物理化学课程教学改革探索 本文关键词：物理化学，教学改革，探索，课程
物理化学课程教学改革探索 本文简介：摘要:《物理化学》是新能源材料与器件专业的一门专业基础课程，在整个人才培养体系中占有重要地位。针对传统课程教学中存在的不足，提出将CDIO工程教学理念融入到课程教学中，以行业需求为导向，对教学内容、教学模式及考核等方面进行探索。实践表明，该课程的改革取得了良好的效果，有利于学生实践能力的提升和创新型
物理化学课程教学改革探索 本文内容：
摘要:《物理化学》是新能源材料与器件专业的一门专业基础课程，在整个人才培养体系中占有重要地位。针对传统课程教学中存在的不足，提出将CDIO工程教学理念融入到课程教学中，以行业需求为导向，对教学内容、教学模式及考核等方面进行探索。实践表明，该课程的改革取得了良好的效果，有利于学生实践能力的提升和创新型工程人才的培养，符合新工科背景下对人才素质的要求。
关键词:CDIO;课程改革;物理化学
《物理化学》是新能源材料与器件专业开设的一门基础理论课，主要是运用数学、物理和化学等基础知识来研究物质变化及与化学变化相关的物理变化中所遵循的规律和基本原理［1］。通过本门课程的学习，使学生能够掌握物理化学研究问题的一些方法(热力学法、动力学法等)，并能够结合实际问题，灵活应用所学知识进行分析和解决问题。《物理化学》课程以《高等数学》、《大学物理》、《数学物理方法》等课程为基础，同时也为后续专业方向课程如《储能材料与制备技术》、《太阳能电池材料与器件》等奠定基础。因此在整个人才培养体系中起着承上启下的作用，对学生理论素养和创新思维的培养具有非常重要的意义。《物理化学》课程具有理论性强、公式多、内容枯燥的特点［2，3］。同时由于学时受限，教学进度也比较快。因此，学生普遍反映课程难度偏大，学习的积极性不高，教学质量不尽如人意。此外，传统的教学模式主要是以板书和PPT为主，老师讲学生听，重理论轻实践，学生无法将抽象的知识与社会生活相联系。这就导致了学生的学习兴趣不高，专注度差，不利于创新型人才的培养和树立学生的工程意识。本文基于CDIO理念，对本课程的教学模式进行了探讨，旨在提高课程教学水平、发挥学生的主观能动性和增加课程的应用性和实践性。
1CDIO工程教育理念
CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，它最早由美国麻省理工学院的工程学教授EdwardCrawley提出。CDIO是构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和操作(Operate)四个单词的缩写，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程［4－5］。同时，CDIO也是“做中学”和“基于项目的教育和学习”的很好体现。CDIO将培养目标贯彻整个课程体系，以工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力为导向，培养既有过硬的专业理论知识、突出的工程能力，具备良好职业素养的国际化工程师为目标［6－7］。2005年10月Mc.KinseyGlobalInstitute发表的一份报告称，2005年我国约60万工程技术人员中合适在国际化公司工作的不到10%。这也说明了当前中国高等教育在工科学生的教育上存在强调个人学习能力的培养，而忽略团队协作和工程意识的弊端［5］。因此，探索基于CDIO理念的《物理化学》课程教学改革，对学生的创新能力、工程意识和团队协作能力具有非常重要的意义。
2基于CDIO的教学改革
在新工科建设的大背景下，围绕重庆师范大学培养应用型人才的目标，本着以学生为本，以素质教育为基础，以培养学生利用所学知识解决实际问题的能力为宗旨，基于CDIO工程教育理念，将工程案例融入到课程教学中，增加学生学习的积极性，从而实现学生多种能力的提高与专业素养的养成。
2.1课程内容改革
《物理化学》这门课程内容比较多，大部分高校是分为两个学期来进行教学的，学时数比较多，而我校学时数只有48学时。这种情况下，需要对教学内容进行调整，去繁就简，有所侧重。最终，我们选择了由印永嘉编著高等教育出版社出版的《物理化学简明教程(第四版)》，这本教材内容简明、语言流畅、概念清晰、逻辑严谨，包含了化学热力学、动力学、电化学和表面、胶体化学四大主体板块，内容结构完备。同时，教材中引入了学科发展的新内容和应用方面的介绍，不仅拓宽了学生的知识面，还有利于工程意识的树立。但是，要将教材涉及的全部内容传授给学生，对于老师和学生而言都是不小的挑战，因此还需要对教学内容做如下调整:2.1.1构建合理的知识框架体系由于学时的限制和专业自身的特点，在教学过程中不可能面面俱到。因此，帮助学生理清思路、构建系统性的知识就显得尤为重要。例如，在学习热力学第一、第二定律的时候，因为内容多、概念多、公式多，学生学习时觉得很困难。通过引导学生提炼、归纳出这部分内容的中心问题和主线时，问题就变得容易了。热力学第一定律的中心问题是在物理化学过程中的能量变换和守恒问题。