物理化学研究型教学的系统构建与实践

张树永 李英 苑世领 郝京诚

(山东大学化学与化工学院 山东济南250100)

近年来，通识教育与专业教育相结合的培养模式越来越多地被我国高校所采用。山东大学自2008年开始着手构建通识教育体系，设置3个层次共48学分的通识教育课程，同时设置了最多18学分的理科学科平台课程，通过压缩专业课教学学时，增加实践教学和专业选修课学时，配合全方位创新教育体系建设［1］和专业课教学理念及教学方法改革，目的是将创新意识及创新能力教育贯穿于整个人才培养过程之中，探索培养拔尖创新人才的新模式［2］。作为化学学科的理论和方法论基础，物理化学教学在化学创新人才培养中具有十分重要的地位。我们从2003年开始进行物理化学研究型教学建设并取得了一些进展和经验，介绍如下。

1 研究型教学改革举措

有关研究型教学的定义目前还缺乏一致的说法，有人将研究型教学分为渗透型、专题型和实践型［3］，我们认为研究型教学是一项系统工程，不宜将其概念化和程式化。研究型教学要求我们将教学指导思想从以知识习得为目的的“知识型教学”向“能力型教学”转变，并加强科学方法教育［4］，加强教学的整体设计，发挥教师的主导作用和学生的主体作用，做到教师与学生相结合、课内与课外相结合、理论与实践相结合、学习与研讨相结合，推进以兴趣和方法为先导的教育［5］，培养批判精神，推进自主学习(active learning)，提高学习层次。

1.1 教师的主导作用

课堂的容量是有限的，教师在课堂上只能传授知识的基本框架、基本原理、基本方法和基本思路，要提高学习的层次和效果，必须利用好课外的时间和资源。因此，教师的主导作用不应仅仅局限于课堂，更应体现在课外。必须改变以往忽视课外教学的积弊，努力提高课外学习的效果。

教学的第一要务是启发学生的兴趣与智慧。在课堂教学中教师的主导作用主要应体现在启发兴趣，讲清知识脉络、辨析重点难点，讲授基本思路，培养批判精神。应根据知识的特点，合理安排授课方式。例如，对于热力学基本原理部分，可从常见现象出发，通过问题引导学生思考，使每一个基本原理都成为启发学生学习研究思路、培养研究兴趣的案例。物理化学中有很多思路和方法蕴含在化学史和案例中，如表征溶液导电能力为什么有电导、电导率、摩尔电导率、极限摩尔电导率、离子摩尔电导率等一系列概念;为什么要建立离子氛模型、简单碰撞理论模型、单分子层吸附模型等。在介绍平均活度系数(γ±)与离子间相互作用的关系时，先引入γ±与功(W)的关系，再给出Gosch晶体结构模型和Debye-Hückel离子氛模型，就可以将思路和方法以及模型的本意讲清楚。为了培养学生的批判精神，教师应带头质疑教材，如电导测量电路如何接入可变电容器［6］，高输入阻抗电压表是否可以测量电极电势等。批判和质疑可以使学生不再满足于教材，可以促使学生通过对知识进行分析、综合和评价，不断提高学习层次，培养创新意识。

在课外学习部分，教师的主导尤为重要。教师应给出高水平的问题，指导学生阅读、引导学生思考。应推荐几本参考书让学生研读，同时提供部分前沿文献以拓展学生的知识面，使教学与科研、生活相衔接，使学生能应用基本理论解决自己遇到的问题。应增加可测评的课外学习内容，如需上交的小组作业和课程报告等。为保证组内学生相互交流，培养团队意识，我们通常采取抽签的方式进行检查。在热力学基本原理部分，我们要求学生课下查阅资料，针对一些科研热点和前沿问题进行讨论;对简单级数反应的速率方程则采用学生课后自学、上课抽签进行黑板推导、而后共同总结的方式，使原本一整节课的内容只用不到20分钟就解决了;对于电解、腐蚀与防护、化学电源等应用部分，我们安排小组就一些典型问题如合成高铁酸钾(无机电合成)、有机物氟化(有机电合成)、阳极保护、缓蚀剂、燃料电池、锂离子电池等作课程报告，虽然所用时间与授课差不多，但却能锻炼学生的团队意识、查阅资料的能力和语言表达能力，其效果比教师讲要好得多。在小组研讨部分，我们给学生提供了一些具有挑战性的题目和一些没有确切答案的开放性题目，如为什么碱金属的电极电势与其活泼性顺序不同，为什么月食前出现红月亮，通过头脑风暴(brain storms)的方式拓展学生的发散思维能力。课程论文是研究型教学的重要组成部分，我们在课程网站上适时公布优秀论文示例和论文评分标准，以引导和促进学生提高论文撰写水平。这些措施取得了良好效果。一些学生的课程论文观点新颖、创新性强、深入、系统，有的已达到可发表的水平［7］。

