構建契合新工科專業的物理化學課程

吳靜　劉煊赫　孫兵

摘 ?要：物理化學作為一門基礎化學課程，在眾多高校設置、面向眾多新工科專業開設。在當今新工科建設的背景下，作為受眾較多的一門課程，物理化學需在教學各方面做出積極改革，從而滿足新工科人才培養的需要。文章中，作者提出從篩選教學內容、變換教學形式、挖掘思政元素和利用綜合課題四個方面去構建契合新工科專業的物理化學課程，以便在教學過程中培養學生的工程意識、創新意識、人文意識和跨界整合意識，有助于實現新工科人才培養的目標。

關鍵詞：物理化學;新工科;人才培養

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）04-0001-05

Abstract： Physical Chemistry is a chemical foundation course set for students in many universities and new engineering specialties. Based on the development trend of new engineering construction， it is necessary to actively reform physical chemistry course which is set for many students in order to meet the requirements of personnel training goal of new engineering education. In this paper， we propose selecting teaching contents， changing teaching methods， excavating ideological and political education elements and utilizing comprehensive programs to construct suitable physical chemistry course for new engineering specialties in order to cultivate students equipped with engineering， innovation， humanity and culture and crossover integration awareness contributing to realize personnel training goal of new engineering education.

Keywords： Physical Chemistry; new engineering; talent cultivation

當今世界興起了新的一輪產業革命和科技革命，全球經濟蓬勃發展，由此對工程教育的發展和改革提出了新挑戰，新工科建設是針對這一挑戰而作出的積極回應[1]?！靶鹿た啤敝械摹肮た啤笔侵腹こ虒W科，“新”是指新興、新型和新生?！靶屡d的工程學科”是以新能源、新材料、人工智能為代表，指的是新生的、從未建立的新學科，主要是指針對新產業和新技術的未來發展趨勢，從非工科學科中孕育、開拓和外延而來的學科?！靶滦偷墓こ虒W科”是以機械、土木、化工為代表，指的是由于互聯網和人工智能對傳統產業產生的顛覆性影響，需要對傳統的、已有的學科進行轉型、改造和升級，拓展其內涵、轉變或提高培養目標、改革和創新培養模式，由此而形成的新學科?！靶律墓こ虒W科”是以工程管理、智能醫學工程、光電信息科學與工程為代表，指的是多種學科交融而誕生的新學科，包括多種工程學科內部的有機復合、工程學科與非工程學科的滲透融合。

開展新工科的研究與實踐活動是目前新工科建設的主線，專業建設是其表現形式，培養勇于創新、擅長自然之道的偉大工程師是其目標[2，3]。筆者所在的是一所以地學為特色的高校，涵蓋的新工科專業是以新興和新型工科專業為主，例如：能源、材料、信息工程、水資源與環境、土地資源與工程等，新工科建設的主要任務是對已有專業進行升級改造、轉型發展機制、拓展專業內涵、創新培養模式和提高培養目標。物理化學作為一門重要的基礎理論課程，面向學校幾乎所有的工科專業開設，通過該課程的學習，學生能借助物理學、數學等基礎學科的理論及實驗手段，來研究化學現象和物理現象之間的相互聯系，了解物理及化學過程中的能量變化規律，從而找出化學運動中最具有普遍性的基本規律。學生學習物理化學知識可以為解決在生產、生活實踐和科研實驗中遇到的實際問題提供理論基礎[4-6]。新工科建設的人才培養目標是培養專業型、創新型、綜合型和高素質人才[1]。以新工科的建設為背景，積極探索適合新工科專業的物理化學教學方式，對培養學生的學習興趣、專業意識和增強學生的實際操作能力顯得尤為重要，也符合新工科建設的目標[7]。筆者結合多年物理化學課程的教學實踐和教學經驗，提出從篩選教學內容、變換教學形式、挖掘思政元素和利用綜合課題的角度，去培養學生的工程意識、創新意識、人文意識和跨界整合意識，以期望構建出契合新工科專業建設需要的物理化學課程，實現新工科建設人才培養的目標（圖1）。

