創新型人才培養模式下的物理化學教學研究與改革

王軍　楊冬梅　霍玉秋

[摘 要]物理化學知識體系與生命、環境、材料、化學工程、冶金工程、能源等眾多學科領域的發展密切相關，是培養學生科學素養和創新能力的基礎。以物理化學的研究內容和發展狀況為出發點，從教學進程的研究、理論和實驗教學的方式和方法以及教學改革的基本思路等方面，可以探討創新型人才培養模式下物理化學教學應注重的實際問題。對物理化學知識體系的認知和理解是培養具有創新思維和杰出科研能力的人才的基礎。根據物理化學的教學內容和課程特點，設計切實可行的教學環節和建立行之有效的教學模式，有利于培養學生的探索精神和科學素養，提高學生靈活運用理論知識的能力，滿足現代社會發展對科研工作者和工程技術人員的創新能力的要求。

[關鍵詞]創新型人才 物理化學 教學研究 教學改革 理論與實踐

[中圖分類號] G642.0；C961 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）05-0099-03

物理化學是以物理的原理和實驗技術為基礎，研究化學體系的性質和行為，發現并建立化學體系中特殊規律的學科。簡而言之，物理化學就是用物理的方法研究化學的問題，其研究內容一般包括以下三個方面：

第一，化學體系的宏觀平衡性質。以熱力學的三個基本定律為理論基礎，研究宏觀化學體系在各種平衡狀態下的物理化學性質及其規律性。在這種平衡狀態下，時間不是一個變量。屬于這方面的物理化學分支學科有化學熱力學、溶液化學、膠體化學和界面化學。

第二，化學體系的微觀結構和性質。以量子理論為理論基礎，研究原子和分子的結構，以及結構與物性的關系。屬于這方面的物理化學分支學科有結構化學和量子化學。

第三，化學體系的動態性質。研究化學變化過程的速率和變化機理。在這種情況下，時間是影響性質體現的一個重要的參量。屬于這方面的物理化學分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。

21世紀后，隨著各種基礎理論研究的深入和實驗技術的發展，物理化學不僅在化學與化學工程領域，而且在材料、冶金、能源、環境和生命科學等領域中也發揮著愈來愈重要的作用，已成為納米科學、反應控制、量子調控、表面催化等現代科學前沿領域研究的重要工具。在純粹理論研究和應用基礎研究方面都取得了巨大進展，形成了與生命、材料、能源、環境等諸多學科相互交叉、協同發展的新局面。[1]當代物理化學以及相關領域的研究成果也為物理化學的課堂教學增添了新內容。

高等學校本科物理化學的教學內容一般包括化學熱力學、膠體化學、界面化學、化學動力學和電化學，以及研究反應機理與宏觀現象之間關系的統計熱力學。[2] [3] [4]結構化學和量子化學往往單獨設課，因此不包含在物理化學課程的教學內容之中。如何將化學學科領域的前沿知識和發展的最新成果有機地融合到物理化學的教學內容之中，需要一線教學人員進行及時、深入的教學研究。然而，在創新型人才的培養過程中既不能故步自封、墨守成規，又應考慮到人才培養的連續性、長期性以及培養目標的專一性。因此，對將要進行的每一步教學改革都應采取積極而又謹慎的態度，從而提升人才培養的質量。

一、教學進程的研究

1877年德國化學家F.W.Ostwald和荷蘭化學家J. H.Vant Hoff創辦了德文的《物理化學雜志》（Zeitschrift für Physikalische Chemie）、標志著物理化學學科的形成。至20世紀40年代，物理化學學科發展的基礎就已奠定。進入21世紀，隨著科學技術的迅猛發展和各學科之間的相互滲透，物理化學不僅與物理學、無機化學、有機化學等學科在內容上存在著大規模的交叉，而且也不斷產生新的分支學科，例如物理有機化學、生物物理化學、冶金物理化學、化學物理等。因此，不可能在短短幾十個學時內將全部相關知識灌輸給學生。重要的是通過理論知識和實驗技能的培訓使學生掌握物理化學這門學科的研究問題和解決問題的方法，提高學生靈活運用物理化學知識的能力，逐步建立起科學的世界觀和方法論。依據這種教學理念，可以將本科物理化學的教學過程分為四個階段：

第一階段：基本理論和實驗技能的被動學習階段。對初學者而言，這個階段枯燥乏味，但又必不可少。在此階段的教學過程中，教師應逐漸培養并全力保護學生的學習興趣，盡可能縮短學生在這個階段的駐留時間。

