紀(jì)敏，王新葵，孫延波，王旭珍，王新平

大連理工大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系，遼寧 大連 116023

為推動高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，提升高等教育整體水平，2015年10月國務(wù)院印發(fā)《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》，明確了“雙一流”建設(shè)的總體要求、建設(shè)思路和建設(shè)任務(wù)。“雙一流”建設(shè)是黨中央、國務(wù)院做出的重大戰(zhàn)略決策，為我國高等教育綜合改革指明了方向[1]。2018年6月教育部長陳寶生在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上的講話中強(qiáng)調(diào)：“一流本科是建設(shè)高等教育強(qiáng)國的根基。只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學(xué)，在‘雙一流’建設(shè)中要加強(qiáng)一流本科教育?！闭n程是本科教育的基石，建設(shè)一流本科，需要建設(shè)好每一門課程?；瘜W(xué)作為大連理工大學(xué)的“雙一流”學(xué)科，在培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神的精英人才方面發(fā)揮著重要作用。物理化學(xué)作為化學(xué)、化工類人才培養(yǎng)的核心課程，已經(jīng)進(jìn)入一個全新的發(fā)展階段，內(nèi)涵更加豐富，涉及多個層面：從宏觀深入到微觀、從定性走向定量、從描述過渡到推理、從靜態(tài)推進(jìn)到動態(tài)、從平衡態(tài)拓寬到非平衡態(tài)、從體相外延到表相等。因此，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上必須與時俱進(jìn)，深入開展課程創(chuàng)新設(shè)計與教學(xué)方法改革。

1 學(xué)情分析

2020年，大連理工大學(xué)的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)入選國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點。本專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)是：培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展，滿足國家建設(shè)需要，具有高尚道德品質(zhì)、寬厚扎實的基礎(chǔ)功底、突出的科研潛質(zhì)、開闊的國際視野、富有創(chuàng)新精神與合作意識的高級化學(xué)類精英人才?！拔锢砘瘜W(xué)”是用物理學(xué)的原理和實驗方法來研究化學(xué)變化普遍規(guī)律的學(xué)科，被譽(yù)為“化學(xué)中的哲學(xué)”，在人才培養(yǎng)方案中處于核心地位。物理化學(xué)是我校應(yīng)用化學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，共112學(xué)時，開課學(xué)期為大二學(xué)年下學(xué)期和大三學(xué)年上學(xué)期。學(xué)生前期已修過高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)(上)等預(yù)備知識，后續(xù)為有機(jī)化學(xué)(下)、化工原理、催化原理、表面化學(xué)等課程的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。學(xué)生已經(jīng)具有一定的知識儲備和思考、解決問題的能力。但是不足之處在于：理論與實際聯(lián)系不足、創(chuàng)新意識不強(qiáng)、自學(xué)能力不足。針對物理化學(xué)的課程特點和學(xué)生情況，我們進(jìn)行了物理化學(xué)課程改革，在教學(xué)策略和教學(xué)邏輯上從學(xué)生的需求出發(fā)，對學(xué)生知識吸收和鞏固的過程進(jìn)行揣摩，使得課堂教學(xué)更好地適應(yīng)學(xué)生的需要和個性化發(fā)展要求[2]。