一、篩選教學內容，培養學生的工程意識

物理化學課程內容的特點是理論枯燥抽象、公式推導繁瑣、公式的適用條件多，學生難以理解掌握，所以，首先，教師要吃透教材，全面掌控整個教學內容，對不同專業的學生側重點有所不同，才能真正做到契合學生專業，提高課堂教學效果。例如，熱力學第一定律和第二定律的研究對象主要是處于平衡態的密閉系統，而實際上，工科專業的學生面對的一般都是非平衡的敞開體系，因此，學生會感覺所學難以致用。而且，熱力學三大定律在《大學化學》《大學物理》等課程中也會學習，會讓學生覺得缺乏新鮮感，久而久之，學習積極性自然不高。針對該問題，教師就可以適當減少該部分經典內容的講解，而將重點轉移至如何利用從這些定律衍生的判據來判斷反應的方向和限度，或者在教學中，有意識地引入一些非平衡態熱力學的內容。例如，面向醫學工程專業的學生講授時，就可以將人體作為一個非平衡態系統，健康狀態是這個非平衡態系統的穩態，疾病狀態則是打破了這種穩態[8]。土地資源與工程專業的學生則可以將土壤視為一個敞開體系，有機物和離子在其中的遷移就是一個非平衡過程。能源專業的學生則可將選礦過程視為一個非平衡過程[9]。

由于工科專業的培養目標不同于理科專業，因此，面向這些專業開設的物理化學課程不能簡單地照搬物理化學教材上的理論內容，有必要精簡其理論性而增加其實用性[10]。例如，面向醫藥工程專業的學生講解相圖中的簡單低共熔混合物的相圖時，可以舉例制藥時如將原料藥與載體以低共熔點的比例混合，所制備的藥物結構是均勻分散的，在體內的溶出速度就會顯著改善，增大生物利用率[11]。在講解簡單級數反應時，又可引導醫藥工程專業的學生利用該部分知識如何來計算藥物的有效期。只有挑選與學生專業相關的教學內容才會引起學生興趣，學生在解決具體工程問題時，可以借助于所學的物理化學知識提煉出恰當的科學模型，并對其進行專業分析，進而提出專業性的解決思路，激發學生學習動機的同時培養了其工程意識。

二、變換教學形式，培養學生的創新意識

物理化學課程由眾多知識點構成，在科學篩選教學內容的基礎上，需要合理采用多種教學方法，才能進一步提高教學效果，實現有效教學，學生在熟練掌握課程內容的基礎上，才有可能實現創新。

（一）創設情境法

真實的經驗情境是教學過程的第一要素[12]。在課堂教學過程中，創設與學生專業相關的情境，一方面可以提高他們的學習熱情，達到最佳學習狀態;另一方面，可以幫助學生發現問題，并引導他們尋找解決問題的方法，培養創新思維[13]。例如，面向食品工程專業的學生講解復雜反應這一章節時，可以著重講解油脂催化加氫在食品方面的應用：可以改變油脂的性質與味道，從而改善食品的品質和風味。面向能源專業的學生講解多組分系統相關知識的時候，可以著重講解如何用該部分知識描述由各種氣體組成的天然氣，在講解表面現象的相關知識的時候，又可著重講解界面現象、表面吸附等知識點在天然氣傳輸管道中的應用，引導學生思考如何實現天然氣的減阻傳輸。

