基于學科競賽的物理化學課程教學改革

安麗瓊，姚鑫，郭娜，劉伯洋，張希琴

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

隨著我國深化新時代教育評價改革，引導不同類型高校科學定位，地方高校結合自身特色向應用型轉型進程加快，對突出培養學生相應專業能力和實踐應用能力提出了更高的要求[1]。在此背景下，物理化學課程需要針對專業、結合學科及學校優勢，瞄準工業發展的特點及趨勢，依托對理論知識的理解和掌握，加強在實踐中的應用和創新，切實提升學生的綜合能力，也即發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生的邏輯、獨立及創新思維，達到理實結合、觸類旁通的效果，實現物理化學教、學、用的同步發展。上海海事大學材料科學與工程專業結合多年指導學生參加上海市大學生化學實驗競賽的經驗，打通理論教學和實踐教學的壁壘，對物理化學課程進行改革，注重學生綜合能力的培養，包括動手操作能力、分析問題解決問題能力、獨立思考能力以及創新發展能力，由此帶動理論課程的內涵式發展。

一、物理化學課程教學的現狀分析

物理化學屬于材料科學與工程專業的專業基礎課程，是化學學科的一個分支。作為學生學習專業課程和科學研究的初探，物理化學課程對學生的實踐能力、邏輯能力和嚴謹的科學作風都有重要作用。同時，該課程由于其較強的理論性，比較抽象，且有較高的數學和物理基礎要求，是國內外相關專業大學生的學習難點。針對此情況，很多高校對課程教學進行改革，如充分利用網絡資源，進行幕課、線上線下教學[2-7]；教學過程中充分激發學生學習興趣[8]；理實一體化教學[9-10]、課程思政[11]、科研[12-13]、專業角度[14-15]等，取得了顯著成效。然而，教師如何更好地實現物理化學理論與實踐融合、實現物理化學教學用的同步發展、增強學生綜合能力的培養還有待進一步的提升。主要原因如下：

（一）物理化學理論教學的困境

物理化學課程內容難度大、概念多、公式多，比較抽象而難以理解。比如，化學熱力學部分，除了前修課程所涉及的熱、功、熱力學能、焓、熵等基本概念，進一步深入了吉布斯函數、哈姆赫茲函數、化學勢、偏摩爾量等概念，以及這些量之間的關系和適用條件，公式多達上百個，公式推導涉及高等數學微積分知識，且大部分公式都有其適用條件。學生往往難以吸收這些抽象的知識，從而導致無法跟上教學進度。此外，大部分高校采用傳統的以PPT為主結合板書的線下課堂模式，空間感難以構造、與專業聯系不夠緊密、應用場景不夠明確。如電化學所涉及的電解質學內容，主要研究電解質及其離子的導電性質、傳輸性質及參與反應的離子活度等平衡性質。雖然這部分內容與材料專業、科學技術前沿聯系極為密切，但要掌握離子活度、摩爾電導率、離子獨立移動定律、離子遷移數等基本概念，牽涉到熱力學、動力學公式的推導，往往使學生感覺枯燥且察覺不到與專業的聯系。最后，一般非化學類專業物理化學課時數偏少，如本校材料科學與工程專業課時數壓縮至40學時，對課程內容的取舍及側重至關重要。

