教學(xué)“新基建”背景下物理化學(xué)課程改革探索

王偉濤 陳香李 何珍紅 王歡

摘? 要：物理化學(xué)是化學(xué)化工類專業(yè)必修的基礎(chǔ)理論課程之一，其教學(xué)內(nèi)容理論性強，概念抽象。傳統(tǒng)的授課僅是圍繞物理化學(xué)教材內(nèi)容，沒有將物理化學(xué)課程的基礎(chǔ)理論性、實踐應(yīng)用性、高階挑戰(zhàn)性及思政育人形成完整授課體系，難以適應(yīng)新時代發(fā)展需求。在教學(xué)“新基建”背景下，該文針對物理化學(xué)課程授課中存在的問題，從課程內(nèi)容、課程實驗、教學(xué)方法和思政協(xié)同育人等方面入手，探討課程“新基建”的建設(shè)方案，提出“基礎(chǔ)性、實踐性、高階性、思政育人”的“四位一體”的物理化學(xué)課程建設(shè)方案，對物理化學(xué)及其他課程的改革提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；教學(xué)“新基建”；教學(xué)改革；協(xié)同育人；四位一體

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0139-04

Abstract： Physical Chemistry is one of the basic theoretical courses for chemical engineering majors. Its teaching content is theoretical and abstract. The traditional teaching only focuses on the content of the textbooks， and does not form a complete teaching system for the basic theory， practical application， high-level challenge， ideological and political education of Physical Chemistry， which is difficult to meet the development needs of the new era. Under the background of "new infrastructure construction" in teaching， this paper discusses the "new infrastructure construction" proposal of the course from the aspects of course content， course experiment， teaching methods and ideological and political collaborative education， on basis of the problems existing in the teaching of Physical Chemistry. The "four in one" physical chemistry course construction scheme of "basic， practical， high-level and ideological and political education" was proposed. This provides a certain reference for the reform of Physical Chemistry and other courses.

Keywords： Physical Chemistry; new infrastructure construction in teaching; teaching reform; collaborative education; quaternity

中國教育正在由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。高質(zhì)量人才的培養(yǎng)是高等教育高質(zhì)量的根本和核心。教育部高等教育司原司長吳巖同志指出，課程作為人才培養(yǎng)的四項“新基建”（專業(yè)、課程、教材、技術(shù)）之一，是人才培養(yǎng)的核心要素；課程是教育中最微觀的問題，但是解決的是教育的根本問題，教學(xué)改革改到深處就是課程。只有把課程建好建強，才能真正使提升人才培養(yǎng)質(zhì)量得到最根本、最堅實的保障。

物理化學(xué)主要是應(yīng)用物理原理和數(shù)學(xué)工具來探討化學(xué)運動中最具有普遍性的基本規(guī)律，因此其研究對象、知識結(jié)構(gòu)，尤其采用的研究方法不同于學(xué)生以前學(xué)習(xí)的大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、無機及分析化學(xué)等課程。物理化學(xué)課程是化工類的基礎(chǔ)必修課，也是環(huán)境、食品、制藥、生物、地質(zhì)和材料等學(xué)科的理論基礎(chǔ)必修課；在化學(xué)（化工類）課程體系中處于樞紐地位[1]，上承基礎(chǔ)課程，下接相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課程。物理化學(xué)課程在本科人才培養(yǎng)過程中的作用不僅是為其他課程服務(wù)打好基礎(chǔ)，同時具有培養(yǎng)創(chuàng)新能力的功能[2]，具有極為重要的戰(zhàn)略地位[3]。在教學(xué)“新基建”背景下，物理化學(xué)課程不再是單獨的一門課程，應(yīng)該是包含多方面的課程體系，需要將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)緊密融合[4]。因此，本文針對物理化學(xué)授課過程中存在的問題，結(jié)合陜西科技大學(xué)物理化學(xué)課程建設(shè)情況，提出“基礎(chǔ)性、實踐性、高階性、思政育人”四個方面統(tǒng)一在物理化學(xué)課程體系中的“四位一體”課程建設(shè)方案，以實現(xiàn)人才的高質(zhì)量培養(yǎng)。

