冶金工程专业物理化学课程教学改革研究

何世伟,孔 辉,李 娜,吴朝阳

(安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002)

物理化学是冶金工程专业和资源加工与循环专业本科生的一门专业基础课。通过本课程学习，要求学生牢固地掌握物理化学的基本概念，并基于基本原理进行计算，培养运用本课程理论知识，分析、研究、解决冶金过程中有关物理化学方面问题的能力，并为后续课程冶金物理化学和有色冶金原理等专业课的学习打下基础，是基础课与专业课间的桥梁。

在近几年的教学活动中发现，学生在学习过程中存在一些问题，对本课程的教学效果产生了影响，主要表现在以下三个方面：

1.学习目标上模糊不清。很多学生对于本课程的目标和定位不够明确，学习课程的初衷只是为了获得该必修课程的学分。对于课程承前启后的作用、对能力提升的重要性等理解不够深入。

2.学习态度上摇摆不定。本课程于大一下学期开课，在课程开设之初，学生往往有着认真学完这门课程的愿景，但因为自身的惰性，以及课程难度较高导致学习积极性不高。

3.学习方法上因循守旧。部分同学随着课程知识的逐渐丰富、课程难度的逐步提高，拒绝接受多元化的教学方式，上课听讲注意力不够集中，参与互动的动力不足，使用网络课程资源积极性不高。

课程本身的一些特点对学习效果的提升也产生了限制作用，主要表现在以下三个方面：

1.公式推导，高数为先。本课程中穿插了大量公式定理的推导内容，这些内容有相当一部分借助高等数学中的微积分原理进行推演，所以，该课程的学习需要一定的高等数学基础。

2.模型建立，物理为基。课程中模型的建立，往往依赖于基本的物理模型，如理想气体、卡诺热机、理想溶液等。对学生的高中物理知识乃至大学物理的知识基础，都有一定的要求。

3.过程理解，化学为辅。课程中主要解决的问题，仍是化学反应、相变、平衡移动等化学问题，因此，对化学基本功的要求很高。此外，课程中还要渗透一些冶金过程，这些过程均以化学为基础。

(一)知识结构深度重构，绘制课程知识的脉络图，做基础课程和专业课程的“大动脉”

物理化学是冶金工程专业的第一门专业基础课，在大一下学期就已经开课，学生对于本专业还没有清醒的认识，对高等数学、大学物理、基础化学等基础课程与后续专业理论课程如冶金原理、传输原理、冶金设备、冶金工艺类课程之间关联性的理解还不够深入。

以“桥梁”“纽带”作用为导向，教师对物理化学的知识体系进行重构，形成课程知识的脉络图。例如，“相平衡的移动”这节内容通过“克拉佩龙方程”“克劳修斯-克拉佩龙方程”判断相平衡时温度和压强的变化规律，在内容讲解时，辅以冶金案例“锌精矿加压浸出”、“铝土矿高压溶出”“真空冶金”，帮助学生理解相平衡移动的概念，并提前理论联系实际，为后续冶金原理等课程打下基础。在讲授“多组分系统热力学”“相图”这两章内容时，融入冶金中的“精炼除氧”和“区域熔炼”案例，加深学生对多组分系统在冶金中应用的理解，为后续冶金工艺类课程打下基础。在讲授“表面现象”“电化学”这两章内容时，融入“渣金界面”“熔体底吹技术”“铜电解精炼”“锌电解沉积”“铝熔盐电解”等冶金模型，丰富学生的视野，为后续冶金原理、冶金设备、冶金工艺类课程打下基础[1]。在讲授“动力学”这部分内容时，融入“铝合金耐腐蚀原理”“过程工程的动力学控制”“冶金反应的传质”等内容，扩展学生的“动力学思维”，为后续传输原理及冶金工艺类课程打下基础。