考试是督促学生学习、检查教学效果的重要形式。我们从2003年开始进行多样化考试改革，设计了课堂表现(包括回答提问和10分钟测试等，10分)、课后作业(10分)、小组研讨(10分)、章节考试(10分)、课程论文(10分)、期末考试(50分)等环节。其中10分钟测试、课堂提问和章节考试构成日常学习驱动力。期末考试采用“一页开卷”(即允许学生在一张A4纸上对课程内容进行总结并作为考试的参考)，以培养学生的总结归纳能力，推动学生形成具有个人特色的知识体系。

1.2 学生的主体作用

陶行知说“好的先生不是教书，不是教学生，乃是教学生学”。学生是学习的主体，教师的作用就是指导学生养成喜欢学习、善于学习、终身学习的习惯，调动学生学习的主动性，并发挥其创造性。由于教学改革的需要，物理化学课程的教学学时已从以前的126压缩到96，学校已经将该给学生的时间留给了学生，教师需要做的就是把该是学生的任务留给学生，并采用各种有效方法督促学生发挥好主体作用。

学生的课外学习可分为两个阶段，一是复习巩固、二是拓展提高。在复习巩固阶段，学生需要对笔记和教材进行研读。实践结果表明，不少学生的确按照教师的要求养成了同时研读印永嘉《物理化学简明教程》、傅献彩《物理化学》和Levine Physical Chemistry的习惯。这3部教材各具特色，对拓展学生视野、引发思考很有帮助，而学生提问的问题不少都是从后两部教材中产生的。在通过识记与理解实现知识的内化后，学生还会通过应用以实现知识的泛化和能力的提升，主要表现在做作业和进行小组研讨上。虽然学生一般都会购买习题解，但我们在作业批阅的过程中发现，学生往往会采取不同的思路来解题，这表明学生们没有被习题解束缚，而是在利用自己所掌握的原理和方法，表现出良好的自信。在拓展提高阶段，学生能够在教师的指导下以小组讨论、小组报告、课程论文等形式完成具有深层次、广泛性、挑战性的学习内容。在学生上交的小组作业和课堂回答中可以发现，每个小组提供的答案都不尽相同，体现出集体研讨的特征。而且，学生们还养成了组内交流的习惯，只有组内讨论无法解决的问题，才提出来和教师进行研讨。在课程报告方面，各小组都采取了集体制作的方式，很多小组还实行了分工合作，由2～3人承担一个部分，而后大家一起做PPT、汇报和回答提问。学生所做的报告既有深度又有广度，达到了较高的水平。课程论文是最能体现学生主动性和创造性的自主学习形式。很多学生通过课程学习或者日常观察，提出了有一定见地的题目，而后按照科学研究的模式设计实验、分析结果、得出结论，并对结果进行评价，体现出良好的科研素养。有些学生善于进行理论思考，并致力于解决一些具有挑战性的问题。如有学生选定“为什么碱金属的电极电势与其活泼性顺序不同?”的问题作为目标，结合物理化学和应用电化学课程学习的内容，自己查阅了大量文献和资料，写出了一篇完整且具有较高水平的论文。从过去几年的情况看，每年都有5%～10%的学生论文成绩可以达到9～10分，约20%～30%的学生可以达到8分，低于7分的学生只有10%～15%，而且成绩呈现逐年上升的趋势。

通过学生在自主学习过程中的表现可以看出，绝大多数学生喜欢通过自主学习的方式来挑战和提高自己，能够努力按照教师的要求高水平地完成自主学习内容，并加强组内同学间的交流和合作。而自主学习对培养学生的创新意识、创新能力发挥了不可替代的作用，通过这种方式，学生所学和所得远比教师直接给出方案和结论要更深更多。