一? 物理化學(xué)授課過程中存在的問題

物理化學(xué)具有概念抽象、公式繁多、應(yīng)用復(fù)雜等特點，如何通過課程的學(xué)習(xí)實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，建立科學(xué)的思維方式和邏輯推導(dǎo)能力是物理化學(xué)課程關(guān)注的重點和難點，在授課過程中具體表現(xiàn)在以下三個方面。

第一，物理化學(xué)課程理論性強，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解困難。在熱力學(xué)三大定律的章節(jié)中，特別是熱力學(xué)第二定律的理解較為抽象，同時不同的公式對應(yīng)附帶有不同的使用條件，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難的情緒。

第二，由于課時有限，針對物理化學(xué)的實際生活和生產(chǎn)實例應(yīng)用及相關(guān)課外知識的擴展不足，不能將物理化學(xué)知識靈活轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力；物理化學(xué)課程的傳統(tǒng)內(nèi)容不能針對實際應(yīng)用提高課程知識的高階性和挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力不足，不能應(yīng)用物理化學(xué)的基本理論和知識來解決復(fù)雜工程問題。

第三，單純的課堂授課很難使得學(xué)生理解，授課方式亟需改革。物理化學(xué)為化學(xué)類專業(yè)基礎(chǔ)課程，陜西科技大學(xué)的物理化學(xué)課程針對化工大類的五個學(xué)院開設(shè)，一般是大班上課，難以實現(xiàn)針對學(xué)生的授課個性化需求；同時，學(xué)習(xí)交流平臺的缺失，不能實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想的問題長期存在。

二? “四位一體”物理化學(xué)課程體系的構(gòu)建

針對以上問題，通過課程內(nèi)容、課程實驗、教學(xué)方法和思政協(xié)同育人等方面的改革和實踐，構(gòu)建理論課程、實踐課程、課外提升、課程思政等方面完整的物理化學(xué)多層次梯度課程體系。如圖1所示。

（一）? 線上-線下教學(xué)資源的建設(shè)和教學(xué)模式實踐，貫徹過程化考核，保障人才具有堅實知識基礎(chǔ)

建立物理化學(xué)和物理化學(xué)實驗課程的在線教學(xué)視頻、教學(xué)資料、教學(xué)題庫等，并分別在“學(xué)銀在線”和“學(xué)習(xí)通”平臺實現(xiàn)上線教學(xué)，物理化學(xué)已經(jīng)完成了三期在線同步教學(xué)。在線課程視頻以知識點作為課程內(nèi)容，單個授課視頻在5～15 min，能夠使學(xué)生最大限度集中精神在知識點的學(xué)習(xí)上；同時可以使學(xué)生針對知識點進行個性化的學(xué)習(xí)。利用線上資源講授基礎(chǔ)知識概念和重點，通過對學(xué)習(xí)過程的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的難點、易錯點；實現(xiàn)個性化跟蹤指導(dǎo)。在線課程平臺能夠?qū)崟r跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)時間段、學(xué)習(xí)完成情況、習(xí)題完成情況及課程討論完成情況，能夠及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中的問題，在線下進行面對面有針對性地講解學(xué)生易錯點、難點，提高課程授課的針對性和有效性。線下課堂面授課，開展翻轉(zhuǎn)課堂授課，培養(yǎng)獨立思考能力。學(xué)生在線上完成基礎(chǔ)的課程知識學(xué)習(xí)后，在課堂面授課中就可以有效開展翻轉(zhuǎn)課堂，發(fā)掘?qū)W生在相關(guān)知識點的理解深度和理解難點，同時能夠培養(yǎng)學(xué)生獨立創(chuàng)新的思考能力。同時，線上課程能夠跟蹤學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)，從而能夠監(jiān)控各個教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)知識點的掌握情況，從而有利于教師優(yōu)化教學(xué)過程管理，提高教學(xué)質(zhì)量，提升教師業(yè)務(wù)水平。

