“雙一流”建設背景下物理化學課程教學改革與實踐

紀敏，王新葵，孫延波，王旭珍，王新平

大連理工大學化工學院化學系，遼寧 大連 116023

為推動高等教育內涵式發展，提升高等教育整體水平，2015年10月國務院印發《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，明確了“雙一流”建設的總體要求、建設思路和建設任務?！半p一流”建設是黨中央、國務院做出的重大戰略決策，為我國高等教育綜合改革指明了方向[1]。2018年6月教育部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上的講話中強調：“一流本科是建設高等教育強國的根基。只有培養出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學，在‘雙一流’建設中要加強一流本科教育。”課程是本科教育的基石，建設一流本科，需要建設好每一門課程?；瘜W作為大連理工大學的“雙一流”學科，在培養富有創新精神的精英人才方面發揮著重要作用。物理化學作為化學、化工類人才培養的核心課程，已經進入一個全新的發展階段，內涵更加豐富，涉及多個層面：從宏觀深入到微觀、從定性走向定量、從描述過渡到推理、從靜態推進到動態、從平衡態拓寬到非平衡態、從體相外延到表相等。因此，在教學內容和教學方法上必須與時俱進，深入開展課程創新設計與教學方法改革。

1 學情分析

2020年，大連理工大學的應用化學專業入選國家級一流本科專業建設點。本專業人才培養的目標是：培養適應現代社會發展，滿足國家建設需要，具有高尚道德品質、寬厚扎實的基礎功底、突出的科研潛質、開闊的國際視野、富有創新精神與合作意識的高級化學類精英人才。“物理化學”是用物理學的原理和實驗方法來研究化學變化普遍規律的學科，被譽為“化學中的哲學”，在人才培養方案中處于核心地位。物理化學是我校應用化學的專業基礎課，共112學時，開課學期為大二學年下學期和大三學年上學期。學生前期已修過高等數學、大學物理、無機化學、分析化學、有機化學(上)等預備知識，后續為有機化學(下)、化工原理、催化原理、表面化學等課程的學習奠定理論基礎。學生已經具有一定的知識儲備和思考、解決問題的能力。但是不足之處在于：理論與實際聯系不足、創新意識不強、自學能力不足。針對物理化學的課程特點和學生情況，我們進行了物理化學課程改革，在教學策略和教學邏輯上從學生的需求出發，對學生知識吸收和鞏固的過程進行揣摩，使得課堂教學更好地適應學生的需要和個性化發展要求[2]。

2 物理化學課程改革措施

鑒于1981年美國教育家Spady等人提出OBE (Outcome-Based Education)教學理念，我們提出“以學生為中心，以目標為導向”的教學理念。以學生為中心，就是以學生發展為中心，以學生學習、學習效果為中心，實現價值塑造、能力培養、知識傳授三位一體的人才培養模式。針對學生存在的問題，以學生為中心，教師作為學生學習的引導者，通過“課前導學–問題引導–討論指導–思維疏導–課后輔導”的教學流程進行課堂教學。具體來講，課前在慕課堂平臺布置學習任務，學生充分利用我校在中國大學MOOC平臺建設的優質資源，進行自主學習，并進行自測和填寫不明白問題問卷，讓教師課前了解學情，哪些需要重點講解的，哪些可以一掠而過的，教師在上課前做到心中有數，從而可以實現精準教學；重點難點的講解，采用問題引導的方式，啟發式教學，步步深入，引起學生的好奇心，激發學習興趣；在講解概念和定律的時候，通過講解其發展歷史、學科現狀及其前沿，培養學生科學思維方法，使學生了解其發展趨勢和需要解決的關鍵科學問題，培養學生的創新意識；指導學生分析討論典型案例，培養學生融會貫通、解決問題的能力；組織學生分組研討具有前沿性的科研文獻[3]，培養學生崇尚科學、創新意識及其團結協作精神；課后繪制具有發散性的思維導圖，疏導思維，使學生的零散知識系統化，進行鞏固提升；通過撰寫文獻研讀報告，培養學生科學語言論述問題的能力。通過深入淺出的講解，在基礎–提高–應用–創新四個層次上，將物理化學的理論知識與生產實踐、科研前沿相融合，突出課程的“應用性”和“科學性”。以物理化學表面現象一章中的潤濕作用為例，教學設計如圖1所示。

