少學(xué)時物理化學(xué)課程教學(xué)探索與實(shí)踐

戴 煜,夏 帆

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

物理化學(xué)是一門基礎(chǔ)理論課程,這門課程概念抽象、公式多、公式適用條件難理解[1]。目前化學(xué)專業(yè)的本科生物理化學(xué)理論課程授課學(xué)時為100學(xué)時左右,部分專業(yè)甚至高于110學(xué)時,同時結(jié)構(gòu)化學(xué)是作為單獨(dú)的一門專業(yè)必修課程教授物質(zhì)結(jié)構(gòu)。但是部分專業(yè)有少學(xué)時物理化學(xué)課程需求,課程學(xué)時僅為40～56學(xué)時,如何用較少的學(xué)時獲得較好的教學(xué)效果,將少學(xué)時課程打造成具有 “兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)的金課,這對授課老師來說是一個極大的挑戰(zhàn)。部分觀點(diǎn)認(rèn)為,保留課堂教學(xué)內(nèi)容降低課程難度是少學(xué)時物理化學(xué)課程的授課思路。本文認(rèn)為,在適當(dāng)刪減教學(xué)內(nèi)容的前提下,教師引導(dǎo),學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí),才能將物理化學(xué)學(xué)透學(xué)深。本論文從教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法、考核方法等方面對少學(xué)時物理化學(xué)教學(xué)進(jìn)行探索,期望獲得良好的教學(xué)效果。

1 重視緒論課，展現(xiàn)課程價值

目前普遍認(rèn)為學(xué)時減少后,緒論課程應(yīng)該被刪除,保留學(xué)時講授理論課程。本文認(rèn)為緒論課程絕對不能被刪減,必須要保留2個學(xué)時的緒論課課堂教學(xué)。緒論課程要受到重視,因?yàn)榫w論課是老師與學(xué)生的第一次見面,對學(xué)生建立這門課程的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)習(xí)慣至關(guān)重要。緒論課就可以反映出金課的 “高階性”標(biāo)準(zhǔn),需要結(jié)合課程內(nèi)容展現(xiàn)出前沿性和時代性。

緒論課程除了要介紹課程的課程性質(zhì)、考核方式、學(xué)習(xí)方法,更重要是結(jié)合時下最新的科學(xué)前沿介紹課程發(fā)展方向。物理化學(xué)經(jīng)歷了三個階段的發(fā)展,第一階段是1887年至1920年,這個階段是化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的唯象規(guī)律的建立,德文“物理化學(xué)”雜志創(chuàng)刊意味著物理化學(xué)成為了一門二級學(xué)科。第二階段是1920年至1960年,這個階段是結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)的蓬勃發(fā)展和化學(xué)變化規(guī)律的微觀探索階段。第三階段是1960年至今,這個階段有六個發(fā)展方向[2]。

第三階段的第一個發(fā)展方向是從宏觀到微觀,從看得見的物體到微觀原子、分子級別的研究。展示電子顯微鏡下的納米材料、分子、離子更加直觀,例如用電子顯微鏡拍攝了粗細(xì)只有頭發(fā)的500分之1的塑料納米纖維聚集在聚苯乙烯球旁的情景,掉入人類細(xì)胞后高分子像花一樣裂開,被一滴水溶解的鹽粉等。第二個發(fā)展方向是從體相到表面,了解表面實(shí)際過程,推動表面化學(xué)與多相催化的發(fā)展。這里可以介紹2015年發(fā)表在Nature上的題為 “Vapour-mediated sensing and motility in twocomponent droplets”的論文[3],大量的視頻詳細(xì)介紹了馬蘭戈尼效應(yīng),液滴表面張力不同造成質(zhì)量傳輸現(xiàn)象稱為馬蘭戈尼效應(yīng)。第三個發(fā)展方向是靜態(tài)到動態(tài),分子反應(yīng)動力學(xué)成為非?；钴S的學(xué)科,這部分可以結(jié)合自己的科研介紹,我們設(shè)計合成了線性聚合物、線性-支化聚合物和支化聚合物,在水溶液中能夠自組裝形成膠束,與金納米粒子形成穩(wěn)定的膠體溶液,催化對硝基苯酚還原生成對氨基苯酚,通過紫外可見分光光度計監(jiān)測催化反應(yīng)的進(jìn)程,并計算出反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)。第四個發(fā)展方向是從定性到定量,可以結(jié)合同步輻射光源的一些特征,介紹從前只能做定性的課題現(xiàn)在可以做定量、原位監(jiān)測。第五個發(fā)展方向是從單一學(xué)科到邊緣學(xué)科,從荷葉出淤泥而不染、仙人掌收集水、壁虎攀爬墻壁等特性介紹疏水材料、親水材料、碳納米管陣列高強(qiáng)度材料等仿生材料。第六個發(fā)展方向是從平衡態(tài)到非平衡態(tài)研究,可以講解2013年Science上發(fā)表的題為“Stabilizing Liquid Drops in Nonequilibrium Shapes by the Interfacial Jamming of Nanoparticles”的論文[4],在電場條件下,表面修飾了納米顆粒表面活性劑的圓形水滴可以變成橢圓形,當(dāng)電場撤除后,水滴仍然可以維持成橢圓形。

