農(nóng)林院校物理化學課程體系的優(yōu)化及教學實踐*

楊亞提 馬海龍 馬亞團 許娟 唐琦

(1西北農(nóng)林科技大學理學院 陜西楊凌 712100； 2西北農(nóng)林科技大學教務(wù)處 陜西楊凌 712100)

物理化學是高等農(nóng)林院校應(yīng)用化學、生物工程、食品工程、制藥工程、資源環(huán)境以及林產(chǎn)化工等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，因此，物理化學課程改革必須與各專業(yè)的人才培養(yǎng)方案相結(jié)合。我們通過學習國內(nèi)外高校的先進教學理念和方法，并結(jié)合多年來積累的教學研究經(jīng)驗[1-2]，對物理化學課程體系和內(nèi)容進行了整合，通過整體優(yōu)化，形成了科學的、操作性強的農(nóng)林院校物理化學課程教學新體系。在現(xiàn)有的“課堂教學+學生討論+實踐環(huán)節(jié)”三段式教學方法的基礎(chǔ)上，嘗試使用“問題教學+參與式教學”方法，取得了良好的成果。

1 研究背景及改革的必要性

物理化學是化學學科的重要分支，國內(nèi)外的一流高校對物理化學的教學都非常重視。如美國田納西大學的物理化學課程是其化學、化工、環(huán)境、材料、生物等專業(yè)本科生的骨干基礎(chǔ)課程，其教學特點是注重激發(fā)學生的學習興趣，師生互動頻繁，學生互助學習，考核以平時成績?yōu)橹?占最終成績的80%)[3]；中南大學以冶金、材料等專業(yè)大類的人才培養(yǎng)總目標為主線，構(gòu)筑了“四大化學融合”的工科大學化學，形成了理論化學和反應(yīng)化學的內(nèi)容框架(http://netclass.csu.edu.cn/jpkc2009/csu/014gongkedahuaxue/)；湖南大學提出了“以物理化學為先導(dǎo)的理工融合的基礎(chǔ)化學教學新體系”，其特色在于打破了理工長期分離的陳規(guī)，實現(xiàn)了理工融合；華東理工大學提出了“以物理化學為樞紐的兩階段化學系列課程理論教學體系”，在課程設(shè)置和教學內(nèi)容安排方面，強調(diào)構(gòu)筑完整的學科框架和課程框架，在教學上以“少而精”與“博而通”相結(jié)合，加強對學生能力的培養(yǎng)[4]；華中農(nóng)業(yè)大學提出了多層次化學課程體系；南京農(nóng)業(yè)大學在基礎(chǔ)化學系列課程教學改革中對課程內(nèi)容進行了不同層次的改革。在我校,化學系列課程的設(shè)置仍然是將物理化學置于無機化學、分析化學、有機化學之后進行教學，所以在化學課程設(shè)置中，目前存在著多門課程內(nèi)容重復(fù)的問題，如大學物理與物理化學中的熱力學部分，無機化學與物理化學中的熱力學三定律、化學反應(yīng)速率、化學平衡、溶液、表面與膠體化學等。因此，如何把握和處理這些內(nèi)容，刪除不合理的重復(fù)，精簡學時，提高學時利用率是值得思考的問題。

2 研究內(nèi)容

我們遵循“教育面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來”的戰(zhàn)略思想，借鑒國內(nèi)外現(xiàn)代教學理念、先進教學方法和手段，突破傳統(tǒng)，針對非化學專業(yè)類物理化學課程的教學特點和要求，在保留原有教學體系精華的前提下，優(yōu)化教育理念和模式，以實現(xiàn)在物理化學課程的邏輯框架、內(nèi)容構(gòu)筑以及突出實際應(yīng)用等三方面與國際接軌；并把物理化學教學體系整合優(yōu)化為3個模塊體系(基礎(chǔ)理論教學體系、應(yīng)用教學體系、實踐教學體系)，建設(shè)“基礎(chǔ)+特色+前沿”的“三層次、一體化”物理化學課程教學體系，其特色是應(yīng)用教學體系和實踐教學體系與專業(yè)緊密結(jié)合。

2.1 基礎(chǔ)理論教學體系——課堂講授

參考國內(nèi)外其他高校物理化學課程的教學體系，優(yōu)化、整合了“化學體系的宏觀平衡性質(zhì)”和“化學體系的動態(tài)性質(zhì)”兩大內(nèi)容，在保證經(jīng)典內(nèi)容的前提下，增加了化學體系的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)(如物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)理論)、非平衡態(tài)熱力學與耗散結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)理論內(nèi)容。

