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[摘要]本文以長江大學石油工程專業大二某班為試點，以膠體系統為例針對應用導向的石油工程物理化學課程改革進行了初步探索與實踐。筆者通過啟發式教學方法引導學生思考、探索和自主學的方式開展了“教師引導，學生主體”的教學模式，努力做到讓學生想“動”、會“動”，能“動”，培養學生自主發現規律，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化時間安排、優化督促機制和及時更新教學理論等改進方法。
[關鍵詞]膠體化學；物理化學；課程改革；啟發式方法；自主學習
社會工業化及信息化的不斷發展使對應用型人才的需求不斷增加，應用型人才培養模式逐漸成為了大眾化高等教育的重點發展方向。工科類高校以解決生產和工程需求為本，以應用和實踐為重，承載著為社會主義建設培養和輸送應用型工程技術人才的重要職責，在社會發展及經濟建設中發揮著關鍵的作用，是“工程師的搖籃”。人才的培養離不開專業的教育。2020年9月，總書記在科學家座談會上提到：“要堅持把創新作為引領發展的第一動力，加強創新人才教育培養。要加強數學、物理、化學、生物等基礎學科建設……”。物理化學是四大基礎化學之一，涉及熱力學、電化學、膠體化學和動力學四大方面，主要是以物理學的理論成就為基礎、實驗技術為手段探索和歸納化學的一般規律及理論并應用于求解復雜工程問題，屬于數學、物理和化學相交叉的邊緣學科。該課程具有系統理論性強、邏輯變換復雜、抽象嚴謹、公式繁多等特點，但兼具啟發后續課程學和培養化學理論素養兩大功能[1]，在促進產教融合中發揮著舉足輕重的作用。
1物理化學課程定位
工科類專業以工程需求為本，以應用和實踐為重。工科物理化學課程的層次介于基礎課程和專業課程之間，在多數工科類高校屬于專業基礎課程，主要起服務專業的作用。物理化學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、定律以及實際應用，主要是用數學和物理學的相關方法探究化學中最具有普遍性的一般規律的學科，涉及宏觀、微觀不同尺度，動、靜不同狀態，固、液、氣不同相態，要求學生具備必要的高等數學、大學物理、普通化學等方面的基礎知識。該課程的教學目標主要是讓學生建立完整系統的物理化學基本理論和方法的框架，使其掌握熱力學、動力學、電化學及膠體化學中涉及的實驗及普遍規律，并養成求真、求實的優良品德，培養工程意識、科學思維和創新能力，為從事與化學有關的工作打下堅實的理論基礎[2]。對于此類“綠葉型”課程，教學重點應放在基礎知識學和基礎技能培養等方面。實際課程內容的取舍不應以是否新穎前沿為依據作取舍，當以在工程實踐中是否實際可用為標準進行優化和篩選。工科類物理化學課程教學現狀主要呈現出以下幾個問題：(1)教學模式單一：教學以基礎知識灌輸為主，多采用教師為主體、學科知識為導向、灌輸式的程序化教學模式。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)學生重視程度不夠：由于缺乏理論與生活化物理化學案例的結合，無法有效體現物理化學的重要性和實用價值，吸引力不夠，易給學生造成“用處不大、多學無益”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，學難度增大；(4)考核方式有待創新：學生自我約束力不夠，教師對學生又缺乏監督，課后作業存在明顯抄襲、雷同和“作業幫”現象，不能做到舉一反三，導致了“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主導的全球能源消費預計將持續增長28%。石油工程是根據油氣和儲層特性建立適宜的流動通道并優選舉升方法，經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，服務于國民經濟。我國是油氣進口第一大國，2020年對外依存度分別為73%和43%，而且一些關鍵核心技術和裝備仍存在“卡脖子”的風險。國內高校石油工程專業的開設主要是為了培養能適應石油戰略快速發展需要，專業理論基礎扎實，實踐能力強，能在石油工程領域從事工程設計、生產施工、技術創新與應用研究等方面的高級應用型技術人才。油氣采收率是衡量油氣開采技術高低的重要指標，提高采收率技術的發展與創新也是石油與天然氣領域永不褪色的話題。以長江大學石油工程專業為例，作為該校的老牌專業，物理化學課程的開設主要是為了服務于等油田化學原理、提高采收率原理等專業核心課程，不僅為體系和技術的創新提供了重要的基礎理論支持，也為油田化學用劑的研發和優化指明了方向。然而受傳統教學模式及教學方法的限制，使物理化學這類“綠葉型”課程的教學目的無法很好達成，其服務性的作用無法得到充分體現，因此推行物理化學教學改革具有現實必要性。本文結合長江大學石油工程專業的專業目標、學生素質和教師水平，以膠體化學部分為例，“因地制宜”、“因材施教”地開展了物理化學改革探索與實踐，取得了一定的效果也發現了一些問題。
2教學設計(90分鐘)
2.1基本概念引入
首先采用啟發式教學方法引導學生思考并了解分散系統、分散相和分散介質的定義及分散系統的分類。啟發式提問包括：(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，可以發現三者均屬于分散系統，分散相為固體(含量低)，分散介質為水(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中，根據分散相被分散的程度進行區別分別對應分子分散系統(均相，真溶液)，膠體分散系統(粒子細小，光學顯微鏡下不可見)和粗分散系統(粒子粗大，光學顯微鏡下可見)。若以上三個體系分散相和分散介質進行互換，則可得到凝膠類分散系統。按物質聚集狀態差異，可將分散系統分為八大類，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膠體分散系統性質與特點介紹