2 物理化學(xué)課程改革措施

鑒于1981年美國教育家Spady等人提出OBE (Outcome-Based Education)教學(xué)理念，我們提出“以學(xué)生為中心，以目標(biāo)為導(dǎo)向”的教學(xué)理念。以學(xué)生為中心，就是以學(xué)生發(fā)展為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)效果為中心，實現(xiàn)價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授三位一體的人才培養(yǎng)模式。針對學(xué)生存在的問題，以學(xué)生為中心，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，通過“課前導(dǎo)學(xué)–問題引導(dǎo)–討論指導(dǎo)–思維疏導(dǎo)–課后輔導(dǎo)”的教學(xué)流程進(jìn)行課堂教學(xué)。具體來講，課前在慕課堂平臺布置學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生充分利用我校在中國大學(xué)MOOC平臺建設(shè)的優(yōu)質(zhì)資源，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并進(jìn)行自測和填寫不明白問題問卷，讓教師課前了解學(xué)情，哪些需要重點講解的，哪些可以一掠而過的，教師在上課前做到心中有數(shù)，從而可以實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)；重點難點的講解，采用問題引導(dǎo)的方式，啟發(fā)式教學(xué)，步步深入，引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；在講解概念和定律的時候，通過講解其發(fā)展歷史、學(xué)科現(xiàn)狀及其前沿，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，使學(xué)生了解其發(fā)展趨勢和需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識；指導(dǎo)學(xué)生分析討論典型案例，培養(yǎng)學(xué)生融會貫通、解決問題的能力；組織學(xué)生分組研討具有前沿性的科研文獻(xiàn)[3]，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)、創(chuàng)新意識及其團(tuán)結(jié)協(xié)作精神；課后繪制具有發(fā)散性的思維導(dǎo)圖，疏導(dǎo)思維，使學(xué)生的零散知識系統(tǒng)化，進(jìn)行鞏固提升；通過撰寫文獻(xiàn)研讀報告，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)語言論述問題的能力。通過深入淺出的講解，在基礎(chǔ)–提高–應(yīng)用–創(chuàng)新四個層次上，將物理化學(xué)的理論知識與生產(chǎn)實踐、科研前沿相融合，突出課程的“應(yīng)用性”和“科學(xué)性”。以物理化學(xué)表面現(xiàn)象一章中的潤濕作用為例，教學(xué)設(shè)計如圖1所示。

圖1 潤濕作用課程設(shè)計

這一課程改革思路是基于美國教育心理學(xué)家杰羅姆·布魯納的發(fā)現(xiàn)教學(xué)理論[4]和中國化學(xué)教育家傅鷹提出的教學(xué)方法。根據(jù)布魯納的教學(xué)理論：(1) 知識學(xué)習(xí)要掌理學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)也就是該學(xué)科的基本概念、基本原理以及它們之間的關(guān)聯(lián)；(2) 激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動機(jī)，如好奇心、上進(jìn)心、朋友之間的相互作用；(3) 在教學(xué)過程中，學(xué)生是一個積極的探究者。學(xué)習(xí)的主要目的不是要記住教師和教科書上所講的內(nèi)容，而是要學(xué)生參與該學(xué)科知識體系建立的過程。中國著名的教育家傅鷹認(rèn)為：“一種科學(xué)的歷史是那門科學(xué)最寶貴的一部分?？茖W(xué)只給我們知識，而歷史卻給我們智慧?！边@促使我們講授科學(xué)知識，闡述科學(xué)概念，都是從人類認(rèn)識自然的過程，從科學(xué)發(fā)展的歷史角度，循序漸進(jìn)、深入淺出地進(jìn)行講解。

2.1 問題引導(dǎo)的啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)是教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的基本規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生積極、主動地掌握知識的教學(xué)方法。具體表現(xiàn)在，課堂上更多采用問號和省略號，而不是句號和嘆號。例如，在學(xué)習(xí)了化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容以后，通過教師問題引導(dǎo)，逐步深入，和學(xué)生一起開啟“多相催化中的領(lǐng)頭羊(Bell-wether)反應(yīng)——合成氨反應(yīng)的探究之旅，具體設(shè)計如表1所示。

