非化學專業(yè)物理化學課程教學改革探索*

張海波，劉海燕

(武漢大學化學與分子科學學院，化學國家級實驗教學示范中心( 武漢大學)，湖北 武漢 430072)

2018年以來，為貫徹習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，落實新時代全國高校本科教育工作會議精神，積極響應教育部一流本科課程“雙萬計劃”以及淘汰“水課”、打造“金課”的要求[1]。各大高校紛紛統(tǒng)籌規(guī)劃國家級和省級一流課程培育與建設，打造高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度“金課”，為實施高等教育質(zhì)量“變軌超車”奠定更為堅實的基礎。新形勢下，理工科公共基礎課教學模式面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[2]。

物理化學是從物質(zhì)的物理和化學現(xiàn)象的聯(lián)系入手來探求化學變化基本規(guī)律的一門科學[3]，主要研究和解決物質(zhì)狀態(tài)變化和化學變化的方向和限度、化學反應的速率和機理、物質(zhì)結構和性能之間的關系等方面的問題，是我?；瘜W化工類及生物、環(huán)境和藥學等相關理工專業(yè)的主干課，對培養(yǎng)學生思維能力、實踐能力、分析問題及解決問題的能力具有重要的作用。武漢大學非化學專業(yè)本科生學習的是物理化學B(72學時)、物理化學C(54學時或48學時)和物理化學D(36學時)。使用的教材有兩種：一種是顏肖慈，羅明道，周曉海編寫的《物理化學》(武漢大學出版社，2004版)，該教材內(nèi)容是針對非化學專業(yè)的，但是內(nèi)容有些陳舊，部分需要刪減，學科最新發(fā)展需要增添；另一種是武漢大學物理化學教研組編寫的《物理化學》(武漢大學出版社，2010版)，該書內(nèi)容是針對化學專業(yè)編寫的，分上下冊，內(nèi)容龐雜，非化學專業(yè)使用顯得不合適。相對于化學專業(yè)144課時外加討論課來說，非化學專業(yè)學生課程的學時較短，要求教師在有限課時內(nèi)，讓學生掌握專業(yè)必需的物理化學基本理論和后續(xù)專業(yè)學習相關的基本技能，在教學上需要突出物理化學與相關專業(yè)課程和應用領域的滲透和聯(lián)系，使學生在專業(yè)學習和科研訓練中能主動運用物理化學的理論去思考和解決問題[4]。但由于該課程理論深邃、邏輯嚴密、概念抽象，所涵蓋的公式眾多，對化學、數(shù)學和物理等相關基礎要求較高，大多數(shù)學生感到掌握起來有一定難度，在課堂聽講時感到書上的理論知識枯燥無味，與專業(yè)聯(lián)系不密切，從而提不起學習興趣，導致課堂教學質(zhì)量較差[5]，因而是學生普遍反映比較難學的一門課程。因此，為了改善教學效果，激發(fā)學生學習的主動性，筆者在近幾年的教學中進行了一些有益的嘗試，取得了一定的效果和積極的反饋，下面本文將結合如何合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量，結合我校非化學專業(yè)物理化學課程教學進行的幾點改革措施與大家進行交流探討。

1 緊貼專業(yè)的教學目標定位

物理化學課程的教學要緊密把握專業(yè)培養(yǎng)目標定位。我校的非化學專業(yè)《物理化學》課程是為我校的生物、藥學、環(huán)境、動機等理工科類6個專業(yè)每屆約800多名學生開設的專業(yè)基礎課，根據(jù)我校培養(yǎng)“厚基礎、寬口徑、高素質(zhì)、強能力”的創(chuàng)新型復合人才的本科教學目標和致力于推行“三創(chuàng)”(創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè))教育的辦學特色[6]。相關專業(yè)學生需要比較扎實的理論化學知識和較廣泛的知識層面的目標要求，本課程教學目標定位于使開設《物理化學》課程專業(yè)的學生，通過本課程的學習，了解化學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象的內(nèi)在關系，牢固掌握物質(zhì)化學變化的基本規(guī)律和物理化學原理以及其行為條件與相關的理論計算方法。同時使學生獲得物理化學的研究方法訓練和邏輯能力的培養(yǎng)，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，尤其是與專業(yè)相關的物理化學原理和應用，為其后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實的化學理論基礎。針對本課程面向我校不同專業(yè)及其專業(yè)課程需求的情況，課程授課內(nèi)容分為兩個層次，并制定了相關的大綱及基本要求。第一層次面向環(huán)境工程和給動力機械等工科專業(yè)，要求較全面掌握物理化學課所涉及內(nèi)容的基本概念、基本知識和基本原理以及其應用相關領域研究進展新動態(tài)，夯實牢固專業(yè)應用的化學理論基礎。第二層次面向生物類，醫(yī)學，藥學等專業(yè)，課程授課內(nèi)容除了加強基本概念、基礎理論外，重點在于化學熱力學和反應動力學、膠體與表面化學理論及其應用和最新進展，以適應其專業(yè)學習知識和應用的需要，提高其從化學角度出發(fā)的跨學科復合的解決問題能力。

