“物理化學(xué)”創(chuàng)新思維下的教學(xué)實(shí)踐

劉燕，鞏偉

(上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海200240)

“物理化學(xué)”創(chuàng)新思維下的教學(xué)實(shí)踐

劉燕，鞏偉

(上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海200240)

由化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)量化3大理論體系構(gòu)建的物理化學(xué)學(xué)科是4大化學(xué)中理論性較強(qiáng)的一門課程，長久以來都是教學(xué)中的難點(diǎn)。在注重培養(yǎng)“創(chuàng)新型”人才的新時代背景下，從強(qiáng)化“興趣教育”、調(diào)動學(xué)生“主觀能動性”，多種教學(xué)手段的有機(jī)融合，課程基礎(chǔ)知識和文獻(xiàn)知識相結(jié)合，結(jié)合科研、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，多元化的考核評價(jià)體系等5個方面，就提升物理化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)踐，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高教學(xué)效果。

物理化學(xué)；改革；創(chuàng)新；教學(xué)效果

物理化學(xué)是化學(xué)教學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)課。作為化學(xué)學(xué)科的理論支柱，物理化學(xué)既有著嚴(yán)密的科學(xué)體系，又會在發(fā)展過程中形成新的思想和革命性的研究方法?！蹲匀豢茖W(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告(物理化學(xué)卷)》中明確闡述了物理化學(xué)的重要性：“實(shí)踐表明，凡是具有較好物理化學(xué)素養(yǎng)的大學(xué)本科畢業(yè)生，適應(yīng)能力強(qiáng)，后勁足。由于有較好的理論基礎(chǔ)，他們?nèi)菀子|類旁通、自學(xué)深造，能較快適應(yīng)工作的變動，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國際科技發(fā)展的前沿”[1]。簡而言之，物理化學(xué)在整個化學(xué)教學(xué)中起著承上啟下的作用，對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和創(chuàng)新能力有著重要的意義。由于物理化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，比如內(nèi)容抽象、公式繁多且適用范圍又有嚴(yán)格的限制、邏輯性強(qiáng)等,這些固有的特性使得教師難教、學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象時有發(fā)生。如何使學(xué)生能夠在輕松愉悅的環(huán)境下領(lǐng)會物理化學(xué)的精髓、掌握物理化學(xué)的學(xué)習(xí)方法并開拓其創(chuàng)新能力則是當(dāng)前物理化學(xué)改革的指導(dǎo)思想。

1 強(qiáng)化“興趣教育”，調(diào)動學(xué)生主觀能動性

當(dāng)前物理化學(xué)的教學(xué)方式仍然以課堂灌輸為主，即老師“滿堂灌”，學(xué)生“滿堂抄”，極大限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，學(xué)生提不起興趣，導(dǎo)致的結(jié)果就是教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期。因此，改革這種傳統(tǒng)教學(xué)方法已成為大勢所趨。筆者在多年物理化學(xué)的教學(xué)中深切體會到，教師要想教好物理化學(xué)課程，必須付出大量的創(chuàng)造性勞動。只有通過大量創(chuàng)造性勞動的累積，才可能提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高其學(xué)習(xí)積極性，從而收獲較好的教學(xué)效果。

