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在物理化学课堂教学中培养学生创新思维 摘要：高等学校创新人才培养的重点是培养学生创新思维。本人在物理化学课堂教学实践中，针对物理化学课程特点，在准确讲解物理化学基本原理的同时，提炼出主要方法加以讲解，将方法的科学思想融于基本原理中，培养学生创新思维的能力。结合自身科研实践，和学科前沿相联系，传授基本的创新方法，介绍物理化学在现代科技成果和前沿发展中的作用，激励、唤醒和鼓舞学生的学习、研究和创新的激情。 一、绪论 创新人才的培养已成为高等教育的责任和义务，创新人才培养的重点是培养学生创新思维，开发学生潜在的创造力。目前大学理工科专业本科教学大约有75%80%是在课堂内完成的。因此，高校教师必须充分利用课堂教学，在教学过程中尽可能开发学生的创造潜能、激发灵感，从而培养学生创新思维。物理化学是借助数学、物理学等的基础理论来研究化学原理和方法的课程，是化学化工、生物环境、材料等专业的一门重要基础课。由于物理化学研究的是化学体系最一般的宏观、微观规律和理论，涉及的概念抽象、公式繁多、导出过程复杂、应用条件严格，在学生中一直享有难学之“誉”。也正是由于物理化学课程是化学的理论基础，逻辑性、系统性、概念性及理论性强，也更有利于课堂上培养学生创新思维的培养。本人在物理化学课堂教学实践中，针对物理化学课程特点，注重培养学生科学的思维方法，并联系实际科研问题传授基本的创新方法，适当介绍现代科技前沿发展中物理化学的作用，激发他们主动思考和分析问题，从各方面培养学生创新思维的能力。 二、培养学生创新思维的实践 1.注重在课堂上培养科学的思维方法。物理化学有化学热力学、化学动力学与物质结构三大分支，而化学热力学涵盖了近二分之一的内容。化学热力学的体系非常系统，而且逻辑严密，更凸现了物理化学在培养学生思维能力方面的独到之处。化学热力学以四个基本定律为中心，推演出一系列公式与结论，并在多相系统、化学反应系统、电化学及界面化学等领域中得到广泛的应用。在热力学的教学中，不仅要教会学生知识，更要教会学生从热力学的推导与归纳中学习科学的思维方法，为将来的科学研究工作打下创新思维的基础。首先，通过公式的推导过程，培养学生严谨的逻辑思维。例如，在化学热力学中，以经验概括的热力学第一、第二定律为基础，经过严密的逻辑推理，通过由特殊到一般的归纳以及由一般到特殊的演绎，解决了化学反应的方向和限度问题。在授课过程中，我强调推理过程的严谨思路，强调它们之间的逻辑关系，注重梳理学生的思维。通过严密的科学思维和数学推导，充分体现热力学规律的发现过程，使学生了解这些方法体系的背景、研究方法及其解析过程，从而在学习和掌握这类科学规律的同时，学会智慧地思考，掌握基本的创新思维方法。其次，在学生掌握了一定的基本理论之后，引导他们对各章节内容进行归纳总结。这就要求学生不仅要认真研读、复习部分内容，还必须学会对知识进行高度系统的概括。这一方面是对所学内容的深化理解，另一方面也能训练学生概括能力，有助于学生的创造性思维及书面表达能力的训练。比如，在学习热力学第一和第二定律时，我就采用这种教学方式，层层递进，要求学生在每学完一个章节之后，及时总结，这个总结不能只是简单抄书，只能用一页纸提交能够描述章节基本内容的总结作业。刚开始学生仅仅是对知识点进行简单罗列，后来经过耐心点拨与引导，学生学会了把知识“糅合”在一起，最终仅用一张知识框架图就可以高度概括一章的内容，如下图所示。通过框架图就可以直观地反映出热力学第一定律所涉及的基本概念、热力学基本函数和基本公式之间的内在联系。通过以上几个环节的学习，学生明白了知识点的来龙去脉，在头脑中形成清晰系统的知识体系，能够从整体上把握主要内容。通过总结概括，学生切实感受到书本知识由厚变薄、提炼精髓的真谛，从而实现思维方法上质的飞跃。 2.结合物理化学课程，讲授基本创新方法。自然科学的研究方法一般来说有：实验的方法、归纳和演绎的方法、模型化方法、理想化方法、假设的方法、数学的统计处理方法，等等。这些方法同样在物理化学领域中通用，并贯穿始终。同时，物理化学理论体系也形成了物理化学学科所独有的基本方法，如状态函数法、标准状态法、偏离理想法、稳态近似法、配分函数法等。这些方法有的是从相邻学科移植过来的，有的是物理化学所独创的，如状态函数法。每一种物理化学研究方法从产生到成熟都反映了解决物理化学问题时柳暗花明的历程。教学中让学生了解到各种基本定律研究的背景、研究方法及其解析过程，可以使学生在掌握物理化学基础知识的同时，在大脑中构建清晰的方法创新历程，激发学生学会如何主动思考，从而提高学生发现和分析问题的能力。