本站原创摘 要：在确定了基础理论和实际应用并重的创新人才培养目标定位的基础上,通过在物理化学基础理论教学中突出科学逻辑思维以培养学生的创新思维,注重基础理论与科学研究、生产实践应用相结合以培养学生的创新能力,加强课外科学研究基本能力培养以鼓励学生热爱科研,并将这些教学模式融入教学全过程,取得了很好的物理化学教学效果.
关 键 词 ：工科；物理化学；教学改革；创新能力；人才培养；科学研究基本能力
培养学生具有坚实的基础理论,具有宽泛的专业知识,同时具有将基础理论应用于科研和生产实践的能力,是基础理论教学的应有之义.在教学中,要将培养学生的创新思维和创新能力作为根本的人才培养目标,要将科学发展史、基础理论研究中的科学思维方法以及基础理论与科学研究和生产实践相结合的应用贯彻于教与学的互动中.为此,我们在工科物理化学的教学中进行了多年的研究与实践,取得了很好的教学效果.
一、基础理论和实际应用并重的创新人才培养目标定位
随着科学技术的发展,对化学、化工人才的培养提出了新的要求.学生需要具有扎实的化学化工基础理论和交叉学科知识,并能够动手实践、实际应用,同时要有创新思维和创新能力.在高等教育中本科阶段的教学对学生的培养尤为重要,在本科阶段应着力培养创新意识和创新能力,为学生成长及创新人才培养打基础.
因此,在本科阶段的教学中提倡研究式教学、重视实验教学、让学生参与科学研究是培养创新能力的保证[1].国外高等学校在2000年以前就努力打造本科阶段的创新人才培养模式和方法,本科生参与科研就是加州大学伯克利分校培养创新人才的一个有力措施[2].同时在教学中将以教师为中心的教学模式转变为以学生为中心的教学模式,积极调动学生参与教学,大力激发学生的主观能动性[3].这是国外高等学校在教学普遍采用的教学模式,这些模式对人才培养起到了很大的作用.近年来,在我国的高等学校教育教学改革中,对创新人才的培养模式研究也取得了很多的成绩[4-6].
为了培养合格的化学、化工创新人才,我们在多年的物理化学基础理论教学中,除了教会学生基础知识,更注重引导学生学习科学家在基础理论研究及形成过程中的科学思维方法,学习科学家在科学研究过程中如何发现问题、分析问题,如何建立基本模型并不断优化与研究,最终形成化学理论.在教与学的过程中教会学生如何在学习基础理论的同时培养自己的创新思维、创新能力,将学到的基础理论与科学研究以及生产实践相结合,这也是当今在基础理论教学中不断探索、研究的课题.
在多年的教学中,我们采用模块化的教学内容整合、突出知识逻辑的总结、注重理论联系实际的应用,在强化基础理论的同时培养物理化学科学研究思维方法.例如：在热力学理论的教学过程中,注重热力学基础理论建立过程中科学家的逻辑思维方法的学习；在热力学各个物理量研究中,注重总结逻辑规律来研究物质的简单p-V-T过程、化学变化过程及相变化过程的能量守恒、过程方向性和限度等,从中学习科学家在研究中的研究过程、研究方法及逻辑思维,实现创新思维的培养.再例如：采用热力学和动力学相结合的方法,研究化工生产的可控化学.在化学热力学平衡理论中,应用等温方程实现对化学反应过程自发性判定,根据等压方程的数学模型对温度（T）进行优化,从理论上得到该温度条件下的化学反应的反应限度,即平衡转化率与生产实际比较分析；再根据化学动力学的思想引入时间（t）参数,进一步对T-t-c之间的动力学数学模型进行优化,最终得到最佳的反应温度,反应时间等参数.这些数学模型的建立和优化为化学、化工生产提供工艺参数,从而实现化工生产的可控指导.从中使学生不但学会了基础理论在化学、化工生产实践中的应用,同时在实践中实现了对学生创新能力的培养.
二、突出逻辑思维的形成是培养创新能力的基础
物理化学的基础理论在它的研究和建立以及完善的过程中,都反映出很强的逻辑思维.在化学反应过程的研究中,通过建立各物理量之间的数学模型反映其物理量之间的逻辑关系规律,同时采用物理学科的研究方法和手段来研究物质的性质、化学反应及变化过程中的物理量的测定和计算,从而总结出化学变化的规律、原理、定理、定律,为化学学科的科学研究和生产实践服务、为研究和发现新的化学反应和新物质奠定理论基础.在教学中,在引导学生学习和掌握基础理论的同时,还要教会学生学习基础理论形成和发展过程中蕴含的科学方法,更重要的是要教会学生学习科学家善于观察现象、发现问题和解决问题的能力,学习科学家在基础理论研究中的逻辑思维.
1．教学中突出科学研究方法的逻辑思维总结.物理化学理论和研究由于学科特点,逻辑规律较强.在基础物理化学教学中,将应用实例融入热力学研究方法、动力学研究方法、电化学研究方法、表面与界面研究方法的学习.在每个部分的学习中,教师要对科学研究方法作简单介绍,引导学生自主进行文献检索,并结合科研与生产实践的应用进行研讨式学习.通过文献检索和理论介绍,使学生初步了解了物理化学原理在各个领域的应用以及物理化学科学研究的方法.
2．教学中突出知识点的逻辑思维关系总结,教会学生归纳、演绎等逻辑思维方法.物理化学原理中具有很多的相似逻辑关系,例如：在学习了简单p-V-T过程的状态函数原理及其应用后,就可以结合状态函数原理继续学习纯物质的相变化过程及化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算.采用类比的方法学习纯物质两相平衡过程如图1所示.
由热力学手册得到过程②的ΔH,由相变过程熵的定义可以得到过程②的ΔS,由ΔG等于ΔH－TΔS的定义得到过程②的ΔG.由于过程①和③均是简单p-V-T过程,这两个过程ΔH、ΔS、ΔG用简单p-V-T过程的热力学原理可以得到.再通过状态函数法分别得到过程④的ΔH、ΔS、ΔG,即只要有热力学手册基础数据得到②过程的ΔH,就可以得到任何相变化过程的状态函数.同理,对于化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算,同样由类似的逻辑思想可以计算得出,如图2所示.查阅热力学手册中的标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓、标准熵等热力学基础数据,由热力学原理可以得到过程②的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm.过程①和③均是简单p-V-T过程或包含有相变化过程,由简单p-V-T过程或相变化过程的热力学函数计算可以得到这两个过程的函数.再由状态函数法分别得到过程④的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm.通过学习相变化及化学变化的热力学函数的计算,使学生从中学到状态函数原理的共性及如何建立热力学基础数据并应用这些基础理论实现各种过程的状态函数计算的逻辑思维.