2 針對性強的課程設置

針對我校目前非化學專業(yè)物理化學教材不統(tǒng)一，內(nèi)容不合適等問題。我們將非化學專業(yè)物理化學課程設置從原來的物理化學B(72學時)，物理化學C(54學時或48學時)，物理化學D(36學時)改為為物理化學B(4學分，72學時，環(huán)境工程，給排水，數(shù)學基礎較好)和物理化學C(3學分，48學時，生物，醫(yī)學，藥學等)，編寫全新的教學大綱。結合培養(yǎng)單位的需求，將給排水專業(yè)的課時從原來的54學時增加到72學時，將藥學專業(yè)的課時從36課時增加至48學時。課時更加合理，有利于增加相關內(nèi)容和知識點，注意結合物理化學學科發(fā)展史及其典型成果應用和研究發(fā)展動態(tài)講授課程內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣和勇于進取的精神。并在講授內(nèi)容上結合專業(yè)特色有所側重，突出重點，穿插生動實例和視頻。在教學過程中，根據(jù)不同專業(yè)的需要可以做到因材施教，使不同層次、不同類型的學生都得到充分的個性發(fā)展。以環(huán)境專業(yè)為例，物理化學中的溶液、相平衡、表面現(xiàn)象等內(nèi)容可以和環(huán)境專業(yè)相關的水化學、水污染等內(nèi)容融合，結合后續(xù)課程的專業(yè)特點，重點強化溶液、膠體化學、表面現(xiàn)象、水污染化學等教學內(nèi)容。在課時安排上，結合課程特色和專業(yè)需求各有側重。具體教學環(huán)節(jié)學時分配見表1。

表1 教學環(huán)節(jié)學時分配表Table 1 The allocation of teaching period

3 側重性的內(nèi)容講授

物理化學主要內(nèi)容包括：①熱力學第一定律：能量計算，包括一些物理過程和化學變化的熱力學函數(shù)計算。②熱力學第二定律：化學反應方向和極限的判斷，即物理變化和化學變化中熵變和吉布斯自由能變化的計算；化學平衡及其影響因素。③化學動力學：化學反應的速率和機理以及影響速率的因素，主要包括質(zhì)量作用定律、阿累尼烏斯方程及相關的基本概念。電化學，表面化學，膠體化學等其他章節(jié)均是熱力學在具體領域的應用。由此可見化學熱力學在整個課程中的重要性。在課時安排上，我們對前兩章內(nèi)容有所偏重，要求教師講細講透，加強討論和練習，為后續(xù)課程打下基礎。例如，在討論熵的概念時，通過播放“熵，萬物終將歸于死寂？”等短視頻引出熵是什么的討論。有的學生提出熵和溫度一樣，也是一種系統(tǒng)熱運動激烈程度的量度；有的學生提出熵是系統(tǒng)混亂度的體現(xiàn)。有的學生還查閱了信息熵、經(jīng)濟熵等資料，拿來和熱力學熵進行對比。課后進行分組討論，小組同學共同撰寫并提交討論記錄和總結。教師對正確的觀點給予肯定；而對錯誤的觀點則進行修正；尤其對提出獨特見解的學生給予特別鼓勵。

物理化學在非化學學科中的應用側重點也不盡相同，后續(xù)章節(jié)則結合其專業(yè)特色略有不同。環(huán)境工程在電化學和化學動力學增加課時，生物醫(yī)藥則在膠體與表面化學增加課時。同時注意結合物理化學學科發(fā)展史及其在相應學科的典型應用成果，尤其融合材料科學和納米科學等最新動態(tài)來講授相關課程內(nèi)容。比如對于環(huán)境工程專業(yè)，介紹電化學技術分解污染物，納米材料在VOCs的吸附和處理中的應用等實例；對于藥學專業(yè)，介紹中藥材超臨界萃取和藥物控釋靶向治療；對于生物專業(yè)，介紹分子自組裝，仿生學和酶催化等。

