创新型人才培养模式下的物理化学教学研究与改革

[摘 要]物理化学知识体系与生命、环境、材料、化学工程、冶金工程、能源等众多学科领域的发展密切相关，是培养学生科学素养和创新能力的基础。以物理化学的研究内容和发展状况为出发点，从教学进程的研究、理论和实验教学的方式和方法以及教学改革的基本思路等方面，可以探讨创新型人才培养模式下物理化学教学应注重的实际问题。对物理化学知识体系的认知和理解是培养具有创新思维和杰出科研能力的人才的基础。根据物理化学的教学内容和课程特点，设计切实可行的教学环节和建立行之有效的教学模式，有利于培养学生的探索精神和科学素养，提高学生灵活运用理论知识的能力，满足现代社会发展对科研工作者和工程技术人员的创新能力的要求。

[关键词]创新型人才 物理化学 教学研究 教学改革 理论与实践

[中图分类号] G642.0；C961 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）05-0099-03

物理化学是以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的学科。简而言之，物理化学就是用物理的方法研究化学的问题，其研究内容一般包括以下三个方面：

第一，化学体系的宏观平衡性质。以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在各种平衡状态下的物理化学性质及其规律性。在这种平衡状态下，时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学、溶液化学、胶体化学和界面化学。

第二，化学体系的微观结构和性质。以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，以及结构与物性的关系。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。

第三，化学体系的动态性质。研究化学变化过程的速率和变化机理。在这种情况下，时间是影响性质体现的一个重要的参量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。

21世纪后，随着各种基础理论研究的深入和实验技术的发展，物理化学不仅在化学与化学工程领域，而且在材料、冶金、能源、环境和生命科学等领域中也发挥着愈来愈重要的作用，已成为纳米科学、反应控制、量子调控、表面催化等现代科学前沿领域研究的重要工具。在纯粹理论研究和应用基础研究方面都取得了巨大进展，形成了与生命、材料、能源、环境等诸多学科相互交叉、协同发展的新局面。[1]当代物理化学以及相关领域的研究成果也为物理化学的课堂教学增添了新内容。

高等学校本科物理化学的教学内容一般包括化学热力学、胶体化学、界面化学、化学动力学和电化学，以及研究反应机理与宏观现象之间关系的统计热力学。[2] [3] [4]结构化学和量子化学往往单独设课，因此不包含在物理化学课程的教学内容之中。如何将化学学科领域的前沿知识和发展的最新成果有机地融合到物理化学的教学内容之中，需要一线教学人员进行及时、深入的教学研究。然而，在创新型人才的培养过程中既不能故步自封、墨守成规，又应考虑到人才培养的连续性、长期性以及培养目标的专一性。因此，对将要进行的每一步教学改革都应采取积极而又谨慎的态度，从而提升人才培养的质量。

一、教学进程的研究

1877年德国化学家F.W.Ostwald和荷兰化学家J. H.Van’t Hoff创办了德文的《物理化学杂志》（Zeitschrift für Physikalische Chemie）、标志着物理化学学科的形成。至20世纪40年代，物理化学学科发展的基础就已奠定。进入21世纪，随着科学技术的迅猛发展和各学科之间的相互渗透，物理化学不仅与物理学、无机化学、有机化学等学科在内容上存在着大规模的交叉，而且也不断产生新的分支学科，例如物理有机化学、生物物理化学、冶金物理化学、化学物理等。因此，不可能在短短几十个学时内将全部相关知识灌输给学生。重要的是通过理论知识和实验技能的培训使学生掌握物理化学这门学科的研究问题和解决问题的方法，提高学生灵活运用物理化学知识的能力，逐步建立起科学的世界观和方法论。依据这种教学理念，可以将本科物理化学的教学过程分为四个阶段：

第一阶段：基本理论和实验技能的被动学习阶段。对初学者而言，这个阶段枯燥乏味，但又必不可少。在此阶段的教学过程中，教师应逐渐培养并全力保护学生的学习兴趣，尽可能缩短学生在这个阶段的驻留时间。

第二阶段：基本理论和实验技能的主动学习阶段。按照理论课程的进展，帮助学生掌握相关实验科目的实验目的、原理及实验方法，提高实验效率，提升实验结果的精准度。也可适当加入综合性实验内容，从而加深学生对理论知识的理解，提高学生对理论及实验知识的灵活运用能力。此外，鼓励学生之间交流学习心得体会，在帮助他人的同时也提高了自己。

