构建契合新工科专业的物理化学课程

吴静　刘煊赫　孙兵

摘  要：物理化学作为一门基础化学课程，在众多高校设置、面向众多新工科专业开设。在当今新工科建设的背景下，作为受众较多的一门课程，物理化学需在教学各方面做出积极改革，从而满足新工科人才培养的需要。文章中，作者提出从筛选教学内容、变换教学形式、挖掘思政元素和利用综合课题四个方面去构建契合新工科专业的物理化学课程，以便在教学过程中培养学生的工程意识、创新意识、人文意识和跨界整合意识，有助于实现新工科人才培养的目标。

关键词：物理化学;新工科;人才培养

中图分类号：G640 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）04-0001-05

Abstract： Physical Chemistry is a chemical foundation course set for students in many universities and new engineering specialties. Based on the development trend of new engineering construction， it is necessary to actively reform physical chemistry course which is set for many students in order to meet the requirements of personnel training goal of new engineering education. In this paper， we propose selecting teaching contents， changing teaching methods， excavating ideological and political education elements and utilizing comprehensive programs to construct suitable physical chemistry course for new engineering specialties in order to cultivate students equipped with engineering， innovation， humanity and culture and crossover integration awareness contributing to realize personnel training goal of new engineering education.

Keywords： Physical Chemistry; new engineering; talent cultivation

当今世界兴起了新的一轮产业革命和科技革命，全球经济蓬勃发展，由此对工程教育的发展和改革提出了新挑战，新工科建设是针对这一挑战而作出的积极回应[1]。“新工科”中的“工科”是指工程学科，“新”是指新兴、新型和新生。“新兴的工程学科”是以新能源、新材料、人工智能为代表，指的是新生的、从未建立的新学科，主要是指针对新产业和新技术的未来发展趋势，从非工科学科中孕育、开拓和外延而来的学科。“新型的工程学科”是以机械、土木、化工为代表，指的是由于互联网和人工智能对传统产业产生的颠覆性影响，需要对传统的、已有的学科进行转型、改造和升级，拓展其内涵、转变或提高培养目标、改革和创新培养模式，由此而形成的新学科。“新生的工程学科”是以工程管理、智能医学工程、光电信息科学与工程为代表，指的是多种学科交融而诞生的新学科，包括多种工程学科内部的有机复合、工程学科与非工程学科的渗透融合。

开展新工科的研究与实践活动是目前新工科建设的主线，专业建设是其表现形式，培养勇于创新、擅长自然之道的伟大工程师是其目标[2，3]。笔者所在的是一所以地学为特色的高校，涵盖的新工科专业是以新兴和新型工科专业为主，例如：能源、材料、信息工程、水资源与环境、土地资源与工程等，新工科建设的主要任务是对已有专业进行升级改造、转型发展机制、拓展专业内涵、创新培养模式和提高培养目标。物理化学作为一门重要的基础理论课程，面向学校几乎所有的工科专业开设，通过该课程的学习，学生能借助物理学、数学等基础学科的理论及实验手段，来研究化学现象和物理现象之间的相互联系，了解物理及化学过程中的能量变化规律，从而找出化学运动中最具有普遍性的基本规律。学生学习物理化学知识可以为解决在生产、生活实践和科研实验中遇到的实际问题提供理论基础[4-6]。新工科建设的人才培养目标是培养专业型、创新型、综合型和高素质人才[1]。以新工科的建设为背景，积极探索适合新工科专业的物理化学教学方式，对培养学生的学习兴趣、专业意识和增强学生的实际操作能力显得尤为重要，也符合新工科建设的目标[7]。笔者结合多年物理化学课程的教学实践和教学经验，提出从筛选教学内容、变换教学形式、挖掘思政元素和利用综合课题的角度，去培养学生的工程意识、创新意识、人文意识和跨界整合意识，以期望构建出契合新工科专业建设需要的物理化学课程，实现新工科建设人才培养的目标（图1）。