在讲授物理化学知识的同时，需要使用高等数学、大学物理、基础化学的知识，有很多学生因为物理化学所用的基础课程知识门槛较高，一度对物理化学的学习产生畏难情绪。在沿用基础知识建立物理化学模型、推导物理化学公式的时候，课程组会对基础知识进行简要复习，帮助学生回忆知识要点，减少学生的恐学心理。此外，在授课时以学生熟悉的高中数学、物理、化学知识进行拓展类比，让学生更容易接受新知识。例如，引入物理中“质点”的概念，来类比物理化学中“系统”和“环境”，加深对物理化学研究对象的理解；
引入“水流”来类比“电流”，加深学生对电解质溶液中影响电流大小因素的理解[2]。

(二)教学方法多元化，形成授课技能的专家库，做“以教为主”到“以学为主”的“催化剂”

物理化学是一门传统的基础课，在传统课程的基础上做授课方式的创新，往往需要循序渐进。这几年，在探索更加适用于本课程的授课方式时，我们一步一步不断创新，逐渐形成了适宜于本课程的多元教学方法，线上线下相结合，从“以教为主”到“以学为主”。根据本门课程的特征，线上主要用于课前预习和课后习题(以概念题为主)，线下包括课堂教学和线下作业(以计算题为主)。对一些重要的知识点，为了加深学生对知识的理解、提高学生灵活运用程度，采用“翻转课堂”的教学方法。

在线上部分，学生会提前3天收到“课前预习任务书”。“课前预习任务书”中列有3部分内容：下一讲重点、下一讲难点、核心概念及公式，学生针对这三部分内容进行预习，充分的课前预习可以使课堂教学效果事半功倍。授课结束后学生会立刻收到“课后复习任务书”。“课后复习任务书”中也列有3部分内容：核心概念及公式回顾、重点例题回顾、课后习题，以重点例题为引导，让学生自主完成课后习题，进一步巩固课堂知识。线上部分的授课内容，主导公式应用，紧扣核心概念，关注课前课后，对“线下”教学起到了重要的补充作用。

在线下部分，重点推进从“以教为主”到“以学为主”的转化。例如，在推导“卡诺热机”时，采用翻转课堂的方式，让学生推导并讲述四个可逆过程，通过可逆过程的推导，加深学生对热力学第二定律提出过程所对应模型的理解，也可以通过严密的模型构建、公式推导培养学生的科学思维和工匠精神。在介绍相图时，可以让学生上讲台标相区、画步冷曲线、写相变反应，该过程可以加深学生对相变过程的理解，也为学生深度理解冶金中的相变过程打下了坚实的基础。在介绍动力学时，可以让学生推导反应级数为整数的反应的动力学方程，通过方程的推导，加深学生对动力学模型的理解，对基元反应动力学方程和半衰期表达式的认识。

(三)课程思政实时更新，构建价值引领的桥头堡，做思政建设和专业理论的“调和剂”

物理化学是冶金工程专业学生最早接触的专业基础课，在低年级开设，这一阶段学生急需专业教师在思想上给予引导。因此，课程组从“专业优势地位”“严谨的科学精神”“前辈科学家的爱国情怀”“继续深造”几个方面开展课程思政教学[3-4]，课程思政的建设思路如图1所示。

通过介绍我国在冶金领域的优势地位，提升学生的民族自豪感和自信心。改革开放后，我国通过产能提升、技术进步、理论创新逐渐从冶金弱国转变为冶金大国，并逐步转变为冶金强国[5]。冶金工业的改变，只是我国经济和社会发展的一个缩影，让学生从根本上产生民族自豪感和自信心，培养学生专业认同感。此外，通过介绍冶金产业(钢铁、有色)的省域优势，进一步提升学生的专业自信。

在热力学公式推导的过程中锻炼学生的科学思维和严谨的工作态度，培养学生的工匠精神。通过宣传魏寿昆、柯俊、徐光宪、邱定蕃等前辈科学家的爱国情怀，开展爱国主义教育[6]。此外，物理化学是大部分冶金专业硕士研究生入学考试的初试专业课。在授课时对于选拔性考试中的核心考点进行一定强化，并以本课程为切入点，对研究生入学考试的形式进行分析，帮助学生尽快确立学习目标。