表1 關(guān)于合成氨反應(yīng)的啟發(fā)式教學(xué)設(shè)計

通過啟發(fā)式的教學(xué)方法，學(xué)生清晰地明白為什么現(xiàn)在工業(yè)上合成氨的條件是：壓強(qiáng)：2 × 107–5 × 107Pa；溫度：700 K左右，使用鐵觸媒作為催化劑；適時將氨液化分離，N2、H2循環(huán)使用，適當(dāng)提高氮氫比(實際應(yīng)用n(N2) ：n(H2) = 1 ： 2.8)，這是因為氮的活化吸附是該反應(yīng)的速度控制步驟，適當(dāng)提高氮含量，有利于提高反應(yīng)速率。對于以上分析，對合成氨反應(yīng)的前沿方向也有了一個清晰的了解，即低溫高效合成氨催化劑的設(shè)計和開發(fā)，比如構(gòu)建雙活性中心催化劑，使N2和H2的活化及中間產(chǎn)物的吸附發(fā)生在不同的活性中心上，從而打破了反應(yīng)能壘與吸附能之間的限制關(guān)系[5]。通過這一典型案例分析，學(xué)生清晰地了解到任何一個反應(yīng)的工業(yè)化過程都需要從熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面去綜合考慮，更能夠從中感知前人在探索和改造自然的過程中所經(jīng)歷的認(rèn)識與思考、偶然與必然，從而給學(xué)生以思維能力與科學(xué)方法層面的啟迪。

表2 提高平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率的措施

2.2 挖掘知識體系形成的歷史過程

物理化學(xué)課程中涉及到大量的概念、公式和定律，這些概念、公式、定律是怎樣提出、修正和推導(dǎo)出來的？任何一個簡單的概念背后都有引入入勝的典故！我們要深挖概念背后的故事及其科學(xué)思維，才能引起學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力；帶領(lǐng)學(xué)生跳出教材的局限，重溫知識體系形成的歷史過程；引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)知識的突破，貫穿繁雜知識的邏輯脈絡(luò)[6]。

比如，我們在講解潤濕概念的時候，對潤濕的歷史娓娓道來[7]。潤濕的概念和物質(zhì)潤濕性質(zhì)的研究可追溯到200多年前，濕潤科學(xué)研究的先驅(qū)者Thomas Young于1805年提出了液體接觸角的概念來定義表面潤濕性。超親水表面(接近0°的水接觸角)和超疏水表面(接觸角 ＞ 150°)的研究起源于20世紀(jì)初。Ollivier在1907年報道了第一個超疏水表面，他們描述了由煙灰、番茄紅素粉末和三氧化二砷組成的表面上近180°的接觸角。Langmuir在1920年發(fā)現(xiàn)吸收有機(jī)化合物的單層可以完全改變固體表面的摩擦和潤濕性能，這一發(fā)現(xiàn)開辟了人們可以廣泛使用化學(xué)改性來控制物質(zhì)表面潤濕性能的先河。表面科學(xué)的理論框架在20世紀(jì)30年代和40年代開始發(fā)展起來。1936年，Wenzel研究了固體表面的宏觀粗糙度與接觸角之間的關(guān)系，并解釋了粗糙度如何提高疏水性。1944年，Casses和Baxter的研究將這一理論擴(kuò)展到可以在水和固體之間捕獲空氣的多孔表面和粗糙表面，該理論被稱為復(fù)合潤濕模型。2000年，我國物理化學(xué)家江雷院士提出二元協(xié)同納米界面結(jié)構(gòu)理論，創(chuàng)制了新的學(xué)科前沿方向——仿生超浸潤材料。因此，在物理化學(xué)課程教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)生研讀江雷院士在2004年發(fā)表在Nature上的一篇文章“Water repellent of water striders”[8]，從中體會江雷院士向自然學(xué)習(xí)的科學(xué)創(chuàng)新精神，有所發(fā)現(xiàn)–有所發(fā)明–有所創(chuàng)造的創(chuàng)新思路，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并能科學(xué)地表述問題的能力，用科學(xué)的語言對文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)文章的創(chuàng)新點、不足及其改進(jìn)思路，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。最后引入超疏水材料在潛艇涂層及超疏油材料在油水分離中的應(yīng)用，讓學(xué)生對這一概念得以更深刻的認(rèn)識。每一章學(xué)習(xí)完畢后讓學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生對這一章的知識點進(jìn)行梳理，使知識系統(tǒng)化。

