农林院校物理化学课程体系的优化及教学实践*

2012-09-25杨亚提马海龙马亚团许娟唐琦

大学化学 2012年1期

杨亚提马海龙马亚团许娟唐琦

(1西北农林科技大学理学院陕西杨凌 712100； 2西北农林科技大学教务处陕西杨凌 712100)

物理化学是高等农林院校应用化学、生物工程、食品工程、制药工程、资源环境以及林产化工等专业的一门重要专业基础课，因此，物理化学课程改革必须与各专业的人才培养方案相结合。我们通过学习国内外高校的先进教学理念和方法，并结合多年来积累的教学研究经验[1-2]，对物理化学课程体系和内容进行了整合，通过整体优化，形成了科学的、操作性强的农林院校物理化学课程教学新体系。在现有的“课堂教学+学生讨论+实践环节”三段式教学方法的基础上，尝试使用“问题教学+参与式教学”方法，取得了良好的成果。

1 研究背景及改革的必要性

物理化学是化学学科的重要分支，国内外的一流高校对物理化学的教学都非常重视。如美国田纳西大学的物理化学课程是其化学、化工、环境、材料、生物等专业本科生的骨干基础课程，其教学特点是注重激发学生的学习兴趣，师生互动频繁，学生互助学习，考核以平时成绩为主(占最终成绩的80%)[3]；中南大学以冶金、材料等专业大类的人才培养总目标为主线，构筑了“四大化学融合”的工科大学化学，形成了理论化学和反应化学的内容框架(http://netclass.csu.edu.cn/jpkc2009/csu/014gongkedahuaxue/)；湖南大学提出了“以物理化学为先导的理工融合的基础化学教学新体系”，其特色在于打破了理工长期分离的陈规，实现了理工融合；华东理工大学提出了“以物理化学为枢纽的两阶段化学系列课程理论教学体系”，在课程设置和教学内容安排方面，强调构筑完整的学科框架和课程框架，在教学上以“少而精”与“博而通”相结合，加强对学生能力的培养[4]；华中农业大学提出了多层次化学课程体系；南京农业大学在基础化学系列课程教学改革中对课程内容进行了不同层次的改革。在我校,化学系列课程的设置仍然是将物理化学置于无机化学、分析化学、有机化学之后进行教学，所以在化学课程设置中，目前存在着多门课程内容重复的问题，如大学物理与物理化学中的热力学部分，无机化学与物理化学中的热力学三定律、化学反应速率、化学平衡、溶液、表面与胶体化学等。因此，如何把握和处理这些内容，删除不合理的重复，精简学时，提高学时利用率是值得思考的问题。

2 研究内容

我们遵循“教育面向现代化，面向世界，面向未来”的战略思想，借鉴国内外现代教学理念、先进教学方法和手段，突破传统，针对非化学专业类物理化学课程的教学特点和要求，在保留原有教学体系精华的前提下，优化教育理念和模式，以实现在物理化学课程的逻辑框架、内容构筑以及突出实际应用等三方面与国际接轨；并把物理化学教学体系整合优化为3个模块体系(基础理论教学体系、应用教学体系、实践教学体系)，建设“基础+特色+前沿”的“三层次、一体化”物理化学课程教学体系，其特色是应用教学体系和实践教学体系与专业紧密结合。

2.1 基础理论教学体系——课堂讲授

参考国内外其他高校物理化学课程的教学体系，优化、整合了“化学体系的宏观平衡性质”和“化学体系的动态性质”两大内容，在保证经典内容的前提下，增加了化学体系的微观结构性质(如物质结构分析的基础理论)、非平衡态热力学与耗散结构等基础理论内容。

2.2 应用理论教学体系——专题讲授

将热化学、多组分体系热力学、电化学、表面与胶体化学等内容以专题的形式进行讲授，增加了反映学科前沿与研究热点的专题内容，并根据专业方向进行专题辅导。如对生物学和制药学等专业，介绍生物热力学、生命体系中的化学过程、药物及材料分子设计方法简论、表面活性剂的应用、微乳液的应用；对农业资源环境专业，介绍电化学在环境污染治理中的应用、电有机合成、纳米电化学、燃料电池、锂离子电池等新能源技术等。

2.3 实践教学体系——“三层次一体化”的实验教学

在原有实验教学内容基础上，构筑了包括基本型实验、综合设计型实验和研究创新型实验的具有专业特色的“三层次一体化”实验教学平台。如为食品科学、葡萄酒工程、生物工程专业开设了“果汁中维生素C加热氧化速率的测定”、“大孔树脂对桑椹红色素吸附性能的比较”、“果胶酶在不同条件下对果汁黏度的影响”等实验；为制药学、农业资源环境等专业开设了“十二烷基硫酸钠水溶液的临界胶束浓度的测定”、“活性炭对水中有机污染物(苯酚)吸附性能测定”、“表面活性剂SDS对结晶紫褪色反应的影响”等设计性和研究型实验。此外还利用精品课程网上资源以及提供物理化学前沿研究方法和实验方法的虚拟实验，使学生了解国内外最新的物理化学实验方法和手段。

