新時代材料專業《物理化學》教學體系創新的探索

＊彭鳴 王習文 程英亮 陳美 黃宏文 韓飛 張妍

（湖南大學材料科學與工程學院 湖南 410082）

引言

為適應新時代專業教育需要，落實“立德樹人”的根本任務，高校課程教學應當與時俱進，并作為系統工程持續創新，以促進課程學習與邏輯思維構建、知識眼界開闊和探索能力培養的有機結合，培養德才兼備、知行合一、勇于創新的復合型人才。

《物理化學》是基于物理與化學兩大學科的基本現象與理論發展起來的二級學科，經過一百多年的發展，已經涵蓋熱力學、結構化學、統計熱力學、相平衡理論、化學平衡理論與反應動力學、電化學、反應動力學、表面與膠體化學等方面內容。為適應高校材料科學與工程專業的本科生培養，《物理化學》課程側重于材料相關的物理化學現象和有關規律，是《材料科學基礎》《材料工程基礎》等課程的重要前置基礎課，是材料專業一流課程建設不可或缺的一環[1]。因此，創新《物理化學》課程教學體系，是新時代課程建設的重要使命。

本文結合課程建設經驗，梳理教學團隊在《物理化學》教學體系創新的有關探索與實踐，涵蓋內容建設、內涵拓展和外延閉環三個方面，以期達到課程育人的效果。

1.課程教學體系的基礎：內容建設

《物理化學》理論知識的發展遵從由淺入深、從特殊到一般、由簡單到復雜的基本路徑，尋根究底、按圖索驥有利于培養學生的邏輯思維。課程教學的關鍵在知識點的關聯，要重點完善知識發展的邏輯，明確知識應用的場景。通過內容創新豐富課程教學的內涵，厘清課堂講授思路，穿插知識的探索過程與實際應用，讓理論知識更加生動[2-3]。

(1)完善知識邏輯，明晰來龍去脈

課程緊扣教學大綱，總結和梳理課程知識點，完善各章節內容的邏輯主線，并構建知識思維導圖。如對熱力學幾大定律的介紹，展示科學大師們如何通過歸納和演繹等方法構建了熱力學理論的宏偉大廈，以及這些理論在理解和預測實際化學過程中的巨大作用，幫助學生建立科學的世界觀和培養處理實際問題的數理邏輯能力。在電化學基礎章節中，基于電路的電荷守恒和化學反應的質量守恒定律，清楚闡述兩類導體界面的電極反應及伴隨的電荷轉移過程，進而順理成章地引出法拉第定律，使講授過程知識點邏輯清楚。從電解水析氫、析氧的極化曲線，介紹Tafel 經驗公式（過電位E 與電流密度對數log j 的線性關系），進而引出巴特勒-福爾默理論公式，便于理解加深。以提升知識理解能力為目標，展示知識的“來龍去脈”，使學生知其然也知其所以然。

(2)貫通知識聯系，促進各科學習

材料專業的本科學習涉及化學和材料的多門專業課程，學生對相似概念或模型產生混淆，達不到對知識的完全理解與應用。貫通知識聯系，構筑清晰的知識網絡，引導思維延伸。以單組分和二組分相圖為例（圖1），相圖的直接來源是大量實測數據（如合金體系的步冷曲線和水鹽體系的溶解度），講解氣液相圖時，引導學生拉烏爾定律和道爾頓定律可獲得理想溶液體系相圖；而隨著實驗與理論體系的完善，通過密度泛函理論也可以計算復雜體系相圖[4]。與水有關的相圖知識中，涉及溜冰鞋冰刀開刃、水的三相轉變、高壓鍋煮飯、含水恒沸物分離、水蒸氣蒸餾、鹽類重結晶、水合物等具體情形，可幫助學生更好地理解生活現象及基礎化學課程中的物質現象。在單組分和二組分相圖的學習中，透徹分析體系的“點、線、面”，明晰平衡條件下物相轉變的定性與定量關系，有助于《材料科學基礎》和《材料工程基礎》等課程的知識理解。因此，通過知識貫通，突出課程的樞紐作用，促進專業知識融會貫通。

圖1 單組分和二組分相圖的知識點及內容關聯

(3)理論聯系實際，展示知識價值

在理解理論知識的基礎上，課程教學內容注重結合生產生活和國內外研究前沿，開闊學生眼界，培養創新思維。引導學生走出書本，從現實需求的視角去感受物理化學知識的價值。例如，在相圖的學習中，結合金銀固溶體相圖和金銀的化學性質差別，介紹前沿研究中納米多孔金的制備研究及其在能源、傳感等領域的應用[5]。基于固態部分互溶的二組分相圖，引出適用于高純半導體制備的區域熔煉方法，介紹其在突破“卡脖子”技術方面的重要意義。在化學動力學章節中，學生對如何確定化學反應級數缺乏形象感知，因而知識理解不深。引入有機污染物的降解實驗，建立溶液吸光度（顏色深淺）與時間的關系[6]，可使學生對抽象描述產生直觀的理解。聯系應用技術精講基礎知識，使學生掌握扎實本領，結合現實生活和前沿科學研究，使基礎知識更加生動。

