“新工科”和“雙一流”建設背景下材料專業物理化學實驗改革探索*

李艷艷，葉 飛，章劍波，程 化

(南方科技大學材料科學與工程系，廣東 深圳 518055)

自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”，“天大行動”和“北京指南”。隨著2019年以來“雙一流”建設的如火如荼開展，對于新工科建設提出了進一步的挑戰，特別是高校的實驗教學，這種實踐性要求比較高的課程[1-2]。

物理化學實驗作為化學、化工、材料、藥學等專業的必修基礎實驗課程，是一門兼具理論知識和實踐應用的課程，特別突出強調實踐性，是培養學生一絲不茍的科學態度、嚴謹認真的實驗作風以及靈活創新的分析和解決問題能力的重要教學環節。然而，現在的物理化學實驗內容多為較傳統實驗，以驗證性實驗為主，且與實際生活關聯性較小，不利于激發學生的學習動力；教學模式較單一，多為“填鴨式教學”，課堂上教師講解和演示操作，學生只是掌握了基本的實驗操作技能，不利于思維創新能力的培養；課堂講解多為枯燥的實驗相關的單一理論知識點，很難保證學生時刻集中注意力，不利于知識的學習及綜合運用知識能力的培養；此外，目前多為中文教學或者中英雙語授課，不利于留學生的培養及本土學生全球視野的培養[3-4]。

因此，針對目前物理化學實驗課程的現狀，基于“新工科”與“雙一流”建設的背景及要求，通過對物理化學實驗課程教學過程中的經驗積累及學生反饋情況，對于材料專業的物理化學實驗課程進行改革已是當務之急，刻不容緩。本文主要通過實驗教學內容、教學模式、課程思政及英文教學等方面進行改革探索，旨在推動材料專業物理化學實驗課程的不斷革新，為新時代德才兼備的“卓越工程師”的培養助力。

1 創新實驗內容，兼具“科學”與“工程”特色

傳統的物理化學實驗主要包括熱力學、動力學、電化學、表面化學(膠體化學)和物質結構五個部分的內容，從五個方面選取部分實驗讓學生進行操作及學習。實驗內容多為驗證性實驗，上課時學生只需根據實驗方案，并按照老師講解及演示進行操作，學生能夠掌握實驗操作技能，但缺乏對于實驗的認知與思考，不能激發學生的思考與創新思維。由于實驗內容偏理論，且實驗試劑多為日常生活中并不常見物質，不利于激發學生學習興趣，從而導致學生學習缺乏積極性和主動性。因此，我們通過“燃燒熱的測定實驗”對于物理化學實驗內容改革進行初探。

傳統且經典的“燃燒熱的測定實驗”測定的物質為苯甲酸和萘，通過測定一種物質的恒容燃燒熱，計算出量熱計的比熱容，然后再通過測試和計算得到另一種物質的燃燒熱。本實驗可以培養化學專業學生的一系列基本實驗技能，是理科的經典實驗，但是作為材料專業的工科學生，既要掌握基本的“科學”技能，又要具備“工程”實踐能力，因此，本實驗將苯甲酸和萘換成了木頭、煤炭和木炭，以日程生活最常見的“燒烤”引入，提出問題：為什么我們燒烤采用木炭作為燃料，而不使用煤炭和木頭呢？學生會從多方面進行回答，如木頭容易將食物表面燒糊，煤炭煙塵比較大等，進一步引導學生哪種燃料的熱值比較大呢，學生會猜測可能是木炭，那么我們通過實驗進行驗證，所謂的“熱值”就是實驗中我們要測定的“燃燒熱”，通過實驗測定三種可燃物質的燃燒熱，并從科學角度回答日常生活中的問題。

為了充分鍛煉學生的動手能力，實驗準備了木棒、煤塊和木炭塊，并準備了刀鋸和錘子，學生需要自己將樣品制作成1克左右的小塊，因此，學生紛紛動手使用刀鋸將木棒鋸成1克的短棒，用錘子將煤塊和木炭塊分割成1克左右的小塊。學生在制備樣品過程中體會到了“勞動”的樂趣，也為以后的工業實習奠定了實踐基礎。實驗中通過稱量、充氧、使用量熱計測定溫度變化，將“科學”基礎理論與“工程”實踐相結合，通過實際動手操作并計算實驗結果回答了日常生活中的實際問題，提高了學生分析問題和解決問題的能力，激發了學生學習的積極性和主動性，并且有利于提升學生的思維和創新能力。