第三阶段：探索精神的培养。鼓励学生自主选择实验项目或自行设计实验方案。指导教师积极引导学生深入思考实验中包含的各种科学问题，并查阅图书资料自行解决问题。物理化学课程中的许多知识与生产实践和日常生活联系紧密，教师可以结合生活中常见的事物提出问题，请学生根据所学知识去解释现象或设计实验，并控制实验过程向预期的方向发展。

第四阶段：科研素质的培养和创新能力的提升。对于有研究兴趣的学生，可以鼓励其进入物理化学专业教学平台，直接参与教师的科研工作，以期拓宽研究视野，迅速提升科研能力和创新能力。

二、理论教学的方法

物理化学是理论性较强的一个学科。对初学者而言，物理化学理论知识比较抽象、晦涩难懂。因此，在理论课教学过程中，教师应时刻注意引导学生掌握由已知解释未知、由简单至复杂、由点及面、由浅入深的学习方法，使其学会运用科学的演绎和推理方法，避免其在新知识面前手足无措。例如，热力学是一种物理方法，热力学第一定律是物理化学课程教学过程中遇到的第一个热力学定律。但是对于化学专业的学生而言，即使在中学阶段学习过基础物理学知识，“热力学”仍然是一个含糊不清的概念。因此，在教学过程中，在进行各种复杂的热力学推导之前，我们首先强调，热力学第一定律不是一个陌生的定律，它不过就是我们中学时期就耳熟能详的能量守恒原理在热力学系统中的具体应用而已。这样，经过简单的由已知解释未知的教学过程，学生就自然而然地接受了“热力学”这个概念。在基础理论教学过程中，也应引入相当比例的基础理论在实际科研及生产活动中应用的典型案例，引导学生逐步学会分析问题和解决问题，深化学生对理论内容的理解，并激发学生探究自然规律的兴趣。

三、实验及实践教学的模式

尽管理论性较强，但物理化学仍属以实验和实践为基础的学科。实验及实践教学各个环节的精确设置对学生科学思维方式的训练、对客观世界的感悟能力的提升、对所学知识的运用能力的提高、对创新型人才的培养都尤为重要。

我国高等学校化学及相关专业的物理化学课程一般于大学第二年开设，物理化学实验课程常与理论课程同步进行。学生在大学一年级时学习了无机化学、普通化学、分析化学等课程，已经掌握了化学学科的基本理论和基本实验技能。因此，在物理化学实验课程教学过程中，应在继续训练学生的基本实验技能基础之上培养综合实验能力和创新思维能力。[5]在实际的教学过程中，我们从以下几个方面改进了物理化学实验内容及实践教学模式：

第一，把握学科发展节奏，实时更新实验内容和实验仪器设备。例如，随着科学技术的发展，目前循环伏安测定法已经成为一种较普遍的电化学研究方法。在实验教学过程中，我们增加了循环伏安法研究聚苯胺氧化还原性能的实验内容。通过这项实验，学生不仅学会了电化学工作站的基本使用方法，而且也学习了如何通过循环伏安测试结果分析材料的电化学性能。因此，在实验教学环节中，虽然新型仪器设备的投放会增大教学成本，但同时能显著地提升学生的研究能力和创新能力。

第二，发展实验教学方法，将现代教育技术应用于实验教学过程。众所周知，目前多媒体技术已被广泛用于理论课教学。因此，我们尝试对复杂且在教学实验室难以实现的实验项目采用多媒体演示的方式进行。例如，燃料电池是各国科学家竞相研究的热点领域。但是，在教学时间有严格限定的实验课程中很难模拟出燃料电池的全部工作过程。因此，我们在实验教学过程中插入了相关图文内容，并对燃料电池的工作原理、工作进程、发展现状、应用前景等诸多问题进行细致而生动的分析讲解。对多媒体技术的这类简单的延伸使用，不仅能使学生全面而深入地了解燃料电池的相关知识，提升学生的学习兴趣，增强学生探索科学前沿领域的信心，而且也无需增加任何教学设备投入。

第三，增加设计性和综合性实验项目，是创新能力提升的有效途径。实验项目执行时，应给学生留有充分的时间去设计实验方案并与指导教师和小组同学讨论实验方案的可行性。学生通过查阅相关资料、讨论等方式自行归纳、解决部分问题，并在全班展示，锻炼了表达能力与交流能力。鼓励学生分工合作，培养团队合作精神。

