科教融合背景下物理化学课堂案例教学设计探索_魏娜.pdf

202312教学研究140Modern Chemical Research当代化工研究科教融合背景下物理化学课堂案例教学设计探索魏 娜（山东科技大学材料科学与工程学院 山东 266590）摘要：物理化学是材料类相关专业重要的专业基础课，由于概念多、公式多、公式应用限定条件多等特点，学生学习积极性不高。在科教融合新型教学模式背景下，本文主要探讨了将最新科学研究与物理化学课程有机融合的教学模式，体现以学生为中心的思想，初步培养学生的创新思维能力、科研能力和解决问题的能力，不仅能提高学生对本课程的学习兴趣，开阔眼界、增长学识，也能够有效提升物理化学教学质量。关键词：物理化学；科教融合；案例设计；教学实践；创新能力 中图分类号：G 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.046Exploration of Case Teaching Design in Physical Chemistry of Materials Major Under the Background of Integration of Science and EducationWei Na(College of Materials Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Shandong,266590)Abstract：Physical chemistry is an important professional basic course for related materials majors.Due to the characteristics of many con-cepts,formulas,and formula application restrictions,students learning enthusiasm is not high.Under the background of the new teaching mode of in-tegration of science and education,this paper mainly discusses the teaching mode of organically integrating the latest scientific research with physical chemistry courses and can reflect the principle of“learner-centered”in the classroom teaching.Additionally,it can initially cultivate students inno-vative ability,scientific research ability and solving problem ability.This can not only improve students interest in this course,broaden their horizons,increase their knowledge,but also effectively improve the teaching quality of physical chemistry.Key words：physical chemistry；integration of science and education；case design；teaching practice；innovation ability引言根据高等教育的发展趋势，科教融合是全面提高高等教育质量的必由之路，其实质是一种“以学生为中心”的教育理念。与传统教学方式相对比，科教融合新型教学模式同时具有创新和育人双重理念，是十九大以来新型的人才培养模式1。科教融合引领高校教师对教学方法进行创新性改革和实践。科教融合的方式以课程教学内容和学生的知识积累为基础，同时在科研实践中掌握相关应用知识，在研究背景下有针对性地实施教学，使教学和科研实现有机融合、互相促进。物理化学在工科材料类专业中占据重要地位和作用，是材料专业后续多门专业课程的理论基础，其本质为通过深入研究物质的性质及行为形成普适性的基本化学理论及规律。物理化学由于知识点覆盖范围广、理论抽象，加之高校教学的单一性，使得物理化学教学逐渐出现一系列问题，因此，如何将物理化学知识和材料应用结合起来，充分调动学生学习的主动性，成为当前课程改革的方向和重点。本文旨在以科教融合为核心的理念，以培养学生的逻辑、创新思维为着力点，结合相关科研案例，课程教学设计中以问题为主线，将深奥的理论和科研案例相结合，可以有效调动学生对知识的学习兴趣，促成部分学生由被动学习变为主动学习，在这个过程中学生的创新思维、科研综合能力及解决问题的能力都能够得到锻炼，有效提高课程教学效果。1.物理化学的教学现状与不足物理化学是普通化学课程之后的进一步深入，并且作为四大基础化学及后续部分专业课程的理论基础，物理化学课程处于极其重要的枢纽地位。物理化学由于理论性强、逻辑性强的特点已成为公认的教师难教、学生难学的课程。此外物理化学教学还面对教学内容需要不断更新、教学学时不断削减的压力。然而物理化学教学如果是教学模式单一，填鸭式的教育，会导致学生学习产生畏难和抵触心理，认为物理化学与解决实际问题相差甚远，从而严重影响教学质量与效果。