“物理化学”创新思维下的教学实践

刘燕，巩伟

(上海交通大学化学化工学院，上海200240)

“物理化学”创新思维下的教学实践

刘燕，巩伟

(上海交通大学化学化工学院，上海200240)

由化学热力学、动力学以及结构量化3大理论体系构建的物理化学学科是4大化学中理论性较强的一门课程，长久以来都是教学中的难点。在注重培养“创新型”人才的新时代背景下，从强化“兴趣教育”、调动学生“主观能动性”，多种教学手段的有机融合，课程基础知识和文献知识相结合，结合科研、优化实验教学内容，多元化的考核评价体系等5个方面，就提升物理化学的教学质量进行实践，以期激发学生的学习兴趣并提高教学效果。

物理化学；改革；创新；教学效果

物理化学是化学教学中一门重要的基础课。作为化学学科的理论支柱，物理化学既有着严密的科学体系，又会在发展过程中形成新的思想和革命性的研究方法。《自然科学学科发展战略调研报告(物理化学卷)》中明确阐述了物理化学的重要性：“实践表明，凡是具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通、自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿”[1]。简而言之，物理化学在整个化学教学中起着承上启下的作用，对培养学生科学的思维方法和创新能力有着重要的意义。由于物理化学学科的特点，比如内容抽象、公式繁多且适用范围又有严格的限制、逻辑性强等,这些固有的特性使得教师难教、学生难学的现象时有发生。如何使学生能够在轻松愉悦的环境下领会物理化学的精髓、掌握物理化学的学习方法并开拓其创新能力则是当前物理化学改革的指导思想。

1 强化“兴趣教育”，调动学生主观能动性

当前物理化学的教学方式仍然以课堂灌输为主，即老师“满堂灌”，学生“满堂抄”，极大限制了学生学习的主观能动性，学生提不起兴趣，导致的结果就是教学效果达不到预期。因此，改革这种传统教学方法已成为大势所趋。笔者在多年物理化学的教学中深切体会到，教师要想教好物理化学课程，必须付出大量的创造性劳动。只有通过大量创造性劳动的累积，才可能提起学生的学习兴趣、提高其学习积极性，从而收获较好的教学效果。

创造性劳动一方面对教师提出了较高的要求，即教师本身必须对物理化学课程内容有着深刻的理解；另一方面则体现在教师的授课方式上：针对教学目标，以课程内容为基础，提出问题，循循善诱，引导学生对问题进行思考，然后在授课过程中循序渐进地解决问题。比如在进行热力学第二定律的讲解时，教师可以首先提出问题：自然界所有的化学过程都遵循热力学第一定律，那么是否只要是不违反第一定律的化学过程就一定能自动发生呢？进而请学生尝试举例证明。该问题的提出可以很好地启发学生，吸引学生的参与，而学生在举例的过程中就会发现自发过程的规律，即不可逆性。这样，教师即可顺理成章地引出一个新的概念：熵，同时学生也通过该过程加深了对熵的理解。以金刚石和石墨的转化为例讲解化学反应平衡和反应速率时，同样由碳元素组成，石墨如何才能转化为更昂贵的金刚石？能转化多少以及通过什么手段可以提高转化率？这些问题都可以利用物理化学中的平衡及速率理论进行预测，而不是进行大量耗时耗力的实验尝试。通过这样的例证学习，能够极大地激发学生的学习兴趣。又比如为什么荷叶表面可以进行自清洁？引起学生对未知领域的兴趣后，通过对表面化学内容的学习，可以知道荷叶的超疏水性以及独特的表面凸起结构是导致其具有自清洁功能的根本原因，进而指导学生通过文献查阅了解更多相关知识，进一步巩固对该部分内容的理解，在掌握基础知识的同时，既开拓了思维，也提高了学生对科学研究的兴趣。