第二階段：基本理論和實驗技能的主動學習階段。按照理論課程的進展，幫助學生掌握相關實驗科目的實驗目的、原理及實驗方法，提高實驗效率，提升實驗結果的精準度。也可適當加入綜合性實驗內容，從而加深學生對理論知識的理解，提高學生對理論及實驗知識的靈活運用能力。此外，鼓勵學生之間交流學習心得體會，在幫助他人的同時也提高了自己。

第三階段：探索精神的培養。鼓勵學生自主選擇實驗項目或自行設計實驗方案。指導教師積極引導學生深入思考實驗中包含的各種科學問題，并查閱圖書資料自行解決問題。物理化學課程中的許多知識與生產實踐和日常生活聯系緊密，教師可以結合生活中常見的事物提出問題，請學生根據所學知識去解釋現象或設計實驗，并控制實驗過程向預期的方向發展。

第四階段：科研素質的培養和創新能力的提升。對于有研究興趣的學生，可以鼓勵其進入物理化學專業教學平臺，直接參與教師的科研工作，以期拓寬研究視野，迅速提升科研能力和創新能力。

二、理論教學的方法

物理化學是理論性較強的一個學科。對初學者而言，物理化學理論知識比較抽象、晦澀難懂。因此，在理論課教學過程中，教師應時刻注意引導學生掌握由已知解釋未知、由簡單至復雜、由點及面、由淺入深的學習方法，使其學會運用科學的演繹和推理方法，避免其在新知識面前手足無措。例如，熱力學是一種物理方法，熱力學第一定律是物理化學課程教學過程中遇到的第一個熱力學定律。但是對于化學專業的學生而言，即使在中學階段學習過基礎物理學知識，“熱力學”仍然是一個含糊不清的概念。因此，在教學過程中，在進行各種復雜的熱力學推導之前，我們首先強調，熱力學第一定律不是一個陌生的定律，它不過就是我們中學時期就耳熟能詳的能量守恒原理在熱力學系統中的具體應用而已。這樣，經過簡單的由已知解釋未知的教學過程，學生就自然而然地接受了“熱力學”這個概念。在基礎理論教學過程中，也應引入相當比例的基礎理論在實際科研及生產活動中應用的典型案例，引導學生逐步學會分析問題和解決問題，深化學生對理論內容的理解，并激發學生探究自然規律的興趣。

三、實驗及實踐教學的模式

盡管理論性較強，但物理化學仍屬以實驗和實踐為基礎的學科。實驗及實踐教學各個環節的精確設置對學生科學思維方式的訓練、對客觀世界的感悟能力的提升、對所學知識的運用能力的提高、對創新型人才的培養都尤為重要。

我國高等學校化學及相關專業的物理化學課程一般于大學第二年開設，物理化學實驗課程常與理論課程同步進行。學生在大學一年級時學習了無機化學、普通化學、分析化學等課程，已經掌握了化學學科的基本理論和基本實驗技能。因此，在物理化學實驗課程教學過程中，應在繼續訓練學生的基本實驗技能基礎之上培養綜合實驗能力和創新思維能力。[5]在實際的教學過程中，我們從以下幾個方面改進了物理化學實驗內容及實踐教學模式：

第一，把握學科發展節奏，實時更新實驗內容和實驗儀器設備。例如，隨著科學技術的發展，目前循環伏安測定法已經成為一種較普遍的電化學研究方法。在實驗教學過程中，我們增加了循環伏安法研究聚苯胺氧化還原性能的實驗內容。通過這項實驗，學生不僅學會了電化學工作站的基本使用方法，而且也學習了如何通過循環伏安測試結果分析材料的電化學性能。因此，在實驗教學環節中，雖然新型儀器設備的投放會增大教學成本，但同時能顯著地提升學生的研究能力和創新能力。

第二，發展實驗教學方法，將現代教育技術應用于實驗教學過程。眾所周知，目前多媒體技術已被廣泛用于理論課教學。因此，我們嘗試對復雜且在教學實驗室難以實現的實驗項目采用多媒體演示的方式進行。例如，燃料電池是各國科學家競相研究的熱點領域。但是，在教學時間有嚴格限定的實驗課程中很難模擬出燃料電池的全部工作過程。因此，我們在實驗教學過程中插入了相關圖文內容，并對燃料電池的工作原理、工作進程、發展現狀、應用前景等諸多問題進行細致而生動的分析講解。對多媒體技術的這類簡單的延伸使用，不僅能使學生全面而深入地了解燃料電池的相關知識，提升學生的學習興趣，增強學生探索科學前沿領域的信心，而且也無需增加任何教學設備投入。