圖1 潤濕作用課程設計

這一課程改革思路是基于美國教育心理學家杰羅姆·布魯納的發現教學理論[4]和中國化學教育家傅鷹提出的教學方法。根據布魯納的教學理論：(1) 知識學習要掌理學科的基本結構，而基本結構也就是該學科的基本概念、基本原理以及它們之間的關聯；(2) 激發學生的內在動機，如好奇心、上進心、朋友之間的相互作用；(3) 在教學過程中，學生是一個積極的探究者。學習的主要目的不是要記住教師和教科書上所講的內容，而是要學生參與該學科知識體系建立的過程。中國著名的教育家傅鷹認為：“一種科學的歷史是那門科學最寶貴的一部分。科學只給我們知識，而歷史卻給我們智慧。”這促使我們講授科學知識，闡述科學概念，都是從人類認識自然的過程，從科學發展的歷史角度，循序漸進、深入淺出地進行講解。

2.1 問題引導的啟發式教學

啟發式教學是教師根據學生學習的基本規律，引導學生積極、主動地掌握知識的教學方法。具體表現在，課堂上更多采用問號和省略號，而不是句號和嘆號。例如，在學習了化學熱力學和化學動力學內容以后，通過教師問題引導，逐步深入，和學生一起開啟“多相催化中的領頭羊(Bell-wether)反應——合成氨反應的探究之旅，具體設計如表1所示。

表1 關于合成氨反應的啟發式教學設計

通過啟發式的教學方法，學生清晰地明白為什么現在工業上合成氨的條件是：壓強：2 × 107–5 × 107Pa；溫度：700 K左右，使用鐵觸媒作為催化劑；適時將氨液化分離，N2、H2循環使用，適當提高氮氫比(實際應用n(N2) ：n(H2) = 1 ： 2.8)，這是因為氮的活化吸附是該反應的速度控制步驟，適當提高氮含量，有利于提高反應速率。對于以上分析，對合成氨反應的前沿方向也有了一個清晰的了解，即低溫高效合成氨催化劑的設計和開發，比如構建雙活性中心催化劑，使N2和H2的活化及中間產物的吸附發生在不同的活性中心上，從而打破了反應能壘與吸附能之間的限制關系[5]。通過這一典型案例分析，學生清晰地了解到任何一個反應的工業化過程都需要從熱力學和動力學兩方面去綜合考慮，更能夠從中感知前人在探索和改造自然的過程中所經歷的認識與思考、偶然與必然，從而給學生以思維能力與科學方法層面的啟迪。

表2 提高平衡轉化率和反應速率的措施

2.2 挖掘知識體系形成的歷史過程

物理化學課程中涉及到大量的概念、公式和定律，這些概念、公式、定律是怎樣提出、修正和推導出來的？任何一個簡單的概念背后都有引入入勝的典故！我們要深挖概念背后的故事及其科學思維，才能引起學生的好奇心，培養學生發散思維能力；帶領學生跳出教材的局限，重溫知識體系形成的歷史過程；引導學生實現知識的突破，貫穿繁雜知識的邏輯脈絡[6]。