一、筛选教学内容，培养学生的工程意识

物理化学课程内容的特点是理论枯燥抽象、公式推导繁琐、公式的适用条件多，学生难以理解掌握，所以，首先，教师要吃透教材，全面掌控整个教学内容，对不同专业的学生侧重点有所不同，才能真正做到契合學生专业，提高课堂教学效果。例如，热力学第一定律和第二定律的研究对象主要是处于平衡态的密闭系统，而实际上，工科专业的学生面对的一般都是非平衡的敞开体系，因此，学生会感觉所学难以致用。而且，热力学三大定律在《大学化学》《大学物理》等课程中也会学习，会让学生觉得缺乏新鲜感，久而久之，学习积极性自然不高。针对该问题，教师就可以适当减少该部分经典内容的讲解，而将重点转移至如何利用从这些定律衍生的判据来判断反应的方向和限度，或者在教学中，有意识地引入一些非平衡态热力学的内容。例如，面向医学工程专业的学生讲授时，就可以将人体作为一个非平衡态系统，健康状态是这个非平衡态系统的稳态，疾病状态则是打破了这种稳态[8]。土地资源与工程专业的学生则可以将土壤视为一个敞开体系，有机物和离子在其中的迁移就是一个非平衡过程。能源专业的学生则可将选矿过程视为一个非平衡过程[9]。

由于工科专业的培养目标不同于理科专业，因此，面向这些专业开设的物理化学课程不能简单地照搬物理化学教材上的理论内容，有必要精简其理论性而增加其实用性[10]。例如，面向医药工程专业的学生讲解相图中的简单低共熔混合物的相图时，可以举例制药时如将原料药与载体以低共熔点的比例混合，所制备的药物结构是均匀分散的，在体内的溶出速度就会显著改善，增大生物利用率[11]。在讲解简单级数反应时，又可引导医药工程专业的学生利用该部分知识如何来计算药物的有效期。只有挑选与学生专业相关的教学内容才会引起学生兴趣，学生在解决具体工程问题时，可以借助于所学的物理化学知识提炼出恰当的科学模型，并对其进行专业分析，进而提出专业性的解决思路，激发学生学习动机的同时培养了其工程意识。

二、变换教学形式，培养学生的创新意识

物理化学课程由众多知识点构成，在科学筛选教学内容的基础上，需要合理采用多种教学方法，才能进一步提高教学效果，实现有效教学，学生在熟练掌握课程内容的基础上，才有可能实现创新。

（一）创设情境法

真实的经验情境是教学过程的第一要素[12]。在课堂教学过程中，创设与学生专业相关的情境，一方面可以提高他们的学习热情，达到最佳学习状态;另一方面，可以帮助学生发现问题，并引導他们寻找解决问题的方法，培养创新思维[13]。例如，面向食品工程专业的学生讲解复杂反应这一章节时，可以着重讲解油脂催化加氢在食品方面的应用：可以改变油脂的性质与味道，从而改善食品的品质和风味。面向能源专业的学生讲解多组分系统相关知识的时候，可以着重讲解如何用该部分知识描述由各种气体组成的天然气，在讲解表面现象的相关知识的时候，又可着重讲解界面现象、表面吸附等知识点在天然气传输管道中的应用，引导学生思考如何实现天然气的减阻传输。

（二）启发式教学法

物理化学中的抽象内容适合采用启发式教学法，教师就课程内容提出一个学生感兴趣的问题，启发他们进行积极思考，从而激发学生的创新思维。例如，在讲解“表面张力”的相关内容时，可以提问学生：如图2，在毛细管中，分别有一段凸液柱和凹液柱，在毛细管右侧加热时，液柱怎样移动？在讲解完附加压力后，学生就会思考加热后，右侧液面的表面张力降低，附加压力减小，但是凸、凹液面的附件压力方向不同，因此，凸液面向右移动而凹液面向左移动。同样，在讲解这一章节时，还可以提问学生：在日常生活中，毛刷在干燥时是蓬松的，而浸水后会变软并粘连在一起，为什么？这个看似简单的问题，同样要用表面张力的知识来解释。毛刷被水润湿后，在刷毛之间会形成水膜，这层水膜会倾向于减小自己的表面积，以降低表面能，因此，刷毛就会粘连在一起。

