基于學科競賽的物理化學課程教學改革

安麗瓊，姚鑫，郭娜，劉伯洋，張希琴

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

隨著我國深化新時代教育評價改革，引導不同類型高?？茖W定位，地方高校結(jié)合自身特色向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型進程加快，對突出培養(yǎng)學生相應(yīng)專業(yè)能力和實踐應(yīng)用能力提出了更高的要求[1]。在此背景下，物理化學課程需要針對專業(yè)、結(jié)合學科及學校優(yōu)勢，瞄準工業(yè)發(fā)展的特點及趨勢，依托對理論知識的理解和掌握，加強在實踐中的應(yīng)用和創(chuàng)新，切實提升學生的綜合能力，也即發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的邏輯、獨立及創(chuàng)新思維，達到理實結(jié)合、觸類旁通的效果，實現(xiàn)物理化學教、學、用的同步發(fā)展。上海海事大學材料科學與工程專業(yè)結(jié)合多年指導學生參加上海市大學生化學實驗競賽的經(jīng)驗，打通理論教學和實踐教學的壁壘，對物理化學課程進行改革，注重學生綜合能力的培養(yǎng)，包括動手操作能力、分析問題解決問題能力、獨立思考能力以及創(chuàng)新發(fā)展能力，由此帶動理論課程的內(nèi)涵式發(fā)展。

一、物理化學課程教學的現(xiàn)狀分析

物理化學屬于材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是化學學科的一個分支。作為學生學習專業(yè)課程和科學研究的初探，物理化學課程對學生的實踐能力、邏輯能力和嚴謹?shù)目茖W作風都有重要作用。同時，該課程由于其較強的理論性，比較抽象，且有較高的數(shù)學和物理基礎(chǔ)要求，是國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)大學生的學習難點。針對此情況，很多高校對課程教學進行改革，如充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，進行幕課、線上線下教學[2-7]；教學過程中充分激發(fā)學生學習興趣[8]；理實一體化教學[9-10]、課程思政[11]、科研[12-13]、專業(yè)角度[14-15]等，取得了顯著成效。然而，教師如何更好地實現(xiàn)物理化學理論與實踐融合、實現(xiàn)物理化學教學用的同步發(fā)展、增強學生綜合能力的培養(yǎng)還有待進一步的提升。主要原因如下：

（一）物理化學理論教學的困境

物理化學課程內(nèi)容難度大、概念多、公式多，比較抽象而難以理解。比如，化學熱力學部分，除了前修課程所涉及的熱、功、熱力學能、焓、熵等基本概念，進一步深入了吉布斯函數(shù)、哈姆赫茲函數(shù)、化學勢、偏摩爾量等概念，以及這些量之間的關(guān)系和適用條件，公式多達上百個，公式推導涉及高等數(shù)學微積分知識，且大部分公式都有其適用條件。學生往往難以吸收這些抽象的知識，從而導致無法跟上教學進度。此外，大部分高校采用傳統(tǒng)的以PPT為主結(jié)合板書的線下課堂模式，空間感難以構(gòu)造、與專業(yè)聯(lián)系不夠緊密、應(yīng)用場景不夠明確。如電化學所涉及的電解質(zhì)學內(nèi)容，主要研究電解質(zhì)及其離子的導電性質(zhì)、傳輸性質(zhì)及參與反應(yīng)的離子活度等平衡性質(zhì)。雖然這部分內(nèi)容與材料專業(yè)、科學技術(shù)前沿聯(lián)系極為密切，但要掌握離子活度、摩爾電導率、離子獨立移動定律、離子遷移數(shù)等基本概念，牽涉到熱力學、動力學公式的推導，往往使學生感覺枯燥且察覺不到與專業(yè)的聯(lián)系。最后，一般非化學類專業(yè)物理化學課時數(shù)偏少，如本校材料科學與工程專業(yè)課時數(shù)壓縮至40學時，對課程內(nèi)容的取舍及側(cè)重至關(guān)重要。

