“物理化学”课程科教融汇式教学方法探索与发展

摘要：科教融汇是新形势下培养高素质人才的一种重要方式，而“物理化学”作为一门基础课程，对于人才的培养起到了关键性的奠基作用，因此，发展科教融汇式教学方法是高校“物理化学”课程教学改革的必然趋势，符合当前国家对高素质人才的培养需求。文章从“物理化学”课程特点出发，探讨了科教融汇式教学方法与“物理化学”课程教学之间的联系，并肯定了科教融汇式教学方法应用于“物理化学”课程教学之中将有利于增强学生的科研热情和学以致用的能力等作用。关键词：科教融汇；“物理化学”课程；教学方法；人才培养一、引言习近平总书记在党的二十大报告中首次将教育、科技、人才三者统一部署，并提出“科教融汇”的重要概念。2023年8月1日，习近平总书记在《求是》杂志发表了重要文章《加强基础研究实现高水平科技自立自强》，再次强调“切实推进科教融汇”的重要性及紧迫性[1]。由此可见，科教融汇已成为当前教育发展、科技创新、人才培养的必然趋势。科教融汇本质上是指办学模式、育人方式和科研机制三者的融合汇聚和高度整合。其一，将科技创新融入院校教学环节，有助于培养学生的科研素养和研究兴趣，引导学生参与真实科研项目，并在创新创业教育和实践教学活动中全面提高创新精神和创新能力；其二，将科学研究融入教师成长全过程，即选派教师到科研机构、高精尖企业挂职锻炼，开展各类科研项目和技术改革，有助于提升教师的科研意识和实践能力，构建“双师型”教学团队；其三，让科研机构参与院校教学设计和教材编写全过程，有助于将教育教学与行业企业无缝对接，提高人才培养质量。国家针对教育所提出的科教融汇教学理念涉及范围较为广泛，而文章更注重从本科高等教育的角度出发，着重聚焦科教融汇教学理念在本科高等教育中的探索与发展。本科高等教育是培养高素质人才、科研后备军的重要环节，其发展方向直接决定了未来国家人才的培养趋势。“物理化学”是化学领域重要的基础课程之一，是化学、化工、材料、生化、制药、食品、环境等诸多专业学生必修的重要基础课程，在化学（化工）类课程体系中处于上承基础课程、下接专业课程的枢纽地位[2]。“物理化学”课程在本科人才培养过程中不仅起到了基础性的奠基作用，而且承担着引导学生树立科学辩证的世界观和严谨求实的科学态度，培养学生用发展的眼光看问题的哲学思想和批判性思维，激发学生勇攀高峰、敢为人先的拼搏精神等重要任务，具有极为重要的地位。因此，将科教融汇式教学方法应用于“物理化学”课程教学之中，不仅是人才培养的应有之义，更是促进教学与科研进一步相互融合的桥梁和纽带，有利于满足新时代高素质人才的培养需求[3]。二、科教融汇与“物理化学”课程的联系（一）科教融汇教学理念的具体内涵科教融汇是指科学研究与教育教学的有机结合及科研创新与人才培养的交融贯通，是推进教育创新式发展的重要策略，在落实人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国上有着重要价值，有利于形成推动教育高质量发展的倍增效应[4]。科教融汇教学理念强调的是教学服务科研，科研反哺教学，科学研究与教学实践相融合，以促进知识的传播和创新发展，从而培养具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的高素质人才。科教融汇是新时代对科研工作者和教育传授者双重身份的肯定与推进，要求高校教师在完成好教书育人本职工作的同时，承担起引领科研创新的重任。（二）“物理化学”课程特点“物理化学”是化学学科的理论基础，也是一门化学与物理高度交叉的课程。