第四，加强实践教学，培养学生的科研素质。包含认识实习和生产实习在内的实践教学也是物理化学教学过程的重要环节，是学生将课堂上所学到的基础理论知识和实验技能与生产实际相结合的纽带。认识实习和生产实习为学生认识社会、了解国情、提升专业认知度提供了机会，是培养学生观察能力、动手能力、创新能力、分析和解决实际问题能力的重要途径。多年的实践教学经验证明：首先，建立稳定的实习基地、制定行之有效的实习管理办法、完善实习内容是实践教学发挥效能的基本保证；第二，包括教师和学生在内，训练有素、积极认真的实习教学团队深受实习基地欢迎；第三，实践教学不仅训练了学生的专业工作能力，还能帮助实习单位解决一些实际问题；第四，实习基地的实验室条件、仪器设备条件和实践条件是对高校实验教学的重要补充。

四、物理化学教学改革基本思路

我国高等学校物理化学课程的教学工作经历了数十年的建设和发展，特别是近年来大幅度、大范围的教学改革的开展[6]，使物理化学理论及实践教学的各个环节都产生了巨大变化，教学水平有了显著提升。电子、计算机技术的飞速发展使我们能够采用现代化的手段组织更高效、更丰富多彩的教学活动；教学网络平台的建立使更多的学生离开课堂也能受益；数学、物理研究方法以及各种实验技术的长足进步使我们在增添新教学内容、设计新实验时更得心应手；与国外高等学校和科研单位日益紧密的教学和科研交流活动不仅拓宽我们的视野，同时也让世界了解了我们。

但是，在进行广泛而深入的教学改革的同时，我们也应清醒地认识到，物理化学并非一个全新的学科。如前所述，其知识体系基础的奠定已近百年。因此，物理化学的教学内容不能偏离其知识体系的根基和主干。任何形式的针对物理化学课程的教学改革都应以应用领域教学内容的适当补充和教学方法的改革为主。切忌舍本逐末，单纯为了提高学生学习兴趣而过度介绍新知识、过度运用新方法而忽视了课程的根本内容。此外，多媒体技术的发展使我们可以在较短的课堂时间里安排大量的教学内容，使教学过程更加紧凑且丰富多彩。在提高教学效率、辅助教学等方面，多媒体教学具有传统教学方式无可比拟的优势。许多教学改革也都是围绕多媒体技术在教学过程中的运用而开展的。然而无论如何，课堂上常用的电子演示文稿仍只是教师“板书”的一种新形式，仍无法替代教师的讲解。教师才是授课的主体，是多媒体教学的灵魂。只有通过教师的教导和示范才能使多媒体教学变得更加生动鲜活。为此，作为育人者，教师要不断加强自身的学习，积极地进行教学方法的研究和改进，努力地提高教学水平和教学效果，有效地激发学生学习兴趣。同时也应提高自身修养，在敬业精神、工作态度、责任心等方面，教师的身教更重于言传，这样才能使被培养者的综合素质得到全面的提升。

五、结论

综上所述，物理化学是化学、化工、材料、冶金、生物、环境等诸多学科领域研究、发展的基础，因此，对物理化学知识体系的认知和理解是培养具有创新思维和杰出科研能力的人才的基础。根据物理化学的教学内容和课程特点，设计切实可行的教学环节和建立行之有效的教学模式，有利于培养学生的探索精神和科学素养，提高学生灵活运用理论知识的能力，满足现代社会发展对科研工作者和工程技术人员创新能力的要求。

[ 注 释 ]

[1] 梁文平.新世纪的物理化学：学科前沿与展望[M].北京：科学出版社，2004.

[2] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，候文华.物理化学（上）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，候文华.物理化学（下）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] Peter Atkins，Julio de Paula，Atkins’ Physical Chemistry（Seventh Edition）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 陈玉锋，庄志萍，左明辉，韩俊凤，刘素娟，王瑾.物理化学实验教学改革与学生实验技能培养[J].广州化工，2012（11），216-217.

[6] 杨冬梅，王军.物理化学实验教学改革的总体设计及实践[J].高等理科教育，2008（6），103-105.

[责任编辑：覃侣冰]

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