2.2 應(yīng)用理論教學體系——專題講授

將熱化學、多組分體系熱力學、電化學、表面與膠體化學等內(nèi)容以專題的形式進行講授，增加了反映學科前沿與研究熱點的專題內(nèi)容，并根據(jù)專業(yè)方向進行專題輔導(dǎo)。如對生物學和制藥學等專業(yè)，介紹生物熱力學、生命體系中的化學過程、藥物及材料分子設(shè)計方法簡論、表面活性劑的應(yīng)用、微乳液的應(yīng)用；對農(nóng)業(yè)資源環(huán)境專業(yè)，介紹電化學在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用、電有機合成、納米電化學、燃料電池、鋰離子電池等新能源技術(shù)等。

2.3 實踐教學體系——“三層次一體化”的實驗教學

在原有實驗教學內(nèi)容基礎(chǔ)上，構(gòu)筑了包括基本型實驗、綜合設(shè)計型實驗和研究創(chuàng)新型實驗的具有專業(yè)特色的“三層次一體化”實驗教學平臺。如為食品科學、葡萄酒工程、生物工程專業(yè)開設(shè)了“果汁中維生素C加熱氧化速率的測定”、“大孔樹脂對桑椹紅色素吸附性能的比較”、“果膠酶在不同條件下對果汁黏度的影響”等實驗；為制藥學、農(nóng)業(yè)資源環(huán)境等專業(yè)開設(shè)了“十二烷基硫酸鈉水溶液的臨界膠束濃度的測定”、“活性炭對水中有機污染物(苯酚)吸附性能測定”、“表面活性劑SDS對結(jié)晶紫褪色反應(yīng)的影響”等設(shè)計性和研究型實驗。此外還利用精品課程網(wǎng)上資源以及提供物理化學前沿研究方法和實驗方法的虛擬實驗，使學生了解國內(nèi)外最新的物理化學實驗方法和手段。

通過以上工作，優(yōu)化了課程內(nèi)容，使物理化學課程內(nèi)容向現(xiàn)代化拓展、向?qū)嶋H應(yīng)用拓展。通過調(diào)整傳統(tǒng)物理化學課程邏輯構(gòu)架，建立了針對微觀、介觀、宏觀不同層次化學體系的性質(zhì)和行為探求化學變化規(guī)律的物理化學課程新體系。相對傳統(tǒng)課程體系，新體系的系統(tǒng)性、邏輯性和科學性更強，增加的專題內(nèi)容更具有前沿性。

2.4 在新教學體系中實施“問題教學+參與式教學”方法

在新的課程教學體系實施過程中，以“三段式”(課堂教學、學生討論和實踐環(huán)節(jié))教學方法為基礎(chǔ)，圍繞創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略，探討“問題教學+參與式教學”，以充分發(fā)揮學生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用，實現(xiàn)創(chuàng)新教育。

2.4.1 問題教學法

物理化學課程理論性強、內(nèi)容抽象、涉及領(lǐng)域廣，很多學生在課后感慨物理化學非常重要，但不知道怎么用。為此，我們采用問題教學法，圍繞物理化學的知識模塊，在引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)各種問題的前提下，傳授知識。在教學活動中，嘗試使物理化學知識圍繞實際問題而展開，使問題不僅成為激發(fā)學生求知欲的前提，而且還成為學生期盼、理解和吸收知識的前提，激發(fā)學生的創(chuàng)新動機和創(chuàng)造性思維。

2.4.2 參與式教學

為打破物理化學枯燥、沉悶的傳統(tǒng)教學方法，嘗試開放式教學內(nèi)容，對一些易懂的章節(jié)，讓學生自己提前預(yù)習寫教案并上臺講解；同時進行提問式講課，使用無標準答案習題；將課堂測驗作為平時作業(yè)考核，避免了學生抄襲作業(yè)和逃課的現(xiàn)象；此外還采用了以論文形式考試等參與式教學方法，以培養(yǎng)學生的“參與” 意識，提高學生學習的主動性、積極性和效率，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

3 新體系和教學方法的應(yīng)用實踐效果3.1 激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力