膠體分散系統中分散粒子的半徑在1~100nm范圍內，是眾多分子或離子的集合體，是高度分散的多相系統。膠體與表面化學與生活和生產實際聯系最為緊密，是應用最為廣泛的化學分支。通過系列疑問句，如“膠體分散系統到底有什么特殊性？生活中哪些體系可能屬于膠體系統？它是如何聯系生活，助力解決實際生產？”等問題等激發學生對學膠體系統光學、電學、動力學相關性質的興趣，并采用ppt結合線上小視頻的形式幫助學生了解丁達爾效應產生的原因及條件。本部分約30分鐘。
2.3前沿知識拓展
通過學發現，膠體分散系統的性質與分散粒子的尺寸密切相關。通常地，我們把至少有一維大小在1~100nm范圍內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。納米技術已經迅速崛起為一種能夠在技術和經濟上與傳統方法相媲美的新型技術。由于納米材料具有優異的滲透和吸附能力，可調的物理化學特性和獨特的熱性能，因此在石油與天然氣領域可用于稠油降粘、潤濕反轉、鉆井液粘度調節、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、用途和實際應用效果，激發學生探究作用機理及材料選擇標準建立的興趣，并鼓勵學生進行文獻閱讀。本部分約10分鐘。
2.4學生自主調研文獻匯報
將每兩個學生分為一組，以一周為限，每組閱讀一篇與納米材料在石油領域應用有關的文獻并制作ppt進行匯報，每組匯報時間3~5min，采用任務驅動法以提問的方式檢查學生課下自主學的效果，并實現教師與學生的交互，促進理論與應用的結合。本文以長江大學石油工程專業2019級某班為試點開展了相關實踐。該班有學生21人，共分為7組，文獻來源主要包括知網、美國化學學會、SPE期刊和會議論文、Elsevier等，內容涉及新型電池、納米機器人、納米增注、納米導向藥物等多個方面?？傮w上學生積極性較高，合作交流、口頭表達能力和科研思維均得到了一定的培養。本部分約35分鐘。
2.5課程思政
培養學生的社會責任感是課程思政的一大重要方面。21世紀以來，納米材料在很多領域均得到了廣泛的應用。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，其物理和化學性質都將發生巨大變化。納米材料由于比表面積巨大，會富集環境中對人體和生態有害的物質，并跟隨物質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，與蛋白質、細菌、病毒等發生相互作用，并可能引發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，從我國現狀及需求出發，激發學生的社會責任感和科研精神，鼓勵他們為我國的科技發展貢獻力量[3-4]。學科學家們的精神對于培養學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院物理專業，為達到每門課不低于90分的成績，無數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博士學位，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的發展，自1992年以來長期推進中美教育和科技交流，為國內培養和輸送了一批優秀科研工作者。以此引導學生學他孜孜不倦，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、學生主體”的課上基礎與課下自主延拓相結合的方式助力工科高校應用型人才培養模式的發展，深化“綠葉型”專業基礎課程與專業核心課程的對接與融合，使學生做到學有所獲，學以致用。通過課后與學生溝通，超過85%的學生認為采用此教學模式，對提高學興趣，提升學生的參與度，活躍課堂氣氛，充實教學內容，了解前沿知識有很好的促進作用[5]。然而通過此次實踐，也發現了一些問題，如(1)學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，有不少同學存在著“背靠大樹好乘涼”的不端正心態；(4)提問環節，學生的表現仍有很大提升空間等。改進方法有：(1)優化時間安排，給學生多一些時間消化課堂知識和了解科技前沿，努力創建學型課堂，以“教師引導，學生主體”的方式提高課堂效率；(2)優化督促機制，采用線上線下相結合的方式督促學生全員高效地參與到課堂學中。對于學積極性不高的學生，要及時做好思想教育工作；(3)教師要努力做到教學理念的及時更新，與時俱進，讓學生想“動”、會“動”，能“動”，培養學生自主發現規律，自主尋找方法，自主探索思路、自主解決問題的能力。
4結語
筆者以長江大學石油工程專業大二某班為試點，以膠體系統為例針對應用導向的石油工程物理化學課程改革進行了初步探索與實踐。首先采用啟發式教學方法引導學生思考并了解分散系統的定義、性質和特點，其次，凸顯膠體粒子、納米材料的特殊性及其應用前景引起學生對調研前沿納米技術的應用現狀及問題的興趣，并組織學生進行文獻閱讀及匯報，深化基礎知識與實踐應用的融合，培養其自主學和協作的能力。最后以納米污染為基點，以科學家們敢為人先、拼搏進取的事跡為榜樣進行課程思政，激發學生的社會責任感和科研精神。超過85%的學生認為采用此教學模式，對提高學興趣，提升學生的參與度，活躍課堂氣氛，充實教學內容，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效果，可采取優化時間安排、優化督促機制和及時更新教學理論等方法。
作者：鐘珣 單位：長江大學 石油工程學院