將現(xiàn)代科學(xué)前沿與物理化學(xué)結(jié)合,講好緒論課,可以使學(xué)生對課程產(chǎn)生期待與學(xué)習(xí)興趣。緒論課是展現(xiàn)教師授課風(fēng)格與人格魅力的第一次課程,講好了緒論課,可以使學(xué)生和老師之間建立良好的學(xué)習(xí)氣氛。

2 課程內(nèi)容主次分明

當(dāng)教學(xué)課時減少后,在有限學(xué)時的教學(xué)課堂上,是保留較多的教學(xué)內(nèi)容而降低教學(xué)深度,還是減少教學(xué)內(nèi)容而保留教學(xué)深度,這兩種觀點(diǎn)一直是爭議的焦點(diǎn)。物理化學(xué)的授課對象往往是前期已經(jīng)學(xué)習(xí)過高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)或無機(jī)化學(xué)的本科生,不同于無機(jī)化學(xué)或大學(xué)化學(xué)直接給出熱力學(xué)公式,物理化學(xué)授課中要經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)才會得出公式結(jié)論。即使課時降低,對計算過程、公式推導(dǎo)、證明仍然不能弱化和簡略處理,這是由物理化學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)所決定的。物理化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)就是要教會學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,老師所要教授的是解決問題的思路,而不是僅僅學(xué)會用物理化學(xué)的知識進(jìn)行簡單的公式套用計算答案。少學(xué)時物理化學(xué)教學(xué)要具有 “高階性”,是知識能力素質(zhì)有機(jī)融合,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維,而不是低階性,僅僅傳遞知識。

因此結(jié)合材料科學(xué)與工程、材料化學(xué)、資源、環(huán)境、工程的專業(yè)特點(diǎn),物理化學(xué)授課內(nèi)容應(yīng)該主次分明,做到有的放矢。少學(xué)時物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中基本保留熱力學(xué)部分,略講部分例題與習(xí)題,更多的開展素質(zhì)教育,開展翻轉(zhuǎn)課堂鍛煉學(xué)生自由討論的能力?？紤]到工程類專業(yè)學(xué)生電化學(xué)、動力學(xué)應(yīng)用較少、表面物理化學(xué)與膠體內(nèi)容在高年級時會得到系統(tǒng)教育,所以課堂內(nèi)容在電化學(xué)部分與動力學(xué)部分大幅度刪減,主要為電解質(zhì)溶液、電解與極化、反應(yīng)理論、光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的推導(dǎo)。部分內(nèi)容如反應(yīng)速率方程式的推導(dǎo)、生活中的表面現(xiàn)象解釋都將以自學(xué)或翻轉(zhuǎn)課堂的形式體現(xiàn)。

