材料专业物理化学实验改革研究

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摘要:基于“新工科”和“双一流”建设的背景及要求，针对材料专业物理化学实验教学中的问题，通过教学内容、教学模式、课程思政及英文教学等方面对于实验课程进行改革探索，兼具“科学”与“工程”特色，不断革新实验内容、改革教学模式、融入课程思政及探索留学生培养模式，对于工科专业基础实验课程改革提供参考，并为“卓越工程师”的培养奠定基础。

关键词:材料专业;物理化学实验;教学改革

自2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”，“天大行动”和“北京指南”。随着2019年以来“双一流”建设的如火如荼开展，对于新工科建设提出了进一步的挑战，特别是高校的实验教学，这种实践性要求比较高的课程［1－2］。物理化学实验作为化学、化工、材料、药学等专业的必修基础实验课程，是一门兼具理论知识和实践应用的课程，特别突出强调实践性，是培养学生一丝不苟的科学态度、严谨认真的实验作风以及灵活创新的分析和解决问题能力的重要教学环节。然而，现在的物理化学实验内容多为较传统实验，以验证性实验为主，且与实际生活关联性较小，不利于激发学生的学习动力;教学模式较单一，多为“填鸭式教学”，课堂上教师讲解和演示操作，学生只是掌握了基本的实验操作技能，不利于思维创新能力的培养;课堂讲解多为枯燥的实验相关的单一理论知识点，很难保证学生时刻集中注意力，不利于知识的学习及综合运用知识能力的培养;此外，目前多为中文教学或者中英双语授课，不利于留学生的培养及本土学生全球视野的培养［3－4］。因此，针对目前物理化学实验课程的现状，基于“新工科”与“双一流”建设的背景及要求，通过对物理化学实验课程教学过程中的经验积累及学生反馈情况，对于材料专业的物理化学实验课程进行改革已是当务之急，刻不容缓。本文主要通过实验教学内容、教学模式、课程思政及英文教学等方面进行改革探索，旨在推动材料专业物理化学实验课程的不断革新，为新时代德才兼备的“卓越工程师”的培养助力。

1创新实验内容，兼具“科学”与“工程”特色

传统的物理化学实验主要包括热力学、动力学、电化学、表面化学(胶体化学)和物质结构五个部分的内容，从五个方面选取部分实验让学生进行操作及学习。实验内容多为验证性实验，上课时学生只需根据实验方案，并按照老师讲解及演示进行操作，学生能够掌握实验操作技能，但缺乏对于实验的认知与思考，不能激发学生的思考与创新思维。由于实验内容偏理论，且实验试剂多为日常生活中并不常见物质，不利于激发学生学习兴趣，从而导致学生学习缺乏积极性和主动性。因此，我们通过“燃烧热的测定实验”对于物理化学实验内容改革进行初探。传统且经典的“燃烧热的测定实验”测定的物质为苯甲酸和萘，通过测定一种物质的恒容燃烧热，计算出量热计的比热容，然后再通过测试和计算得到另一种物质的燃烧热。本实验可以培养化学专业学生的一系列基本实验技能，是理科的经典实验，但是作为材料专业的工科学生，既要掌握基本的“科学”技能，又要具备“工程”实践能力，因此，本实验将苯甲酸和萘换成了木头、煤炭和木炭，以日程生活最常见的“烧烤”引入，提出问题:为什么我们烧烤采用木炭作为燃料，而不使用煤炭和木头呢?学生会从多方面进行回答，如木头容易将食物表面烧糊，煤炭烟尘比较大等，进一步引导学生哪种燃料的热值比较大呢，学生会猜测可能是木炭，那么我们通过实验进行验证，所谓的“热值”就是实验中我们要测定的“燃烧热”，通过实验测定三种可燃物质的燃烧热，并从科学角度回答日常生活中的问题。为了充分锻炼学生的动手能力，实验准备了木棒、煤块和木炭块，并准备了刀锯和锤子，学生需要自己将样品制作成1克左右的小块，因此，学生纷纷动手使用刀锯将木棒锯成1克的短棒，用锤子将煤块和木炭块分割成1克左右的小块。学生在制备样品过程中体会到了“劳动”的乐趣，也为以后的工业实习奠定了实践基础。实验中通过称量、充氧、使用量热计测定温度变化，将“科学”基础理论与“工程”实践相结合，通过实际动手操作并计算实验结果回答了日常生活中的实际问题，提高了学生分析问题和解决问题的能力，激发了学生学习的积极性和主动性，并且有利于提升学生的思维和创新能力。