創(chuàng)造性勞動一方面對教師提出了較高的要求，即教師本身必須對物理化學(xué)課程內(nèi)容有著深刻的理解；另一方面則體現(xiàn)在教師的授課方式上：針對教學(xué)目標(biāo)，以課程內(nèi)容為基礎(chǔ)，提出問題，循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行思考，然后在授課過程中循序漸進(jìn)地解決問題。比如在進(jìn)行熱力學(xué)第二定律的講解時，教師可以首先提出問題：自然界所有的化學(xué)過程都遵循熱力學(xué)第一定律，那么是否只要是不違反第一定律的化學(xué)過程就一定能自動發(fā)生呢？進(jìn)而請學(xué)生嘗試舉例證明。該問題的提出可以很好地啟發(fā)學(xué)生，吸引學(xué)生的參與，而學(xué)生在舉例的過程中就會發(fā)現(xiàn)自發(fā)過程的規(guī)律，即不可逆性。這樣，教師即可順理成章地引出一個新的概念：熵，同時學(xué)生也通過該過程加深了對熵的理解。以金剛石和石墨的轉(zhuǎn)化為例講解化學(xué)反應(yīng)平衡和反應(yīng)速率時，同樣由碳元素組成，石墨如何才能轉(zhuǎn)化為更昂貴的金剛石？能轉(zhuǎn)化多少以及通過什么手段可以提高轉(zhuǎn)化率？這些問題都可以利用物理化學(xué)中的平衡及速率理論進(jìn)行預(yù)測，而不是進(jìn)行大量耗時耗力的實(shí)驗(yàn)嘗試。通過這樣的例證學(xué)習(xí)，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。又比如為什么荷葉表面可以進(jìn)行自清潔？引起學(xué)生對未知領(lǐng)域的興趣后，通過對表面化學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以知道荷葉的超疏水性以及獨(dú)特的表面凸起結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其具有自清潔功能的根本原因，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生通過文獻(xiàn)查閱了解更多相關(guān)知識，進(jìn)一步鞏固對該部分內(nèi)容的理解，在掌握基礎(chǔ)知識的同時，既開拓了思維，也提高了學(xué)生對科學(xué)研究的興趣。

除了上述“教師提問-學(xué)生思考-教師總結(jié)”的教學(xué)方式，還可以采用討論式教學(xué)，這種教學(xué)方式相對于傳統(tǒng)教學(xué)方式的顯著特點(diǎn)是充分發(fā)揮了“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的現(xiàn)代教學(xué)指導(dǎo)思想，不僅增強(qiáng)了教學(xué)兩方的雙向交流，促使教師和學(xué)生共同投入精力參與到課程內(nèi)容的理解中，而且有助于集中學(xué)生的注意力，極大地提高學(xué)生的能動性。比如先提出問題：在一個完全封閉的房間內(nèi)，打開冰箱門并讓其工作足夠長時間，是否可以降低房間溫度？很多同學(xué)會認(rèn)為房間溫度會下降，這時，巧妙地引入熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容，通過詳細(xì)地講解，引導(dǎo)學(xué)生獲得正確的答案，而這種聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)過程更能夠使學(xué)生加深對知識的理解和記憶。但要注意的是，基于物理化學(xué)極強(qiáng)的理論性和邏輯性，大部分內(nèi)容很難直接進(jìn)行討論。經(jīng)驗(yàn)表明：教師一定要在了解學(xué)生實(shí)際水平的基礎(chǔ)上擬定討論問題，若問題難度較大，可能造成學(xué)生無法回答的冷場局面，同時也打擊了學(xué)生的自信心。因此，對于問題的提出，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)一定的難度梯度，由淺入深，由簡到難。

2 多種教學(xué)手段的有機(jī)融合

在科技快速發(fā)展的新時代，多媒體技術(shù)的快速發(fā)展為課程教學(xué)提供了一種全新的方法。相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，多媒體教學(xué)課件色彩豐富，信息量大，在清晰準(zhǔn)確表達(dá)課程內(nèi)容的同時能顯著吸引學(xué)生的注意力，起到增強(qiáng)教學(xué)效果的作用。另外，利用多媒體課件授課可以顯著節(jié)省板書時間，而且較為直觀，學(xué)生也更易理解和接受。比如在過渡態(tài)理論的教學(xué)中，可以將“勢能面”制作成3D動畫，這樣學(xué)生能夠輕松地從三維空間理解“馬鞍點(diǎn)”、“能壘”和“反應(yīng)的最低能量途徑”等概念。在學(xué)習(xí)到化學(xué)動力學(xué)相關(guān)內(nèi)容時，將雙分子基元?dú)庀喾磻?yīng)中的分子簡化成鋼球，用flash動畫將其碰撞形成新物質(zhì)的過程展現(xiàn)出來，從而使學(xué)生能更直觀地了解微觀層面的分子碰撞理論。雖然多媒體教學(xué)有著不可替代的優(yōu)勢，但對于一些難以理解的理論和公式，應(yīng)該結(jié)合板書進(jìn)行引人入勝地推導(dǎo)和講解，這樣學(xué)生才能熟練掌握課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，將多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)融合，應(yīng)該也必將成為未來很長一段時間里物理化學(xué)教學(xué)的主要方式[2]。