（二）啟發式教學法

物理化學中的抽象內容適合采用啟發式教學法，教師就課程內容提出一個學生感興趣的問題，啟發他們進行積極思考，從而激發學生的創新思維。例如，在講解“表面張力”的相關內容時，可以提問學生：如圖2，在毛細管中，分別有一段凸液柱和凹液柱，在毛細管右側加熱時，液柱怎樣移動？在講解完附加壓力后，學生就會思考加熱后，右側液面的表面張力降低，附加壓力減小，但是凸、凹液面的附件壓力方向不同，因此，凸液面向右移動而凹液面向左移動。同樣，在講解這一章節時，還可以提問學生：在日常生活中，毛刷在干燥時是蓬松的，而浸水后會變軟并粘連在一起，為什么？這個看似簡單的問題，同樣要用表面張力的知識來解釋。毛刷被水潤濕后，在刷毛之間會形成水膜，這層水膜會傾向于減小自己的表面積，以降低表面能，因此，刷毛就會粘連在一起。

（三）案例教學法

利用案例進行教學有利于學生學以致用，受案例啟發則可以迸發創新思維的火花。案例一：在講解節流膨脹相關知識時，可引用案例：高壓氧氣瓶打開閥門放氣時，一段時間后，閥門變冷，閥門及其附近的管道表面會有液滴，甚至掛霜，這就是由于氧氣從閥門放出時，相當于經過一個節流膨脹的過程，而氧氣的焦-湯系數大于零，因此，經節流膨脹后，溫度降低。案例二：在講解溶液的依數性時，可引用案例：在寒冷氣候下，運輸原油時為防止原油凝固，可以在原油中加入降凝劑，以降低原油的凝固點，防止凍結。案例三：在講解電化學相關知識時，可引用案例：油氣運輸管道表面的銹跡，可用電化學知識理解金屬的腐蝕過程，以及如何來防腐。

（四）歸納式教學法

物理化學的知識點雜、章節較多，學生難以找到各章節知識點之間的聯系，為了幫助學生理解知識點并找到其中的聯系，在教學過程中可以采用歸納式教學法，用示意圖來進行歸納總結。例如，在講解電化學伊始，可用圖3將電化學與熱化學、電能與熱能聯系起來，學生容易找到兩者之間的關系，還可區分原電池和電解池，便于新知識的學習。在講解完二組分系統相圖后，可用圖4進行總結，學生可以一目了然地看出液-液二組分系統和固-液二組分系統相圖分為哪幾類、各有什么特點，不至于混淆各種類型的相圖。歸納總結法可以厘清思路，找到知識點之間的聯系，融會貫通后才可能創新。

在面向新工科專業的物理化學課程教學中，還可使用數學演繹法、習題講解法、自主學習法等，多種教學方法靈活使用以促進教學效果的提高、激發學生的創新思維。

三、挖掘思政元素，培養學生的人文意識

2017年在復旦大學達成的有關新工科建設的“復旦共識”中強調了科學教育、工程教育一定要和人文教育有機融合，培養出的新工科人才必須具備厚積薄發的科學基礎、架海擎天的工程能力、德厚流光的綜合素質且勇于實現跨界整合。該共識明確指出了培養人文素質是新工科建設不可或缺的重要內容[14]?！兑攬蟾妗芬餐瑯涌隙巳宋乃刭|培養的重要性，該報告指出“沒有什么東西比人文教育更為有用”[15]。科學教育和人文教育的失衡會培養出精致的利己主義者，帶來很多弊端。思政教育中必不可少的一部分便是人文教育。習總書記強調：“要堅持把立德樹人作為教育的中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，做好三全育人，努力開創中國高等教育事業的新局面”[16]。物理化學作為一門基礎課，面向很多新工科專業開設，其受眾廣，所以很有必要在其教學過程中充分挖掘思政元素，將思政教育融入物理化學的教學內容并貫穿教學的全過程，以提高學生的人文修養，最終培養出高素質的新工科人才。

