少學時物理化學課程教學探索與實踐

戴 煜,夏 帆

（中國地質大學（武漢）材料與化學學院，湖北 武漢 430074）

物理化學是一門基礎理論課程,這門課程概念抽象、公式多、公式適用條件難理解[1]。目前化學專業的本科生物理化學理論課程授課學時為100學時左右,部分專業甚至高于110學時,同時結構化學是作為單獨的一門專業必修課程教授物質結構。但是部分專業有少學時物理化學課程需求,課程學時僅為40～56學時,如何用較少的學時獲得較好的教學效果,將少學時課程打造成具有 “兩性一度”標準的金課,這對授課老師來說是一個極大的挑戰。部分觀點認為,保留課堂教學內容降低課程難度是少學時物理化學課程的授課思路。本文認為,在適當刪減教學內容的前提下,教師引導,學生學會自主學習,才能將物理化學學透學深。本論文從教學方法、學習方法、考核方法等方面對少學時物理化學教學進行探索,期望獲得良好的教學效果。

1 重視緒論課，展現課程價值

目前普遍認為學時減少后,緒論課程應該被刪除,保留學時講授理論課程。本文認為緒論課程絕對不能被刪減,必須要保留2個學時的緒論課課堂教學。緒論課程要受到重視,因為緒論課是老師與學生的第一次見面,對學生建立這門課程的學習興趣、學習習慣至關重要。緒論課就可以反映出金課的 “高階性”標準,需要結合課程內容展現出前沿性和時代性。

緒論課程除了要介紹課程的課程性質、考核方式、學習方法,更重要是結合時下最新的科學前沿介紹課程發展方向。物理化學經歷了三個階段的發展,第一階段是1887年至1920年,這個階段是化學平衡和化學反應速率的唯象規律的建立,德文“物理化學”雜志創刊意味著物理化學成為了一門二級學科。第二階段是1920年至1960年,這個階段是結構化學和量子化學的蓬勃發展和化學變化規律的微觀探索階段。第三階段是1960年至今,這個階段有六個發展方向[2]。

第三階段的第一個發展方向是從宏觀到微觀,從看得見的物體到微觀原子、分子級別的研究。展示電子顯微鏡下的納米材料、分子、離子更加直觀,例如用電子顯微鏡拍攝了粗細只有頭發的500分之1的塑料納米纖維聚集在聚苯乙烯球旁的情景,掉入人類細胞后高分子像花一樣裂開,被一滴水溶解的鹽粉等。第二個發展方向是從體相到表面,了解表面實際過程,推動表面化學與多相催化的發展。這里可以介紹2015年發表在Nature上的題為 “Vapour-mediated sensing and motility in twocomponent droplets”的論文[3],大量的視頻詳細介紹了馬蘭戈尼效應,液滴表面張力不同造成質量傳輸現象稱為馬蘭戈尼效應。第三個發展方向是靜態到動態,分子反應動力學成為非常活躍的學科,這部分可以結合自己的科研介紹,我們設計合成了線性聚合物、線性-支化聚合物和支化聚合物,在水溶液中能夠自組裝形成膠束,與金納米粒子形成穩定的膠體溶液,催化對硝基苯酚還原生成對氨基苯酚,通過紫外可見分光光度計監測催化反應的進程,并計算出反應動力學常數。第四個發展方向是從定性到定量,可以結合同步輻射光源的一些特征,介紹從前只能做定性的課題現在可以做定量、原位監測。第五個發展方向是從單一學科到邊緣學科,從荷葉出淤泥而不染、仙人掌收集水、壁虎攀爬墻壁等特性介紹疏水材料、親水材料、碳納米管陣列高強度材料等仿生材料。第六個發展方向是從平衡態到非平衡態研究,可以講解2013年Science上發表的題為“Stabilizing Liquid Drops in Nonequilibrium Shapes by the Interfacial Jamming of Nanoparticles”的論文[4],在電場條件下,表面修飾了納米顆粒表面活性劑的圓形水滴可以變成橢圓形,當電場撤除后,水滴仍然可以維持成橢圓形。