在講解熱力學(xué)第二定律時，通過串聯(lián)講解幾位科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)，帶領(lǐng)學(xué)生重現(xiàn)熱力學(xué)第二定律及其數(shù)學(xué)表達(dá)式是如何一步一步確定的。法國青年工程師卡諾身處蒸汽機(jī)迅速發(fā)展的時代，提高熱機(jī)效率是當(dāng)時人們開展的熱點研究課題?？ㄖZ獨辟蹊徑，從理論的高度對熱機(jī)的工作原理進(jìn)行研究。1824年他發(fā)表了名著《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機(jī)器》，運(yùn)用了理想模型的研究方法，以他富于創(chuàng)造性的想象力，精心構(gòu)思了理想化的熱機(jī)——卡諾熱機(jī)，提出了作為熱力學(xué)重要理論基礎(chǔ)的卡諾循環(huán)和卡諾定理，從理論上解決了提高熱機(jī)效率的根本途徑?？ㄖZ的這種研究問題的方法，對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要的參考價值，實際上卡諾的理論已經(jīng)深含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，但由于受到熱質(zhì)說的束縛，使他當(dāng)時未能完全探究到問題的底蘊(yùn)。隨著后來熱力學(xué)第一定律的提出，熱力學(xué)第二定律便呼之欲出了。1834年(卡諾去世兩年后)，他的著作《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機(jī)器》才有了第一個認(rèn)真的讀者——法國物理學(xué)家克拉佩龍。他發(fā)表了題為“論熱的動力”的論文，用p–V曲線翻譯了卡諾循環(huán)，但未引起學(xué)術(shù)界的注意。1948年，英國物理學(xué)家開爾文根據(jù)克拉佩龍介紹的卡諾理論，發(fā)表了“建立在卡諾熱動力理論基礎(chǔ)上的絕對溫標(biāo)”一文。德國物理學(xué)家克勞修斯通過克拉佩龍和開爾文的論文，于 1850年從熱量傳遞的方向性角度提出了熱力學(xué)第二定律的表述，并首先提出了熵的概念，得出了熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1851年開爾文從熱功轉(zhuǎn)換的角度提出了熱力學(xué)第二定律的另一種說法。1877年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼發(fā)現(xiàn)了宏觀的熵與體系的熱力學(xué)概率的關(guān)系。至此，科學(xué)界開始普遍接受熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律的逐漸形成過程，背后所蘊(yùn)藏的科學(xué)思維方法及科學(xué)家們的科學(xué)精神值得每一個學(xué)生去仔細(xì)揣摩。如今這個定律又有了新的內(nèi)涵，在信息、宇宙、生命領(lǐng)域中有了新的解讀，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。熱力學(xué)第二定律發(fā)展史妙趣橫生的介紹，知識點的串聯(lián)，不僅僅給學(xué)生帶來心理上的沖擊，更重要的是幫助學(xué)生建立對知識更宏觀的認(rèn)識。

馬克思曾經(jīng)說過，人類認(rèn)知是螺旋式上升的。大學(xué)，是傳授深奧知識的場所?；貧w常識，探索知識遷移的有效途徑是我們在課堂教學(xué)中時時要牢記在心的，教師的教學(xué)也需要有科學(xué)的思維方式，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，凸顯知識的高階性、前沿性，學(xué)生在未來才會有無限的潛力。

