新工科背景下工科類專業(yè)物理化學教學改革與探索

潘 飛，呂夢嵐

(貴州理工學院化學工程學院，貴州 貴陽 550003)

為積極應對世界范圍內(nèi)的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國制造2025“等國家重大戰(zhàn)略，我國積極推進“新工科”建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，著力培養(yǎng)實踐能力更強、創(chuàng)新能力更強、并具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才[1-3]。在新工科建設的背景下，高等學校工科類專業(yè)應以培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型高素質(zhì)人才為宗旨，大力推動專業(yè)內(nèi)涵建設，加快人才培養(yǎng)方案、課程設置、實踐教學環(huán)節(jié)等的改革創(chuàng)新。物理化學是基于物理和化學兩大基礎學科發(fā)展起來的，運用物理學的基本理論方法去研究化學體系的性質(zhì)和行為，并建立化學體系中的特殊規(guī)律的學科[4]。物理化學課程是工科類專業(yè)必修的專業(yè)基礎課程之一，是后續(xù)學習更高層次專業(yè)課程的基礎，在工科類人才培養(yǎng)體系中有著舉足輕重的作用[5]。因此，在新工科建設的背景下，為培養(yǎng)符合社會需求的創(chuàng)新應用工科專業(yè)人才，對物理化學課程教學的改革與探索勢在必行。

1 融入課程思政內(nèi)容

在建設新工科的背景下，高校工科類專業(yè)應著力于以科學教育、人文教育、工程教育的有機融合方式，培養(yǎng)科學基礎厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高且能實現(xiàn)跨界整合的人才[6-8]。因此，高校教育不僅要培養(yǎng)學生的專業(yè)知識技能，還要重視對學生職業(yè)素養(yǎng)、道德情操的培養(yǎng)[8]。物理化學課程作為化學工程與工藝、制藥工程、環(huán)境工程、材料科學與工程等專業(yè)的專業(yè)基礎課程，同樣也是高校工科類專業(yè)的思政育人主陣地。

為培養(yǎng)思想過硬，德才兼?zhèn)涞男鹿た迫瞬?，在物理化學課程教學中，要牢牢把握課程思政的內(nèi)涵，以相關(guān)的知識理論為載體，充分發(fā)掘課程中的相關(guān)思政元素，將課程思政有機融入到教學中。例如在講授單組分三元相圖的相關(guān)知識時，介紹水的三相點是由我國著名化學家黃子卿老先生精準測量的，并將黃子卿老先生的愛國事跡引入到課堂教學中[9]。在上世紀30年代，為了建設祖國，黃子卿老先生毅然放棄了在美國的優(yōu)渥待遇，回到祖國不懈奮斗，體現(xiàn)了為祖國發(fā)展不計個人得失的家國情懷，以此培養(yǎng)學生的愛國精神。在講授卡諾循環(huán)時，可以引入科學家從提出卡諾定律到找出提高熱機效率的根本途徑，孜孜不倦的鉆研了55年的故事[8]，鼓勵學生們要有理想信念，要有奮斗不息的精神。還有在講授化學平衡的內(nèi)容時，可以介紹發(fā)明了大規(guī)模合成氨技術(shù)的化學家哈伯的故事[6,10]，哈伯不僅是發(fā)明合成氨技術(shù)的諾貝爾獎得主，還是研制氯氣、芥子氣等毒氣的戰(zhàn)爭魔鬼。通過他的故事，告誡學生務必要恪守科學倫理的底線，保持高度的社會責任感。通過將思政元素融入教學過程中，有助于培養(yǎng)兼具專業(yè)素養(yǎng)及理想信念的新工科人才。

2 建立全方位教學改革體系

物理化學課程是高等學?；瘜W工程與工藝、制藥工程、環(huán)境工程、材料科學與工程等專業(yè)必修的一門基礎課程，不僅是前期所學的無機化學、分析化學、有機化學等基礎化學知識的升華，又是后期化工原理、制藥原理、化工熱力學、新能源科學與材料等專業(yè)課程知識的基礎，在工科類人才培養(yǎng)體系中具有毋庸置疑的重要性。因此，物理化學課程必須要建立全方位的教學改革體系，提高物理化學教學質(zhì)量，培養(yǎng)符合新工科建設要求的創(chuàng)新型，應用型人才。

2.1 引入現(xiàn)代教學手段

現(xiàn)階段雨課堂、慕課等現(xiàn)代網(wǎng)絡教學手段蓬勃發(fā)展。充分引入現(xiàn)代教學手段，采用“線上+線下”混合教學，相比傳統(tǒng)PPT及板書的“線下”教學方式，能更好的提高教學質(zhì)量[11-12]。