（一）挖掘歷史人物，培養家國情懷

物理化學研究在我國雖然起步較晚，但是，在物理化學的發展史上亦不乏我國著名的物理化學家所做出的重要貢獻。例如，物理化學家黃子卿先生測量了水的三相點，獲得了水三相點的精確實驗數據，并被推薦為國際通用的標準數據。在化學動力學的發展過程中，第一個準確勢能面是由我國著名物理化學家孫承諤先生提出的，這個勢能面的精確性被后來很多實驗證實，該勢能面的提出對過渡態理論的發展有重要貢獻[17]。這些實例可以讓學生感受到我國物理化學家前輩發奮圖強、奮起直追，也能提高學生的民族自信心，提升他們的愛國情懷。

（二）挖掘人文哲理，培養文化自信

物理化學教材中蘊含了豐富的人文哲理，而其中的哲學內涵則與我們的一些國學思想不謀而合。例如，化學平衡移動原理與老子《道德經》中的自然平衡觀“天之道，損有余而補不足”完全吻合[18]。同樣是升溫增熱操作，對于放熱反應和吸熱反應所導致的結果完全不同。在放熱反應中，產物端的熱量有多余，升高溫度是彌補反應物端的熱量之不足，可以導致反應逆向進行;在吸熱反應中，反應物端的熱量有多余，升高溫度是補產物端的熱量之不足，可以導致反應正向進行。我們的先輩在千年之前竟然就已經將這一原理闡述地如此精妙，不得不贊嘆我們先人的智慧。在教學過程中，引入這些內容可以在培養學生辯證唯物主義世界觀的同時，提升他們的文化自信。

（三）挖掘科學倫理，培養德才兼備

科技是一把“雙刃劍”，只有幫助學生樹立正確的科學倫理觀，才能在享受科技發展帶來的高度發達的物質文明的同時，盡量趨避它所引發的一系列弊端。例如，大規模合成氨技術是由化學家哈伯發明的，該技術的提出使得人類不再完全依靠天然氮肥，糧食產量顯著提高，有效解決了全球性的饑餓問題。但是，他又研制了給全世界帶來巨大災難的炸藥——硝氨、硝基苯等，哈伯因此既被稱為“科學天才”又被稱為“戰爭魔鬼”[19]。在講述化學平衡知識點，講解合成氨反應實例的同時，可以引入這個故事，對學生進行科學倫理教育，培養他們成為德才兼備的人才。

（四）挖掘美學內涵，培養文化修養

四、利用綜合課題，培養學生的跨界整合意識

新工科建設中人才培養的關鍵是要培養新工科思維，即能綜合運用各學科知識，進行創新研究和開發，以解決復雜的工程問題。在具備工程意識、創新意識和人文意識的基礎上，新工科專業的學生還應具備跨界整合意識。在物理化學教學過程中，可采用參與研究綜合課題的方式，讓學生提前演練如何運用多學科知識去解決綜合性問題。例如，課題一——設計新型除濕機。首先，學生需要利用物理化學中水的相圖、毛細管凝聚、固液吸附和解析等知識點去理解除濕機的工作原理，在此基礎上再利用材料學知識去設計和制備新型的、可用于除濕的吸附材料，除濕機內部的電子元器件、線路組裝則需利用到電路學方面的知識，整機的組裝則需要自動化方面的知識[22]。課題二——腦電波與學習模式之間關系的研究。該課題研究需要監測腦電波，因而，學生首先需要利用電化學和材料學方面的知識去制備能監測腦電波的電極，還需整合電子學知識設計主動式放大電路，此外，還要依靠機械設計學知識設計舒適且能穩定接觸的電極帽。在得到腦電波數據后，還需要統計學知識才能分析它與學習模式之間的關系。在綜合課題研究中，將物理化學知識結合多學科進行整合利用，在調動學生對物理化學課程產生學習興趣的同時，培養了學生的跨界整合意識。

五、結論

新工科建設是一項復雜、長期、全局的系統工程，需要服務于新工科建設的各項基礎課程也同步改革。物理化學作為一門面向眾多新工科專業開設的基礎課，探索從篩選教學內容、變換教學形式、挖掘思政元素和利用綜合課題四個方面去積極探索構建契合新工科專業的物理化學課程，以培養具備工程意識、創新意識、人文意識和跨界整合意識的新工科人才。

參考文獻：

[1]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017，38（2）：26-35.