4 靈活多樣的課堂組織

由于物理化學知識點多且難于理解，采用多種靈活多樣的教學方式有助于增強課堂感染力和內(nèi)容生動性，激發(fā)學生的學習興趣，并有利于師生間的互動[7]。我們采用增加課堂隨機測試來提高學生積極性；播放相關視頻(比如記錄片“我們需要化學”)，讓學生結合課程內(nèi)容進行討論，使課堂更生動活躍。部分章節(jié)(比如表面現(xiàn)象和膠體化學)讓學生分組討論制作課件，翻轉課堂，增加學生參與感；增加討論和提問時間，針對重要的知識難點，教師先向學生提出問題，鼓勵學生討論，啟發(fā)學生思考，引導學生回答，然后再根據(jù)學生的回答，展開知識點。這樣課堂上既有講授，也有討論，讓學生領會物理化學的學習方法，對于相關知識的應用大有裨益[8]。我們還將一些有關社會上相關熱點問題的資料給學生交流。如講授熱力學第二定律時，將現(xiàn)在新能源鋰離子電池的容量和安全結合能量的轉換規(guī)律進行討論；在膠體和表面化學時，結合社會上有爭議的有關化妝品是否對人體有危害的問題，天然化妝品是否真正天然等進行討論。通過這些大家關心的實際問題進行探討和研究，學生對物理化學的地位和應用的認識，并提升了對課程學習的興趣。

同時我們將實驗教學和理論課有機結合進行統(tǒng)籌安排。物理化學實驗對于深入理解和牢固掌握物理化學的理論有著重要的作用[9]，我們打破傳統(tǒng)按知識點設置實驗的模式，而是按照基礎、專業(yè)應用和綜合素質(zhì)培養(yǎng)精選實驗內(nèi)容，以開放的形式開展實驗教學，允許學生周末來參加物理化學開放實驗，充分調(diào)動學生的實踐求知的能動性。同時鼓勵理論課教師參與實驗教學，通過實驗加深學生對理論課的重點難點掌握，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的實踐能力。

5 全過程的綜合考核模式

考核模式包括平時成績(20%)、期中考試(20%)、課程論文(10%)和期末考試(50%)四部分。平時成績包括10次左右的課堂隨機測試、課后練習作業(yè)、學生自己整理一份期中考試、課堂討論表現(xiàn)和翻轉課堂課件制作和授課情況；課程論文要求撰寫不少于3000字的論文，介紹物理化學在本學科中的應用，要求學生查閱最新資料，抓住一兩個應用深入探討。這種全過程考核模式能夠更真實地評價學生的表現(xiàn)，避免了以往突擊一周就能獲得高分的情況，讓學生明白學好物理化學，可以準確認識自己專業(yè)所涉及現(xiàn)象的產(chǎn)生原因、能夠提供解決專業(yè)問題的實用思路和方法，體現(xiàn)了物理化學課程設置的價值所在。以環(huán)境工程專業(yè)為例，該專業(yè)學生學習態(tài)度認真，上課幾乎全勤，遲到早退現(xiàn)象基本沒有。課后討論熱烈，經(jīng)常發(fā)郵件或者微信討論課程疑問。2016級(39人)成績分布為100-90分3人；90-80分8人；80-70分18人；70-60分10人；60分以下無；2017級(42人)成績分布為：100-90分4人；90-80分20人；80-70分18人；70-60分: 2人；60分以下無。期末考試成績均成正態(tài)分布，合格率也高于同類課程。學生在翻轉課堂活動中，積極參與，表現(xiàn)出色，PPT制作精良，講授精煉，討論激烈，既加深了對課程內(nèi)容的把握，也提高了學生的學習主動性。結課后依然后有同學來咨詢科研上遇到的與物理化學相關的內(nèi)容。

6 結 語

盡管物理化學一向被認為是最難學的化學課程，但教法得當，用心安排，通過豐富教學內(nèi)容，優(yōu)化教學環(huán)節(jié)等手段，改善教學質(zhì)量，提高學生學習積極性，學生仍然可以學好并能夠在將來的實際科研工作中學以致用。這些措施也提高了我校非化學專業(yè)《物理化學》課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)了不同專業(yè)學生的綜合素質(zhì)和學科交叉意識，進一步促進了教學效果的提高。

通過幾年的實踐，我們也感到些許不足之處。如何平衡教學和科研，合理更新課本內(nèi)容，讓更多優(yōu)秀的教師走進課堂，讓更多更新的科研成果走進課堂。如何在較短的授課時間內(nèi)，探索和提升本課程的授課理念和方式，讓學生深入把握物理化學的本質(zhì)，避免淪為水課，努力達到高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度“金課”標準；如何進一步加強互動，針對本學科特色有選擇性進行相關知識的拓展和加深，引入更多信息以激發(fā)學生的興趣；如何提升學生的創(chuàng)新思維能力，讓學生學會用物理化學的基本理念和思維方式，而不是僅僅會做習題和考試。這些也將是非化學專業(yè)物理化學課程持之以恒的改革方向。