（三）案例教学法

利用案例进行教学有利于学生学以致用，受案例启发则可以迸发创新思维的火花。案例一：在讲解节流膨胀相关知识时，可引用案例：高压氧气瓶打开阀门放气时，一段时间后，阀门变冷，阀门及其附近的管道表面会有液滴，甚至挂霜，这就是由于氧气从阀门放出时，相当于经过一个节流膨胀的过程，而氧气的焦-汤系数大于零，因此，经节流膨胀后，温度降低。案例二：在讲解溶液的依数性时，可引用案例：在寒冷气候下，运输原油时为防止原油凝固，可以在原油中加入降凝剂，以降低原油的凝固点，防止冻结。案例三：在讲解电化学相关知识时，可引用案例：油气运输管道表面的锈迹，可用电化学知识理解金属的腐蚀过程，以及如何来防腐。

（四）归纳式教学法

物理化学的知识点杂、章节较多，学生难以找到各章节知识点之间的联系，为了帮助学生理解知识点并找到其中的联系，在教学过程中可以采用归纳式教学法，用示意图来进行归纳总结。例如，在讲解电化学伊始，可用图3将电化学与热化学、电能与热能联系起来，学生容易找到两者之间的关系，还可区分原电池和电解池，便于新知识的学习。在讲解完二组分系统相图后，可用图4进行总结，学生可以一目了然地看出液-液二组分系统和固-液二组分系统相图分为哪几类、各有什么特点，不至于混淆各种类型的相图。归纳总结法可以厘清思路，找到知识点之间的联系，融会贯通后才可能创新。

在面向新工科专业的物理化学课程教学中，还可使用数学演绎法、习题讲解法、自主学习法等，多种教学方法灵活使用以促进教学效果的提高、激发学生的创新思维。

三、挖掘思政元素，培养学生的人文意识

2017年在复旦大学达成的有关新工科建设的“复旦共识”中强调了科学教育、工程教育一定要和人文教育有机融合，培养出的新工科人才必须具备厚积薄发的科学基础、架海擎天的工程能力、德厚流光的综合素质且勇于实现跨界整合。该共识明确指出了培养人文素质是新工科建设不可或缺的重要内容[14]。《耶鲁报告》也同样肯定了人文素质培养的重要性，该报告指出“没有什么东西比人文教育更为有用”[15]。科学教育和人文教育的失衡会培养出精致的利己主义者，带来很多弊端。思政教育中必不可少的一部分便是人文教育。习总书记强调：“要坚持把立德树人作为教育的中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，做好三全育人，努力开创中国高等教育事业的新局面”[16]。物理化学作为一门基础课，面向很多新工科专业开设，其受众广，所以很有必要在其教学过程中充分挖掘思政元素，将思政教育融入物理化学的教学内容并贯穿教学的全过程，以提高学生的人文修养，最终培养出高素质的新工科人才。

（一）挖掘历史人物，培养家国情怀

物理化学研究在我国虽然起步较晚，但是，在物理化学的发展史上亦不乏我国著名的物理化学家所做出的重要贡献。例如，物理化学家黄子卿先生测量了水的三相点，获得了水三相点的精确实验数据，并被推荐为国际通用的标准数据。在化学动力学的发展过程中，第一个准确势能面是由我国著名物理化学家孙承谔先生提出的，这个势能面的精确性被后来很多实验证实，该势能面的提出对过渡态理论的发展有重要贡献[17]。这些实例可以让学生感受到我国物理化学家前辈发奋图强、奋起直追，也能提高学生的民族自信心，提升他们的爱国情怀。

