教学“新基建”背景下物理化学课程改革探索

王伟涛 陈香李 何珍红 王欢

摘  要：物理化学是化学化工类专业必修的基础理论课程之一，其教学内容理论性强，概念抽象。传统的授课仅是围绕物理化学教材内容，没有将物理化学课程的基础理论性、实践应用性、高阶挑战性及思政育人形成完整授课体系，难以适应新时代发展需求。在教学“新基建”背景下，该文针对物理化学课程授课中存在的问题，从课程内容、课程实验、教学方法和思政协同育人等方面入手，探讨课程“新基建”的建设方案，提出“基础性、实践性、高阶性、思政育人”的“四位一体”的物理化学课程建设方案，对物理化学及其他课程的改革提供一定的借鉴作用。

关键词：物理化学；教学“新基建”；教学改革；协同育人；四位一体

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0139-04

Abstract： Physical Chemistry is one of the basic theoretical courses for chemical engineering majors. Its teaching content is theoretical and abstract. The traditional teaching only focuses on the content of the textbooks， and does not form a complete teaching system for the basic theory， practical application， high-level challenge， ideological and political education of Physical Chemistry， which is difficult to meet the development needs of the new era. Under the background of "new infrastructure construction" in teaching， this paper discusses the "new infrastructure construction" proposal of the course from the aspects of course content， course experiment， teaching methods and ideological and political collaborative education， on basis of the problems existing in the teaching of Physical Chemistry. The "four in one" physical chemistry course construction scheme of "basic， practical， high-level and ideological and political education" was proposed. This provides a certain reference for the reform of Physical Chemistry and other courses.

Keywords： Physical Chemistry; new infrastructure construction in teaching; teaching reform; collaborative education; quaternity

中國教育正在由高速发展转向高质量发展。高质量人才的培养是高等教育高质量的根本和核心。教育部高等教育司原司长吴岩同志指出，课程作为人才培养的四项“新基建”（专业、课程、教材、技术）之一，是人才培养的核心要素；课程是教育中最微观的问题，但是解决的是教育的根本问题，教学改革改到深处就是课程。只有把课程建好建强，才能真正使提升人才培养质量得到最根本、最坚实的保障。

物理化学主要是应用物理原理和数学工具来探讨化学运动中最具有普遍性的基本规律，因此其研究对象、知识结构，尤其采用的研究方法不同于学生以前学习的大学物理、高等数学、无机及分析化学等课程。物理化学课程是化工类的基础必修课，也是环境、食品、制药、生物、地质和材料等学科的理论基础必修课；在化学（化工类）课程体系中处于枢纽地位[1]，上承基础课程，下接相关专业的专业课程。物理化学课程在本科人才培养过程中的作用不仅是为其他课程服务打好基础，同时具有培养创新能力的功能[2]，具有极为重要的战略地位[3]。在教学“新基建”背景下，物理化学课程不再是单独的一门课程，应该是包含多方面的课程体系，需要将价值塑造、知识传授和能力培养紧密融合[4]。因此，本文针对物理化学授课过程中存在的问题，结合陕西科技大学物理化学课程建设情况，提出“基础性、实践性、高阶性、思政育人”四个方面统一在物理化学课程体系中的“四位一体”课程建设方案，以实现人才的高质量培养。

一  物理化学授课过程中存在的问题

物理化学具有概念抽象、公式繁多、应用复杂等特点，如何通过课程的学习实现学生创新能力和实践能力的培养，建立科学的思维方式和逻辑推导能力是物理化学课程关注的重点和难点，在授课过程中具体表现在以下三个方面。

第一，物理化学课程理论性强，导致学生在学习过程中理解困难。在热力学三大定律的章节中，特别是热力学第二定律的理解较为抽象，同时不同的公式对应附带有不同的使用条件，容易使学生产生畏难的情绪。

第二，由于课时有限，针对物理化学的实际生活和生产实例应用及相关课外知识的扩展不足，不能将物理化学知识灵活转化为解决实际问题的能力；物理化学课程的传统内容不能针对实际应用提高课程知识的高阶性和挑战性，导致学生的创新能力和实践能力不足，不能应用物理化学的基本理论和知识来解决复杂工程问题。