“雨課堂”是清華大學和學堂在線共同推出的新型智慧教學解決方案。教師在課前可使用雨課堂設置相應的預習習題，學生在充分預習后進行答題，既有利于教師快速評價學生的預習情況，在課堂教學中能做到有的放矢，提升授課效率，又能使學生依據(jù)自身答題情況，在課堂上帶著問題聽講，提升學習效率。同時，采用雨課堂的形式，還可以在授課過程中根據(jù)教學進度，對學生進行隨堂小測，快速收到學生對知識點掌握情況的反饋，以便及時進行查缺補漏，優(yōu)化教學內(nèi)容，調(diào)整教學進度。利用微課可視化、碎片化的特點[13]，教師對物理化學中的熱力學、化學平衡、相平衡、化學動力學、電化學、膠體及表面化學等重要基礎理論進行梳理，提煉，將其中的重點難點分別錄制為10～15分鐘時長的微課，方面學生在課前進行預習，課后有針對性的復習，提高學習效率。此外，還可以利用慕課資源及虛擬仿真技術(shù)，將物理化學課程通過線上與線下配合，虛實相結(jié)合的方式，幫助學生獲得專家授課，了解課程前沿，提高學習效果。

2.2 實踐“以學生為中心”的課堂教學模式

物理化學課程本身具有概念抽象，邏輯性強的難點，且隨著工科類教育改革的推進，物理化學作為基礎類課程，面臨理論課學時壓縮的客觀問題。為了獲得理想的教學效果，必須對現(xiàn)有的傳統(tǒng)課堂教學模式進行改革探索。

在傳統(tǒng)的物理化學課堂教學中，主要是以“教師為中心”的教學模式，教師利用PPT對知識點及相關(guān)經(jīng)典例題進行授課。在學時數(shù)壓縮的情況下，為完成整門課程的教學任務，只能進行“教師主動傳遞—學生被動接受”的填鴨式教學[11,14-15]。這種課堂教學方式，課堂氛圍枯燥，教師無法及時了解學生對知識的掌握情況，也無法調(diào)動學生的學習積極性，無法達到理想的教學效果。為改變這一現(xiàn)狀，必須采用“以學生為中心”的課堂教學模式。

采用“以學生為中心”的課堂教學模式，一方面應當注重對學生自主學習的啟發(fā)。根據(jù)對學生學習情況的了解及教學大綱中對各知識點難易程度的要求，適當選擇部分內(nèi)容，采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式[14-18]，在課前根據(jù)學習主動性及對知識的掌握程度將學生分為不同小組，確保小組間的總體水平相近，既使小組內(nèi)部能夠相互輔導，又保證小組之間競爭公平。在新課開始前通過向各小組發(fā)放任務單，將新課應掌握的知識點傳達給學生，要求各小組自行選擇一個知識點，在課前認真預習，收集資料，相互討論，不斷修正，在課堂上以PPT的形式進行10～15分鐘的授課，并在教師的指導點評后進行認真思考總結(jié)。教師在各小組完成授課后，及時進行點評，糾正學生授課中的錯漏之處，加深對本次課程重難點的講授，幫助學生理清思路，更好的掌握所學知識點。采用這種翻轉(zhuǎn)課堂的方式，可以提升學生的課堂參與度，調(diào)動學生學習的主觀能力性，激發(fā)學生的學習興趣，達到更好的教學效果。另一方面，教師在課堂教學中，要加強對學生學習效果的評價。在教學過程中，不能僅僅自顧自的把知識點傳授給學生，要充分指導對學生對知識點進行梳理總結(jié)，把握各章節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，及時通過課堂提問、隨堂小測、課后作業(yè)等方式，掌握學生對知識點的學習情況，并據(jù)此進行認真分析反思，不斷調(diào)整優(yōu)化授課內(nèi)容及方式，達到較為理想的教學效果。

2.3 優(yōu)化教學內(nèi)容，激發(fā)學生興趣，培養(yǎng)學生工程意識及科研素養(yǎng)

興趣是最好的老師，通過對教學內(nèi)容的優(yōu)化，將日常生活中遇到的實際問題與涉及的物理化學知識點相結(jié)合，使枯燥的知識點變得生動易懂，調(diào)動學生學習物理化學知識的熱情。例如：荷葉上滾動的液珠與表面現(xiàn)象相結(jié)合，灑鹽防止路面結(jié)冰凝動與溶液的依數(shù)性相結(jié)合等，注意理論和實際的聯(lián)系，能夠幫助學生理解相應的知識點，也有助于提升學生的學習主動性。

培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型人才，應在對工科類學生的教學內(nèi)容中應適當加入工程實例的引入。例如在教學中引入與經(jīng)典熱力學、化學動力學、表面化學等相關(guān)的具體工程實例，并對其進行科學的分析與探索，從而提供解決問題的思路[19]。這一環(huán)節(jié)的引入，既增強了學生對知識點的理解與掌握，又啟蒙了學生的工程意識，了解實際生產(chǎn)研發(fā)過程，培養(yǎng)了應用理論知識解決實際問題的綜合能力。

