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[摘要]本文以長江大學(xué)石油工程專業(yè)大二某班為試點，以膠體系統(tǒng)為例針對應(yīng)用導(dǎo)向的石油工程物理化學(xué)課程改革進行了初步探索與實踐。筆者通過啟發(fā)式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生思考、探索和自主學(xué)習(xí)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”、會“動”，能“動”，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、自主解決問題的能力。同時基于此次實踐存在的問題提出了優(yōu)化時間安排、優(yōu)化督促機制和及時更新教學(xué)理論等改進方法。

[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)

社會工業(yè)化及信息化的不斷發(fā)展使對應(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)用和實踐為重，承載著為社會主義建設(shè)培養(yǎng)和輸送應(yīng)用型工程技術(shù)人才的重要職責(zé)，在社會發(fā)展及經(jīng)濟建設(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，習(xí)總書記在科學(xué)家座談會上提到：“要堅持把創(chuàng)新作為引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，加強創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。要加強數(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)、實驗技術(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、邏輯變換復(fù)雜、抽象嚴謹、公式繁多等特點，但兼具啟發(fā)后續(xù)課程學(xué)習(xí)和培養(yǎng)化學(xué)理論素養(yǎng)兩大功能[1]，在促進產(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，包含知識源頭的基本問題、概念、定律以及實際應(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、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。該課程的教學(xué)目標主要是讓學(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)、動力學(xué)、電化學(xué)及膠體化學(xué)中涉及的實驗及普遍規(guī)律，并養(yǎng)成求真、求實的優(yōu)良品德，培養(yǎng)工程意識、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，為從事與化學(xué)有關(guān)的工作打下堅實的理論基礎(chǔ)[2]。對于此類“綠葉型”課程，教學(xué)重點應(yīng)放在基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)技能培養(yǎng)等方面。實際課程內(nèi)容的取舍不應(yīng)以是否新穎前沿為依據(jù)作取舍，當以在工程實踐中是否實際可用為標準進行優(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)出以下幾個問題：(1)教學(xué)模式單一：教學(xué)以基礎(chǔ)知識灌輸為主，多采用教師為主體、學(xué)科知識為導(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，課堂氛圍過于死板，師生互動少；(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，無法有效體現(xiàn)物理化學(xué)的重要性和實用價值，吸引力不夠，易給學(xué)生造成“用處不大、多學(xué)無益”的錯覺；(3)授課周期短：授課周期受限，課程連貫性變差，課上思考、消化時間嚴重受限，學(xué)習(xí)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，考試都不會”的巨大落差。美國能源情報署(EIA))最新報告顯示，2015年至2040年，石油和天然氣等化石能源繼續(xù)主導(dǎo)的全球能源消費預(yù)計將持續(xù)增長28%。石油工程是根據(jù)油氣和儲層特性建立適宜的流動通道并優(yōu)選舉升方法，經(jīng)濟有效地將深埋于地下油氣從油氣藏中開采到地面所實施的一系列工程和工藝技術(shù)的總稱，其直接目標是以最小代價最大限度地開采地下油氣資源，服務(wù)于國民經(jīng)濟。我國是油氣進口第一大國，2020年對外依存度分別為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。國內(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，實踐能力強，能在石油工程領(lǐng)域從事工程設(shè)計、生產(chǎn)施工、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研究等方面的高級應(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，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)目的無法很好達成，其服務(wù)性的作用無法得到充分體現(xiàn)，因此推行物理化學(xué)教學(xué)改革具有現(xiàn)實必要性。本文結(jié)合長江大學(xué)石油工程專業(yè)的專業(yè)目標、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)改革探索與實踐，取得了一定的效果也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

2教學(xué)設(shè)計(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)三個系統(tǒng)中分別有哪些成分，哪個組分多，哪個組分少？(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成分濃度互換，新形成的體系有什么不同？通過分析和講解，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行區(qū)別分別對應(yīng)分子分散系統(tǒng)(均相，真溶液)，膠體分散系統(tǒng)(粒子細小，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)。若以上三個體系分散相和分散介質(zhì)進行互換，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)實際聯(lián)系最為緊密，是應(yīng)用最為廣泛的化學(xué)分支。通過系列疑問句，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，助力解決實際生產(chǎn)？”等問題等激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)膠體系統(tǒng)光學(xué)、電學(xué)、動力學(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前沿知識拓展

通過學(xué)習(xí)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、管道防腐等多個方面。通過簡單介紹納米材料的制備、用途和實際應(yīng)用效果，激發(fā)學(xué)生探究作用機理及材料選擇標準建立的興趣，并鼓勵學(xué)生進行文獻閱讀。本部分約10分鐘。

