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[摘要]本文以長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)大二某班為試點(diǎn)，以膠體系統(tǒng)為例針對(duì)應(yīng)用導(dǎo)向的石油工程物理化學(xué)課程改革進(jìn)行了初步探索與實(shí)踐。筆者通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生思考、探索和自主學(xué)的方式開展了“教師引導(dǎo)，學(xué)生主體”的教學(xué)模式，努力做到讓學(xué)生想“動(dòng)”、會(huì)“動(dòng)”，能“動(dòng)”，培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)規(guī)律，自主尋找方法，自主探索思路、自主解決問(wèn)題的能力。同時(shí)基于此次實(shí)踐存在的問(wèn)題提出了優(yōu)化時(shí)間安排、優(yōu)化督促機(jī)制和及時(shí)更新教學(xué)理論等改進(jìn)方法。

[關(guān)鍵詞]膠體化學(xué)；物理化學(xué)；課程改革；啟發(fā)式方法；自主學(xué)習(xí)

社會(huì)工業(yè)化及信息化的不斷發(fā)展使對(duì)應(yīng)用型人才的需求不斷增加，應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式逐漸成為了大眾化高等教育的重點(diǎn)發(fā)展方向。工科類高校以解決生產(chǎn)和工程需求為本，以應(yīng)用和實(shí)踐為重，承載著為社會(huì)主義建設(shè)培養(yǎng)和輸送應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重要職責(zé)，在社會(huì)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，是“工程師的搖籃”。人才的培養(yǎng)離不開專業(yè)的教育。2020年9月，總書記在科學(xué)家座談會(huì)上提到：“要堅(jiān)持把創(chuàng)新作為引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，加強(qiáng)創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。要加強(qiáng)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)……”。物理化學(xué)是四大基礎(chǔ)化學(xué)之一，涉及熱力學(xué)、電化學(xué)、膠體化學(xué)和動(dòng)力學(xué)四大方面，主要是以物理學(xué)的理論成就為基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)為手段探索和歸納化學(xué)的一般規(guī)律及理論并應(yīng)用于求解復(fù)雜工程問(wèn)題，屬于數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)相交叉的邊緣學(xué)科。該課程具有系統(tǒng)理論性強(qiáng)、邏輯變換復(fù)雜、抽象嚴(yán)謹(jǐn)、公式繁多等特點(diǎn)，但兼具啟發(fā)后續(xù)課程學(xué)和培養(yǎng)化學(xué)理論素養(yǎng)兩大功能[1]，在促進(jìn)產(chǎn)教融合中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1物理化學(xué)課程定位