第三，增加設計性和綜合性實驗項目，是創新能力提升的有效途徑。實驗項目執行時，應給學生留有充分的時間去設計實驗方案并與指導教師和小組同學討論實驗方案的可行性。學生通過查閱相關資料、討論等方式自行歸納、解決部分問題，并在全班展示，鍛煉了表達能力與交流能力。鼓勵學生分工合作，培養團隊合作精神。

第四，加強實踐教學，培養學生的科研素質。包含認識實習和生產實習在內的實踐教學也是物理化學教學過程的重要環節，是學生將課堂上所學到的基礎理論知識和實驗技能與生產實際相結合的紐帶。認識實習和生產實習為學生認識社會、了解國情、提升專業認知度提供了機會，是培養學生觀察能力、動手能力、創新能力、分析和解決實際問題能力的重要途徑。多年的實踐教學經驗證明：首先，建立穩定的實習基地、制定行之有效的實習管理辦法、完善實習內容是實踐教學發揮效能的基本保證；第二，包括教師和學生在內，訓練有素、積極認真的實習教學團隊深受實習基地歡迎；第三，實踐教學不僅訓練了學生的專業工作能力，還能幫助實習單位解決一些實際問題；第四，實習基地的實驗室條件、儀器設備條件和實踐條件是對高校實驗教學的重要補充。

四、物理化學教學改革基本思路

我國高等學校物理化學課程的教學工作經歷了數十年的建設和發展，特別是近年來大幅度、大范圍的教學改革的開展[6]，使物理化學理論及實踐教學的各個環節都產生了巨大變化，教學水平有了顯著提升。電子、計算機技術的飛速發展使我們能夠采用現代化的手段組織更高效、更豐富多彩的教學活動；教學網絡平臺的建立使更多的學生離開課堂也能受益；數學、物理研究方法以及各種實驗技術的長足進步使我們在增添新教學內容、設計新實驗時更得心應手；與國外高等學校和科研單位日益緊密的教學和科研交流活動不僅拓寬我們的視野，同時也讓世界了解了我們。

但是，在進行廣泛而深入的教學改革的同時，我們也應清醒地認識到，物理化學并非一個全新的學科。如前所述，其知識體系基礎的奠定已近百年。因此，物理化學的教學內容不能偏離其知識體系的根基和主干。任何形式的針對物理化學課程的教學改革都應以應用領域教學內容的適當補充和教學方法的改革為主。切忌舍本逐末，單純為了提高學生學習興趣而過度介紹新知識、過度運用新方法而忽視了課程的根本內容。此外，多媒體技術的發展使我們可以在較短的課堂時間里安排大量的教學內容，使教學過程更加緊湊且豐富多彩。在提高教學效率、輔助教學等方面，多媒體教學具有傳統教學方式無可比擬的優勢。許多教學改革也都是圍繞多媒體技術在教學過程中的運用而開展的。然而無論如何，課堂上常用的電子演示文稿仍只是教師“板書”的一種新形式，仍無法替代教師的講解。教師才是授課的主體，是多媒體教學的靈魂。只有通過教師的教導和示范才能使多媒體教學變得更加生動鮮活。為此，作為育人者，教師要不斷加強自身的學習，積極地進行教學方法的研究和改進，努力地提高教學水平和教學效果，有效地激發學生學習興趣。同時也應提高自身修養，在敬業精神、工作態度、責任心等方面，教師的身教更重于言傳，這樣才能使被培養者的綜合素質得到全面的提升。

五、結論

綜上所述，物理化學是化學、化工、材料、冶金、生物、環境等諸多學科領域研究、發展的基礎，因此，對物理化學知識體系的認知和理解是培養具有創新思維和杰出科研能力的人才的基礎。根據物理化學的教學內容和課程特點，設計切實可行的教學環節和建立行之有效的教學模式，有利于培養學生的探索精神和科學素養，提高學生靈活運用理論知識的能力，滿足現代社會發展對科研工作者和工程技術人員創新能力的要求。

[ 注 釋 ]

[1] 梁文平.新世紀的物理化學：學科前沿與展望[M].北京：科學出版社，2004.

[2] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，候文華.物理化學（上）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，候文華.物理化學（下）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] Peter Atkins，Julio de Paula，Atkins Physical Chemistry（Seventh Edition）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陳玉鋒，莊志萍，左明輝，韓俊鳳，劉素娟，王瑾.物理化學實驗教學改革與學生實驗技能培養[J].廣州化工，2012（11），216-217.

[6] 楊冬梅，王軍.物理化學實驗教學改革的總體設計及實踐[J].高等理科教育，2008（6），103-105.

[責任編輯：覃侶冰]