將現代科學前沿與物理化學結合,講好緒論課,可以使學生對課程產生期待與學習興趣。緒論課是展現教師授課風格與人格魅力的第一次課程,講好了緒論課,可以使學生和老師之間建立良好的學習氣氛。

2 課程內容主次分明

當教學課時減少后,在有限學時的教學課堂上,是保留較多的教學內容而降低教學深度,還是減少教學內容而保留教學深度,這兩種觀點一直是爭議的焦點。物理化學的授課對象往往是前期已經學習過高等數學、大學物理、大學化學或無機化學的本科生,不同于無機化學或大學化學直接給出熱力學公式,物理化學授課中要經過嚴密的數學推導才會得出公式結論。即使課時降低,對計算過程、公式推導、證明仍然不能弱化和簡略處理,這是由物理化學課程的教學目標所決定的。物理化學的教學目標就是要教會學生如何發現問題、解決問題,老師所要教授的是解決問題的思路,而不是僅僅學會用物理化學的知識進行簡單的公式套用計算答案。少學時物理化學教學要具有 “高階性”,是知識能力素質有機融合,培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維,而不是低階性,僅僅傳遞知識。

因此結合材料科學與工程、材料化學、資源、環境、工程的專業特點,物理化學授課內容應該主次分明,做到有的放矢。少學時物理化學教學內容中基本保留熱力學部分,略講部分例題與習題,更多的開展素質教育,開展翻轉課堂鍛煉學生自由討論的能力。考慮到工程類專業學生電化學、動力學應用較少、表面物理化學與膠體內容在高年級時會得到系統教育,所以課堂內容在電化學部分與動力學部分大幅度刪減,主要為電解質溶液、電解與極化、反應理論、光化學反應機理的推導。部分內容如反應速率方程式的推導、生活中的表面現象解釋都將以自學或翻轉課堂的形式體現。

在熱力學教學中要對教學內容進行枝葉的修剪,保持邏輯主線,刪減零碎的知識點,弱化反復出現的公式與過程。例如,卡諾循環涉及兩步絕熱可逆過程與兩步等溫可逆過程,這些過程功與熱的計算在熱力學第一定律中都有涉及,所以只需要簡略推導得出熱機效率,不需要再詳細講解。部分少學時課程認為熵的引出抽象、冗長,不需要推導過程,在少學時教學中將熱溫熵的推導過程省略,直接給出微熵公式,然后講解公式的意義和用途。但是我認為這部分推導不能刪減,卡諾定理的意義在于引入了一個不等號,不可逆熱機的效率小于可逆熱機,原則上解決了化學反應的方向問題,而如何由卡諾循環的熱溫商之和推導出任意可逆循環的熱溫商之和也等于零,將一個過程的不可逆性轉變成大眾可以接受的數學公式,克勞修斯由此定義新的熱力學狀態函數-熵,這個推導過程顯然極具數學邏輯思維,恰恰是教學 “高階性”的體現。老師所要教授的是熱力學第二定律知識體系的構建過程,學生在這個過程中學習的是問題引出后,如何利用現有知識體系解決問題,學習的是解決問題的思路,而不應該僅僅是拿來即用的低階性目標。

表1列出96學時與56學時物理化學課程的教學內容安排。以96學時物理化學課程選用高等教育出版社出版的 《物理化學》第五版(傅獻彩、沈文霞、姚天揚編著）,56學時物理化學課程選用科學出版社出版的 《物理化學核心教程》(第三版）(沈文霞、王喜章、許波連編著）作為教材。

表1 96學時與56學時物理化學課程的教學內容安排Table 1 Teaching content arrangement of 96 credit-hours and 56 credit-hours for Physical Chemistry

3 善用HSC-Chemistry進行案例分析開展討論式教學

保留教學內容的深度,同時未大幅度刪減的教學內容會占用較多的課堂教學學時,我們可以通過線下教學與課堂教學相結合,將部分學習內容轉為學生自學與自主練習。這樣不僅節省課堂教學學時,也可以鍛煉學生自主學習的能力,尤其是將現代教學軟件與理論知識相結合,督促學生掌握最先進的分析手段,翻轉課堂討論式教學也可以鍛煉學生總結知識的能力,將被動學習變為主動學習。