為培養(yǎng)工科類學生應具備的科研素養(yǎng)，在教學過程中一方面可將理論教學的知識點與實驗教學的知識點相合進行講授，如在化學反應動力學教學中，聯(lián)系“蔗糖水解反應速率的研究”或“加速法測定藥物有效期”實驗，在熱力學教學中，聯(lián)系“二組分液相完全互溶系統(tǒng)的沸點組成圖的繪制”實驗，在膠體與表面化學教學中，聯(lián)系“電導法測定溶液臨界膠束濃度”實驗等，將理論教學的知識點與實驗原理、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)論進行綜合講解，同步提高學生的理論水平及實驗操作能力。另一方面，在教學過程中，教師可以適當?shù)拇┎逡肱c基礎知識相關(guān)的科技前沿，例如催化劑反應動力學、電化學等的前沿研究，有助于拓展學生的視野，深化學生的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。

3 建立全流程教學考核體系

考核是檢驗教學效果最為直接的方式，先進的教學手段、合理的教學內(nèi)容都需要科學的考核方式對其進行評價[20]。在著力培養(yǎng)新工科人才的背景下，需對現(xiàn)有的教學手段和教學內(nèi)容進行優(yōu)化，則現(xiàn)有的以期末考試試卷為主要評分依據(jù)的考核方式也急需進行相應的改革，建立全流程、多樣化的考核體系，不僅考核學生對物理化學基本知識重點的掌握程度，同時也考核學生的實際應用能力和綜合素質(zhì)。

就《物理化學》這門課程來說，全流程、多樣化的考核體系是對整個授課環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)進行評價，具體考核模式設置為平時成績占50%和期末考核占50%兩部分，其中平時成績又包括考勤、課下作業(yè)、隨堂小測、小組授課及綜述論文。(1)考勤占5%，主要內(nèi)容是在通過雨課堂點名及隨機提問等方式檢查學生有無遲到、早退及曠課情況。(2)課下作業(yè)占10%，要求是完成課后習題并對每章節(jié)的重難點及各知識點之間的聯(lián)系進行總結(jié)概括。在解題中能有新思路的，在對重難點總結(jié)中能聯(lián)系自身學習情況進行具體分析的，或能發(fā)散思維，將本章節(jié)知識點與其他章節(jié)知識點之間進行合理聯(lián)系的，要進行重點點評并給予充分的肯定。(3)隨堂小測占10%，采用雨課堂的形式，在授課過程中不定期對學生進行隨堂小測，通過單項選擇題，多項選擇題、判斷題及填空題，快速檢驗學生對某個重要知識點或每章節(jié)重要基本概念、基礎知識的掌握程度，及時對學生的學習情況進行查缺補漏。(4)小組授課占10%，主要是對在翻轉(zhuǎn)課堂中學生的表現(xiàn)以小組為單位進行評價，包括前期課堂資料的準備，對規(guī)定內(nèi)容進行PPT的講解，課后的思考總結(jié)等方面，不僅加深學生對所學知識概念的理解與運用，還培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及團隊合作意識。(5)綜述論文占15%，主要是要求學生在整門課程的授課環(huán)節(jié)中，任意選擇自己感興趣的1～2個知識點，對其發(fā)展歷程，前沿研究及在行業(yè)中應用現(xiàn)狀等進行梳理，完成1篇1500字左右的綜述論文，學期結(jié)束時提交。重點考核學生個人的文獻查閱能力，書寫總結(jié)能力及對該知識點的理解程度，激發(fā)學生的個人潛能，培養(yǎng)學生獨立思考及創(chuàng)新的能力。(6)期末考核占50%，采用期末閉卷考試的方式，考試范圍，題型及難易程度等按照課程大綱中各個章節(jié)的權(quán)重而進行設置，合理增加思考及創(chuàng)新類題目，不僅考核學生對本門課程全部所授基本知識點的掌握情況，也考察學生在解題過程中是否具有創(chuàng)新的能力，是否具有運用所學知識解決實際問題的能力。

建立全流程、多樣化的考核體系，包含了對整門課程全部授課環(huán)節(jié)的考核，能夠更真實、更全面地對評價學生的綜合表現(xiàn)，避免了學生可以通過死記硬背，考前突擊就能獲得高分的情況。這種考核方式，這種考試模式更有利于激發(fā)學生的學習主動性，提高教學質(zhì)量，使學生既掌握基礎理論又提升了綜合能力。

在我國正大力推進“新工科”建設的背景下，地方本科院校應著力于培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型的新工科技術(shù)人才。為了實現(xiàn)這一目標，我校工科類物理化學課程進行了積極的改革和探索，通過將課程思政內(nèi)容有機融入教學過程，建立全方位教學改革體系，建立全流程教學考核體系等方法，以期使學生具有扎實的專業(yè)知識體系，較強的工程意識及科研素養(yǎng)，為國家培養(yǎng)符合社會需求的新型創(chuàng)新應用型工科人才。