面向化工专业的短课时“物理化学”课程教学改革探索

唐元晖 曹俊雅

(中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院,北京 100083)

“物理化学”课程是高等学校化工、冶金、环境、材料和矿物加工等工科专业学生的核心必修基础课之一，它综合运用数学、物理等学科的理论和方法研究化学和化工过程中遵循的普遍规律以及这些规律与微观结构的关系，在化工专业本科课程体系中兼有提升化学理论素养和启发专业课程学习的两大功能，在培养学生的理论分析能力和工程思维等方面起着重要的作用[1]。我校(中国矿业大学(北京))化学工程专业本科生学习的是“物理化学B”，总学时为64，由本专业教师负责教学工作。相对于清华大学、四川大学、华北电力大学等学校化工专业的80个课时来说[2]-[4]，我校学生“物理化学”课程的学时相对较短，这要求教师在64课时内，让学生掌握本专业必备的物理化学基本理论和知识，具备后续专业学习必须的基本技能，在教学上需要重点强调物理化学与后续专业课程和工程思维的互渗透和相互联系，使学生在专业学习和研究训练中能有意识地运用物理化学的理论去思考、认识和解决问题。但由于“物理化学”课程本身具备的理论性强、公式多且限定条件苛刻，学生在学习过程中难免觉得内容复杂抽象而难以掌握[5],[6]，使得“物理化学”往往成为化工专业本科阶段成绩较不理想的一门。因此，为了改善教学效果，激发学生学习的主动性，笔者在近几年的教学中进行了一些有益的尝试，取得了一定的效果和积极的反馈，下面本文将针对短课时要求下本校化工专业《物理化学B》的课程教学提出了以下几点改革措施与大家进行交流探讨。

1 更新教学内容，侧重实践导向

在以往的教学中，根据学校上短课时的要求并参考了国内的同类高校，化学工程专业在教学上选择了天津大学出版社在2004年出版的、由肖繁衍、李文斌编写的《物理化学》(第二版)作为教材。但这本书已经面世了15年，在实际教学中，不少老师和学生都感觉这本经典的教材在对传统大学物理化学教学内容的删减和编排上有些激进，大量基本概念的精简甚至影响到教师的讲授和学生的理解，比如其中将第四章反应平衡放在第五章溶液热力学和相平衡的前面，使得教师在实际中只能分别独立地介绍气体反应、固体或液体参与的气体反应的平衡常数，既无法让学生体会化学势这一重要热力学概念应用到化学反应平衡常数推导中体现出的理论美感，又影响了学生的理解，从而降低了学习的兴趣。通过调研，我们发现四川大学、天津大学等很多国内教研实力雄厚的高校均采用了高等教育出版社出版的、天津大学物理化学教研室编写的《物理化学》(系列)工科教材作为化工专业物理化学课程的教材[7]，此系列教材自1961年起已经出版到第六版，共分为上、下两册，是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，此系列教材针对短课时教学还推出了相应的《物理化学》(精简版)[8]，2018年针对最新的第六版也推出了精简版的第二版，同样配备了《物理化学学习指导》作为学生学习参考资料。我们从去年开始，尝试采用老教材为主，而《物理化学》(精简版)教材为主要参考书的形式进行了初步的教学实践尝试，学生反馈新教材在内容和难度上与老教材一脉相承，但是编排更容易理解，能够有效提升学习效果。

除了教材的选择，我们也注重视频、图片等多媒体材料对课堂教学内容的丰富性，并强调理论和工程应用的结合，比如在讲解“界面现象”这一章中的表面活性剂(SAA)时，我们就通过动画来生动的展示SAA在溶液中的分布和在洗涤过程中的作用，如图1所示。视频能够直观地展示微观分子结构的分布，启发学生的思考；在介绍热力学第二定律的时候，我们按照问题的提出、理论的发展和公式化推导而向学生介绍热力学第二定律及其应用，同时借由风机、燃气机等客观事物来帮助学生理解。多样化且源于实际生活的案例能够直观地展示教学难点，调节课堂气氛并提升学习兴趣。在寓教于乐的同时，我们在讲解基本理论时辅助黑板推导，重点反复介绍每一个理论和公式的应用前提和限制条件，帮助学生提升理论分析能力。