2 研究型教学网站建设

为指导和辅助学生的自主学习，我们从2003年开始建设课程网站，并不断丰富网站内容。2011年，利用学校建设课程平台的机遇，我们进一步加大了教学网站建设力度，并对网站进行了研究型教学升级和改造(课程网址:http://course.sdu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?action=view＆courseType=0＆courseId=13)。

物理化学课程网站设有“课程首页”、“上课资源”、“课外学习”、“实验教学”、“课程资源”、“物化智慧”和“申报材料”7个一级栏目。“课程首页”栏目包括课程简介、课程教材、教学队伍以及如何学好物理化学等。“上课资源”栏目给出了课程大纲、教学日历、考试大纲、教学课件、文本资料、教学视频、问题教学和课堂记录等，其中的“教学课件”给出了全部英文版教学PPT，学生既可网上浏览也可下载使用;“教学视频”可用于帮助学生自学和复习;“问题教学”则给出了课前预备、课堂思考和课后延伸3个层次的问题，分别引导学生进行预习、思考和巩固提高。“课外学习”栏目是研究型教学建设的重点，包括课程作业、小组讨论、课外阅读、测试样卷、学生论文精选、学生报告、物化荣誉厅、汉英词汇和常用参数等栏目，其中的“测试样卷”给出了测试种类和评分标准;“学生论文精选”给出了优秀的学生课程论文及论文评分标准，以指导学生提高论文写作水平;“物化荣誉厅”给出了物理化学名家简历和成果，让学生在学习知识的同时感悟智慧和精神。“实验教学”栏目设有实验指导、教学改革、教材建设、教学成果、实验竞赛、创新课题、建设图鉴等项目，并与物理化学实验教学网站建立了链接。“课程资源”栏目是本网站建设的特色之一，给出了任课教师多方收集整理的具有自主知识产权的图片、照片、录像等，既可作为教师上课编写课件的资源，也可引发学生兴趣，指导学生自学。如讲授腐蚀和防护时，可以安排学生登录网站辨别腐蚀的种类和防护的形式，效果良好。“物化智慧”栏目主要体现科学方法教育在人才培养中的重要地位和作用［4］，主要介绍物理化学课程中所涉及的一些基本思路和基本方法，如“大胆假设、小心求证”、“线性化方法”、“模型化方法”、“相对基准方法”等，通过阅读，学生可以在学习基本知识的同时了解科研的思路和方法。“申报材料”栏目包括申报表、教学改革、课程评价和学校文件等内容。

3 研究型教学心得

以往的教学通常是以知识教育作为落脚点和目标，而研究型教学则要求在对知识系统化的基础上附之以素质和能力培养的内容，知识不再是终极目标而同时成为素质和能力的载体。研究型教学是综合性、系统化的教学，单纯的案例教学、基于问题的教学(problem-based learning，PBL)、头脑风暴、启发式教学、讨论式教学、学生报告等都构不成真正意义上的研究型教学;只有遵循素质和能力培养这条主线，合理安排各种教学方法，才能实现全面培养学生科学素质、创新意识和创新能力的目标。充分利用课外时间和丰富的网络和图书资源，将课外学习纳入教学过程统筹考虑，并使之成为课堂内容的延续、补充和深化具有重要意义;而出于培养学生自主学习能力的需要，将化学信息学课程提前到大学一年级讲授是开展研究型教学的必要前提［5］。

在教学中，学生普遍认为物理化学课程内容新颖，注意理论结合实际，注重启发学生的思维，重视学生能力的培养，可以学到很多课本上学不到的内容，对物理化学教学改革给予了充分肯定(参见课程网站)。这表明，研究型教学虽然增加了学生的学习负担，但因为培养了学生的兴趣，调动了学生学习的积极性，学生们对此是积极支持的。

［1］张树永，王仁卿，樊丽明，等.中国大学教学，2010(10):56

［2］张树永，梅强，王宪华，等.高等理科教育，2011(6):111

［3］蒋庆丰，游珍.高等理科教育，2007(6):141

［4］高盘良.中国大学教学，2010(3):7

［5］张树永，宋其圣.大学化学，2005，20(4):14

［6］马洁，邸静，初一鸣，等.大学化学，2008，23(1):55

［7］杨修洁，陈建强，任丰丰，等.大学化学，2008，23(5):33