（二）物理化學理論教學與實踐融合不夠深入

物理化學一般有獨立的實踐教學環節，但往往實踐教學教師與理論教學教師不是同一個人。實踐中因實驗硬件限制，如實驗設備臺數少，教學中多采用多人一組完成實驗，造成部分學生只關心自己負責的部分內容或消極怠工。學生在思想上也不夠重視，認為老師對實踐教學的考核重心在實驗報告上，對實驗操作不上心。長此以往，學生缺乏足夠的實踐訓練，導致動手能力差、基本實驗技術不足，從而自主實驗能力差、在實際應用的時候表現出力不從心。同時，實驗報告作為實踐教學連接理論教學的橋梁，學生往往覺得困難，主要表現在數據處理與分析部分。由于物理化學實驗中物質的性質往往是間接測量得到的，還需學生進行整理和綜合運算才能得到所需的結果。因此，如果實驗測得的物理量與實際要測物理量之間的關系理不清楚，再加上實驗過程中準確度或誤差影響，導致最終結果千差萬別，學生難以給出結果的合理解釋。除了實踐教學之外，學科競賽也是很好的理論實踐融合的場所。實踐教學課堂教師通常會詳細布置課前預習內容，對實驗操作進行詳細講解或有教材講義提供，學生只要按照要求即可完成實驗；而競賽僅提供實驗提綱，需要學生自行設計實驗方案，且有時實驗設備型號也與自身高校不同，這就不僅需要學生有扎實的實驗基本功，能活學活用，并且對實驗理論牢記于心，才能從容不迫地完成實驗及實驗報告撰寫。目前，大部分高校學科競賽主要是由各校實驗中心負責，實踐教學教師參與多，而理論教學教師參與少，從而出現理論與實踐不統一的問題。只有理論教學，學生難以對知識切身體會和深入理解；只有實踐教學，學生往往難以對知識進行舉一反三、靈活應用。理論教學與實踐融合度不夠深入，不利于教師對學生實踐應用等綜合能力的培養。

二、以學科競賽為抓手對物理化學理論教學內容進行重構及案例化

上海大學生化學實驗競賽作為一項地區性化學學科競賽活動，是學生對理論和實驗技能的賽場，也是學校實踐、理論教學的考場[16]。上海海事大學從2014年開始加入該賽事，以賽促教，以教代賽，以學科競賽為抓手，根據學校背景和材料科學與工程專業特點，及時對原有物理化學理論內容進行重組、更新課程內容，比如縮減與前序課程重合的部分內容、增加競賽相關內容、提供前沿科學知識等。課程內容分為基礎、提高、綜合類，融合多媒體教學手段來進行分層教學。基礎類知識點主要包括一些基本的概念知識，是現行課程的專業化，充分利用網絡資源和信息化平臺，如超星學習通等，以學生自學為主、教師抽測與答疑為輔。提高類知識點包括物理化學的深入及其應用，加入學科競賽試題及相關資料元素，特別是前沿研究知識，這也是課堂主要講授的部分，使學生了解到理論指導實踐、通過對實踐總結歸納提升到理論，深入理解物理化學里“理論—實踐—理論”的邏輯線，擴大學生視野。綜合類是需要學生融合多個知識點，查閱資料，解決具體問題或實踐的內容，為學科競賽、大學生科創或科學研究打下基礎，突出培養學生的分析問題、解決問題和實踐應用的綜合能力。

針對學生學習過程中的困惑點或難點，教師將知識內容融入案例進行物理化學理論教學，比如化學反應動力學因考察范圍寬且形式多樣而成為競賽的熱點。以某年競賽內容—碘化鉀—過氧化氫催化分解反應為案例（如表1），在反應動力學方程（式1）基礎上，建立該一級反應的動力學方程（式2）；以本校實踐教學中的“蔗糖的轉化”，構建具體實踐中的動力學方程（式3），找出實驗測量的物理量與實際測量物理量的橋梁；同時引申至堿性條件下高鐵酸鉀水解的反應動力學（式4）、尿素水解酶催化反應動力學（式5）等實驗內容，教師引導學生建立不同表現形式下的動力學方程，如表1所示。引入上述案例讓學生一方面鞏固一級反應動力學方程、理解化學反應快慢與溫度、催化劑的關系，另一方面學習一級反應在工業生產中的應用，有助于學生對理論知識的理解、融會貫通和靈活應用。同時，教師融入與材料專業相關的化學反應動力學內容，比如以北大西洋海底下泰坦尼克號沉船多年來樣貌變化的具體實例，引出金屬腐蝕速率，建立物理化學與專業課程的聯系。教師利用案例與實例豐富理論的實踐應用，培養學生的實踐應用能力，激發學生對物理化學的興趣，提高物理化學教學效果。