工科類專業(yè)以工程需求為本，以應(yīng)用和實(shí)踐為重。工科物理化學(xué)課程的層次介于基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間，在多數(shù)工科類高校屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要起服務(wù)專業(yè)的作用。物理化學(xué)課程具有完整的體系化特點(diǎn)，包含知識(shí)源頭的基本問(wèn)題、概念、定律以及實(shí)際應(yīng)用，主要是用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的相關(guān)方法探究化學(xué)中最具有普遍性的一般規(guī)律的學(xué)科，涉及宏觀、微觀不同尺度，動(dòng)、靜不同狀態(tài)，固、液、氣不同相態(tài)，要求學(xué)生具備必要的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、普通化學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)。該課程的教學(xué)目標(biāo)主要是讓學(xué)生建立完整系統(tǒng)的物理化學(xué)基本理論和方法的框架，使其掌握熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)及膠體化學(xué)中涉及的實(shí)驗(yàn)及普遍規(guī)律，并養(yǎng)成求真、求實(shí)的優(yōu)良品德，培養(yǎng)工程意識(shí)、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，為從事與化學(xué)有關(guān)的工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[2]。對(duì)于此類“綠葉型”課程，教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)放在基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)和基礎(chǔ)技能培養(yǎng)等方面。實(shí)際課程內(nèi)容的取舍不應(yīng)以是否新穎前沿為依據(jù)作取舍，當(dāng)以在工程實(shí)踐中是否實(shí)際可用為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化和篩選。工科類物理化學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀主要呈現(xiàn)出以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)教學(xué)模式單一：教學(xué)以基礎(chǔ)知識(shí)灌輸為主，多采用教師為主體、學(xué)科知識(shí)為導(dǎo)向、灌輸式的程序化教學(xué)模式。講課ppt以文字居多，以理論居上，課堂氛圍過(guò)于死板，師生互動(dòng)少；(2)學(xué)生重視程度不夠：由于缺乏理論與生活化物理化學(xué)案例的結(jié)合，無(wú)法有效體現(xiàn)物理化學(xué)的重要性和實(shí)用價(jià)值，吸引力不夠，易給學(xué)生造成“用處不大、多學(xué)無(wú)益”的錯(cuò)覺；(3)授課周期短：授課周期受限，課程連貫性變差，課上思考、消化時(shí)間嚴(yán)重受限，學(xué)難度增大；(4)考核方式有待創(chuàng)新：學(xué)生自我約束力不夠，教師對(duì)學(xué)生又缺乏監(jiān)督，課后作業(yè)存在明顯抄襲、雷同和“作業(yè)幫”現(xiàn)象，不能做到舉一反三，導(dǎo)致了“課后都會(huì)，考試都不會(huì)”的巨大落差。美國(guó)能源情報(bào)署(EIA))最新報(bào)告顯示，2015年至2040年，石油和天然氣等化石能源繼續(xù)主導(dǎo)的全球能源消費(fèi)預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)28%。石油工程是根據(jù)油氣和儲(chǔ)層特性建立適宜的流動(dòng)通道并優(yōu)選舉升方法，經(jīng)濟(jì)有效地將深埋于地下油氣從油氣藏中開采到地面所實(shí)施的一系列工程和工藝技術(shù)的總稱，其直接目標(biāo)是以最小代價(jià)最大限度地開采地下油氣資源，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)。我國(guó)是油氣進(jìn)口第一大國(guó)，2020年對(duì)外依存度分別為73%和43%，而且一些關(guān)鍵核心技術(shù)和裝備仍存在“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)高校石油工程專業(yè)的開設(shè)主要是為了培養(yǎng)能適應(yīng)石油戰(zhàn)略快速發(fā)展需要，專業(yè)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)踐能力強(qiáng)，能在石油工程領(lǐng)域從事工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)施工、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研究等方面的高級(jí)應(yīng)用型技術(shù)人才。油氣采收率是衡量油氣開采技術(shù)高低的重要指標(biāo)，提高采收率技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新也是石油與天然氣領(lǐng)域永不褪色的話題。以長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)為例，作為該校的老牌專業(yè)，物理化學(xué)課程的開設(shè)主要是為了服務(wù)于等油田化學(xué)原理、提高采收率原理等專業(yè)核心課程，不僅為體系和技術(shù)的創(chuàng)新提供了重要的基礎(chǔ)理論支持，也為油田化學(xué)用劑的研發(fā)和優(yōu)化指明了方向。然而受傳統(tǒng)教學(xué)模式及教學(xué)方法的限制，使物理化學(xué)這類“綠葉型”課程的教學(xué)目的無(wú)法很好達(dá)成，其服務(wù)性的作用無(wú)法得到充分體現(xiàn)，因此推行物理化學(xué)教學(xué)改革具有現(xiàn)實(shí)必要性。本文結(jié)合長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)的專業(yè)目標(biāo)、學(xué)生素質(zhì)和教師水平，以膠體化學(xué)部分為例，“因地制宜”、“因材施教”地開展了物理化學(xué)改革探索與實(shí)踐，取得了一定的效果也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。

2教學(xué)設(shè)計(jì)(90分鐘)

2.1基本概念引入

首先采用啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生思考并了解分散系統(tǒng)、分散相和分散介質(zhì)的定義及分散系統(tǒng)的分類。啟發(fā)式提問(wèn)包括：(1)生理鹽水、硅溶膠、泥漿除了都是液體之外還有什么共性？(2)三個(gè)系統(tǒng)中分別有哪些成分，哪個(gè)組分多，哪個(gè)組分少？(3)氯化鈉，二氧化硅和粘土分別以什么形式存在于系統(tǒng)中？(4)如果含量高和低的兩個(gè)成分濃度互換，新形成的體系有什么不同？通過(guò)分析和講解，可以發(fā)現(xiàn)三者均屬于分散系統(tǒng)，分散相為固體(含量低)，分散介質(zhì)為水(含量高)，其中氯化鈉主要以鈉離子(＜1nm)和氯離子(＜1nm)，二氧化硅主要以0.1μm~1nm顆粒形式，粘土主要以＞1μm顆粒形式存在于系統(tǒng)中，根據(jù)分散相被分散的程度進(jìn)行區(qū)別分別對(duì)應(yīng)分子分散系統(tǒng)(均相，真溶液)，膠體分散系統(tǒng)(粒子細(xì)小，光學(xué)顯微鏡下不可見)和粗分散系統(tǒng)(粒子粗大，光學(xué)顯微鏡下可見)。若以上三個(gè)體系分散相和分散介質(zhì)進(jìn)行互換，則可得到凝膠類分散系統(tǒng)。按物質(zhì)聚集狀態(tài)差異，可將分散系統(tǒng)分為八大類，包括泡沫、溶膠、乳狀液、凝膠、懸浮體等。本部分介紹約10分鐘。