比如，我們在講解潤濕概念的時候，對潤濕的歷史娓娓道來[7]。潤濕的概念和物質潤濕性質的研究可追溯到200多年前，濕潤科學研究的先驅者Thomas Young于1805年提出了液體接觸角的概念來定義表面潤濕性。超親水表面(接近0°的水接觸角)和超疏水表面(接觸角 ＞ 150°)的研究起源于20世紀初。Ollivier在1907年報道了第一個超疏水表面，他們描述了由煙灰、番茄紅素粉末和三氧化二砷組成的表面上近180°的接觸角。Langmuir在1920年發現吸收有機化合物的單層可以完全改變固體表面的摩擦和潤濕性能，這一發現開辟了人們可以廣泛使用化學改性來控制物質表面潤濕性能的先河。表面科學的理論框架在20世紀30年代和40年代開始發展起來。1936年，Wenzel研究了固體表面的宏觀粗糙度與接觸角之間的關系，并解釋了粗糙度如何提高疏水性。1944年，Casses和Baxter的研究將這一理論擴展到可以在水和固體之間捕獲空氣的多孔表面和粗糙表面，該理論被稱為復合潤濕模型。2000年，我國物理化學家江雷院士提出二元協同納米界面結構理論，創制了新的學科前沿方向——仿生超浸潤材料。因此，在物理化學課程教學過程中，指導學生研讀江雷院士在2004年發表在Nature上的一篇文章“Water repellent of water striders”[8]，從中體會江雷院士向自然學習的科學創新精神，有所發現–有所發明–有所創造的創新思路，培養學生發現問題、提出問題，并能科學地表述問題的能力，用科學的語言對文獻進行總結，總結文章的創新點、不足及其改進思路，培養學生的科學思維。最后引入超疏水材料在潛艇涂層及超疏油材料在油水分離中的應用，讓學生對這一概念得以更深刻的認識。每一章學習完畢后讓學生繪制思維導圖，讓學生對這一章的知識點進行梳理，使知識系統化。

在講解熱力學第二定律時，通過串聯講解幾位科學家的偉大貢獻，帶領學生重現熱力學第二定律及其數學表達式是如何一步一步確定的。法國青年工程師卡諾身處蒸汽機迅速發展的時代，提高熱機效率是當時人們開展的熱點研究課題?？ㄖZ獨辟蹊徑，從理論的高度對熱機的工作原理進行研究。1824年他發表了名著《談談火的動力和能發動這種動力的機器》，運用了理想模型的研究方法，以他富于創造性的想象力，精心構思了理想化的熱機——卡諾熱機，提出了作為熱力學重要理論基礎的卡諾循環和卡諾定理，從理論上解決了提高熱機效率的根本途徑。卡諾的這種研究問題的方法，對學生創新思維的培養具有重要的參考價值，實際上卡諾的理論已經深含了熱力學第二定律的基本思想，但由于受到熱質說的束縛，使他當時未能完全探究到問題的底蘊。隨著后來熱力學第一定律的提出，熱力學第二定律便呼之欲出了。1834年(卡諾去世兩年后)，他的著作《談談火的動力和能發動這種動力的機器》才有了第一個認真的讀者——法國物理學家克拉佩龍。他發表了題為“論熱的動力”的論文，用p–V曲線翻譯了卡諾循環，但未引起學術界的注意。1948年，英國物理學家開爾文根據克拉佩龍介紹的卡諾理論，發表了“建立在卡諾熱動力理論基礎上的絕對溫標”一文。德國物理學家克勞修斯通過克拉佩龍和開爾文的論文，于 1850年從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學第二定律的表述，并首先提出了熵的概念，得出了熱力學第二定律的數學表達式。1851年開爾文從熱功轉換的角度提出了熱力學第二定律的另一種說法。1877年，奧地利物理學家玻爾茲曼發現了宏觀的熵與體系的熱力學概率的關系。至此，科學界開始普遍接受熱力學第二定律。熱力學第二定律的逐漸形成過程，背后所蘊藏的科學思維方法及科學家們的科學精神值得每一個學生去仔細揣摩。如今這個定律又有了新的內涵，在信息、宇宙、生命領域中有了新的解讀，激發了學生的學習興趣。熱力學第二定律發展史妙趣橫生的介紹，知識點的串聯，不僅僅給學生帶來心理上的沖擊，更重要的是幫助學生建立對知識更宏觀的認識。