將過程化考核引入課程學(xué)習(xí)效果的評價中，在課堂前通過在線視頻自學(xué)和發(fā)放討論案例，促使學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)并發(fā)現(xiàn)自身的學(xué)習(xí)難點；在課堂上重點講授易錯點和難點，并啟發(fā)討論案例；在課后發(fā)放課堂知識測驗題和課外拓展知識等，鞏固所學(xué)知識。例如，過程化考核包括：課前的視頻預(yù)習(xí)和討論話題、課堂中的習(xí)題測驗、課后的習(xí)題和討論話題、期中測驗和課堂筆記等，從而實現(xiàn)“課堂前、課堂中、課堂后”全過程覆蓋物理化學(xué)學(xué)習(xí)。對物理化學(xué)實踐教學(xué)，將物理化學(xué)實驗學(xué)習(xí)分為“實驗前-實驗中-實驗后”三個階段。對每一個實驗項目中所訓(xùn)練的實驗?zāi)芰Γ槍π缘卦O(shè)計了實驗?zāi)康摹㈩A(yù)習(xí)要求、知識準(zhǔn)備、實驗操作、注意事項和實驗思考等環(huán)節(jié)，有效地將實驗的線上和線下環(huán)節(jié)有機結(jié)合起來，形成完美的融合和互補，解決了物理化學(xué)實驗預(yù)習(xí)不到位、實驗操作不準(zhǔn)確、實驗安全不注意和實驗思考不深入等問題。線上考核和線下考核的融合考核方式，能夠促進全體學(xué)生參與到教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，提高教學(xué)活動的參與性，從而促進學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

（二）? 課程內(nèi)容更新、虛擬仿真實驗、課外知識擴展的建設(shè)，提供知識學(xué)習(xí)的高階性和挑戰(zhàn)性，提升創(chuàng)新能力培養(yǎng)

教學(xué)科研相互促進，以科研的思維去探索和發(fā)現(xiàn)課程內(nèi)容在最新更新和應(yīng)用，并及時引入課程內(nèi)容中，促使學(xué)生能夠及時掌握最新的相關(guān)科學(xué)知識，激發(fā)學(xué)習(xí)和對科研的興趣，刺激學(xué)生繼續(xù)深造的愿望。筆者就通過科研的思維探索物理化學(xué)課程中的知識難點，發(fā)表了《由反應(yīng)速率方程推測反應(yīng)機理的經(jīng)驗規(guī)則》《彎曲表面附加壓強基本公式及其應(yīng)用舉例》《固體在液相中吸附熱力學(xué)參數(shù)計算介紹》等教學(xué)文章[5-7]，拓展相關(guān)的知識點，提升了知識的認(rèn)識深度。筆者同時將物理化學(xué)知識應(yīng)用在科研中獲得科研最新成果，反哺教學(xué)。例如，將連續(xù)反應(yīng)的動力學(xué)知識應(yīng)用在苯直接氧化制備苯酚的反應(yīng)中，獲得其連續(xù)反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)[8]；將吸附熱量的測定應(yīng)用于吸附強弱的判斷[9]，并將吸附的強弱和催化反應(yīng)的選擇性活性關(guān)聯(lián)[10]；通過反應(yīng)過程的熱動力學(xué)研究，確定反應(yīng)的級數(shù)，并結(jié)合量化計算確定反應(yīng)機理[11]；等等。將這些科研實例又應(yīng)用于課堂教學(xué)中，提升學(xué)生對物理化學(xué)知識的深入認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的科研熱情。