[2]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3]張進明.大學新工科的目標就是：培養偉大的工程師[N].光明日報，2017-08-22（13）.

[4]印永嘉，奚正楷，張樹永，等.物理化學簡明教程（4版）[M].北京：高等教育出版社，2007：1.

[5]吳靜.在“物理化學”的課堂上實現有效教學[J].中國地質教育，2016，25（2）：61-63.

[6]姚思童，張進，劉利，等.工科物理化學課程教學改革實踐[J].化工高等教育，2010，27（2）：29-31.

[7]王芙蓉，張雄，胡建強.新工科背景下的物理化學教學改革和探索[J].化工高等教育，2019，4：60-63.

[8]許秀芳.結合學生專業特點改進教學內容——非化學專業物理化學教學方法的一些探索[J].大學化學，2014，29（6）：25-28.

[9]姜小明，郝春玲.非化學專業物理化學課程教學內容和教學方法的改革[J].廣東化工，2018，45（12）：238-239.

[10]夏昌坤，陸曉菁，陳敏.因材施教培養興趣引導學生積極思考教學初探——非化學專業物理化學課程教學的幾點體會[J].教育教學論壇，2016，20：213-214.

[11]薛運生，楊宜華.藥學專業《物理化學》教學方法改革的探索與實踐[J].中國醫藥導報，2010，7（3）：137-139.

[12]于蘭.英語情境教學：原理、特征與策略[J].教育科學，2011，27（6）：36-39.

[13]林旭鋒，王芳珠，楊國華.非化學專業物理化學課中的情境創設——以油氣儲運專業為例[J].化學教育，2015，18：46-50.

[14]胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設，推進工程教育改革創新——“綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J].

復旦教育論壇，2017，15（2）：20-28.

[15]劉寶存.美國大學的創新人才培養與本科生科研[J].外國教育研究，2005，32（12）：39-43.

[16]習近平.全國高校思想政治工作會議上的講話[EB/OL].[2016-12-08].http：//www.xinhuanet.com//politics/2016-12/08/c_1120083340.htm.

[17]武香香，萬焱，褚意新，等.讓化學史走進物理化學課堂[J].光明中醫，2013，28（2）：410-411.

[18]許和連，吳鋼.全球化背景下中國的第四次文化建設——基于人文價值觀的分析[J].中國軟科學，2010（10）：76-85.

[19]周有恒.“科學天才”與“戰爭魔鬼”——記德國著名化學家弗里茨·哈伯[J].知識窗，2002（2）：6-7.

[20]王文英，杜秀果.物理化學公式的審美價值[J].衡水學院學報，2015，17（4）：18-20.

[21]李廣利，賀全國，王海飛，等.“新工科”背景下物理化學教學對學生人文素質的培養[J].化工高等教育，2018，3：86-90.

[22]張婷.從物理化學的角度看室內返潮和除濕[J].化學教育，2017，38（10）：1-3.

基金項目：本文受國家自然科學基金面上項目“構建紙基微流控芯片血腦屏障模型及疾病標志物超靈敏分析新方法”（編號：21874120）;2019年中國地質大學（北京）本科教育質量和教學改革工程建設項目“構建契合非化學專業學生的物理化學課堂”（教發[2019]32號）;中國地質大學（北京）第四批“求真學人”計劃資助項目“基于紙基微流控芯片構建生物醫藥研究模型”（編號：2652018004）

作者簡介：吳靜（1986-），女，漢族，安徽宣城人，博士，副教授，研究方向：微流控分析和發光納米材料;劉煊赫（1988-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：二維材料的制備及電催化材料;孫兵（1988-），男，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，研究方向：二維材料的制備及性能。