物理化學研究型教學的系統構建與實踐

張樹永 李英 苑世領 郝京誠

(山東大學化學與化工學院 山東濟南250100)

近年來，通識教育與專業教育相結合的培養模式越來越多地被我國高校所采用。山東大學自2008年開始著手構建通識教育體系，設置3個層次共48學分的通識教育課程，同時設置了最多18學分的理科學科平臺課程，通過壓縮專業課教學學時，增加實踐教學和專業選修課學時，配合全方位創新教育體系建設［1］和專業課教學理念及教學方法改革，目的是將創新意識及創新能力教育貫穿于整個人才培養過程之中，探索培養拔尖創新人才的新模式［2］。作為化學學科的理論和方法論基礎，物理化學教學在化學創新人才培養中具有十分重要的地位。我們從2003年開始進行物理化學研究型教學建設并取得了一些進展和經驗，介紹如下。

1 研究型教學改革舉措

有關研究型教學的定義目前還缺乏一致的說法，有人將研究型教學分為滲透型、專題型和實踐型［3］，我們認為研究型教學是一項系統工程，不宜將其概念化和程式化。研究型教學要求我們將教學指導思想從以知識習得為目的的“知識型教學”向“能力型教學”轉變，并加強科學方法教育［4］，加強教學的整體設計，發揮教師的主導作用和學生的主體作用，做到教師與學生相結合、課內與課外相結合、理論與實踐相結合、學習與研討相結合，推進以興趣和方法為先導的教育［5］，培養批判精神，推進自主學習(active learning)，提高學習層次。

1.1 教師的主導作用

課堂的容量是有限的，教師在課堂上只能傳授知識的基本框架、基本原理、基本方法和基本思路，要提高學習的層次和效果，必須利用好課外的時間和資源。因此，教師的主導作用不應僅僅局限于課堂，更應體現在課外。必須改變以往忽視課外教學的積弊，努力提高課外學習的效果。

教學的第一要務是啟發學生的興趣與智慧。在課堂教學中教師的主導作用主要應體現在啟發興趣，講清知識脈絡、辨析重點難點，講授基本思路，培養批判精神。應根據知識的特點，合理安排授課方式。例如，對于熱力學基本原理部分，可從常見現象出發，通過問題引導學生思考，使每一個基本原理都成為啟發學生學習研究思路、培養研究興趣的案例。物理化學中有很多思路和方法蘊含在化學史和案例中，如表征溶液導電能力為什么有電導、電導率、摩爾電導率、極限摩爾電導率、離子摩爾電導率等一系列概念;為什么要建立離子氛模型、簡單碰撞理論模型、單分子層吸附模型等。在介紹平均活度系數(γ±)與離子間相互作用的關系時，先引入γ±與功(W)的關系，再給出Gosch晶體結構模型和Debye-Hückel離子氛模型，就可以將思路和方法以及模型的本意講清楚。為了培養學生的批判精神，教師應帶頭質疑教材，如電導測量電路如何接入可變電容器［6］，高輸入阻抗電壓表是否可以測量電極電勢等。批判和質疑可以使學生不再滿足于教材，可以促使學生通過對知識進行分析、綜合和評價，不斷提高學習層次，培養創新意識。

在課外學習部分，教師的主導尤為重要。教師應給出高水平的問題，指導學生閱讀、引導學生思考。應推薦幾本參考書讓學生研讀，同時提供部分前沿文獻以拓展學生的知識面，使教學與科研、生活相銜接，使學生能應用基本理論解決自己遇到的問題。應增加可測評的課外學習內容，如需上交的小組作業和課程報告等。為保證組內學生相互交流，培養團隊意識，我們通常采取抽簽的方式進行檢查。在熱力學基本原理部分，我們要求學生課下查閱資料，針對一些科研熱點和前沿問題進行討論;對簡單級數反應的速率方程則采用學生課后自學、上課抽簽進行黑板推導、而后共同總結的方式，使原本一整節課的內容只用不到20分鐘就解決了;對于電解、腐蝕與防護、化學電源等應用部分，我們安排小組就一些典型問題如合成高鐵酸鉀(無機電合成)、有機物氟化(有機電合成)、陽極保護、緩蝕劑、燃料電池、鋰離子電池等作課程報告，雖然所用時間與授課差不多，但卻能鍛煉學生的團隊意識、查閱資料的能力和語言表達能力，其效果比教師講要好得多。在小組研討部分，我們給學生提供了一些具有挑戰性的題目和一些沒有確切答案的開放性題目，如為什么堿金屬的電極電勢與其活潑性順序不同，為什么月食前出現紅月亮，通過頭腦風暴(brain storms)的方式拓展學生的發散思維能力。課程論文是研究型教學的重要組成部分，我們在課程網站上適時公布優秀論文示例和論文評分標準，以引導和促進學生提高論文撰寫水平。這些措施取得了良好效果。一些學生的課程論文觀點新穎、創新性強、深入、系統，有的已達到可發表的水平［7］。