馬克思曾經說過，人類認知是螺旋式上升的。大學，是傳授深奧知識的場所。回歸常識，探索知識遷移的有效途徑是我們在課堂教學中時時要牢記在心的，教師的教學也需要有科學的思維方式，注重學生創新能力的培養，有意識地培養學生的自學能力，凸顯知識的高階性、前沿性，學生在未來才會有無限的潛力。

2.3 線上線下混合教學模式

一流課程建設需要一流的課程資源。大連理工大學物理化學課程建設一直具有很好的傳承并積淀了深厚的底蘊。課程于2008年被評為國家精品課程，2013年被評為國家精品在線開放課程。2015年，我們從教學內容的前沿性、高階性、與相關學科的融合性、教學思想的先進性、教學形式的創新性與可塑性等方面全方位進行設計和視頻錄制，在中國大學MOOC平臺上線。2017年被評為首批國家精品在線開放課程。目前已經開課8輪，選課人數超過6萬人。為了培養學生的自學能力、團結協作精神及科學思維，我們將教學內容進行了重新規劃：將重點、難點進行提煉，將一些難度較低和應用性較強的內容安排學生利用課外時間通過中國大學 MOOC平臺自學；利用節約的課時進行詳解重點難點和翻轉課堂、分組討論等利于培養學生創新能力的教學方式。比如化學反應的標準摩爾焓變、標準摩爾熵變的計算、稀溶液的依數性、影響反應平衡的因素、催化劑對反應的影響、幾種簡單的復合反應等部分內容，由于相關的核心知識點已經在課堂講授完成，學生已經具備了相關的知識儲備，自學的難度并不大。為了保證自學效果，我們設計了多層次的問題對學生進行引導和督促。比如，自學“幾種簡單的復合反應”這一部分內容，首先在課前安排自學任務時，給學生布置一系列問題，如“不同級數的平行反應、對行反應、連串反應的動力學方程如何建立？實際生產過程中如何控制產物的選擇性？如何獲取連串反應中間物的最佳反應時間？”等，這些問題起到了提綱挈領的作用，可以幫助學生掌握核心知識點。此外，學生帶著問題去學習，可以促進學生思考，幫助學生更深入地理解相關的內容。針對平行反應、對行(對峙)反應、連串反應三類復合反應，學生分為三組，每組只講一類反應，全組成員團結協作制作PPT，課堂上進行打擂臺比賽。每組選一個代表進行PPT講解，然后其他兩組同學對其進行提問，這個組的任何一個同學都可以進行回答。最后教師針對學生的表現進行點評，同學投票選出表現最佳組、表現最佳辯手。這種方式極大地調動了學生的學習興趣，并可以有效鍛煉學生的文獻調研能力、自學能力、科學表達能力和實際解決問題的能力等。而教師的點評又可以加深學生對知識點的認知，達到了較好的教學效果。為了鼓勵學生參與討論和互動，我們物理化學的課程考核平時分占30%，除了作業、測試題目外，對于PPT講述認真和積極參與討論的學生，給予自主學習平時成績滿分獎勵(自主學習部分比例設定為 15%–20%；應用化學專業共30名學生)。主講過PPT的學生普遍反映收獲很大，體會到什么是“臺上一分鐘，臺下十年功”，也體會出老師上課的不易，師生產生了很多共鳴。

3 結語

在“雙一流”應用化學專業建設的背景下，深入開展物理化學課程創新設計與教學方法改革。教學過程中，以學生為中心、以目標為導向，從基礎理論應用到高階性研討，借助啟發式問題引導，從人類認識自然的過程、科學發展的歷史角度，深入淺出地進行知識點講解，不斷激發學生的興奮點，引導學生參與到課堂討論、分析、評判等教學過程中，提升高階思維能力，培養創新意識，從而獲得良好的教學效果。正如康德的名言：“重要是給予思維，而不是給予思想?！边@種教學設計具有普適性，能更好地激發學生探求未知的興趣和積極性，培養學生的團結協作意識及其創新思維能力，具有推廣價值。