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数据挖掘深度构建化工原理膜分离课程思政教学的探究论文

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  关键词:数据挖掘,课程思政,化工原理,膜分离

  1概述

数据挖掘深度构建化工原理膜分离课程思政教学的探究论文

  近年来,高等教育将思想政治工作贯穿教育教学的全过程,并大力推进专业课程和思政课程的深度融合。《高等学校思想政治理论课教学基本要求》提出,要促进思想政治理论课同专业课程的有机融合,实现全员、全过程、全方位育人[1]。因此,如何在专业课程教学中有效融入思政元素,实现课程思政建设,是当前高校教学改革的重要课题。

  化工原理是化学化工专业的一门重要的专业核心课程。该课程内容涉及广泛,计算多、理论多、公式量大、计算过程繁杂,与学科前沿知识和产业发展密切相关。如何有效地与思政教育有机结合,通过案例和实践教学助力学生形成正确的价值观念是该课程思政建设的重点和难点[2]。传统的化工原理课程以理论传授为主,思政元素融入不够。因此,需要改革教学手段,加强化工原理课程的思政建设。

  数据挖掘是从大规模数据集中自动提取隐含、前所未知且潜在有用信息的过程,要具有自动化、目标导向、探索性等特征。自动化是指数据挖掘采用算法自动分析数据;目标导向是指需要明确数据挖掘要达成的目标;探索性是指数据挖掘可以发现数据集中的非显性知识。这些特征使数据挖掘技术具有科学史等探究特性,可以广泛应用于教育教学领域。数据挖掘技术可以深入分析课程的知识框架,找到知识点之间的内在联系,对课程结构和内容进行优化。由此,数据挖掘可以深入且润物细无声地渗入专业课程,用于课程思政的建设[3]。

  基于以上分析,作者在化工原理课程的其他分离技术膜分离章节中,采用数据挖掘技术,从新冠疫情为切入点,通过口罩和体外肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)引入膜分离技术,然后对膜分离进行概述,再对膜分离技术进行数据挖掘,展现国家合作网络和作者共引图,以及关键词聚类和主题时间聚类分析图,展现研究热点和前沿;最后对数据挖掘的一篇文献,纳滤和反渗透膜分离技术用于水净化之争,设置开放式辩证思维讨论。以此将家国情怀、民族自豪感、科学精神和辩证思维等思政元素,有机地融入数据挖掘的知识图谱中,深化课程思政的建设。

  2数据挖掘内容与方法

  2.1数据搜集

  在web of science(WOS)的核心合集中,以“membrane”和“separation”为主题词进行检索,时间设定为2011—2022年,文章类型设定为article,以去除会议论文、文献综述和专利,共收集17 500篇研究文章。

  2.2数据挖掘方法

  对搜集的数据,采用数据挖掘技术分析,并以知识图谱展示。将搜集的研究文章数据集导入VOSviewer[4]中,在Map工作模式下,选择“create a map based on bibliographic data”,导入文献计量数据集,生成国家合作网络分析和关键词共现分析。将搜集的研究文章数据集导入CiteSpace[5]中,时间分段(time slicing)为2011年1月—2022年12月,时间切片选择1年;Node Tape选择Reference,并以“Timeline”形式显示,阈值(top N per slice)=25,修剪(pruning)=pathfinder+pruning the merged networ;聚类后,剔除或归并少数与主题无关、语义重复或内容宽泛的关键词,以时间线显示,获得膜分离文献共被引聚类时间线。

  3融入课程思政元素的途径

  设计融入思政元素的途径是选择涉及环境保护、民生服务等社会议题的案例,在案例分析和实践指导过程中融入科学态度、社会责任感等思想政治内容,引导学生联系生活实际,达成增强国家意识、社会责任感、科学精神等思想政治教育目标;并通过持续收集学生反馈,评估和更新完善教学内容与方法,形成闭环反馈机制,以有效巩固数据挖掘课程的思政教育成效。

  3.1在数据挖掘课程设计阶段融入思政元素

  针对膜分离技术的发展对国家经济建设和科技创新的重要性,在课程设计阶段选择一些具有国家战略意义的课题作为数据挖掘的内容。比如污水处理、海水淡化等技术都与可持续发展相关,体现发挥科技创新的贡献。对这些课题的技术产出和发展趋势进行数据挖掘分析,融入爱国主义情怀,启发学生服务国家发展的责任和使命感。

  另外,设计一些开放式的思维任务,不仅考查技能,也引导学生联系社会现实,培养责任感。比如结合疫情防控,分析口罩和ECMO中的膜技术如何保护人民健康,让学生思考科技如何惠及社会,自觉承担起技术创新的社会责任。或设计一些预测性任务,预判某些紧迫的环境问题(如水资源短缺)在未来的发展态势,启发学生运用所学知识和技能,为国家可持续发展建言献策,提高社会责任感。