因此，如何使枯燥的理论课程变得有趣，充分激发学生的学习兴趣、课堂参与度、专注度等，是所有授课老师孜孜以求的目标。目前，物理化学课程教学体系改革已经得到越来越多的院校老师的重视2-3。202312教学研究141Modern Chemical Research当代化工研究2.科研成果在物理化学教学中的渗透在物理化学教学过程中，结合科研故事、科研案例和课题组的科研成果等内容，将科学研究融合到教学中。一方面让学生体会科研的乐趣、掌握科研的思维；另一方面让学生明白学而有用，提高学习的积极性和兴趣，并学会理论联系实际。讲解相关内容时，可以先陈述研究内容的一些相关应用背景，同时也可插入课程思政内容。在讲授各种章节时，可选取几个重要的内容与科学研究成果进行融合。（1）科研成果在热力学第一定律的渗透。在热力学第一定律内容中，焓及焓变的计算是学习的重点内容。在讲解焓及相变过程中焓的计算时，为了激发学生的学习兴趣，可以结合自己从事光热海水淡化研究中，有关海水蒸发速率计算的案例进行讲解。本案例中，首先，给学生介绍光热海水淡化的背景及原理。随着绿色共享发展理念不断深入，作为“开源”的重要补给储备，海水淡化己经成为解决全球水资源危机的重要途径。在淡水缺乏的沙漠、海上孤岛、船舰及电力供应困难的偏远地区及欠发达地区，利用天然的太阳能进行海水淡化具有更加深远的现实意义。界面型光蒸发技术借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控，使光-蒸汽能量转化效率有效提高，并被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径。同时，给学生提出该技术利用太阳能实现海水淡化，响应国家的2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”政策。并给学生布置课后作业，了解碳达峰和碳中和。启发学生要热爱专业，培养学生的社会责任感。提出海水淡化蒸发速率跟焓变有关，此时引出显热、潜热的区别，显热是单纯的PVT变化时，系统吸收和放出的热，而潜热是相变时，温度不变，系统吸收或放出的热。结合学科前沿成果中对蒸发过程焓值的计算，讲述课本上利用基希霍夫公式对焓值的计算，焓值与温度及热容变化有关。课后鼓励学生自己利用公式计算出具体实验结果，并与文献进行对照，让学生体会到知识的价值。同时给学生介绍加入课题研究的学生所参加的科技竞赛及获奖情况，鼓励学生积极加入专业老师科研小组。（2）科研成果在热力学第二定律的渗透。在讲授热力学基本原理内容时，尤其热力学第二定律是热力学部分的重点内容，主要解决反应变化方向和进行程度等。其中，会学习三种过程方向的判据，即熵判据、亥姆霍兹函数判据、吉布斯函数判据。在科研过程中，经常用到吉布斯判据，因为该判据适用的条件为等温等压，与实际控制条件最接近。物理化学教材上吉布斯判据的例子常常直接给出某个反应的吉布斯函数变值或者计算吉布斯函数变值，利用判据进行方向性地判断。这些计算过程容易让同学们感到枯燥，如果将最前沿的科学研究成果作为范例加入教学中，将会激发学生的学习热情和创新欲望。因此，讲解此处内容时，可结合所在课题组在制备涂层复合材料中吉布斯判据的利用。在严酷海洋环境下，舰艇、海洋风电、海水淡化等海工装备的关键运动系统如发动机缸体、深海勘探和开采装备等设备，往往经受不可避免的腐蚀与磨损损伤。如何对其进行表面防护，可介绍所在科研团队研发的高能束设备。对涂层进行材料成分设计时，首先，要进行热力学计算，利用吉布斯自由能判据进行方向性判断。如利用Fe、Ti、C3N4原料制备涂层时，首先，要明确这几种物质可以发生的所有反应，所在科研团队发表的成果中也对各个反应的吉布斯自由能，启发学生如何进行计算及计算的目的，利用吉布斯自由能判据可以得出值越小越容易发生。结合文献中的吉布斯自由能与温度的关系图，引导学生4Ti+C2N2=2TiN+2TiC反应的吉布斯自由能最低，TiN和TiC优先发生。并通过相应的测试证明该理论计算结 果4。同时，可以将发表的论文转发给学生，课下可进行翻译学习，并对文中的吉布斯数据进行计算。通过一系列的讲解及自学让学生不仅了解科研的严谨性，也能够激发学生对科技创新的求知欲。（3）科研成果在相图中的渗透。以相平衡为例，物理化学中相平衡的学习更侧重基础，为与后续材料科学基础课程中有关相平衡知识进行较好的衔接，对于两组分体系相图的分析中，对各种典型类型相图的特征进行总结，归纳。但是该部分学习内容抽象，其重要性不易被学生认识，反而易使学生失去兴趣，结合实际应用案例进行讲解，激发学生的兴趣和求知欲。本案例中讲解单组分水的相图时，首先，引入生活中水果干的制备，结合相图阐述原理为当冰库的蒸汽压在水的三相点以下时，冰就开始升华，最终冰的位置成为水完全托干成果干。此外，引入本人冷冻干燥制造气凝胶的相关成果，冷冻干燥法由液体溶剂和溶质颗粒冷冻为固体，固化的溶剂晶体发生升华后，获得多孔材料。气凝胶由于其纳米尺度的多孔网络结构，导致其具有热学、光学、声学、电学等一系列特殊的性能，是世界上最轻的固体材料，也是性能最好的隔热材料。课上通过将本人制备的气凝胶放到花上，展示其特性。讲解两组分系统固液平衡相图时，利用最新的科研成果，扩充相图计算相关知识，比202312教学研究142Modern Chemical Research当代化工研究如，高熵合金含有四种以上的主要合金元素，仅用实验的方法从数以千计不同成分中筛选出性能优异的组合将耗费巨量的时间。