2 融入“微課”和“雨課堂”的混合教學模式創新

傳統的實驗教學模式為課前學生根據教師提供的實驗方案進行預習，課堂上教師講解并演示操作之后，學生動手實驗，課后提交實驗報告并進行成績評定。這種教學模式導致學生預習效果不佳，課堂上師生互動較少，課后缺乏總結與思考，且對于學生成績的評定不夠全面。

隨著“互聯網+”及信息技術的發展，探索將“微課”和“雨課堂”融合進行混合式實驗教學[5]。課前將實驗操作錄制成“微課”，通過“雨課堂”發布學習資料(包含微課)，學生根據學習資料進行預習，可利用碎片化時間觀看“微課”進行學習；課堂上通過“雨課堂”進行測驗，了解學生預習效果，并通過一些設計性題目進行互動交流，同時也可通過“微課”學習實驗操作細節；課后教師發布試卷，學生可以對于實驗進行總結與思考。“微課”可以輔助學生實驗操作的學習，“雨課堂”可以翔實地記錄學生的學習軌跡，教師可以如實掌握學生的學習動態。通過“雨課堂”發布調查問卷，約91%的學生認可這種教學模式，認為混合式教學能夠很好地輔助實驗教學。

因此，通過將“微課”和“雨課堂”融合，能夠將“課前-課中-課后”進行串聯，延長了教學的時間與空間，跟蹤了學生的學習軌跡，對于學生的學習評價更加全面，從而促進學生的深度學習，并培養學生終身學習的能力。

3 融入課程思政，培育家國情懷

作為一門基礎的實驗課程，物理化學實驗很多經典的理論都是通過反復的實驗測試及驗證而得到的。科學家們在發現各種真理過程中，付出了巨大的心血，為科學和社會的發展做出了重大的貢獻。在“燃燒熱測定”的實驗中，講到量熱計的原理及使用時，向學生講述量熱計的發明及發展過程。最初是由法國化學家拉瓦錫和拉普拉斯通過簡單的將小鼠置于冰塊做成的中空容器中，通過向裝置里通入氧氣，小鼠呼吸產生熱量將冰融化成水，測定水的質量來計算小鼠產生的熱量，被稱為“冰量熱裝置”。后面通過科學家們的不斷探索，才有了我們現在的氧彈式量熱計。在我們實驗中的小小設備都是經過了多人多年的努力才發明創造出來的，作為新時代的大學生，我們要勇于創新，特別是在現在百年未有之大變局的國際形勢下，學生作為祖國的未來和棟梁之才，更應努力學習，腳踏實地，不斷實踐探索，為“中國創造”添磚加瓦，為國家發展貢獻自己的力量。在每個實驗的實驗原理、實驗設備及裝置或者實驗操作中引入課程思政，以“潤物細無聲”的方式將家國情懷融入課堂，融入到學生的思維中，從而實現以德育人，培養高素質“卓越工程師”[6]。

4 全英文國際化教學，培養全球視野

南方科技大學自成立以來，一直提倡全英文教學，基礎通修課程與專業課程盡量為英文授課，包括學習資料、教師講義、課堂PPT及學生作業等。本實驗課程由于選課學生有2名國際留學生，采用全英文授課，實驗方案、講義、授課以及學生撰寫實驗報告均為英文。在教學過程中，課前要求學生查閱相關資料，用英文撰寫預習報告；課堂上教師講課為英文PPT及英文授課，師生互動為英文交流；課后學生需全英文撰寫實驗報告，能夠熟練掌握專業術語，為閱讀科研文獻和撰寫科研論文奠定基礎。通過國際化教學，培養了學生的全球視野，為學生閱讀科研英文文獻及更好地適應科研生活奠定良好基礎，同時也為留學生教育的培養探路[7]。

5 結 語

通過總結材料專業物理化學實驗教學的現有情況，為了解決教學內容單一、教學模式傳統、缺乏立德樹人理念以及留學生培養等方面的問題，結合多年的教學積累經驗，緊跟“新工科”及“雙一流”建設的步伐，改革實驗教學內容、結合信息技術引入“微課”和“雨課堂”進行混合式教學、融入課程思政，全面育人并采用全英文授課，探索留學生培養模式。通過多方面的改革對學生進行全方面的培養，有利于激發學生學習的積極性和主動性，培養學生的思維創新能力以及分析問題和解決問題的綜合能力，并且對于培養具有家國情懷及國際化全球視野的人才具有重要意義，為新工科實驗課程的教學改革提供參考。雖然改革取得一些成效，但遠遠不夠，仍然需要不斷轉變教育思想，提升教育理念，不斷深化教育教學改革，為新時代人才的培養添磚加瓦。