內容創新是課程教學體系的基礎，精心組織的內容使學生真切感知課程的內容價值，增強學生對專業學習的自信心和自豪感。

2.課程教學體系的靈魂：內涵拓展

課程教學體系建設的最低目標是學習課程知識，更高目標是對專業知識融會貫通，形成專業知識網絡，并立德樹人—培養有理想、有本領、有擔當的時代新人[7]。緊扣時代脈搏，拓展課程的精神內涵是教學體系的靈魂。

一是結合時代背景，以最新科技發展鼓舞人心，增加課程魅力。《物理化學》學科形成于19 世紀后期，課程知識幾乎沒有以中國人命名的定律、規律。隨著我國的快速發展，“下五洋捉鱉”和“上九天攬月”已經成為現實，國人在新知識探索中大有可為。從物理化學基礎知識出發，從經典離子傳輸理論到新能源技術，從實驗探索到理論計算預測，從“熵增”到宇宙未來前景，無不體現課程的知識魅力。使學生感受到人類發展與課程知識緊密相連，從而自覺提高本領，不忘奮斗初心和人生理想，為社會發展與進步貢獻自己的力量。

二是發揮著名科學家的精神引領作用。教學過程中，引入著名科學家的人生故事，以職業生涯或故事感染人，激發學生的學習自主性。物理化學離不開克勞修斯、開爾文和吉布斯等科學大師的工作，這些大師們有深邃的科學思想，也有淡泊名利、追求真理的人格魅力。荷蘭科學家范霍夫（J.H.Van't Hoff）在熱力學、化學動力學等多個章節被提及，這得益于其縝密思維和不懈探索。水相圖講解中，講述第一個精確測定水的三相點黃子卿教授嚴格實驗、一絲不茍的精神。人物故事豐富課堂內容，激勵學生成長為德才兼備、知行合一的人才。

三是引導學生注重知識的前沿實踐，立足長遠發展，培養科研人才。任課教師將實驗室的科研工作融入課堂，增添知識的魅力；引導學有余力的學生進入實驗室參與基礎科研訓練，并鼓勵學生積極參與申請大學生創新課題。該過程使物理化學知識學以致用，也為完成本科畢業設計打下堅實的基礎。特別是團隊老師指導本科生申請到多項國家級、省級、校級創新研究課題，促進了科研人才的培養。課程引領學生走進材料前沿研究，以“科學邏輯”改變“應試思維”，從物理化學研究實踐出發，發現大千世界的新規律。

將拓展課程內涵作為教學體系的靈魂，以課程魅力和創新精神為引領，使課程教學與新時代教育精神相契合，達到培育時代新人的目的。

3.課程教學體系的外延：閉環建設

課程教學不僅要有完善的內容結構和精神育人行動，也需要拓展外延，完善課程建設閉環，使師生攜手同行[8]。

首先，引導學生形成新的學習方式。《物理化學》的基礎知識環環相扣，缺一環就會導致理解困難、知識體系不完整。以夯實學生學識為基礎，以提升自主學習能力為目標，將學生納入備課、講課、課后的全過程，使師生同行，從知識的被動接受者變成課堂的主動參與者。課前，預告課程學習所需的基礎知識，督促學生逐項落實，以便上課時能夠直奔核心教學內容。課后，引導學生進行知識系統歸納總結，加深對知識的理解。通過作業檢查知識掌握程度，以備復習鞏固，從而形成課前預習、課程講授和課后鞏固的課程閉環。讓學生帶著問題和思考進課堂，帶著知識出課堂，轉變“應試”思維習慣，理解知識的邏輯。

其次，加強多層次交流，以開放精神引領課程教學。第一，教師團隊保持有效溝通交流，不斷優化課程思路與講授方式；邀請校外專家開展課程知識講座與研討，積極參加教學競賽，不斷提高課程講授的能力。第二，課間跟學生保持輕松交流，鼓勵學生隨時提問、交流，根據學生的反饋進行針對性補充，及時查漏補缺。第三，秉持“工程類專業教育”的精神，保持課程持續改進，注重教學的效果。期末堅持課程調查，回應學生需求，收集學生對課程教學的意見與建議。近兩年，學生普遍對課程教學感到“滿意”或“非常滿意”，認為課程應加強“課程復習、答疑”。鑒于此，教學過程中補充了習題課和復習課程，促進學生的知識綜合應用能力提高。

最后，積極拓展教學資源。課程教學選用本校自編教材，同時結合國內外著名院校的教材或講義，優勢互補。發掘國內外開放課程資源等，建設網絡課程，為學生提供廣闊的課程知識視野。精選前沿研究論文，與課程講授同步，保持課程知識及其應用范例的先進性?！段锢砘瘜W》課程建立起線上-線下聯動機制。當前智能手機、手提電腦等便攜電子設備已經被學生廣泛使用，將線上資源與線下課堂相結合，突破傳統課堂的距離和時間限制，滿足靈活授課需要。積極參加學校教務部門針對網絡課程資源的規范性檢查，并根據專家評價持續改進、優化。

注重課程教學體系的外延發展，通過閉環結構創新，確保課程教學高效運行，確保教書育人的效果。

4.結語

為適應新時代材料專業教育需要，通過課程內容建設、內涵拓展和外延閉環三個方面，促進《物理化學》課程教學體系創新。這一體系體現了“三全育人”和立德樹人的教育精神，以學生為中心，培養基礎扎實、德才兼備的時代新人。