表1 一級反應動力學方程競賽、實踐與理論融合教學的教學設計

三、以學科競賽標準改進實踐教學、促進物理化學理論教學的實踐應用

針對物理化學理論與實踐融合不足的狀況，上海海事大學打通理論教學與實踐教學的壁壘，理論教學教師同時參與實踐教學，以競賽標準持續指導和改進實踐教學，提升學生實驗技能及數據處理能力。因上海市大學生化學實驗競賽采取的是單人單組，學生獨立設計、完成實驗及撰寫實驗報告，對學生的綜合實驗能力和科學研究能力要求高。為達到提高學生綜合素養的目的，我們依照學科競賽的標準對實踐教學進行了改進，增設實驗設備臺數或增加學生實驗批次，調整為2人/組，從客觀上督促學生學習和動手操作；在實驗過程中加大巡查，對學生操作錯誤及時指出并糾正，或學生不明確的地方及時給予指導，規范學生的實驗操作，從而養成良好的實驗習慣。及時引入專業繪制軟件對數據進行處理、計算和繪圖，如Excel, Origin軟件等。比如雙液系氣-液平衡相圖的繪制，數據處理量比較大，牽涉到質量分數、折射率與組分之間關系的計算、標準曲線的繪制及數據擬合、相圖的繪圖。如果采用計算器計算數據量大，出現錯誤時查找困難且費時；傳統的畫圖紙手繪相圖，無法獲得數據擬合的精度且所得圖較為粗糙。專業軟件的引入，教師不僅能鍛煉學生專業軟件的使用能力，為后續進專業課題組進行研究實踐、畢業設計等打下基礎，而且培養學生扎實的數據處理功底。

以物理化學理論教學指導學生實驗報告撰寫，促進物理化學理論教學的實踐應用。實驗報告是整個實驗過程的書面表達與總結，不僅要學生對實驗整體流程清晰，細節了解到位，還要對實驗結果進行分析、實驗現象給出合理解釋和實驗過程的總結提升，進一步地對實驗裝置或流程進行優化或創新。從實驗原理即理論入手，厘清實驗測得量與計算量之間的關系，建立理論—實踐的橋梁，將抽象理論形象、具體化，加深學生對理論的理解和靈活應用。運用理論對實驗結果、實驗現象或實驗過程中所產生的誤差及其原因進行分析，教師要進一步引導學生進行總結乃至創新，這都對學生邏輯、科學、創新思維起到積極的鍛煉作用，也促進學生理解理論指導實踐的內涵。

四、以物理化學理論教學、實踐教學提升學科競賽的參賽水平，激發學生物理化學學習興趣與熱情

上海市大學生化學實驗競賽物理化學部分雖只有兩個實驗，都屬于多章知識點融合的綜合性實驗，考察范圍寬、內容分布廣，且單人單組、選手高手如云。這就要求學生具有扎實的實驗技能之外，理論功底也要深厚，同時實踐應用能力強和心理承受能力強。為提高學科競賽成績，教師除了對實踐教學以競賽標準進行要求以提高學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力之外，積極與參賽高校交流，學習先進的教學經驗，扎實專業與前沿知識素養，做好學生的堅強后盾。此外，由于實踐教學課時及實驗硬件限制，有些實驗在實踐教學中無法開展但在競賽中出現。對于這種情況，我們采取錄視頻、網絡視頻、虛擬仿真實驗等方法和充分利用網絡資源進行教學，使學生對未做過、未見過的新實驗或實驗設備有一個感性認識；對涉及理論進行“剝洋蔥”式講解，厘清實驗測得的物理量與實際測得物理量之間直接或間接的關系。通過以上改進，近年來我校參加上海市大學生化學實驗競賽的成績穩步上升，在2019—2021年連續三屆比賽中物理化學取得了二等獎的優異成績，這也是我校在該專項上的首次突破和最高獎項。獲獎學生大部分進一步深造。這對后面的學生起到激勵與榜樣的作用，激發學生的內驅力，由“要我學”向“我要學”轉變，使學生成為教育的主體。同時，通過學科競賽的反饋與反思，將競賽內容融合并貫穿到物理化學理論教學中，形成了“理論-實踐-競賽”的閉環教學模式，實現物理化學教、學、用同步發展，激發和提高學生理論學習興趣與積極性，提升物理化學教學質量。

五、結束語

物理化學作為一門難度大的理論課程。以學科競賽載體，構建理論教學-實踐教學-學科競賽三體融合，形成“理論—實踐—競賽”的閉環教學方式，是一個比較好的嘗試，有助于學生綜合素質的培養。在今后的教學中，我們將堅持以突出學生專業能力和實踐應用能力為目標，契合工業界需求及學校發展定位，細化三體的融合度，不斷深入對物理化學課程進行改革，為其他類似課程提供借鑒與參考。