（二）挖掘人文哲理，培养文化自信

物理化学教材中蕴含了丰富的人文哲理，而其中的哲学内涵则与我们的一些国学思想不谋而合。例如，化学平衡移动原理与老子《道德经》中的自然平衡观“天之道，损有余而补不足”完全吻合[18]。同样是升温增热操作，对于放热反应和吸热反应所导致的结果完全不同。在放热反应中，产物端的热量有多余，升高温度是弥补反应物端的热量之不足，可以导致反应逆向进行;在吸热反应中，反应物端的热量有多余，升高温度是补产物端的热量之不足，可以导致反应正向进行。我们的先辈在千年之前竟然就已经将这一原理阐述地如此精妙，不得不赞叹我们先人的智慧。在教学过程中，引入这些内容可以在培养学生辩证唯物主义世界观的同时，提升他们的文化自信。

（三）挖掘科学伦理，培养德才兼备

科技是一把“双刃剑”，只有帮助学生树立正确的科学伦理观，才能在享受科技发展带来的高度发达的物质文明的同时，尽量趋避它所引发的一系列弊端。例如，大规模合成氨技术是由化学家哈伯发明的，该技术的提出使得人类不再完全依靠天然氮肥，粮食产量显著提高，有效解决了全球性的饥饿问题。但是，他又研制了给全世界带来巨大灾难的炸药——硝氨、硝基苯等，哈伯因此既被称为“科学天才”又被称为“战争魔鬼”[19]。在讲述化学平衡知识点，讲解合成氨反应实例的同时，可以引入这个故事，对学生进行科学伦理教育，培养他们成为德才兼备的人才。

（四）挖掘美学内涵，培养文化修养

四、利用综合课题，培养学生的跨界整合意识

新工科建设中人才培养的关键是要培养新工科思维，即能综合运用各学科知识，进行创新研究和开发，以解決复杂的工程问题。在具备工程意识、创新意识和人文意识的基础上，新工科专业的学生还应具备跨界整合意识。在物理化学教学过程中，可采用参与研究综合课题的方式，让学生提前演练如何运用多学科知识去解决综合性问题。例如，课题一——设计新型除湿机。首先，学生需要利用物理化学中水的相图、毛细管凝聚、固液吸附和解析等知识点去理解除湿机的工作原理，在此基础上再利用材料学知识去设计和制备新型的、可用于除湿的吸附材料，除湿机内部的电子元器件、线路组装则需利用到电路学方面的知识，整机的组装则需要自动化方面的知识[22]。课题二——脑电波与学习模式之间关系的研究。该课题研究需要监测脑电波，因而，学生首先需要利用电化学和材料学方面的知识去制备能监测脑电波的电极，还需整合电子学知识设计主动式放大电路，此外，还要依靠机械设计学知识设计舒适且能稳定接触的电极帽。在得到脑电波数据后，还需要统计学知识才能分析它与学习模式之间的关系。在综合课题研究中，将物理化学知识结合多学科进行整合利用，在调动学生对物理化学课程产生学习兴趣的同时，培养了学生的跨界整合意识。

五、结论

新工科建设是一项复杂、长期、全局的系统工程，需要服务于新工科建设的各项基础课程也同步改革。物理化学作为一门面向众多新工科专业开设的基础课，探索从筛选教学内容、变换教学形式、挖掘思政元素和利用综合课题四个方面去积极探索构建契合新工科专业的物理化学课程，以培养具备工程意识、创新意识、人文意识和跨界整合意识的新工科人才。

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基金项目：本文受国家自然科学基金面上项目“构建纸基微流控芯片血脑屏障模型及疾病标志物超灵敏分析新方法”（编号：21874120）;2019年中国地质大学（北京）本科教育质量和教学改革工程建设项目“构建契合非化学专业学生的物理化学课堂”（教发[2019]32号）;中国地质大学（北京）第四批“求真学人”计划资助项目“基于纸基微流控芯片构建生物医药研究模型”（编号：2652018004）

作者简介：吴静（1986-），女，汉族，安徽宣城人，博士，副教授，研究方向：微流控分析和发光纳米材料;刘煊赫（1988-），女，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，研究方向：二维材料的制备及电催化材料;孙兵（1988-），男，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，研究方向：二维材料的制备及性能。