2.2膠體分散系統(tǒng)性質(zhì)與特點(diǎn)介紹

膠體分散系統(tǒng)中分散粒子的半徑在1~100nm范圍內(nèi)，是眾多分子或離子的集合體，是高度分散的多相系統(tǒng)。膠體與表面化學(xué)與生活和生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系最為緊密，是應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)分支。通過(guò)系列疑問(wèn)句，如“膠體分散系統(tǒng)到底有什么特殊性？生活中哪些體系可能屬于膠體系統(tǒng)？它是如何聯(lián)系生活，助力解決實(shí)際生產(chǎn)？”等問(wèn)題等激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)膠體系統(tǒng)光學(xué)、電學(xué)、動(dòng)力學(xué)相關(guān)性質(zhì)的興趣，并采用ppt結(jié)合線上小視頻的形式幫助學(xué)生了解丁達(dá)爾效應(yīng)產(chǎn)生的原因及條件。本部分約30分鐘。

2.3前沿知識(shí)拓展

通過(guò)學(xué)發(fā)現(xiàn)，膠體分散系統(tǒng)的性質(zhì)與分散粒子的尺寸密切相關(guān)。通常地，我們把至少有一維大小在1~100nm范圍內(nèi)的固體材料稱為納米材料，主要包括零維納米粒子、一維納米線、二維納米薄膜和三維納米塊體，如圖2所示。納米技術(shù)已經(jīng)迅速崛起為一種能夠在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上與傳統(tǒng)方法相媲美的新型技術(shù)。由于納米材料具有優(yōu)異的滲透和吸附能力，可調(diào)的物理化學(xué)特性和獨(dú)特的熱性能，因此在石油與天然氣領(lǐng)域可用于稠油降粘、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)、鉆井液粘度調(diào)節(jié)、油田污水處理、管道防腐等多個(gè)方面。通過(guò)簡(jiǎn)單介紹納米材料的制備、用途和實(shí)際應(yīng)用效果，激發(fā)學(xué)生探究作用機(jī)理及材料選擇標(biāo)準(zhǔn)建立的興趣，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀。本部分約10分鐘。

2.4學(xué)生自主調(diào)研文獻(xiàn)匯報(bào)

將每?jī)蓚€(gè)學(xué)生分為一組，以一周為限，每組閱讀一篇與納米材料在石油領(lǐng)域應(yīng)用有關(guān)的文獻(xiàn)并制作ppt進(jìn)行匯報(bào)，每組匯報(bào)時(shí)間3~5min，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法以提問(wèn)的方式檢查學(xué)生課下自主學(xué)的效果，并實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的交互，促進(jìn)理論與應(yīng)用的結(jié)合。本文以長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)2019級(jí)某班為試點(diǎn)開展了相關(guān)實(shí)踐。該班有學(xué)生21人，共分為7組，文獻(xiàn)來(lái)源主要包括知網(wǎng)、美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)、SPE期刊和會(huì)議論文、Elsevier等，內(nèi)容涉及新型電池、納米機(jī)器人、納米增注、納米導(dǎo)向藥物等多個(gè)方面。總體上學(xué)生積極性較高，合作交流、口頭表達(dá)能力和科研思維均得到了一定的培養(yǎng)。本部分約35分鐘。

2.5課程思政

培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感是課程思政的一大重要方面。21世紀(jì)以來(lái)，納米材料在很多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。但所有的事物都有兩面性，納米材料亦是如此。當(dāng)顆粒尺寸減小到納米尺度，其物理和化學(xué)性質(zhì)都將發(fā)生巨大變化。納米材料由于比表面積巨大，會(huì)富集環(huán)境中對(duì)人體和生態(tài)有害的物質(zhì)，并跟隨物質(zhì)遷移或隨氣流漂浮至更廣闊的空間，并可能自由穿過(guò)細(xì)胞膜，進(jìn)入生物體內(nèi)，與蛋白質(zhì)、細(xì)菌、病毒等發(fā)生相互作用，并可能引發(fā)一些癥狀奇特的新型疾病。然而，我國(guó)目前在該方面的研究仍非常局限，從我國(guó)現(xiàn)狀及需求出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和科研精神，鼓勵(lì)他們?yōu)槲覈?guó)的科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量[3-4]。學(xué)科學(xué)家們的精神對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀有很好的促進(jìn)作用。筆者引入了愛因斯坦世界科學(xué)獎(jiǎng)得主和能源界最高獎(jiǎng)—埃尼獎(jiǎng)得主王中林院士的故事。王中林院士在1978年考入西北電訊工程學(xué)院物理專業(yè)，為達(dá)到每門課不低于90分的成績(jī)，無(wú)數(shù)個(gè)夜晚和周末都是陪著書本度過(guò)的，在西安讀書的四年里，除了能找到書店外，其他地方對(duì)于他而言都是陌生的。機(jī)緣巧合下，王中林投入到了高分辨電子顯微學(xué)奠基人Cowley教授門下，教授對(duì)他的評(píng)語(yǔ)是：無(wú)論做什么，都是做的最好的。1987年7月，他僅用4年的時(shí)間便拿到了別人一般需要5~8年才能取得的物理學(xué)博士學(xué)位，成為了該系有史以來(lái)的第一人。同時(shí)，王忠林院士還積極參與祖國(guó)的教育和科研事業(yè)的發(fā)展，自1992年以來(lái)長(zhǎng)期推進(jìn)中美教育和科技交流，為國(guó)內(nèi)培養(yǎng)和輸送了一批優(yōu)秀科研工作者。以此引導(dǎo)學(xué)生學(xué)他孜孜不倦，潛心研究，敢為人先的精神和愛國(guó)主義情懷。本部分約5分鐘。