图1 《物理化学B》教学中关于表面活性剂的视频截图：(A)表面活性剂在水中的分布；(B)表面活性剂在去污过程中的作用。

2 优化教学方法，实施分层次教学

伴随着“互联网+”的浪潮，以慕课、翻转课堂为代表的网络教学新模式对传统的教学方式和理念均产生了一定的冲击。因此笔者也顺应潮流，采用“雨课堂”这一翻转课堂的工具来丰富传统多媒体结合课堂讲授的教学形式。“雨课堂”是清华大学推出的新型智慧教学解决方案，学生只需要关注相应的公众号，就能课前收到预习课件，在课堂中可以与教师实时共享课件，而且可以通过“弹幕”和“私信”功能在课堂上给教师发信，提出听课时出现的困惑，方便教师根据学生的掌握情况及时调整教学进度，课后学生能够灵活的与老师和其他学生开展交流，还可以组建讨论群等方式，邀请老师、同学共同参与讨论，；另一方面，教师能够直接在微信小程序查看考勤、发布课堂测试并能实时检查作答的正确率，定时发布教学公告和试卷，实现了师生之间和学生之间的充分互动。目前，翻转课堂的教学形式已经从2017年到2019年三个学期的共163名学生进行了教学实践，课程结束后，按照既定考核方式进行了成绩评定，此外通过“雨课堂”调查问卷的形式收集了学生们的意见，调研结果见表1。从中可以发现，这163个学生大多是本科二年级的学生，其中87.8%的学生认为翻转课堂的学习效果好于传统课堂，78.6%的学生认可翻转课堂有利于学生自学能力的提升，68.7%的学生觉得翻转课堂有利于表达和沟通能力的培养，同时86.5%的学生觉得今后翻转课堂会越来越广泛地影响到传统课堂。通过“雨课堂”这一网络工具，教师们可以更好地掌握到学生的学习进度，真正实现因材施教的分层次教学目的。

表1 三届参与学生的调查问卷结果总结分析

(续表)

3 实施全过程考核

为了更好地建设物理化学课程，我们调研了天津大学、天津工业大学、北京理工大学和北京化工大学的学科和课程建设情况，虚心参考和借鉴了兄弟院校的宝贵经验从而重新修订了《物理化学B》的课程大纲，新版大纲规定了全流程考核的评价方式，这里的全流程主要体现在两个方面：首先，最后的总成绩由包括考勤、课堂提问、随堂测验、期中考试和期末考试的整个授课环节的表现综合而成，其中，平时考勤占10%，随堂测验和期中考试的成绩占20%，期末考试的成绩占70%；另一方面，期中和期末考试的试题范围按照课程大纲中各个章节的权重而设置分值，最后课程总结需要按照班级、平均成绩、分数段等不同类型来综合剖析教学效果和学生的成绩分布，为教师在未来教学和考核的改革提供参考。这种全过程考核能够更真实地评价学生的表现，避免了以往突击一周就能获得高分的情况。

4 结论

随着科技的发展和时代的进步，在64个学时的短课时要求下，面向化学工程专业的“物理化学”课程由于其自身的理论性强等特点，更需要顺应“互联网+”的浪潮开展改革和建设，秉承着传授理论知识和启发创新思维的教学理念，以全面提高学生信息素养为目标，从与时俱进地采用最新版教材、从教材内容和实际生活的联系设计多媒体课件、采用“雨课堂”翻转课堂网络工具以及开展全流程考核等方法来改革教学方法和内容，加强理论课程与科研训练的联系，将传统以“教师”为中心的授课模式转变为师生共同参与、共同学习的方式，按照学生能力、思维的差异性真正做到因材施教。让学生们在掌握“物理化学”理论知识的同时培养解决工程问题的逻辑思维，并在今后的学习和工作中可以开展切实高效的自我学习。