傳統意義上,基于實驗數據的熱力學計算主要依照各種熱力學數據手冊和科技期刊論文,不同的標準和參考狀態往往得出不一致的結果,化學熱力學中存在大量的非線性計算,使得手動計算完成熱力學分析過程面臨巨大的計算難度[5]。在教學中產生的具體問題是,大量枯燥的公式解析占用課堂教學時間,學生在課下沒有精力計算,也不具有獨立計算的技術能力,使得課程講解的理論知識嚴重脫離實際應用,學生只學會了知識,而沒有掌握將理論知識熟練應用到生產實踐的技巧與能力。由芬蘭Outokumpu研究中心開發研制的HSC-Chemistry軟件擁有超過20000種無機物詳細熱力學性質的數據庫,擁有22個計算模塊,簡化了復雜的數據處理過程[6]。

課程設計要具高階化,設計具有代表性的軟件教學內容,建立知識體系。設計4個HSC-chemistry軟件的教學內容,包含 “數據查找”、 “反應平衡熱力學計算”、 “平衡相組成計算”、“電勢-pH曲線繪制”。學生熟練掌握HSC軟件單一模塊計算。進行案例分析。比如廣為人知的合成氨反應,從熱力學的角度來考慮溫度對轉化率的影響。讓學生通過該軟件進行模擬或計算,從熱力學角度提出最優的生產工藝。課上、課下混合式教學,了解學生的學習效果與學習心態。課堂教授理論知識與軟件學習方法,課下布置任務,在課上討論計算過程與結果,了解學生的學習效果。同時定期抽樣部分學生,采取交談或者問卷調查的方式了解學生對軟件學習的響應程度和響應效果,以此推測學生如何接受知識,如何構建知識體系。培養學生獨立自主學習的習慣與能力。老師只能教授軟件的基本計算模式,學生可以自主開發HSC軟件更多應用,在自學過程中養成自主學習的習慣,掌握獨立學習的能力。

金課的 “兩性一度”中創新性要求教學形式體現出先進性和互動性,軟件學習是新的教學方法改革,是完成教學目的的一個重要手段。以課堂講解為主要的教育形式,加以軟件輔助使得教學與實踐結合的更加緊密,充分展現課程的先進性與互動性,讓學生參與進來,可以獲得更好的教學效果。應用軟件進行案例分析可以讓學生強化概念、深化公式理解和應用,并有產出,極大的提高了學生探索的興趣,從而引導學生走向科研之路。同時理論數據與實驗數據的誤差分析可以為實驗課程的教學改革提供方向。

4 考核方式重視過程

目前物理化學課程考核多是期末閉卷考試成績占總評成績的80%,主要是考察學生掌握知識點的情況,督促學生背公式和做大量練習題應考。考核目標決定了考核方式,高階性的教學應該做到知識、能力、素質的有機融合,重視學生的思維啟發與探索。符合兩性一度要求的課程的考核方式必然是重視過程,不再僅重視結果,平時成績可以占到總評成績的40%,甚至更多,不再單一用期末考試成績對學生進行考核。平時成績的考核內容要細分,每個知識點結束后可以進行隨堂問答,每個章節結束后可以進行一道綜合性大題的解答。對于勇于上臺發言,講解隨堂問答的同學給予鼓勵性加分。考核方式要多種多樣,除了進行問答、測試、作業、課堂點名簽到,還可以制定一些論文題目開展分組研討、翻轉課堂、學生互評等。例如開展繪制熱力學第一定律的思維導圖、利用HSC軟件進行完整的熱力學案例分析、復雜反應速率的近似處理法解決動力學問題、電化學在生產實踐中的應用、生活中的表面現象解釋等內容,開展翻轉課堂,學生在課堂講解5分鐘,老師和同組學生對上臺展演的學生共同打分與點評。將考核變為重視學習過程,學生必然會投入更多的精力參與自主學習。

我校2019級本科學生實行大類招生,他們在大學二年級時將面臨少學時物理化學的教學改革與實踐。本論文所提出的教學方法、學習方法、考核方法等方面對少學時物理化學教學進行的改革與探索,適應新的教學浪潮,致力于打造金課,必將獲得良好的教學效果。