2融入“微课”和“雨课堂”的混合教学模式创新

传统的实验教学模式为课前学生根据教师提供的实验方案进行预习，课堂上教师讲解并演示操作之后，学生动手实验，课后提交实验报告并进行成绩评定。这种教学模式导致学生预习效果不佳，课堂上师生互动较少，课后缺乏总结与思考，且对于学生成绩的评定不够全面。随着“互联网+”及信息技术的发展，探索将“微课”和“雨课堂”融合进行混合式实验教学［5］。课前将实验操作录制成“微课”，通过“雨课堂”发布学习资料(包含微课)，学生根据学习资料进行预习，可利用碎片化时间观看“微课”进行学习;课堂上通过“雨课堂”进行测验，了解学生预习效果，并通过一些设计性题目进行互动交流，同时也可通过“微课”学习实验操作细节;课后教师发布试卷，学生可以对于实验进行总结与思考。“微课”可以辅助学生实验操作的学习，“雨课堂”可以翔实地记录学生的学习轨迹，教师可以如实掌握学生的学习动态。通过“雨课堂”发布调查问卷，约91%的学生认可这种教学模式，认为混合式教学能够很好地辅助实验教学。因此，通过将“微课”和“雨课堂”融合，能够将“课前－课中－课后”进行串联，延长了教学的时间与空间，跟踪了学生的学习轨迹，对于学生的学习评价更加全面，从而促进学生的深度学习，并培养学生终身学习的能力。

3融入课程思政，培育家国情怀

作为一门基础的实验课程，物理化学实验很多经典的理论都是通过反复的实验测试及验证而得到的。科学家们在发现各种真理过程中，付出了巨大的心血，为科学和社会的发展做出了重大的贡献。在“燃烧热测定”的实验中，讲到量热计的原理及使用时，向学生讲述量热计的发明及发展过程。最初是由法国化学家拉瓦锡和拉普拉斯通过简单的将小鼠置于冰块做成的中空容器中，通过向装置里通入氧气，小鼠呼吸产生热量将冰融化成水，测定水的质量来计算小鼠产生的热量，被称为“冰量热装置”。后面通过科学家们的不断探索，才有了我们现在的氧弹式量热计。在我们实验中的小小设备都是经过了多人多年的努力才发明创造出来的，作为新时代的大学生，我们要勇于创新，特别是在现在百年未有之大变局的国际形势下，学生作为祖国的未来和栋梁之才，更应努力学习，脚踏实地，不断实践探索，为“中国创造”添砖加瓦，为国家发展贡献自己的力量。在每个实验的实验原理、实验设备及装置或者实验操作中引入课程思政，以“润物细无声”的方式将家国情怀融入课堂，融入到学生的思维中，从而实现以德育人，培养高素质“卓越工程师”［6］。

4全英文国际化教学，培养全球视野

南方科技大学自成立以来，一直提倡全英文教学，基础通修课程与专业课程尽量为英文授课，包括学习资料、教师讲义、课堂PPT及学生作业等。本实验课程由于选课学生有2名国际留学生，采用全英文授课，实验方案、讲义、授课以及学生撰写实验报告均为英文。在教学过程中，课前要求学生查阅相关资料，用英文撰写预习报告;课堂上教师讲课为英文PPT及英文授课，师生互动为英文交流;课后学生需全英文撰写实验报告，能够熟练掌握专业术语，为阅读科研文献和撰写科研论文奠定基础。通过国际化教学，培养了学生的全球视野，为学生阅读科研英文文献及更好地适应科研生活奠定良好基础，同时也为留学生教育的培养探路［7］。

5结语

通过总结材料专业物理化学实验教学的现有情况，为了解决教学内容单一、教学模式传统、缺乏立德树人理念以及留学生培养等方面的问题，结合多年的教学积累经验，紧跟“新工科”及“双一流”建设的步伐，改革实验教学内容、结合信息技术引入“微课”和“雨课堂”进行混合式教学、融入课程思政，全面育人并采用全英文授课，探索留学生培养模式。通过多方面的改革对学生进行全方面的培养，有利于激发学生学习的积极性和主动性，培养学生的思维创新能力以及分析问题和解决问题的综合能力，并且对于培养具有家国情怀及国际化全球视野的人才具有重要意义，为新工科实验课程的教学改革提供参考。虽然改革取得一些成效，但远远不够，仍然需要不断转变教育思想，提升教育理念，不断深化教育教学改革，为新时代人才的培养添砖加瓦。

参考文献

［1］吴爱华，杨秋波，郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革［J］.高等工程教育研究，2019(01):1－7+61.

［2］马廷奇.“双一流”建设与大学发展［J］.国家教育行政学院学报，2016(09):9－14.

［3］徐艳，李新星，王红侠，等.材料专业物理化学实验教学改革与探索［J］.广州化工，2019，47(22):166－167，195.

［4］卢荣，赵彬侠，张朝旭.工科物理化学开放性实验的探索和研究［J］.高等理科教育，2004(1):116－119.

［5］李艳艳，叶飞，廖成竹，等.微课和雨课堂融合的《材料科学基础实验》教学改革与实践［J］.广东化工，2020，47(20):185－186.

［6］徐虹.“课程思政”视域下高校实验教学中思政元素的渗透［J］.大众文艺，2020(06):193－194.

［7］刘婧扬，方志刚，闫立东，等.物理化学双语教学及国际化人才培养［J］.山东化工，2020，49(4):225－226.

作者：李艳艳 叶飞 章剑波 程化 单位：南方科技大学材料科学与工程系