基于学科竞赛的物理化学课程教学改革

安丽琼，姚鑫，郭娜，刘伯洋，张希琴

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

随着我国深化新时代教育评价改革，引导不同类型高校科学定位，地方高校结合自身特色向应用型转型进程加快，对突出培养学生相应专业能力和实践应用能力提出了更高的要求[1]。在此背景下，物理化学课程需要针对专业、结合学科及学校优势，瞄准工业发展的特点及趋势，依托对理论知识的理解和掌握，加强在实践中的应用和创新，切实提升学生的综合能力，也即发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生的逻辑、独立及创新思维，达到理实结合、触类旁通的效果，实现物理化学教、学、用的同步发展。上海海事大学材料科学与工程专业结合多年指导学生参加上海市大学生化学实验竞赛的经验，打通理论教学和实践教学的壁垒，对物理化学课程进行改革，注重学生综合能力的培养，包括动手操作能力、分析问题解决问题能力、独立思考能力以及创新发展能力，由此带动理论课程的内涵式发展。

一、物理化学课程教学的现状分析

物理化学属于材料科学与工程专业的专业基础课程，是化学学科的一个分支。作为学生学习专业课程和科学研究的初探，物理化学课程对学生的实践能力、逻辑能力和严谨的科学作风都有重要作用。同时，该课程由于其较强的理论性，比较抽象，且有较高的数学和物理基础要求，是国内外相关专业大学生的学习难点。针对此情况，很多高校对课程教学进行改革，如充分利用网络资源，进行幕课、线上线下教学[2-7]；教学过程中充分激发学生学习兴趣[8]；理实一体化教学[9-10]、课程思政[11]、科研[12-13]、专业角度[14-15]等，取得了显著成效。然而，教师如何更好地实现物理化学理论与实践融合、实现物理化学教学用的同步发展、增强学生综合能力的培养还有待进一步的提升。主要原因如下：

（一）物理化学理论教学的困境

物理化学课程内容难度大、概念多、公式多，比较抽象而难以理解。比如，化学热力学部分，除了前修课程所涉及的热、功、热力学能、焓、熵等基本概念，进一步深入了吉布斯函数、哈姆赫兹函数、化学势、偏摩尔量等概念，以及这些量之间的关系和适用条件，公式多达上百个，公式推导涉及高等数学微积分知识，且大部分公式都有其适用条件。学生往往难以吸收这些抽象的知识，从而导致无法跟上教学进度。此外，大部分高校采用传统的以PPT为主结合板书的线下课堂模式，空间感难以构造、与专业联系不够紧密、应用场景不够明确。如电化学所涉及的电解质学内容，主要研究电解质及其离子的导电性质、传输性质及参与反应的离子活度等平衡性质。虽然这部分内容与材料专业、科学技术前沿联系极为密切，但要掌握离子活度、摩尔电导率、离子独立移动定律、离子迁移数等基本概念，牵涉到热力学、动力学公式的推导，往往使学生感觉枯燥且察觉不到与专业的联系。最后，一般非化学类专业物理化学课时数偏少，如本校材料科学与工程专业课时数压缩至40学时，对课程内容的取舍及侧重至关重要。

