新时代材料专业《物理化学》教学体系创新的探索

＊彭鸣 王习文 程英亮 陈美 黄宏文 韩飞 张妍

（湖南大学材料科学与工程学院 湖南 410082）

引言

为适应新时代专业教育需要，落实“立德树人”的根本任务，高校课程教学应当与时俱进，并作为系统工程持续创新，以促进课程学习与逻辑思维构建、知识眼界开阔和探索能力培养的有机结合，培养德才兼备、知行合一、勇于创新的复合型人才。

《物理化学》是基于物理与化学两大学科的基本现象与理论发展起来的二级学科，经过一百多年的发展，已经涵盖热力学、结构化学、统计热力学、相平衡理论、化学平衡理论与反应动力学、电化学、反应动力学、表面与胶体化学等方面内容。为适应高校材料科学与工程专业的本科生培养，《物理化学》课程侧重于材料相关的物理化学现象和有关规律，是《材料科学基础》《材料工程基础》等课程的重要前置基础课，是材料专业一流课程建设不可或缺的一环[1]。因此，创新《物理化学》课程教学体系，是新时代课程建设的重要使命。

本文结合课程建设经验，梳理教学团队在《物理化学》教学体系创新的有关探索与实践，涵盖内容建设、内涵拓展和外延闭环三个方面，以期达到课程育人的效果。

1.课程教学体系的基础：内容建设

《物理化学》理论知识的发展遵从由浅入深、从特殊到一般、由简单到复杂的基本路径，寻根究底、按图索骥有利于培养学生的逻辑思维。课程教学的关键在知识点的关联，要重点完善知识发展的逻辑，明确知识应用的场景。通过内容创新丰富课程教学的内涵，厘清课堂讲授思路，穿插知识的探索过程与实际应用，让理论知识更加生动[2-3]。

(1)完善知识逻辑，明晰来龙去脉

课程紧扣教学大纲，总结和梳理课程知识点，完善各章节内容的逻辑主线，并构建知识思维导图。如对热力学几大定律的介绍，展示科学大师们如何通过归纳和演绎等方法构建了热力学理论的宏伟大厦，以及这些理论在理解和预测实际化学过程中的巨大作用，帮助学生建立科学的世界观和培养处理实际问题的数理逻辑能力。在电化学基础章节中，基于电路的电荷守恒和化学反应的质量守恒定律，清楚阐述两类导体界面的电极反应及伴随的电荷转移过程，进而顺理成章地引出法拉第定律，使讲授过程知识点逻辑清楚。从电解水析氢、析氧的极化曲线，介绍Tafel 经验公式（过电位E 与电流密度对数log j 的线性关系），进而引出巴特勒-福尔默理论公式，便于理解加深。以提升知识理解能力为目标，展示知识的“来龙去脉”，使学生知其然也知其所以然。

(2)贯通知识联系，促进各科学习

材料专业的本科学习涉及化学和材料的多门专业课程，学生对相似概念或模型产生混淆，达不到对知识的完全理解与应用。贯通知识联系，构筑清晰的知识网络，引导思维延伸。以单组分和二组分相图为例（图1），相图的直接来源是大量实测数据（如合金体系的步冷曲线和水盐体系的溶解度），讲解气液相图时，引导学生拉乌尔定律和道尔顿定律可获得理想溶液体系相图；而随着实验与理论体系的完善，通过密度泛函理论也可以计算复杂体系相图[4]。与水有关的相图知识中，涉及溜冰鞋冰刀开刃、水的三相转变、高压锅煮饭、含水恒沸物分离、水蒸气蒸馏、盐类重结晶、水合物等具体情形，可帮助学生更好地理解生活现象及基础化学课程中的物质现象。在单组分和二组分相图的学习中，透彻分析体系的“点、线、面”，明晰平衡条件下物相转变的定性与定量关系，有助于《材料科学基础》和《材料工程基础》等课程的知识理解。因此，通过知识贯通，突出课程的枢纽作用，促进专业知识融会贯通。

图1 单组分和二组分相图的知识点及内容关联

(3)理论联系实际，展示知识价值

在理解理论知识的基础上，课程教学内容注重结合生产生活和国内外研究前沿，开阔学生眼界，培养创新思维。引导学生走出书本，从现实需求的视角去感受物理化学知识的价值。例如，在相图的学习中，结合金银固溶体相图和金银的化学性质差别，介绍前沿研究中纳米多孔金的制备研究及其在能源、传感等领域的应用[5]。基于固态部分互溶的二组分相图，引出适用于高纯半导体制备的区域熔炼方法，介绍其在突破“卡脖子”技术方面的重要意义。在化学动力学章节中，学生对如何确定化学反应级数缺乏形象感知，因而知识理解不深。引入有机污染物的降解实验，建立溶液吸光度（颜色深浅）与时间的关系[6]，可使学生对抽象描述产生直观的理解。联系应用技术精讲基础知识，使学生掌握扎实本领，结合现实生活和前沿科学研究，使基础知识更加生动。