田纳西大学的Liaw教授团队5最新研究表明，高通量相图与热化学计算能快速有效地，从数千种不同成分配比的Al-Cr-Fe-Mn-Ti五元高熵合金中筛选出性能优异的成分组合，从而有效获得比其他合金更高的低温以及高温强度。此外，还以中国科学院院士、国际知名相图研究专家金展鹏同志的事迹，增强学生们对相图学习和材料研究的热爱和自信心，同时培养学生对待科学要有坚持精神。（4）科研成果在界面现象中的渗透。在生活中有许多与润湿现象相关的例子，课上可通过微观结构和相关文献给大家展示有趣的生活和科研现象，激发大家的学习兴趣。为什么水蜘蛛可以在水上行走？为什么荷叶“出淤泥而不染”？为什么蝴蝶的翅膀不会被打湿？这些现象都与本章内容息息相关。通过微观图片，展示其奥妙之处，都与动植物“身体”表面的超疏水性有关系。受上述自然现象的启发，举例科研工作者对材料进行仿生设计，制备了一系列疏水材料6，在环境、能源、医药等领域具有重大的潜在应用前景。引出杨氏方程，即如何用接触角判断材料的润湿性。另外，给大家介绍双面功能不对称的Janus材料7，比如，一侧亲水一侧疏水。Janus是罗马神话中的“双面门神”。它拥有两个相反朝向的两张脸。Janus材料也是一种有类似特征的神奇材料。在油水分离、雾气收集等过程中，这类材料起到了重要的作用。比如大气中的水含量达到了地球上淡水资源总量的10%左右，采用Janus雾水收集材料并获取空气中的水分是解决水资源危机的有效途径之一。比如在课上可展示自己科研中有关Janus膜成果的视频及具体实验数据。同时，课上可阐述敬畏大自然，保护环境等课程思政内容。为扩充知识，课后以小组形式提交超亲水材料的应用文献总结，激发学生的学习主动性及团队合作能力。（5）科研成果在电化学中的渗透。在讲解电化学部分的电解质溶液内容时，涉及许多物理量及计算公式，比如，离子的电迁移和迁移数、电导和电导率。通过锂电池及海水淡化科研案例，及简单的课堂实验，激发学生的学习兴趣。锂电池广泛应用在交通动力电源、电力储能电源、移动通信电源、新能源储能动力电源、航天军工电源等领域。通过锂电池的电化学过程引出离子迁移数和电导率等内容。锂离子电池中电解液的离子电导率是电解液特征参数中最有实用意义的一个参数，主要影响电池的倍率性能。电解液中的锂盐解离的越多，迁移数目就越多，电导率就越高。电导率高，离子传导速率越快，电池的性能表现越好。对于电导和电导率内容，还可以结合本人在水处理方面的科研成果进行讲解。同时课堂上将不同的水溶液比如自来水、去离子水、海水等带到课堂上，通过万用表测出溶液的电阻，鼓励学生利用电导的公式计算出不同溶液的电导，从而了解水处理效果。该部分内容可以挑选部分学生进行测试，让同学们大胆分析实验结果，不仅让学生体会了科研的乐趣也活跃了课堂氛围。同时可给学生提供学院从事锂离子电池和水处理研究相关老师信息，鼓励学生主动联系专业老师，积极进入实验室。不仅可以启发学生的科学兴趣，也可培养其科学素养。3.结论将“科教融合理念”与“科研案例”教学方法相结合，引入物理化学基础课程，将理论与实践进行了有效的融合，体现以学生为中心的思想，将改变物理化学课堂教学的单一枯燥气氛和学生被动学习的状态，同时扩充了学生的知识面，激发了学生的创造力和想象力，培养了学生学习物理化学的兴趣，积极参加课堂教学和科研实践。另外，部分同学通过接触前沿的科研成果，在进行科研选题时，对研究项目也有了更多的认识和想法。这些都充分说明了教学和科研相结合的重要性，以及引入最新研究成果的必要性。【参考文献】1董桂馥,王淑芬,孙娜.“科教融合”的创新型人才培养模式探索及思考J.科教导刊,2022(06):4-6.2李晓飞,仝艳,等.物理化学课程的六种互动式教学J.教育现代化,2020,7(06):161-162.3冯帅,范克栋,侯现明,等.应用型本科高校物理化学混合教学模式的建设与实践J.大学化学,2021,36(05):164-170.4Wang M L,Cui H Z,Wei N,et al.New Design of In Situ Ti(C,N)Reinforced Composite Coatings and Their Microstruc-tures,Interfaces,and Wear ResistancesJ.ACS Applied Mate-rials&Interfaces,2018,10(4):4250-4265.5Feng R,Zhang C,Gao M C,et al.High-throughput design of high-performance lightweight high-entropy alloysJ.Na-ture Communications,2021,12:1-10.6Wang D,Sun Q,Hokkanen M J,et al.Design of robust superhydrophobic surfacesJ.Nature,2020,582:55-59.7Ng S,Noor N,Zheng Z.Graphene-based two-dimensional Janus materialsJ.NPG Asia Materials,2018,10(4):217-237.【基金项目】教育部产学合作协同育人项目“产教深度融合背景下材料类专业实践教学基地建设的探索与实践”（项目编号：202102152046）【作者简介】魏娜（1988-），女，汉族，山东青岛人，博士，讲师，研究方向：多孔结构-功能一体化材料。