考試是督促學生學習、檢查教學效果的重要形式。我們從2003年開始進行多樣化考試改革，設計了課堂表現(包括回答提問和10分鐘測試等，10分)、課后作業(10分)、小組研討(10分)、章節考試(10分)、課程論文(10分)、期末考試(50分)等環節。其中10分鐘測試、課堂提問和章節考試構成日常學習驅動力。期末考試采用“一頁開卷”(即允許學生在一張A4紙上對課程內容進行總結并作為考試的參考)，以培養學生的總結歸納能力，推動學生形成具有個人特色的知識體系。

1.2 學生的主體作用

陶行知說“好的先生不是教書，不是教學生，乃是教學生學”。學生是學習的主體，教師的作用就是指導學生養成喜歡學習、善于學習、終身學習的習慣，調動學生學習的主動性，并發揮其創造性。由于教學改革的需要，物理化學課程的教學學時已從以前的126壓縮到96，學校已經將該給學生的時間留給了學生，教師需要做的就是把該是學生的任務留給學生，并采用各種有效方法督促學生發揮好主體作用。

學生的課外學習可分為兩個階段，一是復習鞏固、二是拓展提高。在復習鞏固階段，學生需要對筆記和教材進行研讀。實踐結果表明，不少學生的確按照教師的要求養成了同時研讀印永嘉《物理化學簡明教程》、傅獻彩《物理化學》和Levine Physical Chemistry的習慣。這3部教材各具特色，對拓展學生視野、引發思考很有幫助，而學生提問的問題不少都是從后兩部教材中產生的。在通過識記與理解實現知識的內化后，學生還會通過應用以實現知識的泛化和能力的提升，主要表現在做作業和進行小組研討上。雖然學生一般都會購買習題解，但我們在作業批閱的過程中發現，學生往往會采取不同的思路來解題，這表明學生們沒有被習題解束縛，而是在利用自己所掌握的原理和方法，表現出良好的自信。在拓展提高階段，學生能夠在教師的指導下以小組討論、小組報告、課程論文等形式完成具有深層次、廣泛性、挑戰性的學習內容。在學生上交的小組作業和課堂回答中可以發現，每個小組提供的答案都不盡相同，體現出集體研討的特征。而且，學生們還養成了組內交流的習慣，只有組內討論無法解決的問題，才提出來和教師進行研討。在課程報告方面，各小組都采取了集體制作的方式，很多小組還實行了分工合作，由2～3人承擔一個部分，而后大家一起做PPT、匯報和回答提問。學生所做的報告既有深度又有廣度，達到了較高的水平。課程論文是最能體現學生主動性和創造性的自主學習形式。很多學生通過課程學習或者日常觀察，提出了有一定見地的題目，而后按照科學研究的模式設計實驗、分析結果、得出結論，并對結果進行評價，體現出良好的科研素養。有些學生善于進行理論思考，并致力于解決一些具有挑戰性的問題。如有學生選定“為什么堿金屬的電極電勢與其活潑性順序不同?”的問題作為目標，結合物理化學和應用電化學課程學習的內容，自己查閱了大量文獻和資料，寫出了一篇完整且具有較高水平的論文。從過去幾年的情況看，每年都有5%～10%的學生論文成績可以達到9～10分，約20%～30%的學生可以達到8分，低于7分的學生只有10%～15%，而且成績呈現逐年上升的趨勢。

通過學生在自主學習過程中的表現可以看出，絕大多數學生喜歡通過自主學習的方式來挑戰和提高自己，能夠努力按照教師的要求高水平地完成自主學習內容，并加強組內同學間的交流和合作。而自主學習對培養學生的創新意識、創新能力發揮了不可替代的作用，通過這種方式，學生所學和所得遠比教師直接給出方案和結論要更深更多。