在熱力學(xué)教學(xué)中要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行枝葉的修剪,保持邏輯主線,刪減零碎的知識點(diǎn),弱化反復(fù)出現(xiàn)的公式與過程。例如,卡諾循環(huán)涉及兩步絕熱可逆過程與兩步等溫可逆過程,這些過程功與熱的計算在熱力學(xué)第一定律中都有涉及,所以只需要簡略推導(dǎo)得出熱機(jī)效率,不需要再詳細(xì)講解。部分少學(xué)時課程認(rèn)為熵的引出抽象、冗長,不需要推導(dǎo)過程,在少學(xué)時教學(xué)中將熱溫熵的推導(dǎo)過程省略,直接給出微熵公式,然后講解公式的意義和用途。但是我認(rèn)為這部分推導(dǎo)不能刪減,卡諾定理的意義在于引入了一個不等號,不可逆熱機(jī)的效率小于可逆熱機(jī),原則上解決了化學(xué)反應(yīng)的方向問題,而如何由卡諾循環(huán)的熱溫商之和推導(dǎo)出任意可逆循環(huán)的熱溫商之和也等于零,將一個過程的不可逆性轉(zhuǎn)變成大眾可以接受的數(shù)學(xué)公式,克勞修斯由此定義新的熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)-熵,這個推導(dǎo)過程顯然極具數(shù)學(xué)邏輯思維,恰恰是教學(xué) “高階性”的體現(xiàn)。老師所要教授的是熱力學(xué)第二定律知識體系的構(gòu)建過程,學(xué)生在這個過程中學(xué)習(xí)的是問題引出后,如何利用現(xiàn)有知識體系解決問題,學(xué)習(xí)的是解決問題的思路,而不應(yīng)該僅僅是拿來即用的低階性目標(biāo)。

表1列出96學(xué)時與56學(xué)時物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容安排。以96學(xué)時物理化學(xué)課程選用高等教育出版社出版的 《物理化學(xué)》第五版(傅獻(xiàn)彩、沈文霞、姚天揚(yáng)編著）,56學(xué)時物理化學(xué)課程選用科學(xué)出版社出版的 《物理化學(xué)核心教程》(第三版）(沈文霞、王喜章、許波連編著）作為教材。

表1 96學(xué)時與56學(xué)時物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容安排Table 1 Teaching content arrangement of 96 credit-hours and 56 credit-hours for Physical Chemistry

3 善用HSC-Chemistry進(jìn)行案例分析開展討論式教學(xué)

保留教學(xué)內(nèi)容的深度,同時未大幅度刪減的教學(xué)內(nèi)容會占用較多的課堂教學(xué)學(xué)時,我們可以通過線下教學(xué)與課堂教學(xué)相結(jié)合,將部分學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)為學(xué)生自學(xué)與自主練習(xí)。這樣不僅節(jié)省課堂教學(xué)學(xué)時,也可以鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,尤其是將現(xiàn)代教學(xué)軟件與理論知識相結(jié)合,督促學(xué)生掌握最先進(jìn)的分析手段,翻轉(zhuǎn)課堂討論式教學(xué)也可以鍛煉學(xué)生總結(jié)知識的能力,將被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

傳統(tǒng)意義上,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱力學(xué)計算主要依照各種熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊和科技期刊論文,不同的標(biāo)準(zhǔn)和參考狀態(tài)往往得出不一致的結(jié)果,化學(xué)熱力學(xué)中存在大量的非線性計算,使得手動計算完成熱力學(xué)分析過程面臨巨大的計算難度[5]。在教學(xué)中產(chǎn)生的具體問題是,大量枯燥的公式解析占用課堂教學(xué)時間,學(xué)生在課下沒有精力計算,也不具有獨(dú)立計算的技術(shù)能力,使得課程講解的理論知識嚴(yán)重脫離實(shí)際應(yīng)用,學(xué)生只學(xué)會了知識,而沒有掌握將理論知識熟練應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐的技巧與能力。由芬蘭Outokumpu研究中心開發(fā)研制的HSC-Chemistry軟件擁有超過20000種無機(jī)物詳細(xì)熱力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫,擁有22個計算模塊,簡化了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過程[6]。

