在物理化學課堂教學中培養學生創新思維

摘要：高等學校創新人才培養的重點是培養學生創新思維。本人在物理化學課堂教學實踐中，針對物理化學課程特點，在準確講解物理化學基本原理的同時，提煉出主要方法加以講解，將方法的科學思想融于基本原理中，培養學生創新思維的能力。結合自身科研實踐，和學科前沿相聯系，傳授基本的創新方法，介紹物理化學在現代科技成果和前沿發展中的作用，激勵、喚醒和鼓舞學生的學習、研究和創新的激情。

關鍵詞：物理化學；課堂教學；創新思維

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）04-0054-03

一、緒論

創新人才的培養已成為高等教育的責任和義務，創新人才培養的重點是培養學生創新思維，開發學生潛在的創造力。目前大學理工科專業本科教學大約有75%～80%是在課堂內完成的。因此，高校教師必須充分利用課堂教學，在教學過程中盡可能開發學生的創造潛能、激發靈感，從而培養學生創新思維。物理化學是借助數學、物理學等的基礎理論來研究化學原理和方法的課程，是化學化工、生物環境、材料等專業的一門重要基礎課。由于物理化學研究的是化學體系最一般的宏觀、微觀規律和理論，涉及的概念抽象、公式繁多、導出過程復雜、應用條件嚴格，在學生中一直享有難學之“譽”。也正是由于物理化學課程是化學的理論基礎，邏輯性、系統性、概念性及理論性強，也更有利于課堂上培養學生創新思維的培養。本人在物理化學課堂教學實踐中，針對物理化學課程特點，注重培養學生科學的思維方法，并聯系實際科研問題傳授基本的創新方法，適當介紹現代科技前沿發展中物理化學的作用，激發他們主動思考和分析問題，從各方面培養學生創新思維的能力。

二、培養學生創新思維的實踐

1.注重在課堂上培養科學的思維方法。物理化學有化學熱力學、化學動力學與物質結構三大分支，而化學熱力學涵蓋了近二分之一的內容。化學熱力學的體系非常系統，而且邏輯嚴密，更凸現了物理化學在培養學生思維能力方面的獨到之處。化學熱力學以四個基本定律為中心，推演出一系列公式與結論，并在多相系統、化學反應系統、電化學及界面化學等領域中得到廣泛的應用。在熱力學的教學中，不僅要教會學生知識，更要教會學生從熱力學的推導與歸納中學習科學的思維方法，為將來的科學研究工作打下創新思維的基礎。首先，通過公式的推導過程，培養學生嚴謹的邏輯思維。例如，在化學熱力學中，以經驗概括的熱力學第一、第二定律為基礎，經過嚴密的邏輯推理，通過由特殊到一般的歸納以及由一般到特殊的演繹，解決了化學反應的方向和限度問題。在授課過程中，我強調推理過程的嚴謹思路，強調它們之間的邏輯關系，注重梳理學生的思維。通過嚴密的科學思維和數學推導，充分體現熱力學規律的發現過程，使學生了解這些方法體系的背景、研究方法及其解析過程，從而在學習和掌握這類科學規律的同時，學會智慧地思考，掌握基本的創新思維方法。其次，在學生掌握了一定的基本理論之后，引導他們對各章節內容進行歸納總結。這就要求學生不僅要認真研讀、復習部分內容，還必須學會對知識進行高度系統的概括。這一方面是對所學內容的深化理解，另一方面也能訓練學生概括能力，有助于學生的創造性思維及書面表達能力的訓練。比如，在學習熱力學第一和第二定律時，我就采用這種教學方式，層層遞進，要求學生在每學完一個章節之后，及時總結，這個總結不能只是簡單抄書，只能用一頁紙提交能夠描述章節基本內容的總結作業。剛開始學生僅僅是對知識點進行簡單羅列，后來經過耐心點撥與引導，學生學會了把知識“糅合”在一起，最終僅用一張知識框架圖就可以高度概括一章的內容，如下圖所示。通過框架圖就可以直觀地反映出熱力學第一定律所涉及的基本概念、熱力學基本函數和基本公式之間的內在聯系。通過以上幾個環節的學習，學生明白了知識點的來龍去脈，在頭腦中形成清晰系統的知識體系，能夠從整體上把握主要內容。通過總結概括，學生切實感受到書本知識由厚變薄、提煉精髓的真諦，從而實現思維方法上質的飛躍。