第三，单纯的课堂授课很难使得学生理解，授课方式亟需改革。物理化学为化学类专业基础课程，陕西科技大学的物理化学课程针对化工大类的五个学院开设，一般是大班上课，难以实现针对学生的授课个性化需求；同时，学习交流平台的缺失，不能实现个性化的学习，导致教学效果不理想的问题长期存在。

二  “四位一体”物理化学课程体系的构建

针对以上问题，通过课程内容、课程实验、教学方法和思政协同育人等方面的改革和实践，构建理论课程、实践课程、课外提升、课程思政等方面完整的物理化学多层次梯度课程体系。如图1所示。

（一）  线上-线下教学资源的建设和教学模式实践，贯彻过程化考核，保障人才具有坚实知识基础

建立物理化学和物理化学实验课程的在线教学视频、教学资料、教学题库等，并分别在“学银在线”和“学习通”平台实现上线教学，物理化学已经完成了三期在线同步教学。在线课程视频以知识点作为课程内容，单个授课视频在5～15 min，能够使学生最大限度集中精神在知识点的学习上；同时可以使学生针对知识点进行个性化的学习。利用线上资源讲授基础知识概念和重点，通过对学习过程的监测，发现学生学习过程中存在的难点、易错点；实现个性化跟踪指导。在线课程平台能够实时跟踪学生学习时间段、学习完成情况、习题完成情况及课程讨论完成情况，能够及时发现学习过程中的问题，在线下进行面对面有针对性地讲解学生易错点、难点，提高课程授课的针对性和有效性。线下课堂面授课，开展翻转课堂授课，培养独立思考能力。学生在线上完成基础的课程知识学习后，在课堂面授课中就可以有效开展翻转课堂，发掘学生在相关知识点的理解深度和理解难点，同时能够培养学生独立创新的思考能力。同时，线上课程能够跟踪学习的各个环节，从而能够监控各个教学环节和教学知识点的掌握情况，从而有利于教师优化教学过程管理，提高教学质量，提升教师业务水平。

将过程化考核引入课程学习效果的评价中，在课堂前通过在线视频自学和发放讨论案例，促使学生在课前自主学习并发现自身的学习难点；在课堂上重点讲授易错点和难点，并启发讨论案例；在课后发放课堂知识测验题和课外拓展知识等，巩固所学知识。例如，过程化考核包括：课前的视频预习和讨论话题、课堂中的习题测验、课后的习题和讨论话题、期中测验和课堂笔记等，从而实现“课堂前、课堂中、课堂后”全过程覆盖物理化学学习。对物理化学实践教学，将物理化学实验学习分为“实验前-实验中-实验后”三个阶段。对每一个实验项目中所训练的实验能力，针对性地设计了实验目的、预习要求、知识准备、实验操作、注意事项和实验思考等环节，有效地将实验的线上和线下环节有机结合起来，形成完美的融合和互补，解决了物理化学实验预习不到位、实验操作不准确、实验安全不注意和实验思考不深入等问题。线上考核和线下考核的融合考核方式，能够促进全体学生参与到教学的各环节中，提高教学活动的参与性，从而促进学习的兴趣和积极性。

（二）  课程内容更新、虚拟仿真实验、课外知识扩展的建设，提供知识学习的高阶性和挑战性，提升创新能力培养

教学科研相互促进，以科研的思维去探索和发现课程内容在最新更新和应用，并及时引入课程内容中，促使学生能够及时掌握最新的相关科学知识，激发学习和对科研的兴趣，刺激学生继续深造的愿望。笔者就通过科研的思维探索物理化学课程中的知识难点，发表了《由反应速率方程推测反应机理的经验规则》《弯曲表面附加压强基本公式及其应用举例》《固体在液相中吸附热力学参数计算介绍》等教学文章[5-7]，拓展相关的知识点，提升了知识的认识深度。笔者同时将物理化学知识应用在科研中获得科研最新成果，反哺教学。例如，将连续反应的动力学知识应用在苯直接氧化制备苯酚的反应中，获得其连续反应的动力学参数[8]；将吸附热量的测定应用于吸附强弱的判断[9]，并将吸附的强弱和催化反应的选择性活性关联[10]；通过反应过程的热动力学研究，确定反应的级数，并结合量化计算确定反应机理[11]；等等。将这些科研实例又应用于课堂教学中，提升学生对物理化学知识的深入认识，激发学生的科研热情。