例如，状态函数法是热力学研究中广泛应用的方法，以热力学第一、第二定律建立的几个热力学函数U、H、S、A、G，其变化量可以通过选择自己认为简便的途径找到，而不管实际的过程和路径如何，从而可以在相同的始态、终态之间，能动地设计可计算的过程，最终在不同的体系中解决化学变化的方向和热力学平衡问题。在设计过程时，有可逆的概念和方法；对于多组分体系，又引入偏摩尔量和化学势的概念。为了解决化学变化的方向问题，引入标准状态法、平衡法等。再如理想化方法和偏离理想法，放在一起就是类比的方法。在具有相似性的同类事物之间，发现共同属性或不同属性，这是运用类比法研究；在不同类的事物之间，除了存在差异的一面外，还可能具有相似的一面，同样可以运用类比法发现事物的规律。物理化学中活度、逸度概念正是在类比的基础上引出的。理想化方法研究实际气体得到理想气体模型，理想化方法研究实际溶液就是理想的溶液模型。把实际气体、实际溶液理想化之后，再应用偏离理想法，通过逸度、活度进行相应校正，从而可以简单地解决热力学、动力学问题。详细的方法论不仅能够帮助学生理解物理化学原理，而且拓宽了解题思路，提高了学生科学思维的能力。 3.结合自身科研实践，传授创新思维方法和技巧。作为一门化学化工专业的基础课，物理化学的基本内容相对成熟且比较稳定。如果仅仅讲述课本理论，会让学生产生一种错觉，认为物理化学原理离科学技术前沿很远，老师只是空谈创新思维和创新方法。要培养学生的创新思维，教师必须有创新实践。为了能够让学生了解物理化学课程的基本理论与方法在科研创新工作中的应用，笔者将近年来承担和参加的科研课题中与课程内容密切相关的前沿科研成果融入到课堂教学中，将科研与教学两者进行有机结合。例如，在讲到界面化学与胶体化学的章节时，笔者把攻读博士学位期间的研究课题“半导体表面的化学机械抛光与清洗”中的一个课题“如何根据抛光表面要求选择抛光液组成”提出来，给出化学机械抛光的整个工艺过程，并引导那些感兴趣的学生依据学过的热力学和动力学的知识体系，寻找影响化学机械抛光表面的抛光液成分，找到选择抛光液组成的关键所在，一周后分组提出相应的解决方案。结合学生提出的方案，再给出自己科研中相应的研究结果和结论，通过对比、分析、判断，学生最终对界面与胶体化学得到更深刻的理解。在整个教学过程中，由于教学与科研融为一体，使得传统理论教学内容结合现代科学实践，融传授知识与培养创新思维能力为一体，有益于师生共同进步，迸发出创新的火花。 4.介绍新成果，营造创新氛围。在如今的信息时代，科学技术飞速发展，新理论、新技术不断涌现。作为一门基础理论课，物理化学教学过程中也要适当地介绍现代科技成果和前沿发展动态。这样不但可以开阔学生的视野，丰富教学内容，更重要的是在整个教学过程中形成一种探索、创新的学术氛围，激发学生的求知欲，培养学生的创新精神，更好地实现高等教育的发展目标。把握本学科的发展前沿的唯一途径是从事科学研究，也只有不断地跟踪把握学科的前沿才能出高水平的成果。但是每个人的研究领域是十分有限的，物理化学是二级基础学科，涉及的内容很多，把握整个学科的所有前沿发展还是比较困难的。本人从教学的需要出发，在讲到教材内容每一章的第一次课之前，查阅一年内国内外反映物理化学的最新研究成果和最新动态的期刊，结合要讲到的基础理论和方法，关注物理化学相关领域的发展，寻找一年内的相关新技术中物理化学的作用。在教学中，我结合不同专业学生的特点，精心准备资料，介绍基础知识在学生专业相关领域的应用和发展，引导学生思考。有时也请同学提前查阅相关进展，在课堂上做展示。尽管可能只有几分钟的介绍，却可以把学生引向更高层次进行思考，进一步激发学生的创新意识，培养学生的创新能力。 三、结论 教学的本质不在于教会学生多少知识，而是在于激励、唤醒和鼓舞学生研究和创新的激情，学会智慧地思考问题，培养学生创新思维的能力。物理化学教学实践表明，在教学过程中科学的思维方法是培养创新人才的根本，只有那些具备扎实的基础知识、掌握科学的思维方法的人，才会有所创新、有所成就。在准确讲解物理化学基本原理的同时，必须提炼出主要方法加以讲解，将方法的科学思想融于基本原理中，才能培养学生创新思维。结合自身科研实践和学科前沿，讲授基本创新方法和技巧，能够激励和鼓舞学生进行研究和创新的激情。在教学中将科学研究的思想和方法不断渗透，层层递进，从概括能力到科学思维再到科研实践和科研新成果，逐步培养学生探究新问题、找出新规律的科学素养。不仅使物理化学教学内容富有时代感，而且更有利于学生创新思维的培养。