2.結合物理化學課程，講授基本創新方法。自然科學的研究方法一般來說有：實驗的方法、歸納和演繹的方法、模型化方法、理想化方法、假設的方法、數學的統計處理方法，等等。這些方法同樣在物理化學領域中通用，并貫穿始終。同時，物理化學理論體系也形成了物理化學學科所獨有的基本方法，如狀態函數法、標準狀態法、偏離理想法、穩態近似法、配分函數法等。這些方法有的是從相鄰學科移植過來的，有的是物理化學所獨創的，如狀態函數法。每一種物理化學研究方法從產生到成熟都反映了解決物理化學問題時柳暗花明的歷程。教學中讓學生了解到各種基本定律研究的背景、研究方法及其解析過程，可以使學生在掌握物理化學基礎知識的同時，在大腦中構建清晰的方法創新歷程，激發學生學會如何主動思考，從而提高學生發現和分析問題的能力。例如，狀態函數法是熱力學研究中廣泛應用的方法，以熱力學第一、第二定律建立的幾個熱力學函數U、H、S、A、G，其變化量可以通過選擇自己認為簡便的途徑找到，而不管實際的過程和路徑如何，從而可以在相同的始態、終態之間，能動地設計可計算的過程，最終在不同的體系中解決化學變化的方向和熱力學平衡問題。在設計過程時，有可逆的概念和方法；對于多組分體系，又引入偏摩爾量和化學勢的概念。為了解決化學變化的方向問題，引入標準狀態法、平衡法等。再如理想化方法和偏離理想法，放在一起就是類比的方法。在具有相似性的同類事物之間，發現共同屬性或不同屬性，這是運用類比法研究；在不同類的事物之間，除了存在差異的一面外，還可能具有相似的一面，同樣可以運用類比法發現事物的規律。物理化學中活度、逸度概念正是在類比的基礎上引出的。理想化方法研究實際氣體得到理想氣體模型，理想化方法研究實際溶液就是理想的溶液模型。把實際氣體、實際溶液理想化之后，再應用偏離理想法，通過逸度、活度進行相應校正，從而可以簡單地解決熱力學、動力學問題。詳細的方法論不僅能夠幫助學生理解物理化學原理，而且拓寬了解題思路，提高了學生科學思維的能力。

3.結合自身科研實踐，傳授創新思維方法和技巧。作為一門化學化工專業的基礎課，物理化學的基本內容相對成熟且比較穩定。如果僅僅講述課本理論，會讓學生產生一種錯覺，認為物理化學原理離科學技術前沿很遠，老師只是空談創新思維和創新方法。要培養學生的創新思維，教師必須有創新實踐。為了能夠讓學生了解物理化學課程的基本理論與方法在科研創新工作中的應用，筆者將近年來承擔和參加的科研課題中與課程內容密切相關的前沿科研成果融入到課堂教學中，將科研與教學兩者進行有機結合。例如，在講到界面化學與膠體化學的章節時，筆者把攻讀博士學位期間的研究課題“半導體表面的化學機械拋光與清洗”中的一個課題“如何根據拋光表面要求選擇拋光液組成”提出來，給出化學機械拋光的整個工藝過程，并引導那些感興趣的學生依據學過的熱力學和動力學的知識體系，尋找影響化學機械拋光表面的拋光液成分，找到選擇拋光液組成的關鍵所在，一周后分組提出相應的解決方案。結合學生提出的方案，再給出自己科研中相應的研究結果和結論，通過對比、分析、判斷，學生最終對界面與膠體化學得到更深刻的理解。在整個教學過程中，由于教學與科研融為一體，使得傳統理論教學內容結合現代科學實踐，融傳授知識與培養創新思維能力為一體，有益于師生共同進步，迸發出創新的火花。

4.介紹新成果，營造創新氛圍。在如今的信息時代，科學技術飛速發展，新理論、新技術不斷涌現。作為一門基礎理論課，物理化學教學過程中也要適當地介紹現代科技成果和前沿發展動態。這樣不但可以開闊學生的視野，豐富教學內容，更重要的是在整個教學過程中形成一種探索、創新的學術氛圍，激發學生的求知欲，培養學生的創新精神，更好地實現高等教育的發展目標。把握本學科的發展前沿的唯一途徑是從事科學研究，也只有不斷地跟蹤把握學科的前沿才能出高水平的成果。但是每個人的研究領域是十分有限的，物理化學是二級基礎學科，涉及的內容很多，把握整個學科的所有前沿發展還是比較困難的。本人從教學的需要出發，在講到教材內容每一章的第一次課之前，查閱一年內國內外反映物理化學的最新研究成果和最新動態的期刊，結合要講到的基礎理論和方法，關注物理化學相關領域的發展，尋找一年內的相關新技術中物理化學的作用。在教學中，我結合不同專業學生的特點，精心準備資料，介紹基礎知識在學生專業相關領域的應用和發展，引導學生思考。有時也請同學提前查閱相關進展，在課堂上做展示。盡管可能只有幾分鐘的介紹，卻可以把學生引向更高層次進行思考，進一步激發學生的創新意識，培養學生的創新能力。

三、結論

教學的本質不在于教會學生多少知識，而是在于激勵、喚醒和鼓舞學生研究和創新的激情，學會智慧地思考問題，培養學生創新思維的能力。物理化學教學實踐表明，在教學過程中科學的思維方法是培養創新人才的根本，只有那些具備扎實的基礎知識、掌握科學的思維方法的人，才會有所創新、有所成就。在準確講解物理化學基本原理的同時，必須提煉出主要方法加以講解，將方法的科學思想融于基本原理中，才能培養學生創新思維。結合自身科研實踐和學科前沿，講授基本創新方法和技巧，能夠激勵和鼓舞學生進行研究和創新的激情。在教學中將科學研究的思想和方法不斷滲透，層層遞進，從概括能力到科學思維再到科研實踐和科研新成果，逐步培養學生探究新問題、找出新規律的科學素養。不僅使物理化學教學內容富有時代感，而且更有利于學生創新思維的培養。

參考文獻：

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基金項目：河北工業大學城市學院2011—2012教學改革專項研究項目