（二）物理化學理論教學與實踐融合不夠深入

物理化學一般有獨立的實踐教學環(huán)節(jié)，但往往實踐教學教師與理論教學教師不是同一個人。實踐中因?qū)嶒炗布拗?，如實驗設(shè)備臺數(shù)少，教學中多采用多人一組完成實驗，造成部分學生只關(guān)心自己負責的部分內(nèi)容或消極怠工。學生在思想上也不夠重視，認為老師對實踐教學的考核重心在實驗報告上，對實驗操作不上心。長此以往，學生缺乏足夠的實踐訓練，導致動手能力差、基本實驗技術(shù)不足，從而自主實驗?zāi)芰Σ?、在實際應(yīng)用的時候表現(xiàn)出力不從心。同時，實驗報告作為實踐教學連接理論教學的橋梁，學生往往覺得困難，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理與分析部分。由于物理化學實驗中物質(zhì)的性質(zhì)往往是間接測量得到的，還需學生進行整理和綜合運算才能得到所需的結(jié)果。因此，如果實驗測得的物理量與實際要測物理量之間的關(guān)系理不清楚，再加上實驗過程中準確度或誤差影響，導致最終結(jié)果千差萬別，學生難以給出結(jié)果的合理解釋。除了實踐教學之外，學科競賽也是很好的理論實踐融合的場所。實踐教學課堂教師通常會詳細布置課前預(yù)習內(nèi)容，對實驗操作進行詳細講解或有教材講義提供，學生只要按照要求即可完成實驗；而競賽僅提供實驗提綱，需要學生自行設(shè)計實驗方案，且有時實驗設(shè)備型號也與自身高校不同，這就不僅需要學生有扎實的實驗基本功，能活學活用，并且對實驗理論牢記于心，才能從容不迫地完成實驗及實驗報告撰寫。目前，大部分高校學科競賽主要是由各校實驗中心負責，實踐教學教師參與多，而理論教學教師參與少，從而出現(xiàn)理論與實踐不統(tǒng)一的問題。只有理論教學，學生難以對知識切身體會和深入理解；只有實踐教學，學生往往難以對知識進行舉一反三、靈活應(yīng)用。理論教學與實踐融合度不夠深入，不利于教師對學生實踐應(yīng)用等綜合能力的培養(yǎng)。

二、以學科競賽為抓手對物理化學理論教學內(nèi)容進行重構(gòu)及案例化

上海大學生化學實驗競賽作為一項地區(qū)性化學學科競賽活動，是學生對理論和實驗技能的賽場，也是學校實踐、理論教學的考場[16]。上海海事大學從2014年開始加入該賽事，以賽促教，以教代賽，以學科競賽為抓手，根據(jù)學校背景和材料科學與工程專業(yè)特點，及時對原有物理化學理論內(nèi)容進行重組、更新課程內(nèi)容，比如縮減與前序課程重合的部分內(nèi)容、增加競賽相關(guān)內(nèi)容、提供前沿科學知識等。課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)、提高、綜合類，融合多媒體教學手段來進行分層教學?；A(chǔ)類知識點主要包括一些基本的概念知識，是現(xiàn)行課程的專業(yè)化，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和信息化平臺，如超星學習通等，以學生自學為主、教師抽測與答疑為輔。提高類知識點包括物理化學的深入及其應(yīng)用，加入學科競賽試題及相關(guān)資料元素，特別是前沿研究知識，這也是課堂主要講授的部分，使學生了解到理論指導實踐、通過對實踐總結(jié)歸納提升到理論，深入理解物理化學里“理論—實踐—理論”的邏輯線，擴大學生視野。綜合類是需要學生融合多個知識點，查閱資料，解決具體問題或?qū)嵺`的內(nèi)容，為學科競賽、大學生科創(chuàng)或科學研究打下基礎(chǔ)，突出培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題和實踐應(yīng)用的綜合能力。

針對學生學習過程中的困惑點或難點，教師將知識內(nèi)容融入案例進行物理化學理論教學，比如化學反應(yīng)動力學因考察范圍寬且形式多樣而成為競賽的熱點。以某年競賽內(nèi)容—碘化鉀—過氧化氫催化分解反應(yīng)為案例（如表1），在反應(yīng)動力學方程（式1）基礎(chǔ)上，建立該一級反應(yīng)的動力學方程（式2）；以本校實踐教學中的“蔗糖的轉(zhuǎn)化”，構(gòu)建具體實踐中的動力學方程（式3），找出實驗測量的物理量與實際測量物理量的橋梁；同時引申至堿性條件下高鐵酸鉀水解的反應(yīng)動力學（式4）、尿素水解酶催化反應(yīng)動力學（式5）等實驗內(nèi)容，教師引導學生建立不同表現(xiàn)形式下的動力學方程，如表1所示。引入上述案例讓學生一方面鞏固一級反應(yīng)動力學方程、理解化學反應(yīng)快慢與溫度、催化劑的關(guān)系，另一方面學習一級反應(yīng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，有助于學生對理論知識的理解、融會貫通和靈活應(yīng)用。同時，教師融入與材料專業(yè)相關(guān)的化學反應(yīng)動力學內(nèi)容，比如以北大西洋海底下泰坦尼克號沉船多年來樣貌變化的具體實例，引出金屬腐蝕速率，建立物理化學與專業(yè)課程的聯(lián)系。教師利用案例與實例豐富理論的實踐應(yīng)用，培養(yǎng)學生的實踐應(yīng)用能力，激發(fā)學生對物理化學的興趣，提高物理化學教學效果。