在新課程教學體系實施過程中，任課教師將科研全面滲入本科教學，將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為教學優(yōu)勢，不僅拓寬了學生的專業(yè)知識面，培養(yǎng)了學生從事科學研究和解決實際問題的能力，而且可使學生的創(chuàng)新意識和能力得到一定程度的提高。如在實踐教學過程，學生結(jié)合專題講座，獨立設(shè)計并完成一些與專業(yè)相關(guān)的實驗；另外不同專業(yè)的學生積極申請大學生創(chuàng)新基金項目，如筆者在近年來共指導(dǎo)7名學生申請到學校的大學生創(chuàng)新基金項目資助(表1)。從表1各項目名稱可以看出學生具有較強的發(fā)現(xiàn)實際生活中存在問題的能力，同時也反映學生在學習了物理化學原理后，能夠想到利用物理化學原理解決實際問題。這些證明該改革舉措對學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是有意義的。

表1 大學生創(chuàng)新基金項目情況

3.2 充分發(fā)揮了學生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用

在新課程教學體系實施過程中，始終以實際問題為引導(dǎo)，讓學生帶著實際問題去學習。如在界面化學一章，以一些常見的自然現(xiàn)象和實際生活中存在的問題為先導(dǎo)：為什么自然界中液滴、氣泡總是圓形的？為什么氣泡比液滴更容易破裂？為什么會產(chǎn)生毛細現(xiàn)象？為什么會下雨？人工降雨依據(jù)什么原理？向高空拋撒粉劑為什么能人工降雨？為什么在參觀面粉廠時,不能穿帶鐵釘?shù)男?為什么土壤能保存水分?等等。然后從理論上對這些問題進行分析討論。另外還讓學生參與講授部分章節(jié)，如化學平衡和化學反應(yīng)動力學部分。由于學生在先行課中已經(jīng)初步學習了一些概念和公式，而且這兩章相對來說容易自學，因此在課堂教學中要求學生自己寫教案，做ppt，與教師進行換位，以此調(diào)動學生學習的興趣和積極性。最后讓學生結(jié)合應(yīng)用專題講座，查閱有關(guān)文獻資料，寫出課程論文。另外，教師要隨時聽取學生的心聲，如在學生完成作業(yè)時，讓其寫出對課程教學的建議和意見。從學生反饋回來的建議和意見中可以看出，“問題教學+參與式教學”容易實踐，學生樂于接受，而且這種教學方法有助于發(fā)揮學生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用。

3.3 促進了物理化學課程的建設(shè)

2007年物理化學課程獲批為校級精品課程，并建設(shè)了物理化學精品課程教學網(wǎng)站；2008年4月順利通過驗收。通過精品課程網(wǎng)站可以將我們的教學改革思想和改革成果向校外進行展示。物理化學與專業(yè)結(jié)合的創(chuàng)新性教學模式改革與實踐(2007年)以及物理化學課程體系的優(yōu)化及教學方法的研究與實踐(2008年)兩項成果獲得校級教學成果二等獎。

3.4 在教材中的體現(xiàn)

2008年4月，筆者參與(副主編)的普通高等教育“十一五”國家級教材《物理化學》[5]、《物理化學學習指導(dǎo)》[6]及多媒體課件立體化教材由科學出版社出版。近年來，該教材在全國農(nóng)林院校中得到了廣泛的使用，除參與編寫的7所院校外，還有河南農(nóng)業(yè)大學、貴州大學、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學、青島農(nóng)業(yè)大學等學校多年來一直在使用該教材的不同版本。這些證明了該教材的新體系順應(yīng)了目前國家對人才培養(yǎng)的新要求，得到了兄弟院校同行和學生的認可。2010年10月，筆者主編了全國高等農(nóng)林教育“十一五”規(guī)劃教材《物理化學》[7]，已由中國農(nóng)業(yè)出版社出版。

4 今后研究方向

本文介紹的教學體系在提高學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識方面取得了好的效果，但對其創(chuàng)新能力的提高還需要一定的硬件環(huán)境支撐。今后應(yīng)進一步在實踐環(huán)節(jié)方面做更深入的研究。另外，應(yīng)進一步加強學生的參與意識，在教學方法上還需有新的突破。

參 考 文 獻

[1] 馬亞團,楊亞提,趙海雙,等.吉林師范大學學報(自然科學版),2010,31(2):143

[2] 楊亞提,許娟,馬海龍,等.西北農(nóng)林科技大學學報(社會科學版),2009,9(36):122

[3] 謝逢春.化工高等教育,2009(3):27

[4] 華東理工大學理學院.化工高等教育,1998(3):4

[5] 董元彥,路福綏,唐樹戈.物理化學.第4版.北京:科學出版社,2008

[6] 董元彥,路福綏,唐樹戈,等.物理化學學習指導(dǎo).第2版.北京:科學出版社,2008

[7] 楊亞提.物理化學.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2010