課程設(shè)計要具高階化,設(shè)計具有代表性的軟件教學(xué)內(nèi)容,建立知識體系。設(shè)計4個HSC-chemistry軟件的教學(xué)內(nèi)容,包含 “數(shù)據(jù)查找”、 “反應(yīng)平衡熱力學(xué)計算”、 “平衡相組成計算”、“電勢-pH曲線繪制”。學(xué)生熟練掌握HSC軟件單一模塊計算。進(jìn)行案例分析。比如廣為人知的合成氨反應(yīng),從熱力學(xué)的角度來考慮溫度對轉(zhuǎn)化率的影響。讓學(xué)生通過該軟件進(jìn)行模擬或計算,從熱力學(xué)角度提出最優(yōu)的生產(chǎn)工藝。課上、課下混合式教學(xué),了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與學(xué)習(xí)心態(tài)。課堂教授理論知識與軟件學(xué)習(xí)方法,課下布置任務(wù),在課上討論計算過程與結(jié)果,了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時定期抽樣部分學(xué)生,采取交談或者問卷調(diào)查的方式了解學(xué)生對軟件學(xué)習(xí)的響應(yīng)程度和響應(yīng)效果,以此推測學(xué)生如何接受知識,如何構(gòu)建知識體系。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣與能力。老師只能教授軟件的基本計算模式,學(xué)生可以自主開發(fā)HSC軟件更多應(yīng)用,在自學(xué)過程中養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣,掌握獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。

金課的 “兩性一度”中創(chuàng)新性要求教學(xué)形式體現(xiàn)出先進(jìn)性和互動性,軟件學(xué)習(xí)是新的教學(xué)方法改革,是完成教學(xué)目的的一個重要手段。以課堂講解為主要的教育形式,加以軟件輔助使得教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合的更加緊密,充分展現(xiàn)課程的先進(jìn)性與互動性,讓學(xué)生參與進(jìn)來,可以獲得更好的教學(xué)效果。應(yīng)用軟件進(jìn)行案例分析可以讓學(xué)生強(qiáng)化概念、深化公式理解和應(yīng)用,并有產(chǎn)出,極大的提高了學(xué)生探索的興趣,從而引導(dǎo)學(xué)生走向科研之路。同時理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析可以為實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供方向。

4 考核方式重視過程

目前物理化學(xué)課程考核多是期末閉卷考試成績占總評成績的80%,主要是考察學(xué)生掌握知識點(diǎn)的情況,督促學(xué)生背公式和做大量練習(xí)題應(yīng)考?？己四繕?biāo)決定了考核方式,高階性的教學(xué)應(yīng)該做到知識、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合,重視學(xué)生的思維啟發(fā)與探索。符合兩性一度要求的課程的考核方式必然是重視過程,不再僅重視結(jié)果,平時成績可以占到總評成績的40%,甚至更多,不再單一用期末考試成績對學(xué)生進(jìn)行考核。平時成績的考核內(nèi)容要細(xì)分,每個知識點(diǎn)結(jié)束后可以進(jìn)行隨堂問答,每個章節(jié)結(jié)束后可以進(jìn)行一道綜合性大題的解答。對于勇于上臺發(fā)言,講解隨堂問答的同學(xué)給予鼓勵性加分?？己朔绞揭喾N多樣,除了進(jìn)行問答、測試、作業(yè)、課堂點(diǎn)名簽到,還可以制定一些論文題目開展分組研討、翻轉(zhuǎn)課堂、學(xué)生互評等。例如開展繪制熱力學(xué)第一定律的思維導(dǎo)圖、利用HSC軟件進(jìn)行完整的熱力學(xué)案例分析、復(fù)雜反應(yīng)速率的近似處理法解決動力學(xué)問題、電化學(xué)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用、生活中的表面現(xiàn)象解釋等內(nèi)容,開展翻轉(zhuǎn)課堂,學(xué)生在課堂講解5分鐘,老師和同組學(xué)生對上臺展演的學(xué)生共同打分與點(diǎn)評。將考核變?yōu)橹匾晫W(xué)習(xí)過程,學(xué)生必然會投入更多的精力參與自主學(xué)習(xí)。

我校2019級本科學(xué)生實(shí)行大類招生,他們在大學(xué)二年級時將面臨少學(xué)時物理化學(xué)的教學(xué)改革與實(shí)踐。本論文所提出的教學(xué)方法、學(xué)習(xí)方法、考核方法等方面對少學(xué)時物理化學(xué)教學(xué)進(jìn)行的改革與探索,適應(yīng)新的教學(xué)浪潮,致力于打造金課,必將獲得良好的教學(xué)效果。