3課后反思

通過(guò)“教師引導(dǎo)、學(xué)生主體”的課上基礎(chǔ)與課下自主延拓相結(jié)合的方式助力工科高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的發(fā)展，深化“綠葉型”專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)核心課程的對(duì)接與融合，使學(xué)生做到學(xué)有所獲，學(xué)以致用。通過(guò)課后與學(xué)生溝通，超過(guò)85%的學(xué)生認(rèn)為采用此教學(xué)模式，對(duì)提高學(xué)興趣，提升學(xué)生的參與度，活躍課堂氣氛，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，了解前沿知識(shí)有很好的促進(jìn)作用[5]。然而通過(guò)此次實(shí)踐，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如(1)學(xué)生多局限于閱讀中文文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)際前沿科技的了解有較大欠缺；(2)即使選擇了英文文獻(xiàn)，也多采用翻譯軟件全文翻譯，對(duì)內(nèi)容的理解不全面；(3)采用分組模式開展此次實(shí)踐，有不少同學(xué)存在著“背靠大樹好乘涼”的不端正心態(tài)；(4)提問(wèn)環(huán)節(jié)，學(xué)生的表現(xiàn)仍有很大提升空間等。改進(jìn)方法有：(1)優(yōu)化時(shí)間安排，給學(xué)生多一些時(shí)間消化課堂知識(shí)和了解科技前沿，努力創(chuàng)建學(xué)型課堂，以“教師引導(dǎo)，學(xué)生主體”的方式提高課堂效率；(2)優(yōu)化督促機(jī)制，采用線上線下相結(jié)合的方式督促學(xué)生全員高效地參與到課堂學(xué)中。對(duì)于學(xué)積極性不高的學(xué)生，要及時(shí)做好思想教育工作；(3)教師要努力做到教學(xué)理念的及時(shí)更新，與時(shí)俱進(jìn)，讓學(xué)生想“動(dòng)”、會(huì)“動(dòng)”，能“動(dòng)”，培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)規(guī)律，自主尋找方法，自主探索思路、自主解決問(wèn)題的能力。

4結(jié)語(yǔ)

筆者以長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)大二某班為試點(diǎn)，以膠體系統(tǒng)為例針對(duì)應(yīng)用導(dǎo)向的石油工程物理化學(xué)課程改革進(jìn)行了初步探索與實(shí)踐。首先采用啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生思考并了解分散系統(tǒng)的定義、性質(zhì)和特點(diǎn)，其次，凸顯膠體粒子、納米材料的特殊性及其應(yīng)用前景引起學(xué)生對(duì)調(diào)研前沿納米技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題的興趣，并組織學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀及匯報(bào)，深化基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的融合，培養(yǎng)其自主學(xué)和協(xié)作的能力。最后以納米污染為基點(diǎn)，以科學(xué)家們敢為人先、拼搏進(jìn)取的事跡為榜樣進(jìn)行課程思政，激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和科研精神。超過(guò)85%的學(xué)生認(rèn)為采用此教學(xué)模式，對(duì)提高學(xué)興趣，提升學(xué)生的參與度，活躍課堂氣氛，充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，了解前沿知識(shí)有很好的促進(jìn)作用。為進(jìn)一步提高該模式的教學(xué)效果，可采取優(yōu)化時(shí)間安排、優(yōu)化督促機(jī)制和及時(shí)更新教學(xué)理論等方法。

作者：鐘珣 單位：長(zhǎng)江大學(xué)  石油工程學(xué)院