通过虚拟仿真实验的建设，能够在虚拟仿真条件下实现物理化学中涉及大型仪器的实验，更能够实现对解决复杂工程问题的实践应用；通过线上虚拟实验可以实现随时随地进行物理化学实验的在线虚拟操作。通过建立虚拟仿真实验“纳米材料溶解焓的测定计算及与粒径关系的分析”，通过构建热力学循环，利用微量热仪实现不同粒径纳米材料的摩尔生成焓的测定，不仅能够使学生充分理解热力学循环的构建及应用，掌握微量热仪的原理和操作，同时还可以从热力学方面使学生理解粒径对纳米材料性质的影响。

通过微信公众号来补充课堂时间不足，通过与课程相关的科研动态、实践复杂案例，使学生有针对性个性化实现知识的升级，实现课程内容的高阶性和挑战性；同时能充分利用学生的碎片化时间来学习，将相关知识点化整为散，学生在玩手机、刷朋友圈的同时可以学习物理化学课程知识。例如，笔者针对不同的知识点进行深入的扩展和应用举例，在“物理化学学习”的微信公众号中先后撰写了“补胎时为什么要锉胎面？”“手机为什么发烫？”“为什么不直接用氢气做热机燃料而开发燃料电池？”“火锅中的物理化学”等切合实际生活的文章；也有“肥皂泡帮助科学家看到神秘的‘光学分支流’”“‘可燃冰’笼形化合物介绍”等前沿科研成果介绍；“能斯特到底有多能？”“我国物理化学的起源”“中美物理化学实驗教材内容的区别”等人物介绍、学科历史等介绍。以微信公众号作为支撑，以相关知识点作为出发点，拔高所学的知识点，实现课程内容在课外的高阶性和挑战性，提升创新能力培养。

（三）  课程思政大纲的制定和实践，通过课程思政协同育人，促使人才全面发展

根据物理化学课程特点，从课程培养能力和素质的角度出发，凝练课程立德树人教育目标。制定新教学大纲时，充分结合目标，深入挖掘课程蕴含的思政教育资源，明确蕴含的正确世界观、人生观、价值观与职业道德等思政内容，培养学生能够用正确的世界观、人生观、价值观以及科学的思维模式和方法分析和解决问题，实现“知行合一”[12]。在诺贝尔的获奖者中，有60%的获奖者集中在物理化学领域[2-3]。因此，在物理化学课程中拥有丰富的可以挖掘的科学家的故事，通过物理化学家充满正能量的故事培养学生科学精神、家国情怀和艰苦奋斗的创业精神。

物理化学课程理论性强，被誉为“化学中的哲学”[13]。据辩证唯物主义原理，世界是物质的，运动是物质的存在方式，物质按照自身的固有规律在运动。无论宏观世界还是微观世界，都会遵循一些共同的变化规律，研究并发现变化规律，方能构思未来的发展前景。物理化学恰恰如此，物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的科学[14]。因此，应挖掘物理化学课程中丰富的理论实践案例，提升学生哲学思辨层次。例如，根据熵增原理，隔离系统中的熵增总是趋于自发增大的，熵值增大就意味着混乱度增大，而混乱度增大往往意味着系统某种能力的丧失。由此我们引导学生思考俗语“人往高处走，水往低处流”。所谓人往高处走，意味着成功必定不是自发的过程，需要有理想、信念和毅力的驱动，需要付出许多艰辛的努力和汗水，只有这样才能不断进步，不断取得人生成就。自发的“躺平”人生，注定不会成功。