3 課程基礎(chǔ)知識和文獻(xiàn)知識相結(jié)合

物理化學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)理論課，掌握教學(xué)大綱規(guī)定的基礎(chǔ)知識是對每個學(xué)生的最基本要求。學(xué)科的發(fā)展使得基礎(chǔ)知識在深度、廣度和應(yīng)用范圍等方面有更深層次的發(fā)展，因此對學(xué)生的物理化學(xué)素養(yǎng)及綜合能力也提出了更高的要求。除了課本上的知識，物理化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的一些最新研究成果通常都發(fā)表在各種國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上，教師除了傳授基本的理論知識外，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過查閱相關(guān)圖書、期刊或者通過網(wǎng)絡(luò)查閱科研文獻(xiàn)獲取這些知識內(nèi)容。比如針對藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生，在講完熱力學(xué)內(nèi)容后提出問題：簡單地設(shè)計(jì)鎮(zhèn)痛藥物阿司匹林的合成路線。學(xué)生可以分組查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)并進(jìn)行討論，最終通過文獻(xiàn)查閱并結(jié)合所掌握的熱力學(xué)知識，設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)路線，并通過改變條件以獲得最優(yōu)的產(chǎn)率等。這種將基礎(chǔ)知識、文獻(xiàn)知識和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系融合到一起的過程，既充實(shí)了有限的課堂知識內(nèi)容，也給學(xué)生提供了一個廣闊的思維空間，并引領(lǐng)學(xué)生利用所掌握的物理化學(xué)知識來解決專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域中遇到的問題，真正做到學(xué)以致用；學(xué)生針對自己感興趣的問題，通過積極收集文獻(xiàn)資料可以極大地拓寬知識面，充實(shí)自己。同時，學(xué)生對相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫和權(quán)威期刊有了基本了解，掌握了文獻(xiàn)檢索和專利查詢的方法，提高了他們獲取化學(xué)信息的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)合科研，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理化學(xué)課程中必不可少的組成部分，但目前并沒有得到足夠的重視。當(dāng)前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大部分均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而更有意義的研究性實(shí)驗(yàn)極少甚至沒有，從而導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課興趣下降，能動性差，實(shí)踐能力無法提高。基于上述原因，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中應(yīng)該著重關(guān)注實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理3方面，即要求學(xué)生能夠把握3個層次的內(nèi)容：明確實(shí)驗(yàn)儀器的基本原理和操作；熟知儀器可以獲得什么樣的數(shù)據(jù)；掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法并獲得合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。特別是藥學(xué)專業(yè)，由于其更偏重于藥物的提取以及合成，對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識的要求更迫切，因此增強(qiáng)課堂內(nèi)容與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系顯得尤為重要。例如在講授相平衡章節(jié)時，以中草藥有效成分提取實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有目的地查閱相關(guān)資料，并隨即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，讓學(xué)生在熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作的同時更深刻地理解蒸餾、萃取與相平衡之間的聯(lián)系。再比如在講授化學(xué)動力學(xué)時，可選擇合適的藥品作為合成目標(biāo)，以最低成本和最高產(chǎn)率為指導(dǎo)思想，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，利用動力學(xué)相關(guān)原理設(shè)計(jì)最佳反應(yīng)條件，包括催化劑篩選、溫度調(diào)節(jié)等，在這個過程中，讓學(xué)生充分理解化學(xué)動力學(xué)的精髓，培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和思維,增強(qiáng)學(xué)生的研究興趣，為今后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)[3]。同時，教師可以將自己的科研內(nèi)容與課程知識巧妙地結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對物理化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。比如筆者在講到催化部分內(nèi)容時，以自己所研究的金屬-有機(jī)框架材料在催化中的應(yīng)用為例，通過介紹加深學(xué)生對催化系統(tǒng)中的基本概念和知識點(diǎn)的理解。在這種類似的教學(xué)過程中，讓學(xué)生了解到科研與課程內(nèi)容之間的關(guān)系，鼓勵學(xué)生學(xué)好課本知識，以便將來更好地投入到科學(xué)研究中。