除了上述“教师提问-学生思考-教师总结”的教学方式，还可以采用讨论式教学，这种教学方式相对于传统教学方式的显著特点是充分发挥了“教师为主导，学生为主体”的现代教学指导思想，不仅增强了教学两方的双向交流，促使教师和学生共同投入精力参与到课程内容的理解中，而且有助于集中学生的注意力，极大地提高学生的能动性。比如先提出问题：在一个完全封闭的房间内，打开冰箱门并让其工作足够长时间，是否可以降低房间温度？很多同学会认为房间温度会下降，这时，巧妙地引入热力学第一定律的内容，通过详细地讲解，引导学生获得正确的答案，而这种联系实际的教学过程更能够使学生加深对知识的理解和记忆。但要注意的是，基于物理化学极强的理论性和逻辑性，大部分内容很难直接进行讨论。经验表明：教师一定要在了解学生实际水平的基础上拟定讨论问题，若问题难度较大，可能造成学生无法回答的冷场局面，同时也打击了学生的自信心。因此，对于问题的提出，应考虑设计一定的难度梯度，由浅入深，由简到难。

2 多种教学手段的有机融合

在科技快速发展的新时代，多媒体技术的快速发展为课程教学提供了一种全新的方法。相较于传统教学方法，多媒体教学课件色彩丰富，信息量大，在清晰准确表达课程内容的同时能显著吸引学生的注意力，起到增强教学效果的作用。另外，利用多媒体课件授课可以显著节省板书时间，而且较为直观，学生也更易理解和接受。比如在过渡态理论的教学中，可以将“势能面”制作成3D动画，这样学生能够轻松地从三维空间理解“马鞍点”、“能垒”和“反应的最低能量途径”等概念。在学习到化学动力学相关内容时，将双分子基元气相反应中的分子简化成钢球，用flash动画将其碰撞形成新物质的过程展现出来，从而使学生能更直观地了解微观层面的分子碰撞理论。虽然多媒体教学有着不可替代的优势，但对于一些难以理解的理论和公式，应该结合板书进行引人入胜地推导和讲解，这样学生才能熟练掌握课程中的重点和难点。因此，将多媒体与传统教学手段有机融合，应该也必将成为未来很长一段时间里物理化学教学的主要方式[2]。

3 课程基础知识和文献知识相结合

物理化学是一门重要的基础理论课，掌握教学大纲规定的基础知识是对每个学生的最基本要求。学科的发展使得基础知识在深度、广度和应用范围等方面有更深层次的发展，因此对学生的物理化学素养及综合能力也提出了更高的要求。除了课本上的知识，物理化学及相关领域的一些最新研究成果通常都发表在各种国内外学术刊物上，教师除了传授基本的理论知识外，还应该引导学生通过查阅相关图书、期刊或者通过网络查阅科研文献获取这些知识内容。比如针对药学专业的学生，在讲完热力学内容后提出问题：简单地设计镇痛药物阿司匹林的合成路线。学生可以分组查阅相关资料和文献并进行讨论，最终通过文献查阅并结合所掌握的热力学知识，设计合理的反应路线，并通过改变条件以获得最优的产率等。这种将基础知识、文献知识和生产实践联系融合到一起的过程，既充实了有限的课堂知识内容，也给学生提供了一个广阔的思维空间，并引领学生利用所掌握的物理化学知识来解决专业相关领域中遇到的问题，真正做到学以致用；学生针对自己感兴趣的问题，通过积极收集文献资料可以极大地拓宽知识面，充实自己。同时，学生对相关领域的数据库和权威期刊有了基本了解，掌握了文献检索和专利查询的方法，提高了他们获取化学信息的能力，为今后的学习和工作打下了基础。

4 结合科研，优化实验教学内容

实验教学是物理化学课程中必不可少的组成部分，但目前并没有得到足够的重视。当前物理化学实验教学中大部分均为验证性实验，而更有意义的研究性实验极少甚至没有，从而导致学生对实验课兴趣下降，能动性差，实践能力无法提高。基于上述原因，在物理化学实验教学改革中应该着重关注实验设计、实验操作和数据处理3方面，即要求学生能够把握3个层次的内容：明确实验仪器的基本原理和操作；熟知仪器可以获得什么样的数据；掌握实验数据的处理方法并获得合理的实验结果。特别是药学专业，由于其更偏重于药物的提取以及合成，对基础实验知识的要求更迫切，因此增强课堂内容与基础实验的联系显得尤为重要。例如在讲授相平衡章节时，以中草药有效成分提取实验为基础，指导学生进行有目的地查阅相关资料，并随即进行实验课程的教学，让学生在熟练掌握实验操作的同时更深刻地理解蒸馏、萃取与相平衡之间的联系。再比如在讲授化学动力学时，可选择合适的药品作为合成目标，以最低成本和最高产率为指导思想，指导学生查阅相关文献，利用动力学相关原理设计最佳反应条件，包括催化剂筛选、温度调节等，在这个过程中，让学生充分理解化学动力学的精髓，培养学生良好的实验习惯和思维,增强学生的研究兴趣，为今后的发展打下良好的基础[3]。同时，教师可以将自己的科研内容与课程知识巧妙地结合，增强学生对物理化学的学习兴趣。比如笔者在讲到催化部分内容时，以自己所研究的金属-有机框架材料在催化中的应用为例，通过介绍加深学生对催化系统中的基本概念和知识点的理解。在这种类似的教学过程中，让学生了解到科研与课程内容之间的关系，鼓励学生学好课本知识，以便将来更好地投入到科学研究中。