物理化学的学习过程实际上是运用物理学的方法解释化学变化之间的相互关系[5]，概括地说就是用物理的原理和方法来研究化学中最基本的规律和理论。物理化学所研究的是普遍适用于各个化学分支的理论问题。“物理化学”课程涉及范围广泛，包含《热力学》《动力学》《电化学》《胶体化学》《界面现象》等重要章节。“物理化学”课程具有知识抽象晦涩、涉及公式繁多、应用复杂及与实际有一定的理论距离等特点，若仅仅采用传统的“填鸭式”教学方法，则很难激发学生饱满的学习热情与持续的学习动力，进而引发学生对理论知识理解不深刻、公式难以辨析、应试教育的“死记硬背”等诸多问题。首先，若着眼于高校本科生视角不难发现，“物理化学”课程不同于以往所接触的“高等数学”“大学物理”“无机化学”“分析化学”等课程，其对学生学习方法的优化改进提出更高的要求。同时，“物理化学”课程理论性强、公式繁多，对于同一个物理量在不同适用条件下，往往采用不同的公式[6]，因此，学生通常会面临上课时能听懂、做题时无从下手的窘境，而这归根结底是因为学生对知识缺乏深入理解和系统总结。其次，若从高校教师的角度出发，“物理化学”课程存在授课内容知识点繁多，但课时有限的弊端，因此，在授课时实现深入浅出的教学目标较为困难；又因为物理化学知识的理论性较强，公式的推导及适用范围大多属于偏离实际的理想情况，所以“物理化学”课程的理论知识与生产应用之间存在距离。随着理解难度的增加，学生的学习兴趣也随之被削弱。然而，在教学过程中，教师应以学生为本，让学生的思维真正活跃起来，让知识的灌输变成知识的理解，让死记硬背变成融会贯通，而这恰恰需要提出新的教学方法，以适应新时代的需求。（三）科教融汇与本科高等教育的融合科教融汇教学理念与德国W.V.洪堡（W.V.Humboldt）所提出的“教学与科研相统一”的思想不谋而合，这也证明此种思想的来源有迹可循。将科教融汇与本科高等教育有机融合，一方面可以提高学生学习理论知识的积极性，在一定程度上培养学生的科研思维，从而使学生能够探索新知识，掌握新技术，在科学的思维方法、科学素养、创新精神、科学研究能力等方面得到全面提升。另一方面，还可以有效规避授课内容过于枯燥的问题，为传统教学注入新鲜血液。从宏观角度出发，从科教分离到科教结合、科教融合的提出，再到科教融汇理念的推行，以及将科研渗透于日常教学之中，都说明科教融汇已成为高校重要的办学导向，反映了高校对高等教育与科技创新认识的不断深化，证明国家对科研后备力量的关注且寄予厚望。在当前国际国内大环境下，经济竞争的核心是人才竞争，而科教融汇教学理念的推行有利于为国家培养兼具理论功底与科研能力的高素质人才，同时也有利于提升教师的教学能力与科研创新思维。“物理化学”课程特点鲜明，学习难度阈值具有不可降低性，将丰富的科研经验与枯燥的理论知识相融合是十分必要的。因此，在“物理化学”课程教学实践中推行科教融汇教学理念成为一种必然趋势。三、科教融汇与“物理化学”课程结合的必要性切实推进科教融汇，是推动新一轮科技革命和产业变革深入发展的必然要求，是实现高水平科技自立自强的有力支撑，是创新人才培养模式的重要突破口。因此，高校必须深刻理解科教融汇在全面建设社会主义现代化国家中的重要作用，加快培养国家战略人才，提升国家创新体系整体效能。科教融汇是科学和教育领域紧密结合的重要举措。将科教融汇与“物理化学”课程相结合的必要性主要体现在以下几方面。其一，教学服务科研；其二，科研反哺教学；其三，促进高素质人才培养。（一）教学服务科研新时代高校教师大多同时具有教书匠与科研工作者的双重身份，具备一定的科研基础，并且所教授的课程与个人科研方向在一定程度上吻合或者存在交集。这为科教融汇教学理念的推行提供了便利性及可行性。