5 多元化的考核評價(jià)體系

教學(xué)效果的好壞，需要一套完整高效的考核體系進(jìn)行評價(jià)?？己私Y(jié)果可以對教學(xué)雙方進(jìn)行雙向反饋，一方面幫助學(xué)生檢查知識漏洞，另一方面促進(jìn)教師改進(jìn)教學(xué)方法。當(dāng)前的物理化學(xué)考核方式中書面考試占很大比重，這種方式的弊端是學(xué)生往往選擇通過考前一周的突擊復(fù)習(xí)來應(yīng)付考試，這就使“習(xí)題-應(yīng)試”成了物理化學(xué)學(xué)習(xí)的主旋律。如何讓學(xué)生始終保持學(xué)習(xí)的能動性是制定考核方式時最需要關(guān)注的問題。因此，可以嘗試建立多元化的考核手段，降低書面考試的比重[4]。一方面可以通過課堂提問以及隨堂測試等方式讓學(xué)生時刻保持注意力集中；另一方面可以通過多次階段性考試，讓學(xué)生在整個學(xué)期都保持良好的學(xué)習(xí)積極性和能動性。對于書面考試，不盲目追求題目難度，而更加注重對基礎(chǔ)知識的考察及物理化學(xué)知識在實(shí)際生活中的體現(xiàn)。對于藥學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，還可以將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能測試也納入到考核體系中來，考查學(xué)生理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的能力。這套多元考核體系，充分體現(xiàn)了“素質(zhì)教育”的理念，旨在努力提高學(xué)生綜合素質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是將考核評價(jià)貫穿于學(xué)習(xí)的整個過程，而學(xué)生要想適應(yīng)這種考核體系，就需要不斷地努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維和動手能力。

通過物理化學(xué)教學(xué)的不斷發(fā)展和實(shí)踐,筆者認(rèn)識到：學(xué)生綜合素質(zhì)的提高離不開高水平的教師，而教學(xué)改革旨在督促教師不斷提高教學(xué)水平以及探索更合理高效的教學(xué)方法。教學(xué)改革是關(guān)乎物理化學(xué)全局的大工程，作為教師，最應(yīng)當(dāng)做的是提升自身素質(zhì)，踏踏實(shí)實(shí)地摸索最適合自己和學(xué)生的教學(xué)方法，實(shí)時總結(jié)，不斷完善。只有這樣，才能從根本上促進(jìn)物理化學(xué)學(xué)科的健康發(fā)展。

[1]高盤良.物理化學(xué)類課程的作用與定位[J].中國大學(xué)教學(xué),1999, 6:24-25.

[2]馬建春,薛金輝,王中慧,等.物理化學(xué)教學(xué)中板書應(yīng)與多媒體靈活結(jié)合[J].廣東化工，2014，41（20）：178-179.

[3]賀德華,麻英.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢與改革探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（3）：13-15.

[4]王芳,劉俊華.物理化學(xué)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].廣東化工，2014，41（19）：221-222.

Practice of Teaching in“Physical Chem istry”Based on Innovative Thinking

LIU Yan，GONGWei
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Physical chemistry,which is composed of three theoretical systems including chemical thermodynamics, dynamics and structure quantization,is themost theoretical and difficult course of chemistry.Accompanied by the development of“creative talents”,it’s urgently to promote the quality of teaching tomeet the needs of scientific development.The teaching methods from 5 aspects,including strengthening of interest education and mobilizing the initiative of students,integrating varies teachingmethods,combining curriculum knowledge and literature knowledgewith scientific research,optimizing the content of experiment teaching,using diversified assessment system,are provided to improve the teaching quality of physical chemistry, which will stimulate students'interest in learning and improve the teaching effect.

physical chemistry；reform；innovation；teaching efficiency

G642.0

A

1007-4260(2016)04-0155-03

時間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.040.html

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（21522104）。

劉燕，女，山東威海人，博士，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究員，研究方向?yàn)榕湮换瘜W(xué)。E-mail:liuy@sjtu.edu.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.040