物理化学与实际生活紧密相联系。利用有关的物理化学原理应用现状引导学生肩负社会责任和科普化学知识。笔者就在新冠感染疫情期间，结合物理化学胶体知识点在“物理化学学习”微信公众号上撰写了“什么是气溶胶？我们如何做好预防？”科普相关物理化学知识，并且介绍新冠的预防措施；撰写“活性炭为什么能除味？”“雪花为什么是六个瓣”等科普知识。从实际的各种生活和生产实例出发，科普相关的物理化学知识，引导学生树立全局观念，培养社会责任感。

三  物理化学课程建设效果

本课程团队一直注重物理化学课程的教学改革与实践，坚持将生活与生产实践的应用案例引入教学过程中，以学生为中心，以能力培养为核心，以应用为导向，启迪学生学习兴趣，提升学生能力培养。通过这些措施，学生获得了坚实的物理化学知识基础。物理化学课程期末考试一次通过率极大提高，提升了学生学习物理化学的兴趣，并积极地应用物理化学知识分析实际中的问题，提升了学生的实践能力和创新能力。物理化学课程在线点击次数超过323万次，互动次数超过1 900次；物理化学实验课程在线学习次数超过194万次；提供的相关知识话题讨论，学生的参与率达到80%以上。“物理化学学习”微信公众号发表文章超过150篇，关注人数超过18 000人，收到来自湖北大学、辽宁师范大学、商洛学院等高校师生的多篇投稿，受到国内师生的广泛好评，在国内“物理化学”课程微信公众号中的排名第一，已经成为物理化学学习和考研复习必关注的公众号。

四  结束语

教育“新基建”是以新发展理念为引领，以信息化为主导，面向教育高质量发展需要。课程作为人才培养的四项“新基建”之一，是人才培养的核心单元和核心要素。新发展理念和人才高质量培养的要求下，物理化学课程已经不再是单一简单的一门课程，要从课程的“基础性、实践性、高阶性、思政育人”四个方面出发，构建理论课程、实践课程、课外提升、课程思政的多层次梯度课程体系，将价值塑造、知识传授和能力培养紧密融合，从而实现人才的高质量培养。

参考文献：

[1] 彭昌军，史济斌，胡军，等.从充分发挥专业基础课程作用的视角论物理化学课程的教学内容[J].化工高等教育，2012，29（1）：12-14.

[2] 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.

[3] 魏光，曾人杰，马兆海，等.重新认识“物理化学”课程的战略地位[J].高等理科教育，2001（1）：21-24.

[4] 吴岩.抓好教学“新基建”培养高质量外语人才[J].外语教育研究前沿，2021，4（2）：3-6.

[5] 王伟涛，杨百勤.由反应速率方程推测反应机理的经验规则[J].化学教育（中英文），2018，39（12）：25-28.

[6] 王伟涛，潘宝，杨百勤.弯曲表面附加压强基本公式及其应用举例[J].化学教育（中英文），2020，41（8）：38-42.

[7] 王伟涛，陈香李，杨百勤.固体在液相中吸附热力学参数计算介绍[J].大学化学，2021，36（2）：233-240.

[8] WEITAO W， NA L， HAO T， et al. Vanadium oxyacetylacetonate grafted on UiO-66-NH2 for hydroxylation of benzene to phenol with molecular oxygen[J].Molecular Catalysis， 2018（453）：113-120.

[9] WEITAO W， XULU J， JINXIANG D， et al. Quinone-amine polymers derived N and O dual doped carbocatalyst for metal-free benzyl alcohol aerobic oxidation[J].Molecular Catalysis， 2020（498）：111257.

[10] WEITAO W， LEILEI S， NA L， et al. VxOy@C catalyst prepared from biomass for hydroxylation of benzene to phenol with molecular oxygen[J]. RSC Advances， 2017，7（21）：12738-12744.

[11] XIUFANG Y， XULU J， WEITAO W， et al. Catalyst- and solvent-free ipso-hydroxylation of arylboronic acids to phenols[J]. RSC Advances， 2019，9（59）：34529-34534.

[12] 張树永.高校化学类专业课程思政建设目标与实现途径刍议——以物理化学课程教学为例[J].大学化学，2019，34（11）：4-9.

[13] 王旭珍，王新平，王新葵，等.大道至简，润物无声——物理化学课程思政的实践[J].大学化学，2019，34（11）：77-81.

[14] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：3.