通過虛擬仿真實驗的建設(shè)，能夠在虛擬仿真條件下實現(xiàn)物理化學(xué)中涉及大型儀器的實驗，更能夠?qū)崿F(xiàn)對解決復(fù)雜工程問題的實踐應(yīng)用；通過線上虛擬實驗可以實現(xiàn)隨時隨地進行物理化學(xué)實驗的在線虛擬操作。通過建立虛擬仿真實驗“納米材料溶解焓的測定計算及與粒徑關(guān)系的分析”，通過構(gòu)建熱力學(xué)循環(huán)，利用微量熱儀實現(xiàn)不同粒徑納米材料的摩爾生成焓的測定，不僅能夠使學(xué)生充分理解熱力學(xué)循環(huán)的構(gòu)建及應(yīng)用，掌握微量熱儀的原理和操作，同時還可以從熱力學(xué)方面使學(xué)生理解粒徑對納米材料性質(zhì)的影響。

通過微信公眾號來補充課堂時間不足，通過與課程相關(guān)的科研動態(tài)、實踐復(fù)雜案例，使學(xué)生有針對性個性化實現(xiàn)知識的升級，實現(xiàn)課程內(nèi)容的高階性和挑戰(zhàn)性；同時能充分利用學(xué)生的碎片化時間來學(xué)習(xí)，將相關(guān)知識點化整為散，學(xué)生在玩手機、刷朋友圈的同時可以學(xué)習(xí)物理化學(xué)課程知識。例如，筆者針對不同的知識點進行深入的擴展和應(yīng)用舉例，在“物理化學(xué)學(xué)習(xí)”的微信公眾號中先后撰寫了“補胎時為什么要銼胎面？”“手機為什么發(fā)燙？”“為什么不直接用氫氣做熱機燃料而開發(fā)燃料電池？”“火鍋中的物理化學(xué)”等切合實際生活的文章；也有“肥皂泡幫助科學(xué)家看到神秘的‘光學(xué)分支流’”“‘可燃冰’籠形化合物介紹”等前沿科研成果介紹；“能斯特到底有多能？”“我國物理化學(xué)的起源”“中美物理化學(xué)實驗教材內(nèi)容的區(qū)別”等人物介紹、學(xué)科歷史等介紹。以微信公眾號作為支撐，以相關(guān)知識點作為出發(fā)點，拔高所學(xué)的知識點，實現(xiàn)課程內(nèi)容在課外的高階性和挑戰(zhàn)性，提升創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（三）? 課程思政大綱的制定和實踐，通過課程思政協(xié)同育人，促使人才全面發(fā)展

根據(jù)物理化學(xué)課程特點，從課程培養(yǎng)能力和素質(zhì)的角度出發(fā)，凝練課程立德樹人教育目標(biāo)。制定新教學(xué)大綱時，充分結(jié)合目標(biāo)，深入挖掘課程蘊含的思政教育資源，明確蘊含的正確世界觀、人生觀、價值觀與職業(yè)道德等思政內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生能夠用正確的世界觀、人生觀、價值觀以及科學(xué)的思維模式和方法分析和解決問題，實現(xiàn)“知行合一”[12]。在諾貝爾的獲獎?wù)咧校?0%的獲獎?wù)呒性谖锢砘瘜W(xué)領(lǐng)域[2-3]。因此，在物理化學(xué)課程中擁有豐富的可以挖掘的科學(xué)家的故事，通過物理化學(xué)家充滿正能量的故事培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、家國情懷和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。