  通过选择涉及国计民生的膜技术课题进行数据挖掘分析,并设置引导学生联系现实的开放式思维任务,将爱国主义情怀、科学家精神等思政元素融入其中,激发学生的社会责任感和使命感。

  3.2在数据挖掘过程中融入思政元素

  在对膜分离技术研究的国内外科研机构开展合作关系的数据挖掘时,可以引导学生理解科研国际化的重要性,树立开放的合作意识。具体来说,国外诸如新加坡国立大学、麻省理工学院等在膜技术研发方面也比较领先,我国科研机构与其开展合作交流,可以促进知识和技术的传播,实现优势互补。如用数据挖掘的方法分析两国在科研项目、高影响论文等方面的合著情况,生动地呈现国际合作的密切程度。这些可以引导学生认识到开放国际视野的重要性。

  同时,也可以重点分析国内科研机构和学者的产出。如中科院化学研究所、浙江大学在该领域发文数量较多,反映了我国在该方向研究实力的增强,特别是在自主创新成果上,如关于纳米材料的研究应用等。这些可以增加学生的民族自豪感与自信心,让他们认识到科技创新在提升综合国力中的关键作用,从而更加珍视和热爱科研事业,在今后的学习生活中将之作为奋斗目标。

  通过上述方式的引导,既使学生认识到开放国际合作的重要性,又可以增强对国家科技实力和创新精神的自豪,达到引导学生正确价值观念、坚定理想信念的效果。

  3.3在后续延伸中持续融入思政元素

  在对膜分离技术进行数据挖掘的专业课程结束后,要通过一系列后续延伸来达到持续融入思政元素的目的,确保思政教育成效的巩固。

  主要手段包括:设计各种案例任务,让学生联系生活实际,分析应用膜技术解决环境污染、水资源短缺等社会问题。譬如,查阅反渗透技术治理我国西北地区水资源的案例,分析过程中加入对可持续发展的理解,树立节约资源的意识。再如,参与调研生活中纳滤和反渗透两种净水膜技术的选择,联系民生需要,理解科技创新的社会责任。这些案例的设计与讨论,使得思政元素融入专业知识的应用中。

  此外,也可以组织实践和项目,让学生运用数据挖掘的技能,继续分析膜技术相关的课题。如水处理领域的技术发展预测,或开展实验获取膜材料参数。在指导过程中,继续强调科学严谨的态度,启迪学生挖掘知识服务国计民生的热情。最后,通过多种渠道收集学生的反馈意见,检查思政教育效果,并据此更新完善教学设计与内容,形成闭环反馈,以巩固教育成效。

  4基于数据挖掘的课程思政教学内容设计

  4.1以疫情为切入点,设计膜分离技术的案例教学

  将新冠疫情作为引入膜分离技术的切入点,首先介绍防疫过程中广泛使用的医用口罩,解析口罩的多层结构及作用机理,其中的固体层如何阻隔病毒传播,以此引出膜和膜分离的概念;其次延伸介绍在治疗重症患者时使用的ECMO人工肺设备,解析其膜氧合原理;再次介绍ECMO的国产化进程,体现自主研发的重要性。通过这一案例教学,让学生切身理解膜在阻隔病毒方面的作用,增加专业知识与现实生活的关联性,并由国产ECMO的研制过程产生热爱祖国、振奋民族自豪感的情怀。

  4.2数据挖掘呈现膜分离技术发展脉络和前沿进展

  通过对收集的膜分离技术文献进行数据挖掘,生成关键词聚类分析网络图以文献共被引聚类时间线,以知识图谱的形式展现技术发展方向,如图1所示。关键词的演化轨迹可以显示不同时间的研究热点,反映科学研究的发展脉络。例如,早期出现的混合基质膜,可以有效地提升膜的渗透速率和选择性,但由于传质机制的不明确,目前研究进展缓慢;20世纪80年代出现了“反渗透”“超滤”等关键词,90年代增多了“纳滤”“微滤”等关键词,近年来涌现出“共价有机框架膜”“纳米多孔石墨烯膜”等新概念。同时,研究主题的演化也展现了技术应用领域的扩展,从早期聚焦膜材料和分离机理,到近年扩展至水处理和盐湖提溴等国家重大战略需求上。

  这些知识网络直观展示了膜分离技术发展的轨迹和前沿动态,从宏观上增加了学生的职业视野和全局观。通过这些视觉化的知识图谱,学生可以整体把握该技术的演变脉络、前瞻方向、应用领域等,深入理解专业知识与社会、经济发展的内在联系,认识到自己专业发展的重要性,从而坚定理想信念,提升社会责任感。

  4.3深入挖掘数据图谱中的思政元素

  通过对收集的膜分离技术文献进行数据挖掘,生成国家合作网络图和研究机构聚类分析网络图,多角度展现国家和研究机构的合作情况,如图2和图3所示。国家合作网络图直观显示了不同国家在该领域的合作密切程度,展现膜分离技术国际合作的格局。中国是在膜分离方向发文量最多的国家,其次是美国和德国。