5 多元化的考核评价体系

教学效果的好坏，需要一套完整高效的考核体系进行评价。考核结果可以对教学双方进行双向反馈，一方面帮助学生检查知识漏洞，另一方面促进教师改进教学方法。当前的物理化学考核方式中书面考试占很大比重，这种方式的弊端是学生往往选择通过考前一周的突击复习来应付考试，这就使“习题-应试”成了物理化学学习的主旋律。如何让学生始终保持学习的能动性是制定考核方式时最需要关注的问题。因此，可以尝试建立多元化的考核手段，降低书面考试的比重[4]。一方面可以通过课堂提问以及随堂测试等方式让学生时刻保持注意力集中；另一方面可以通过多次阶段性考试，让学生在整个学期都保持良好的学习积极性和能动性。对于书面考试，不盲目追求题目难度，而更加注重对基础知识的考察及物理化学知识在实际生活中的体现。对于药学专业的学生来说，还可以将基础实验技能测试也纳入到考核体系中来，考查学生理论与实际应用结合的能力。这套多元考核体系，充分体现了“素质教育”的理念，旨在努力提高学生综合素质，其实质是将考核评价贯穿于学习的整个过程，而学生要想适应这种考核体系，就需要不断地努力学习，培养自己的创新思维和动手能力。

通过物理化学教学的不断发展和实践,笔者认识到：学生综合素质的提高离不开高水平的教师，而教学改革旨在督促教师不断提高教学水平以及探索更合理高效的教学方法。教学改革是关乎物理化学全局的大工程，作为教师，最应当做的是提升自身素质，踏踏实实地摸索最适合自己和学生的教学方法，实时总结，不断完善。只有这样，才能从根本上促进物理化学学科的健康发展。

[1]高盘良.物理化学类课程的作用与定位[J].中国大学教学,1999, 6:24-25.

[2]马建春,薛金辉,王中慧,等.物理化学教学中板书应与多媒体灵活结合[J].广东化工，2014，41（20）：178-179.

[3]贺德华,麻英.物理化学实验教学的发展趋势与改革探讨[J].实验技术与管理，2006，23（3）：13-15.

[4]王芳,刘俊华.物理化学教学改革的探索与实践[J].广东化工，2014，41（19）：221-222.

Practice of Teaching in“Physical Chem istry”Based on Innovative Thinking

LIU Yan，GONGWei
(School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Physical chemistry,which is composed of three theoretical systems including chemical thermodynamics, dynamics and structure quantization,is themost theoretical and difficult course of chemistry.Accompanied by the development of“creative talents”,it’s urgently to promote the quality of teaching tomeet the needs of scientific development.The teaching methods from 5 aspects,including strengthening of interest education and mobilizing the initiative of students,integrating varies teachingmethods,combining curriculum knowledge and literature knowledgewith scientific research,optimizing the content of experiment teaching,using diversified assessment system,are provided to improve the teaching quality of physical chemistry, which will stimulate students'interest in learning and improve the teaching effect.

physical chemistry；reform；innovation；teaching efficiency

G642.0

A

1007-4260(2016)04-0155-03

时间：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.040.html

2016-09-05

国家自然科学基金优秀青年科学基金（21522104）。

刘燕，女，山东威海人，博士，上海交通大学化学化工学院研究员，研究方向为配位化学。E-mail:liuy@sjtu.edu.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.040