内容创新是课程教学体系的基础，精心组织的内容使学生真切感知课程的内容价值，增强学生对专业学习的自信心和自豪感。

2.课程教学体系的灵魂：内涵拓展

课程教学体系建设的最低目标是学习课程知识，更高目标是对专业知识融会贯通，形成专业知识网络，并立德树人—培养有理想、有本领、有担当的时代新人[7]。紧扣时代脉搏，拓展课程的精神内涵是教学体系的灵魂。

一是结合时代背景，以最新科技发展鼓舞人心，增加课程魅力。《物理化学》学科形成于19 世纪后期，课程知识几乎没有以中国人命名的定律、规律。随着我国的快速发展，“下五洋捉鳖”和“上九天揽月”已经成为现实，国人在新知识探索中大有可为。从物理化学基础知识出发，从经典离子传输理论到新能源技术，从实验探索到理论计算预测，从“熵增”到宇宙未来前景，无不体现课程的知识魅力。使学生感受到人类发展与课程知识紧密相连，从而自觉提高本领，不忘奋斗初心和人生理想，为社会发展与进步贡献自己的力量。

二是发挥著名科学家的精神引领作用。教学过程中，引入著名科学家的人生故事，以职业生涯或故事感染人，激发学生的学习自主性。物理化学离不开克劳修斯、开尔文和吉布斯等科学大师的工作，这些大师们有深邃的科学思想，也有淡泊名利、追求真理的人格魅力。荷兰科学家范霍夫（J.H.Van't Hoff）在热力学、化学动力学等多个章节被提及，这得益于其缜密思维和不懈探索。水相图讲解中，讲述第一个精确测定水的三相点黄子卿教授严格实验、一丝不苟的精神。人物故事丰富课堂内容，激励学生成长为德才兼备、知行合一的人才。

三是引导学生注重知识的前沿实践，立足长远发展，培养科研人才。任课教师将实验室的科研工作融入课堂，增添知识的魅力；引导学有余力的学生进入实验室参与基础科研训练，并鼓励学生积极参与申请大学生创新课题。该过程使物理化学知识学以致用，也为完成本科毕业设计打下坚实的基础。特别是团队老师指导本科生申请到多项国家级、省级、校级创新研究课题，促进了科研人才的培养。课程引领学生走进材料前沿研究，以“科学逻辑”改变“应试思维”，从物理化学研究实践出发，发现大千世界的新规律。

将拓展课程内涵作为教学体系的灵魂，以课程魅力和创新精神为引领，使课程教学与新时代教育精神相契合，达到培育时代新人的目的。

3.课程教学体系的外延：闭环建设

课程教学不仅要有完善的内容结构和精神育人行动，也需要拓展外延，完善课程建设闭环，使师生携手同行[8]。

首先，引导学生形成新的学习方式。《物理化学》的基础知识环环相扣，缺一环就会导致理解困难、知识体系不完整。以夯实学生学识为基础，以提升自主学习能力为目标，将学生纳入备课、讲课、课后的全过程，使师生同行，从知识的被动接受者变成课堂的主动参与者。课前，预告课程学习所需的基础知识，督促学生逐项落实，以便上课时能够直奔核心教学内容。课后，引导学生进行知识系统归纳总结，加深对知识的理解。通过作业检查知识掌握程度，以备复习巩固，从而形成课前预习、课程讲授和课后巩固的课程闭环。让学生带着问题和思考进课堂，带着知识出课堂，转变“应试”思维习惯，理解知识的逻辑。

其次，加强多层次交流，以开放精神引领课程教学。第一，教师团队保持有效沟通交流，不断优化课程思路与讲授方式；邀请校外专家开展课程知识讲座与研讨，积极参加教学竞赛，不断提高课程讲授的能力。第二，课间跟学生保持轻松交流，鼓励学生随时提问、交流，根据学生的反馈进行针对性补充，及时查漏补缺。第三，秉持“工程类专业教育”的精神，保持课程持续改进，注重教学的效果。期末坚持课程调查，回应学生需求，收集学生对课程教学的意见与建议。近两年，学生普遍对课程教学感到“满意”或“非常满意”，认为课程应加强“课程复习、答疑”。鉴于此，教学过程中补充了习题课和复习课程，促进学生的知识综合应用能力提高。

最后，积极拓展教学资源。课程教学选用本校自编教材，同时结合国内外著名院校的教材或讲义，优势互补。发掘国内外开放课程资源等，建设网络课程，为学生提供广阔的课程知识视野。精选前沿研究论文，与课程讲授同步，保持课程知识及其应用范例的先进性。《物理化学》课程建立起线上-线下联动机制。当前智能手机、手提电脑等便携电子设备已经被学生广泛使用，将线上资源与线下课堂相结合，突破传统课堂的距离和时间限制，满足灵活授课需要。积极参加学校教务部门针对网络课程资源的规范性检查，并根据专家评价持续改进、优化。

注重课程教学体系的外延发展，通过闭环结构创新，确保课程教学高效运行，确保教书育人的效果。

4.结语

为适应新时代材料专业教育需要，通过课程内容建设、内涵拓展和外延闭环三个方面，促进《物理化学》课程教学体系创新。这一体系体现了“三全育人”和立德树人的教育精神，以学生为中心，培养基础扎实、德才兼备的时代新人。