  在国际合作方面,我国与其他国家,特别是澳大利亚有着密切的合作关系。研究机构的聚类分析反映了各机构及其团队在该领域的影响力和贡献。在全世界的科研机构中,中国科学院、浙江大学、清华大学、天津大学、南京工业大学等在该方向进行了深入广泛的探究。国外的新加坡国立大学在膜分离方向也有着深入的研究,这与该国的水资源匮乏有着直接的关系。而作者共引分析能标识出该领域的顶尖学者及其学术关系,从时间演化角度上,每个时期华人都在该方向产生着巨大的影响力。

  这些知识网络从宏观上增加了学生的国际视野和全局观,帮助学生理解科研工作的国际化特点,树立开放的合作意识。同时,从中也可以看到我国科研机构和学者在该领域积极开展国际合作,并取得显著成果,展现了我国科技实力的进步。这有助于增强学生的国家自豪感和自信心。

  4.4设置案例分析任务,培养学生的科学思维能力

  数据挖掘文献信息,发现《The Unintended Conse-quences of the Reverse Osmosis Revolution》该篇文献,这篇评论文章阐述了反渗透技术在饮用水处理领域应用日益广泛的现状。作者David L.Sedlak指出反渗透技术产生的超纯净水会导致人体缺乏镁、氟等微量元素,提高心血管疾病和患龋病的风险。反渗透技术也可能导致管网内的溶解反应以及微生物活性的变化。本文认为研究人员面临的挑战是通过补充矿物质、改进技术和制定政策等手段,确保反渗透技术的发展不会对公共健康和环境产生意外的负面影响。结合市场上的主流家庭饮用水设备,纳滤和反渗透净水器,纳滤净水器可以截留二价金属离子,而反渗透可以截留一价和二价离子,设置案例分析任务一—纳滤和反渗透净水器的选择。

  此案例分析任务培养了学生的综合学科素养和解决问题的能力。通过评估纳滤和反渗透净水器在离子截留、微量元素保留和环境影响等方面的差异,学生锻炼了数据分析和综合评估的技能。这种综合性任务激发了学生的科学决策能力,促使他们将理论知识应用于实际场景中,培养了跨学科思维和科学素养。

  5结语

  结合数据挖掘与化工原理课程,通过案例教学和知识图谱呈现,成功融入了思想政治元素。课程以新冠疫情为引入点,介绍口罩、ECMO等防治工具,巧妙展示膜分离技术,引发学生关于国家发展与技术创新的思考。数据挖掘展示了该领域的国际合作与研究动态,激发学生对科学研究的热情。最后的辩证思维任务则培养了学生的综合分析与解决问题的能力,引导其从多角度思考技术选择对公共健康的影响。这样的教学模式不仅提升了专业知识水平,更培养了学生的国家责任感和科学素养。

  当前数据挖掘技术与化工原理课程结合用于课程思政教学还处于初步阶段,还需通过以下方式进一步有机融合:

  在课堂教学中,引入多元案例并深入分析,比如在绿色化工或新能源领域运用数据挖掘案例。这些案例可涉及环保生产、资源管理等方面,以引发学生对可持续发展和环保议题的思考。透过这些案例,学生能联系专业知识与现实挑战,培养对社会、环境问题的关注与认识。

  结合多学科知识,例如经济学、社会学、环境科学等,让学生了解数据在不同领域中的应用,培养他们跨学科思维和分析问题的能力。这种综合性的学习方式有助于激发学生对跨领域知识的兴趣,拓宽视野,使他们更好地理解科技与社会发展之间的互动关系。强调实践教学,特别是实验数据分析和工业生产数据的应用。通过这种方式,学生可以将理论知识与实际应用相结合,培养解决问题的能力。鼓励学生参与自主的数据挖掘项目,提供资源和指导,促进创新思维和团队协作。

  此外,教师的专业发展也至关重要。教师需要持续学习,掌握最新的数据挖掘工具和技能。这样他们能更好地引导学生,更新课程内容和教学方法,为学生提供更好的指导和支持。这样的教学模式不仅能够提升学生的专业水平,还能促进学生的思政教育,培养他们全面发展的能力,拓宽学生的知识视野和社会责任感。

  参考文献:

  [1]教育部高等教育司.高等学校课程思政建设指导纲要[A].北京:教育部高等教育司,2020.

  [2]PAN H,HUANG J,WU Y,et al.Exploration and practice on ideological and political teaching of chemical engineering principle course[J].University chemistry,2019,34(11):113-120.

  [3]秦华妮.数据分析与挖掘课程多维教学改革探讨[J].高教学刊,2023,32:111-115.

  [4]VAN ECK N J,WALTMAN L.Software survey:VOSviewer,a computer program for bibliometric mapping[J].Scientometrics,2009,84(2):523-538.

  [5]CHEN C M.CiteSpace II:Detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in scientific literature[J].Journal of the American society for information science and technology,2006,57(3):359-377.

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