通过以上工作，优化了课程内容，使物理化学课程内容向现代化拓展、向实际应用拓展。通过调整传统物理化学课程逻辑构架，建立了针对微观、介观、宏观不同层次化学体系的性质和行为探求化学变化规律的物理化学课程新体系。相对传统课程体系，新体系的系统性、逻辑性和科学性更强，增加的专题内容更具有前沿性。

2.4 在新教学体系中实施“问题教学+参与式教学”方法

在新的课程教学体系实施过程中，以“三段式”(课堂教学、学生讨论和实践环节)教学方法为基础，围绕创新教育的战略，探讨“问题教学+参与式教学”，以充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用，实现创新教育。

2.4.1 问题教学法

物理化学课程理论性强、内容抽象、涉及领域广，很多学生在课后感慨物理化学非常重要，但不知道怎么用。为此，我们采用问题教学法，围绕物理化学的知识模块，在引导学生发现各种问题的前提下，传授知识。在教学活动中，尝试使物理化学知识围绕实际问题而展开，使问题不仅成为激发学生求知欲的前提，而且还成为学生期盼、理解和吸收知识的前提，激发学生的创新动机和创造性思维。

2.4.2 参与式教学

为打破物理化学枯燥、沉闷的传统教学方法，尝试开放式教学内容，对一些易懂的章节，让学生自己提前预习写教案并上台讲解；同时进行提问式讲课，使用无标准答案习题；将课堂测验作为平时作业考核，避免了学生抄袭作业和逃课的现象；此外还采用了以论文形式考试等参与式教学方法，以培养学生的“参与” 意识，提高学生学习的主动性、积极性和效率，培养学生的创新能力。

3 新体系和教学方法的应用实践效果3.1 激发了学生的创新意识和创新能力

在新课程教学体系实施过程中，任课教师将科研全面渗入本科教学，将科研优势转换为教学优势，不仅拓宽了学生的专业知识面，培养了学生从事科学研究和解决实际问题的能力，而且可使学生的创新意识和能力得到一定程度的提高。如在实践教学过程，学生结合专题讲座，独立设计并完成一些与专业相关的实验；另外不同专业的学生积极申请大学生创新基金项目，如笔者在近年来共指导7名学生申请到学校的大学生创新基金项目资助(表1)。从表1各项目名称可以看出学生具有较强的发现实际生活中存在问题的能力，同时也反映学生在学习了物理化学原理后，能够想到利用物理化学原理解决实际问题。这些证明该改革举措对学生创新思维、创新意识和创新能力的培养是有意义的。

表1 大学生创新基金项目情况

3.2 充分发挥了学生的主体作用和教师的主导作用

在新课程教学体系实施过程中，始终以实际问题为引导，让学生带着实际问题去学习。如在界面化学一章，以一些常见的自然现象和实际生活中存在的问题为先导：为什么自然界中液滴、气泡总是圆形的？为什么气泡比液滴更容易破裂？为什么会产生毛细现象？为什么会下雨？人工降雨依据什么原理？向高空抛撒粉剂为什么能人工降雨？为什么在参观面粉厂时,不能穿带铁钉的鞋?为什么土壤能保存水分?等等。然后从理论上对这些问题进行分析讨论。另外还让学生参与讲授部分章节，如化学平衡和化学反应动力学部分。由于学生在先行课中已经初步学习了一些概念和公式，而且这两章相对来说容易自学，因此在课堂教学中要求学生自己写教案，做ppt，与教师进行换位，以此调动学生学习的兴趣和积极性。最后让学生结合应用专题讲座，查阅有关文献资料，写出课程论文。另外，教师要随时听取学生的心声，如在学生完成作业时，让其写出对课程教学的建议和意见。从学生反馈回来的建议和意见中可以看出，“问题教学+参与式教学”容易实践，学生乐于接受，而且这种教学方法有助于发挥学生的主体作用和教师的主导作用。

3.3 促进了物理化学课程的建设

2007年物理化学课程获批为校级精品课程，并建设了物理化学精品课程教学网站；2008年4月顺利通过验收。通过精品课程网站可以将我们的教学改革思想和改革成果向校外进行展示。物理化学与专业结合的创新性教学模式改革与实践(2007年)以及物理化学课程体系的优化及教学方法的研究与实践(2008年)两项成果获得校级教学成果二等奖。

3.4 在教材中的体现

2008年4月，笔者参与(副主编)的普通高等教育“十一五”国家级教材《物理化学》[5]、《物理化学学习指导》[6]及多媒体课件立体化教材由科学出版社出版。近年来，该教材在全国农林院校中得到了广泛的使用，除参与编写的7所院校外，还有河南农业大学、贵州大学、内蒙古农业大学、青岛农业大学等学校多年来一直在使用该教材的不同版本。这些证明了该教材的新体系顺应了目前国家对人才培养的新要求，得到了兄弟院校同行和学生的认可。2010年10月，笔者主编了全国高等农林教育“十一五”规划教材《物理化学》[7]，已由中国农业出版社出版。