2.4學(xué)生自主調(diào)研文獻匯報

將每兩個學(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)的文獻并制作ppt進行匯報，每組匯報時間3~5min，采用任務(wù)驅(qū)動法以提問的方式檢查學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的效果，并實現(xiàn)教師與學(xué)生的交互，促進理論與應(yīng)用的結(jié)合。本文以長江大學(xué)石油工程專業(yè)2019級某班為試點開展了相關(guān)實踐。該班有學(xué)生21人，共分為7組，文獻來源主要包括知網(wǎng)、美國化學(xué)學(xué)會、SPE期刊和會議論文、Elsevier等，內(nèi)容涉及新型電池、納米機器人、納米增注、納米導(dǎo)向藥物等多個方面。總體上學(xué)生積極性較高，合作交流、口頭表達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)生的社會責(zé)任感是課程思政的一大重要方面。21世紀以來，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，會富集環(huán)境中對人體和生態(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，并可能自由穿過細胞膜，進入生物體內(nèi)，與蛋白質(zhì)、細菌、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，我國目前在該方面的研究仍非常局限，從我國現(xiàn)狀及需求出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感和科研精神，鼓勵他們?yōu)槲覈目萍及l(fā)展貢獻力量[3-4]。學(xué)習(xí)科學(xué)家們的精神對于培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀有很好的促進作用。筆者引入了愛因斯坦世界科學(xué)獎得主和能源界最高獎—埃尼獎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)，為達到每門課不低于90分的成績，無數(shù)個夜晚和周末都是陪著書本度過的，在西安讀書的四年里，除了能找到書店外，其他地方對于他而言都是陌生的。機緣巧合下，王中林投入到了高分辨電子顯微學(xué)奠基人Cowley教授門下，教授對他的評語是：無論做什么，都是做的最好的。1987年7月，他僅用4年的時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的第一人。同時，王忠林院士還積極參與祖國的教育和科研事業(yè)的發(fā)展，自1992年以來長期推進中美教育和科技交流，為國內(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)習(xí)他孜孜不倦，潛心研究，敢為人先的精神和愛國主義情懷。本部分約5分鐘。

3課后反思

通過“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)核心課程的對接與融合，使學(xué)生做到學(xué)有所獲，學(xué)以致用。通過課后與學(xué)生溝通，超過85%的學(xué)生認為采用此教學(xué)模式，對提高學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的參與度，活躍課堂氣氛，充實教學(xué)內(nèi)容，了解前沿知識有很好的促進作用[5]。然而通過此次實踐，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如(1)學(xué)生多局限于閱讀中文文獻，對國際前沿科技的了解有較大欠缺；(2)即使選擇了英文文獻，也多采用翻譯軟件全文翻譯，對內(nèi)容的理解不全面；(3)采用分組模式開展此次實踐，有不少同學(xué)存在著“背靠大樹好乘涼”的不端正心態(tài)；(4)提問環(huán)節(jié)，學(xué)生的表現(xiàn)仍有很大提升空間等。改進方法有：(1)優(yōu)化時間安排，給學(xué)生多一些時間消化課堂知識和了解科技前沿，努力創(chuàng)建學(xué)習(xí)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)習(xí)中。對于學(xué)習(xí)積極性不高的學(xué)生，要及時做好思想教育工作；(3)教師要努力做到教學(xué)理念的及時更新，與時俱進，讓學(xué)生想“動”、會“動”，能“動”，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、自主解決問題的能力。

4結(jié)語

筆者以長江大學(xué)石油工程專業(yè)大二某班為試點，以膠體系統(tǒng)為例針對應(yīng)用導(dǎo)向的石油工程物理化學(xué)課程改革進行了初步探索與實踐。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，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)生對調(diào)研前沿納米技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題的興趣，并組織學(xué)生進行文獻閱讀及匯報，深化基礎(chǔ)知識與實踐應(yīng)用的融合，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和協(xié)作的能力。最后以納米污染為基點，以科學(xué)家們敢為人先、拼搏進取的事跡為榜樣進行課程思政，激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感和科研精神。超過85%的學(xué)生認為采用此教學(xué)模式，對提高學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的參與度，活躍課堂氣氛，充實教學(xué)內(nèi)容，了解前沿知識有很好的促進作用。為進一步提高該模式的教學(xué)效果，可采取優(yōu)化時間安排、優(yōu)化督促機制和及時更新教學(xué)理論等方法。

作者：鐘珣  單位：長江大學(xué)石油工程學(xué)院