（二）物理化学理论教学与实践融合不够深入

物理化学一般有独立的实践教学环节，但往往实践教学教师与理论教学教师不是同一个人。实践中因实验硬件限制，如实验设备台数少，教学中多采用多人一组完成实验，造成部分学生只关心自己负责的部分内容或消极怠工。学生在思想上也不够重视，认为老师对实践教学的考核重心在实验报告上，对实验操作不上心。长此以往，学生缺乏足够的实践训练，导致动手能力差、基本实验技术不足，从而自主实验能力差、在实际应用的时候表现出力不从心。同时，实验报告作为实践教学连接理论教学的桥梁，学生往往觉得困难，主要表现在数据处理与分析部分。由于物理化学实验中物质的性质往往是间接测量得到的，还需学生进行整理和综合运算才能得到所需的结果。因此，如果实验测得的物理量与实际要测物理量之间的关系理不清楚，再加上实验过程中准确度或误差影响，导致最终结果千差万别，学生难以给出结果的合理解释。除了实践教学之外，学科竞赛也是很好的理论实践融合的场所。实践教学课堂教师通常会详细布置课前预习内容，对实验操作进行详细讲解或有教材讲义提供，学生只要按照要求即可完成实验；而竞赛仅提供实验提纲，需要学生自行设计实验方案，且有时实验设备型号也与自身高校不同，这就不仅需要学生有扎实的实验基本功，能活学活用，并且对实验理论牢记于心，才能从容不迫地完成实验及实验报告撰写。目前，大部分高校学科竞赛主要是由各校实验中心负责，实践教学教师参与多，而理论教学教师参与少，从而出现理论与实践不统一的问题。只有理论教学，学生难以对知识切身体会和深入理解；只有实践教学，学生往往难以对知识进行举一反三、灵活应用。理论教学与实践融合度不够深入，不利于教师对学生实践应用等综合能力的培养。

二、以学科竞赛为抓手对物理化学理论教学内容进行重构及案例化

上海大学生化学实验竞赛作为一项地区性化学学科竞赛活动，是学生对理论和实验技能的赛场，也是学校实践、理论教学的考场[16]。上海海事大学从2014年开始加入该赛事，以赛促教，以教代赛，以学科竞赛为抓手，根据学校背景和材料科学与工程专业特点，及时对原有物理化学理论内容进行重组、更新课程内容，比如缩减与前序课程重合的部分内容、增加竞赛相关内容、提供前沿科学知识等。课程内容分为基础、提高、综合类，融合多媒体教学手段来进行分层教学。基础类知识点主要包括一些基本的概念知识，是现行课程的专业化，充分利用网络资源和信息化平台，如超星学习通等，以学生自学为主、教师抽测与答疑为辅。提高类知识点包括物理化学的深入及其应用，加入学科竞赛试题及相关资料元素，特别是前沿研究知识，这也是课堂主要讲授的部分，使学生了解到理论指导实践、通过对实践总结归纳提升到理论，深入理解物理化学里“理论—实践—理论”的逻辑线，扩大学生视野。综合类是需要学生融合多个知识点，查阅资料，解决具体问题或实践的内容，为学科竞赛、大学生科创或科学研究打下基础，突出培养学生的分析问题、解决问题和实践应用的综合能力。

针对学生学习过程中的困惑点或难点，教师将知识内容融入案例进行物理化学理论教学，比如化学反应动力学因考察范围宽且形式多样而成为竞赛的热点。以某年竞赛内容—碘化钾—过氧化氢催化分解反应为案例（如表1），在反应动力学方程（式1）基础上，建立该一级反应的动力学方程（式2）；以本校实践教学中的“蔗糖的转化”，构建具体实践中的动力学方程（式3），找出实验测量的物理量与实际测量物理量的桥梁；同时引申至碱性条件下高铁酸钾水解的反应动力学（式4）、尿素水解酶催化反应动力学（式5）等实验内容，教师引导学生建立不同表现形式下的动力学方程，如表1所示。引入上述案例让学生一方面巩固一级反应动力学方程、理解化学反应快慢与温度、催化剂的关系，另一方面学习一级反应在工业生产中的应用，有助于学生对理论知识的理解、融会贯通和灵活应用。同时，教师融入与材料专业相关的化学反应动力学内容，比如以北大西洋海底下泰坦尼克号沉船多年来样貌变化的具体实例，引出金属腐蚀速率，建立物理化学与专业课程的联系。教师利用案例与实例丰富理论的实践应用，培养学生的实践应用能力，激发学生对物理化学的兴趣，提高物理化学教学效果。

