的實驗為學(xué)生深化理解、開闊思路提供重要的途徑。
4.2 利用趣味游戲和項目活動增加學(xué)生的感性體驗
研究表明,在實際教學(xué)中,學(xué)生對化學(xué)平衡的理解往往只停留在宏觀層面。利用積木拼接和棋盤游戲等趣味游戲活動輔助教學(xué),開展反應(yīng)過程或平衡移動的微觀粒子模擬活動,使學(xué)生在具體的操作中感受平衡的微觀過程,增加學(xué)生的感性體驗,促進其對抽象概念的建構(gòu)和理解。除了趣味游戲外,還可以根據(jù)學(xué)生的生活實際,創(chuàng)設(shè)真實且有價值的問題情境,設(shè)計跨學(xué)科的項目活動,引導(dǎo)學(xué)生查閱資料、提出猜想、實驗探究、討論交流,在真實的情境中靈活應(yīng)用知識,解決復(fù)雜的問題,發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。
4.3 利用信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的融合突破學(xué)生的認(rèn)知障礙
隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,教師應(yīng)積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的融合。其中,計算機模型作為現(xiàn)代信息技術(shù)的一種體現(xiàn),與其他物理介質(zhì)的科學(xué)模型相比,在研究宏觀、微觀、復(fù)雜系統(tǒng)及其動態(tài)演化方面具有獨特優(yōu)勢。在“化學(xué)平衡”的主題教學(xué)中,充分應(yīng)用計算機來輔助課堂教學(xué),借助計算機的模擬運算和模型建構(gòu)等功能,可以突破化學(xué)平衡中計算繁瑣、推導(dǎo)復(fù)雜等問題,將知識化繁為簡,促進學(xué)生對生澀概念或抽象過程的理解。如利用電子表格滾動條計算和尋找化學(xué)平衡時系統(tǒng)的組成等,將復(fù)雜計算簡化,呈現(xiàn)動態(tài)平衡的同時發(fā)展學(xué)生的建模能力。
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*2021年廣東省本科高校質(zhì)量工程“專項人才培養(yǎng)計劃”項目;華南師范大學(xué)2020年校級質(zhì)量工程“高等教育教學(xué)研究和改革項目”研究成果。