2 研究型教學網站建設

為指導和輔助學生的自主學習，我們從2003年開始建設課程網站，并不斷豐富網站內容。2011年，利用學校建設課程平臺的機遇，我們進一步加大了教學網站建設力度，并對網站進行了研究型教學升級和改造(課程網址:http://course.sdu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?action=view＆courseType=0＆courseId=13)。

物理化學課程網站設有“課程首頁”、“上課資源”、“課外學習”、“實驗教學”、“課程資源”、“物化智慧”和“申報材料”7個一級欄目。“課程首頁”欄目包括課程簡介、課程教材、教學隊伍以及如何學好物理化學等?！吧险n資源”欄目給出了課程大綱、教學日歷、考試大綱、教學課件、文本資料、教學視頻、問題教學和課堂記錄等，其中的“教學課件”給出了全部英文版教學PPT，學生既可網上瀏覽也可下載使用;“教學視頻”可用于幫助學生自學和復習;“問題教學”則給出了課前預備、課堂思考和課后延伸3個層次的問題，分別引導學生進行預習、思考和鞏固提高?！罢n外學習”欄目是研究型教學建設的重點，包括課程作業、小組討論、課外閱讀、測試樣卷、學生論文精選、學生報告、物化榮譽廳、漢英詞匯和常用參數等欄目，其中的“測試樣卷”給出了測試種類和評分標準;“學生論文精選”給出了優秀的學生課程論文及論文評分標準，以指導學生提高論文寫作水平;“物化榮譽廳”給出了物理化學名家簡歷和成果，讓學生在學習知識的同時感悟智慧和精神。“實驗教學”欄目設有實驗指導、教學改革、教材建設、教學成果、實驗競賽、創新課題、建設圖鑒等項目，并與物理化學實驗教學網站建立了鏈接?！罢n程資源”欄目是本網站建設的特色之一，給出了任課教師多方收集整理的具有自主知識產權的圖片、照片、錄像等，既可作為教師上課編寫課件的資源，也可引發學生興趣，指導學生自學。如講授腐蝕和防護時，可以安排學生登錄網站辨別腐蝕的種類和防護的形式，效果良好?！拔锘腔邸睓谀恐饕w現科學方法教育在人才培養中的重要地位和作用［4］，主要介紹物理化學課程中所涉及的一些基本思路和基本方法，如“大膽假設、小心求證”、“線性化方法”、“模型化方法”、“相對基準方法”等，通過閱讀，學生可以在學習基本知識的同時了解科研的思路和方法?！吧陥蟛牧稀睓谀堪ㄉ陥蟊?、教學改革、課程評價和學校文件等內容。

3 研究型教學心得

以往的教學通常是以知識教育作為落腳點和目標，而研究型教學則要求在對知識系統化的基礎上附之以素質和能力培養的內容，知識不再是終極目標而同時成為素質和能力的載體。研究型教學是綜合性、系統化的教學，單純的案例教學、基于問題的教學(problem-based learning，PBL)、頭腦風暴、啟發式教學、討論式教學、學生報告等都構不成真正意義上的研究型教學;只有遵循素質和能力培養這條主線，合理安排各種教學方法，才能實現全面培養學生科學素質、創新意識和創新能力的目標。充分利用課外時間和豐富的網絡和圖書資源，將課外學習納入教學過程統籌考慮，并使之成為課堂內容的延續、補充和深化具有重要意義;而出于培養學生自主學習能力的需要，將化學信息學課程提前到大學一年級講授是開展研究型教學的必要前提［5］。

在教學中，學生普遍認為物理化學課程內容新穎，注意理論結合實際，注重啟發學生的思維，重視學生能力的培養，可以學到很多課本上學不到的內容，對物理化學教學改革給予了充分肯定(參見課程網站)。這表明，研究型教學雖然增加了學生的學習負擔，但因為培養了學生的興趣，調動了學生學習的積極性，學生們對此是積極支持的。

［1］張樹永，王仁卿，樊麗明，等.中國大學教學，2010(10):56

［2］張樹永，梅強，王憲華，等.高等理科教育，2011(6):111

［3］蔣慶豐，游珍.高等理科教育，2007(6):141

［4］高盤良.中國大學教學，2010(3):7

［5］張樹永，宋其圣.大學化學，2005，20(4):14

［6］馬潔，邸靜，初一鳴，等.大學化學，2008，23(1):55

［7］楊修潔，陳建強，任豐豐，等.大學化學，2008，23(5):33