首先，“物理化学”是一门基础课程，涉及范围广泛，要求教师具备深厚的理论基础，而每项科研工作的开展都离不开理论基础的支撑。对于高校教师而言，不仅要具备较强的讲解能力，还要具备深厚的理论知识和完善的知识体系。“物理化学”课程的备课及授课过程，也是个人知识体系的梳理过程。基础知识的不断夯实，必将为科研工作的深入推进提供便利条件。其次，在“物理化学”课程教学中融入科研成果，需要教师不断追踪最前沿的科研动态，并且自我消化后以“润物细无声”的形式融入教学实践。这无疑需要教师把握最新的科研动态，进行脉络梳理，不断提升科研素养、科研意识和实践能力，从而提高科研团队的整体实力。最后，教学实践中的问题和需求，可以激发科研工作者的研究兴趣，促使他们开展相关的科学研究。在与学生的教学互动过程中，学生提出的新观点与想法为教师科研工作的开展提供了更多的灵感与闪光点。一个好的想法是一项优秀科研项目的灵魂，由此可见，科教融汇教学理念的推行可为教师科研工作的开展注入源源不断的活力。最为关键的是，在“物理化学”课程教学过程中，教师应引导学生端正学习态度，积极思考，增强自学能力，具备接受新知识、掌握新技能的能力，以及将知识消化吸收转化为自身的能力储备的能力。“物理化学”课程科教融汇式教学方法的推行做到了教学服务科研，做到了学思结合、知行统一，有助于培养学生的科研素养和研究兴趣，引导学生参与真实科研项目，有利于在实践教学活动中全面提高学生勇于探索的创新精神和创新能力。（二）科研反哺教学注重教学职能并不意味着忽略科研职能，而是要使教学和科研在高等教育质量提升中齐头并进，做到教研相长[7]。首先，将科教融汇教学理念与“物理化学”课程教学相结合，使科学研究成果为教育实践提供更加科学有效的指导，从而形成良性循环。其次，将科学研究成果应用于教学实践中，可以更好地指导教学活动，使学生能够更深入地理解和掌握知识。基于“物理化学”课程特点，其理论知识枯燥乏味是一个长期存在的问题。目前，高校已推行如研讨式教学、案例式教学、线上线下相结合、多媒体教学、慕课教学等多种教学方法和合作式学习方式，有助于提高学生学习兴趣。科教融汇式教学方法的推行有利于进一步丰富教学改革模式，同时有利于增强学生学习的积极性与主动性，进而逐步摆脱课堂枯燥的氛围，以达到提高教学质量的教学目的。此外，科教融汇式教学方法的推行也可提高教育的包容性和可及性，使科学与教育成果共享。值得注意的是，将科研成果融入教学实践之中，可实现科研成果的普及化，将科研的神秘面纱逐渐褪去，使学生深刻感受到科研已从遥不可及变为触手可及，进而提高学生参与科研的积极性。提升高校教师科研实力，坚持以科研反哺教学，构建科教融合模式，有利于培养学生的科研创新思维，提高学生的创新实践能力[7]。（三）促进高素质人才培养功以才成，业由才广。人才培养是高校的重要功能之一，人才质量是检验高校办学水平的重要标准，一流的人才质量必定要建立在一流的教育工作基础上[8]。教育的最终目的是人才培养。科教融汇教学理念的提出，证明国家对人才的要求不仅仅是基础培养，更注重培养具备科研能力的高精尖人才。科学的方法和思维方式可培养学生的创新能力和批判性思维，使学生解决问题的能力得以增强。科学的发展需要人才的培养和教育的普及，而科学的研究和应用又可以为教育提供更多的资源和机会。科教融汇式教学方法的推行，可以培养更多具备科学素养和创新能力的人才，进而推动社会的发展和进步。科教融汇具有2个重要的价值取向：一是作为人才培养的理念和方式，着眼于人才培养；二是作为科技创新的理念和方式，着眼于科研创新与发展。