表1 一级反应动力学方程竞赛、实践与理论融合教学的教学设计

三、以学科竞赛标准改进实践教学、促进物理化学理论教学的实践应用

针对物理化学理论与实践融合不足的状况，上海海事大学打通理论教学与实践教学的壁垒，理论教学教师同时参与实践教学，以竞赛标准持续指导和改进实践教学，提升学生实验技能及数据处理能力。因上海市大学生化学实验竞赛采取的是单人单组，学生独立设计、完成实验及撰写实验报告，对学生的综合实验能力和科学研究能力要求高。为达到提高学生综合素养的目的，我们依照学科竞赛的标准对实践教学进行了改进，增设实验设备台数或增加学生实验批次，调整为2人/组，从客观上督促学生学习和动手操作；在实验过程中加大巡查，对学生操作错误及时指出并纠正，或学生不明确的地方及时给予指导，规范学生的实验操作，从而养成良好的实验习惯。及时引入专业绘制软件对数据进行处理、计算和绘图，如Excel, Origin软件等。比如双液系气-液平衡相图的绘制，数据处理量比较大，牵涉到质量分数、折射率与组分之间关系的计算、标准曲线的绘制及数据拟合、相图的绘图。如果采用计算器计算数据量大，出现错误时查找困难且费时；传统的画图纸手绘相图，无法获得数据拟合的精度且所得图较为粗糙。专业软件的引入，教师不仅能锻炼学生专业软件的使用能力，为后续进专业课题组进行研究实践、毕业设计等打下基础，而且培养学生扎实的数据处理功底。

以物理化学理论教学指导学生实验报告撰写，促进物理化学理论教学的实践应用。实验报告是整个实验过程的书面表达与总结，不仅要学生对实验整体流程清晰，细节了解到位，还要对实验结果进行分析、实验现象给出合理解释和实验过程的总结提升，进一步地对实验装置或流程进行优化或创新。从实验原理即理论入手，厘清实验测得量与计算量之间的关系，建立理论—实践的桥梁，将抽象理论形象、具体化，加深学生对理论的理解和灵活应用。运用理论对实验结果、实验现象或实验过程中所产生的误差及其原因进行分析，教师要进一步引导学生进行总结乃至创新，这都对学生逻辑、科学、创新思维起到积极的锻炼作用，也促进学生理解理论指导实践的内涵。

四、以物理化学理论教学、实践教学提升学科竞赛的参赛水平，激发学生物理化学学习兴趣与热情

上海市大学生化学实验竞赛物理化学部分虽只有两个实验，都属于多章知识点融合的综合性实验，考察范围宽、内容分布广，且单人单组、选手高手如云。这就要求学生具有扎实的实验技能之外，理论功底也要深厚，同时实践应用能力强和心理承受能力强。为提高学科竞赛成绩，教师除了对实践教学以竞赛标准进行要求以提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力之外，积极与参赛高校交流，学习先进的教学经验，扎实专业与前沿知识素养，做好学生的坚强后盾。此外，由于实践教学课时及实验硬件限制，有些实验在实践教学中无法开展但在竞赛中出现。对于这种情况，我们采取录视频、网络视频、虚拟仿真实验等方法和充分利用网络资源进行教学，使学生对未做过、未见过的新实验或实验设备有一个感性认识；对涉及理论进行“剥洋葱”式讲解，厘清实验测得的物理量与实际测得物理量之间直接或间接的关系。通过以上改进，近年来我校参加上海市大学生化学实验竞赛的成绩稳步上升，在2019—2021年连续三届比赛中物理化学取得了二等奖的优异成绩，这也是我校在该专项上的首次突破和最高奖项。获奖学生大部分进一步深造。这对后面的学生起到激励与榜样的作用，激发学生的内驱力，由“要我学”向“我要学”转变，使学生成为教育的主体。同时，通过学科竞赛的反馈与反思，将竞赛内容融合并贯穿到物理化学理论教学中，形成了“理论-实践-竞赛”的闭环教学模式，实现物理化学教、学、用同步发展，激发和提高学生理论学习兴趣与积极性，提升物理化学教学质量。

五、结束语

物理化学作为一门难度大的理论课程。以学科竞赛载体，构建理论教学-实践教学-学科竞赛三体融合，形成“理论—实践—竞赛”的闭环教学方式，是一个比较好的尝试，有助于学生综合素质的培养。在今后的教学中，我们将坚持以突出学生专业能力和实践应用能力为目标，契合工业界需求及学校发展定位，细化三体的融合度，不断深入对物理化学课程进行改革，为其他类似课程提供借鉴与参考。