(一)“桥梁”作用逐步凸显

随着教学改革的逐步推进，物理化学“桥梁”作用渐渐凸显。作为传统的基础课程，在讲授过程中需要大量的应用微积分、量子力学、密度泛函的成熟理论，这一方面可以巩固高等数学及大学物理等理论课程的知识要点，另一方面应用科学理论推导其它的科学原理，学生的科学思维得到锻炼。

作为“一流专业”下开设的“一流课程”，“启下”的作用更加突出。冶金工程是一个工科专业，大部分毕业生还是要走上生产技术岗位，因此，要加强“理-工”结合的课程建设。在每一章的授课内容中，课程组都会展示该理论在冶金工程领域的实际应用。例如，在讲授“相平衡的移动”这节时，以冶金案例“锌精矿加压浸出”为例，应用“克拉佩龙方程”阐述“气-液”相平衡规律，增大压强可以提高溶液的“气-液”相平衡温度，从而提高浸出过程时精矿和酸液的“固-液”反应温度。这种案例的系统分析，对后续课程重金属冶金学产生了积极影响，强化了“理-工”结合。在讲授“电化学”这章时，以冶金案例“铜的电解精炼”为应用案例，系统分析了阳极粗铜在溶解时的电化学溶出原理，阴极铜在沉积时的电化学结晶原理，以及铜离子和杂质离子在电解质中所遵循的传质原理。这部分案例的系统分析，对后续课程有色冶金原理产生了积极影响。

图1 物理化学课程思政建设思路

(二) 课程思政教学影响深远

课程组在授课过程中引入“课程思政三分钟”模块，并将该模块在全课程体系中布局，每个“课程思政三分钟”模块又分为“问题引入”“‘平语’近人”“逻辑思考”三个环节。以1.5节相变过程的课程思政为例，三个环节如下。

1.问题引入。以“天宫课堂”过饱和乙酸钠溶液结晶实验为例，以我国航天工业蓬勃发展的实例，增强学生的民族自信，同时，点出非平衡态的特殊性质。

2.“平语”近人。“航天科技是科技进步和创新的重要领域，航天科技成就是国家科技水平和科技能力的重要标志。航天科技取得的创新成果极大鼓舞了中国人民的创新信念和信心，为全社会创新创造提供了强大激励。”(2016年12月20日，习近平会见天宫二号和神舟十一号载人飞行任务航天员及参研参试人员代表时的讲话)

3.逻辑思考。平衡态包括多种平衡：力平衡、热平衡、相平衡、化学平衡。一个系统受力不平衡就会处于运动状态，在运动的状态中合力逐渐降低，并最终趋于力平衡。一个系统内部偏离热平衡状态，在局部温差的驱动下，会最终趋于热平衡。以“力平衡”和“热平衡”为例，分析总结非平衡态到平衡态的驱动力、变化方向，并引导学生主动思考“相平衡”和“化学平衡”的意义，深入理解非平衡态相变，以及与其相关的状态变化中热力学过程的构建。

通过思政案例“天宫课堂”及太空“冰雪实验”的引入，获得了以下成效：学生对“平衡态”与“非平衡态”的概念理解更加深刻，对“非平衡态”与“平衡态”相变的规律更加明晰，对转化过程中的热量传递行为理解加深。

(三)学生成绩稳步提升

本课程是多数冶金工程专业硕士研究生入学考试的初试专业课程，在硕士研究生入学考试中所占分值比例达30%。课程组通过“价值引领”和“能力塑造”，全景分析当前形势，引导学生正确选择未来发展方向，分类别对学生进行培养。准备考研的学生可以更加注重解题能力的提升，准备就业的学生可以更加关注课程与冶金工程专业的结合点。在课程基础建设中，课程组也不断完善课程的教学内容和教学方法，实实在在提高学生的解题能力，为选拔性考试做充分的准备。近3年本专业的考研录取率均居全校首位，充分展现了“一流专业”和“一流课程”的硬实力。

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