表1 一級反應(yīng)動力學方程競賽、實踐與理論融合教學的教學設(shè)計

三、以學科競賽標準改進實踐教學、促進物理化學理論教學的實踐應(yīng)用

針對物理化學理論與實踐融合不足的狀況，上海海事大學打通理論教學與實踐教學的壁壘，理論教學教師同時參與實踐教學，以競賽標準持續(xù)指導和改進實踐教學，提升學生實驗技能及數(shù)據(jù)處理能力。因上海市大學生化學實驗競賽采取的是單人單組，學生獨立設(shè)計、完成實驗及撰寫實驗報告，對學生的綜合實驗?zāi)芰涂茖W研究能力要求高。為達到提高學生綜合素養(yǎng)的目的，我們依照學科競賽的標準對實踐教學進行了改進，增設(shè)實驗設(shè)備臺數(shù)或增加學生實驗批次，調(diào)整為2人/組，從客觀上督促學生學習和動手操作；在實驗過程中加大巡查，對學生操作錯誤及時指出并糾正，或?qū)W生不明確的地方及時給予指導，規(guī)范學生的實驗操作，從而養(yǎng)成良好的實驗習慣。及時引入專業(yè)繪制軟件對數(shù)據(jù)進行處理、計算和繪圖，如Excel, Origin軟件等。比如雙液系氣-液平衡相圖的繪制，數(shù)據(jù)處理量比較大，牽涉到質(zhì)量分數(shù)、折射率與組分之間關(guān)系的計算、標準曲線的繪制及數(shù)據(jù)擬合、相圖的繪圖。如果采用計算器計算數(shù)據(jù)量大，出現(xiàn)錯誤時查找困難且費時；傳統(tǒng)的畫圖紙手繪相圖，無法獲得數(shù)據(jù)擬合的精度且所得圖較為粗糙。專業(yè)軟件的引入，教師不僅能鍛煉學生專業(yè)軟件的使用能力，為后續(xù)進專業(yè)課題組進行研究實踐、畢業(yè)設(shè)計等打下基礎(chǔ)，而且培養(yǎng)學生扎實的數(shù)據(jù)處理功底。

以物理化學理論教學指導學生實驗報告撰寫，促進物理化學理論教學的實踐應(yīng)用。實驗報告是整個實驗過程的書面表達與總結(jié)，不僅要學生對實驗整體流程清晰，細節(jié)了解到位，還要對實驗結(jié)果進行分析、實驗現(xiàn)象給出合理解釋和實驗過程的總結(jié)提升，進一步地對實驗裝置或流程進行優(yōu)化或創(chuàng)新。從實驗原理即理論入手，厘清實驗測得量與計算量之間的關(guān)系，建立理論—實踐的橋梁，將抽象理論形象、具體化，加深學生對理論的理解和靈活應(yīng)用。運用理論對實驗結(jié)果、實驗現(xiàn)象或?qū)嶒炦^程中所產(chǎn)生的誤差及其原因進行分析，教師要進一步引導學生進行總結(jié)乃至創(chuàng)新，這都對學生邏輯、科學、創(chuàng)新思維起到積極的鍛煉作用，也促進學生理解理論指導實踐的內(nèi)涵。

四、以物理化學理論教學、實踐教學提升學科競賽的參賽水平，激發(fā)學生物理化學學習興趣與熱情

上海市大學生化學實驗競賽物理化學部分雖只有兩個實驗，都屬于多章知識點融合的綜合性實驗，考察范圍寬、內(nèi)容分布廣，且單人單組、選手高手如云。這就要求學生具有扎實的實驗技能之外，理論功底也要深厚，同時實踐應(yīng)用能力強和心理承受能力強。為提高學科競賽成績，教師除了對實踐教學以競賽標準進行要求以提高學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力之外，積極與參賽高校交流，學習先進的教學經(jīng)驗，扎實專業(yè)與前沿知識素養(yǎng)，做好學生的堅強后盾。此外，由于實踐教學課時及實驗硬件限制，有些實驗在實踐教學中無法開展但在競賽中出現(xiàn)。對于這種情況，我們采取錄視頻、網(wǎng)絡(luò)視頻、虛擬仿真實驗等方法和充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進行教學，使學生對未做過、未見過的新實驗或?qū)嶒炘O(shè)備有一個感性認識；對涉及理論進行“剝洋蔥”式講解，厘清實驗測得的物理量與實際測得物理量之間直接或間接的關(guān)系。通過以上改進，近年來我校參加上海市大學生化學實驗競賽的成績穩(wěn)步上升，在2019—2021年連續(xù)三屆比賽中物理化學取得了二等獎的優(yōu)異成績，這也是我校在該專項上的首次突破和最高獎項。獲獎學生大部分進一步深造。這對后面的學生起到激勵與榜樣的作用，激發(fā)學生的內(nèi)驅(qū)力，由“要我學”向“我要學”轉(zhuǎn)變，使學生成為教育的主體。同時，通過學科競賽的反饋與反思，將競賽內(nèi)容融合并貫穿到物理化學理論教學中，形成了“理論-實踐-競賽”的閉環(huán)教學模式，實現(xiàn)物理化學教、學、用同步發(fā)展，激發(fā)和提高學生理論學習興趣與積極性，提升物理化學教學質(zhì)量。

五、結(jié)束語

物理化學作為一門難度大的理論課程。以學科競賽載體，構(gòu)建理論教學-實踐教學-學科競賽三體融合，形成“理論—實踐—競賽”的閉環(huán)教學方式，是一個比較好的嘗試，有助于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。在今后的教學中，我們將堅持以突出學生專業(yè)能力和實踐應(yīng)用能力為目標，契合工業(yè)界需求及學校發(fā)展定位，細化三體的融合度，不斷深入對物理化學課程進行改革，為其他類似課程提供借鑒與參考。