在科技革命和产业变革高度融合的新时代，科技在高等教育与产业之间作为中介变量，起着桥梁作用。科教融汇教学理念在“物理化学”等基础性课程中的推行，也将对就业压力的缓解起到极大的推动作用，引领学生明确未来规划，实现自我价值。在今后的发展中，科教融汇教学理念对“物理化学”课程教学的影响，乃至对更多相关课程的影响将逐步深化，终将实现为人类谋幸福、为社会谋发展的目标。四、促进“物理化学”课程科教融汇式教学方法发展的举措“教而不研则浅，研而不教则空。”将科教融汇教学理念和“物理化学”等基础性课程相结合，不仅需要教师不断夯实个人的知识体系，积累丰富的科研经验，并始终保持对学术前沿的追踪，同时还需要教师注重科研与教学活动相结合，将科研方法、创新成果等融入课堂教学活动中，使学生在学习基本理论知识的同时，培养创新能力和科学研究方法[9]。（一）科教融汇式教学方法在化学、热力学、动力学中的实例针对“物理化学”课程特点，教师可在教学实践中融入科研案例，实现科教融汇教学理念与“物理化学”课程教学活动的完美结合。例如，在苯制备苯酚的氧化反应中融入反应动力学的知识，获得其连续反应的动力学参数；将吸附热量的测定应用于吸附强弱的判断，并将吸附的强弱和催化反应的选择性活性关联；通过反应过程的动力学研究，确定反应的级数，并结合量化计算确定反应机理等[2]。物理化学的重头戏是热力学相关研究，其对研究反应的可行性具有重要作用。根据已知的反应焓变、熵变、温度，根据ΔG＝ΔH-TΔS，可得出反应吉布斯自由能的变化。将此公式引入到科研工作（如药物缓释等）的计算之中，可丰富论文的理论深度，增强研究工作的可信服性。（二）科教融汇式教学方法在胶体化学中的实例在讲授胶体化学中胶体的制备知识点时，教师可引入黄金在通常情况下是黄色的，但在1857年，英国著名科学家M.法拉第（M.Faraday）合成了鲜艳的酒红色金溶胶的事例引发学生的兴趣及思考，随后可介绍经典的金纳米溶胶的合成方法，并带领学生进入实验室采用回流法制备粒径为25nm的金纳米溶胶，让学生观察所制备的酒红色金纳米溶胶，并通过紫外可见吸收光谱对材料进行表征。同时，教师还可向学生展示金纳米溶胶的透射电镜图，加强学生对溶胶的直观感受。此外，还可对金纳米溶胶的丁达尔效应进行表征，即当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应，并强调丁达尔效应是基于胶体中分散质的散射而产生的。金纳米溶胶是一种基础且经典的金属纳米材料，因此，对其制备及表征过程的了解是带领学生走进科研实验室的不二之选，同时，动手操作也能进一步加深学生对物理化学理论知识的理解与巩固。在此过程中，不仅涉及科研环节中材料的制备方法与表征手段等知识，还培养了学生的科研思维与严谨求实的工匠精神。（三）科教融汇式教学方法在界面现象中的实例在“物理化学”《界面现象》这一章节中，主要涉及把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面积也越大的知识点。例如，当将边长为10-2m的立方体分割成10-8m的小立方体时，比表面积增长了100万倍。由此可见，达到纳米级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特的表面效应，这也成为新材料和多相催化方面的研究热点。小颗粒的分散系统往往具有很大的比表面积，因此，由界面特殊性引起的系统特殊性十分突出。一些多孔物质如硅胶、活性炭等，也有很大的比表面积。这些比表面积几乎都是由内部孔道（内表面）提供的。这些孔道可应用于当前极具吸引力的研究方向，如催化、载药等方面。催化、载药等功能的发