2.3 線上線下混合教學(xué)模式

一流課程建設(shè)需要一流的課程資源。大連理工大學(xué)物理化學(xué)課程建設(shè)一直具有很好的傳承并積淀了深厚的底蘊(yùn)。課程于2008年被評為國家精品課程，2013年被評為國家精品在線開放課程。2015年，我們從教學(xué)內(nèi)容的前沿性、高階性、與相關(guān)學(xué)科的融合性、教學(xué)思想的先進(jìn)性、教學(xué)形式的創(chuàng)新性與可塑性等方面全方位進(jìn)行設(shè)計和視頻錄制，在中國大學(xué)MOOC平臺上線。2017年被評為首批國家精品在線開放課程。目前已經(jīng)開課8輪，選課人數(shù)超過6萬人。為了培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神及科學(xué)思維，我們將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新規(guī)劃：將重點、難點進(jìn)行提煉，將一些難度較低和應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容安排學(xué)生利用課外時間通過中國大學(xué) MOOC平臺自學(xué)；利用節(jié)約的課時進(jìn)行詳解重點難點和翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論等利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)方式。比如化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變、標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變的計算、稀溶液的依數(shù)性、影響反應(yīng)平衡的因素、催化劑對反應(yīng)的影響、幾種簡單的復(fù)合反應(yīng)等部分內(nèi)容，由于相關(guān)的核心知識點已經(jīng)在課堂講授完成，學(xué)生已經(jīng)具備了相關(guān)的知識儲備，自學(xué)的難度并不大。為了保證自學(xué)效果，我們設(shè)計了多層次的問題對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和督促。比如，自學(xué)“幾種簡單的復(fù)合反應(yīng)”這一部分內(nèi)容，首先在課前安排自學(xué)任務(wù)時，給學(xué)生布置一系列問題，如“不同級數(shù)的平行反應(yīng)、對行反應(yīng)、連串反應(yīng)的動力學(xué)方程如何建立？實際生產(chǎn)過程中如何控制產(chǎn)物的選擇性？如何獲取連串反應(yīng)中間物的最佳反應(yīng)時間？”等，這些問題起到了提綱挈領(lǐng)的作用，可以幫助學(xué)生掌握核心知識點。此外，學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，可以促進(jìn)學(xué)生思考，幫助學(xué)生更深入地理解相關(guān)的內(nèi)容。針對平行反應(yīng)、對行(對峙)反應(yīng)、連串反應(yīng)三類復(fù)合反應(yīng)，學(xué)生分為三組，每組只講一類反應(yīng)，全組成員團(tuán)結(jié)協(xié)作制作PPT，課堂上進(jìn)行打擂臺比賽。每組選一個代表進(jìn)行PPT講解，然后其他兩組同學(xué)對其進(jìn)行提問，這個組的任何一個同學(xué)都可以進(jìn)行回答。最后教師針對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行點評，同學(xué)投票選出表現(xiàn)最佳組、表現(xiàn)最佳辯手。這種方式極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并可以有效鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、自學(xué)能力、科學(xué)表達(dá)能力和實際解決問題的能力等。而教師的點評又可以加深學(xué)生對知識點的認(rèn)知，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。為了鼓勵學(xué)生參與討論和互動，我們物理化學(xué)的課程考核平時分占30%，除了作業(yè)、測試題目外，對于PPT講述認(rèn)真和積極參與討論的學(xué)生，給予自主學(xué)習(xí)平時成績滿分獎勵(自主學(xué)習(xí)部分比例設(shè)定為 15%–20%；應(yīng)用化學(xué)專業(yè)共30名學(xué)生)。主講過PPT的學(xué)生普遍反映收獲很大，體會到什么是“臺上一分鐘，臺下十年功”，也體會出老師上課的不易，師生產(chǎn)生了很多共鳴。

3 結(jié)語

在“雙一流”應(yīng)用化學(xué)專業(yè)建設(shè)的背景下，深入開展物理化學(xué)課程創(chuàng)新設(shè)計與教學(xué)方法改革。教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心、以目標(biāo)為導(dǎo)向，從基礎(chǔ)理論應(yīng)用到高階性研討，借助啟發(fā)式問題引導(dǎo)，從人類認(rèn)識自然的過程、科學(xué)發(fā)展的歷史角度，深入淺出地進(jìn)行知識點講解，不斷激發(fā)學(xué)生的興奮點，引導(dǎo)學(xué)生參與到課堂討論、分析、評判等教學(xué)過程中，提升高階思維能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，從而獲得良好的教學(xué)效果。正如康德的名言：“重要是給予思維，而不是給予思想?！边@種教學(xué)設(shè)計具有普適性，能更好地激發(fā)學(xué)生探求未知的興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作意識及其創(chuàng)新思維能力，具有推廣價值。