在热力学第一定律的基础上，建立状态函数内能U和焓H，然后再用热Q和功W来定量计算过程的能量转换。热力学第二定律所解决的核心问题是判断物理化学过程进行的可能性、方向和限度。在热力学第二定律的基础上，建立状态函数熵S、亥姆霍兹函数A和吉布斯函数G，然后以S、A或G来进行判断。学生通过这样的归纳、总结，不但能够更好地掌握这部分的学习内容，还能培养归纳、演绎、推理等科学思维方法。2.1.2注重基础性和应用性《物理化学》在整个人才培养体系中属于基础课程范畴，对于重要的定理、公式和概念等需要重点讲解，要求学生必须掌握。但是基础理论的学习最终目的还是为了应用，要避免只注重数学推导，将理论孤立起来这种思维误区。在保障基本的教学体系基础上，注重相关知识的物理意义、适用情况，将理论与实际应用相结合，扩大知识面。例如，在讲解偏摩尔量、化学势这部分内容时，对于理想气体、理想溶液做了大量讨论，但是真实气体和真实溶液却讲得不多。而这些真实的情况正好是与实际应用紧密联系的。在介绍稀溶液的依数性时，根据北方的冬天在马路上撒盐这个例子，来揭示其本质。在讲解表面张力和熵增加原理的内容时，可以介绍粉尘爆炸事故的原因，同时解释清楚熵增原理是相对于隔离体系而言的，而表面张力作用是相对开放系统而言的。通过引入实例，让学生能够将理论与应用相结合，增加学生学习的积极性。2.1.3紧跟科技前沿为了更好地跟踪最前沿技术，提高学生的创新能力和工程能力，将会开设若干次的专题讲座。通过对教学内容的不断完善，建立主线清晰、结构合理、具有延续性及互补性的理论联系实际的知识结构体系，使学生加深对知识点的理解和掌握，为后续专业方向课程的学习奠定基础。例如，在电化学章节，介绍锂电池、燃料电池、渗透膜和反渗透膜的研究进展及应用;在表面化学章节，介绍各种纳米材料及其性质。通过对教学内容的改革，在保持课程主体结构知识的前提下，增加应用性和科学前沿性知识，丰富教学内容，提升本门课程的内涵。
2.2教学模式改革
在CDIO的工程教育理念下，需要改变教师讲，学生听这种填鸭式的传统课堂教学模式，以学生为中心，教师作为课堂的组织者、设计者和引导者。采用项目引导、任务驱动和案例教学方法，结合企业的实际项目，将理论教学与实践相结合，很好地贯彻了“在做中学”的指导思想，让学生在工程环境中得到锻炼。例如，氨的用途是非常广泛的，可以制作氮肥、制冷剂、化工原料等，在合成氨的过程中涉及到化学热力学、化学动力学等内容。首先是确定物理化学状态方程，即确定合成氨化学平衡常数，据此选择生产工艺条件、制定生产工艺。其次是合成氨的净反应速率方程式确定。最后是利用物理化学的基本原理制定工艺指标，例如催化剂的生产工序选择等。通过实例的讲解，让学生具有工程的意识。除此之外，还需将工程问题融入到课堂教学中，让学生参与进来。我们以设计《高性能固态柔性超级电容器》为例，以便将这门课程的知识进行灵活掌握和应用。首先，采取志愿分组的原则，形成项目小组，选出小组长进行任务的分配和探讨。教师在学生的讨论过程中进行答疑，以便学生针对具体的任务有深刻的理解，引导学生积极构思。比如，柔性电极的制备方法有哪些，电解质材料如何选取、如何提高电化学性能和机械性能等。引导学生根据问题查找资料，确定实验方案。其次，各小组进行分工，购买材料、制定详细的实验步骤，教师指导学生注意事项，引导学生解决问题。最后，对样品进行测试，获得数据，不断优化性能。此外，教师要引导学生做好项目实施过程中的经验总结，小组与小组之间相互交流讨论，教师给予点评和补充。通过以任务为导向来激发学生的学习兴趣，树立学生应用所学知识来解决实际问题的意识。在项目实施过程中，还兼顾了其它专业知识，促进不同学科知识的融合，使得教学内容具有连贯性和延伸性。
2.3考核方式的改革
由于本专业课的理论性强，所以检验学生学习掌握情况主要是知识点的考查，而忽略了应用能力的考查。改革前，学生成绩由期末考试成绩和平时成绩构成。期末考试成绩占60%，平时成绩只占40%，并且期末考试有不少记忆类型的题目，过多的强调以答案为导向。在CDIO教学理念的指导下，建立了以知识性考核与素质考核相结合的综合性评价体系。期末考试成绩比重占40%，减小记忆类题型，增加设计类型题目，更多的考查学生应用知识解决实际问题的能力。平时成绩占60%，包括课堂表现、考勤、项目考核等，其中项目考核占平时成绩的比重为80%。为了更加公正客观的进行评估，在项目实施过程中需要提供讨论记录、提交所查阅的文献资料，实物展示和汇报PPT等。
3结语
基于CDIO理念的教学模式能够有效地发挥学生的主观能动性，激发学生学习兴趣，更好地培养学生的创新能力。《物理化学》课程经过改革后，通过与往届学生对比发现学生的学习更加主动、思维更为活跃，对理论知识的掌握更加扎实，具备团队合作意识，并且树立了工程意识，教学质量显著提高。但是，培养人才是非常系统的工程，仍然需要不断反思、总结和摸索，持续改进，以培养优秀的创新型人才。
作者：王涛 单位：重庆师范大学物理与电子工程学院
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