物理化學(xué)課程理論性強，被譽為“化學(xué)中的哲學(xué)”[13]。據(jù)辯證唯物主義原理，世界是物質(zhì)的，運動是物質(zhì)的存在方式，物質(zhì)按照自身的固有規(guī)律在運動。無論宏觀世界還是微觀世界，都會遵循一些共同的變化規(guī)律，研究并發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，方能構(gòu)思未來的發(fā)展前景。物理化學(xué)恰恰如此，物理化學(xué)是研究所有物質(zhì)體系的化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法的科學(xué)[14]。因此，應(yīng)挖掘物理化學(xué)課程中豐富的理論實踐案例，提升學(xué)生哲學(xué)思辨層次。例如，根據(jù)熵增原理，隔離系統(tǒng)中的熵增總是趨于自發(fā)增大的，熵值增大就意味著混亂度增大，而混亂度增大往往意味著系統(tǒng)某種能力的喪失。由此我們引導(dǎo)學(xué)生思考俗語“人往高處走，水往低處流”。所謂人往高處走，意味著成功必定不是自發(fā)的過程，需要有理想、信念和毅力的驅(qū)動，需要付出許多艱辛的努力和汗水，只有這樣才能不斷進步，不斷取得人生成就。自發(fā)的“躺平”人生，注定不會成功。

物理化學(xué)與實際生活緊密相聯(lián)系。利用有關(guān)的物理化學(xué)原理應(yīng)用現(xiàn)狀引導(dǎo)學(xué)生肩負(fù)社會責(zé)任和科普化學(xué)知識。筆者就在新冠感染疫情期間，結(jié)合物理化學(xué)膠體知識點在“物理化學(xué)學(xué)習(xí)”微信公眾號上撰寫了“什么是氣溶膠？我們?nèi)绾巫龊妙A(yù)防？”科普相關(guān)物理化學(xué)知識，并且介紹新冠的預(yù)防措施；撰寫“活性炭為什么能除味？”“雪花為什么是六個瓣”等科普知識。從實際的各種生活和生產(chǎn)實例出發(fā)，科普相關(guān)的物理化學(xué)知識，引導(dǎo)學(xué)生樹立全局觀念，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

三? 物理化學(xué)課程建設(shè)效果

本課程團隊一直注重物理化學(xué)課程的教學(xué)改革與實踐，堅持將生活與生產(chǎn)實踐的應(yīng)用案例引入教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為核心，以應(yīng)用為導(dǎo)向，啟迪學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生能力培養(yǎng)。通過這些措施，學(xué)生獲得了堅實的物理化學(xué)知識基礎(chǔ)。物理化學(xué)課程期末考試一次通過率極大提高，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，并積極地應(yīng)用物理化學(xué)知識分析實際中的問題，提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。物理化學(xué)課程在線點擊次數(shù)超過323萬次，互動次數(shù)超過1 900次；物理化學(xué)實驗課程在線學(xué)習(xí)次數(shù)超過194萬次；提供的相關(guān)知識話題討論，學(xué)生的參與率達到80%以上。“物理化學(xué)學(xué)習(xí)”微信公眾號發(fā)表文章超過150篇，關(guān)注人數(shù)超過18 000人，收到來自湖北大學(xué)、遼寧師范大學(xué)、商洛學(xué)院等高校師生的多篇投稿，受到國內(nèi)師生的廣泛好評，在國內(nèi)“物理化學(xué)”課程微信公眾號中的排名第一，已經(jīng)成為物理化學(xué)學(xué)習(xí)和考研復(fù)習(xí)必關(guān)注的公眾號。

四? 結(jié)束語

教育“新基建”是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以信息化為主導(dǎo)，面向教育高質(zhì)量發(fā)展需要。課程作為人才培養(yǎng)的四項“新基建”之一，是人才培養(yǎng)的核心單元和核心要素。新發(fā)展理念和人才高質(zhì)量培養(yǎng)的要求下，物理化學(xué)課程已經(jīng)不再是單一簡單的一門課程，要從課程的“基礎(chǔ)性、實踐性、高階性、思政育人”四個方面出發(fā)，構(gòu)建理論課程、實踐課程、課外提升、課程思政的多層次梯度課程體系，將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)緊密融合，從而實現(xiàn)人才的高質(zhì)量培養(yǎng)。

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