物理化学教学以学生为教学核心的“课程边界”思维.pdf

广 东 化 工 2023 年 第 16 期 232 第 50 卷 总第 498 期 物理化学教学以学生为物理化学教学以学生为 教学核心的“课程边界”思维教学核心的“课程边界”思维 白杨(北京理工大学 化学与化工学院，北京 102488)摘 要从教学实践中可以知道，教学过程通常需要通过教师、教材和学生三方面配合来完成。如果以学生为教学活动的核心，一切教学目的都是为了方便学生学习，教师就应该意识到并具有一种“课程边界”的思维。这种思维可以解决教材和教学的矛盾之处。本文提出了课程边界的概念并分析了其含义，阐述了课程边界思维在教材中的体现并举例进行了说明。关键词课程边界；教学核心；教材；学习能力；认知规律 中图分类号O64；G422 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)16-0232-02 Thinking on Course Boundary of Taking Students as the Teaching Core in the Physical Chemistry Teaching Bai Yang(School of Chemistry and Chemical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 102488,China)Abstract:From the teaching practice,we can know that the teaching process usually needs to be completed through the cooperation of teachers,textbooks and students.If students are the core of teaching activities and all teaching purposes are to facilitate students learning,teachers should realize and have the“curriculum boundary”thinking.This thinking can solve the contradiction between textbooks and teaching.This paper puts forward the concept of course boundary and analyzes its meaning,expounds the embodiments of course boundary thinking in textbooks and illustrates with examples.Keywords:course boundary；teaching core；textbook；learning ability；cognitive law 由于受到学时和课程设置的限制，教材和教学天然有矛盾之处。即教材的编写往往趋向于“大而全”，而教学则有诸多限制。为了解决这一矛盾，需要同时考虑教师、教材和学生三方面。其中必须注意的，是教学活动的核心。如果以学生为教学活动的核心，把学生能够有逻辑有层次地掌握一门课程的主要内容、并能够在以后通过自学更深入地了解这门课程为教学目的，“课程边界”思维就应引起重视。1 问题的提出问题的提出 无机化学和物理化学两门课程是化学化工专业的两门必修课。在这两门课程中，都会涉及到热力学第一定律中“功”的概念。通常无机化学课程安排在学生刚入学的大学一年级，而物理化学课程则安排在大学二年级。所以从时间上说，无机化学和高中化学有更明显的承接关系，而物理化学则需要学生先完成大一的微积分和大学物理两门课程之后才能开始学习。无机化学课程中对于“体积功”的计算结果直接给出一个公式1-2：W-p外V (1)式中 W 为体积功，p外为外压，V 为系统体积的变化。这个公式的适用范围为恒外压过程。无机化学教材里会在公式后边提一句该公式的适用范围，关于体积功的介绍也就到此为止。在物理化学课程中，会强调功不是状态函数，所以其数值和途径(过程)有关。3-4体积功的计算公式是一个微分式：dW-p外dV (2)在不同的途径下，积分结果不同，所以体积功的数值也就不一样。物理化学教材里会列出几种典型途径，然后分别推导这些途径下的体积功计算公式，恒外压过程只是其中之一。也就是说，无机化学课程中所给出的体积功的公式，是式(2)在p外不变时的一个积分结果，只是一个特例。因为还没有完成对微积分的学习，所以无机化学课程中对于体积功的计算，只能给出不需要微积分也可以理解的恒外压过程的结果。奥地利动物学家劳伦兹曾经研究过雏鹅的印随学习，发现刚出生的幼仔和刚孵化出来的雏鸟依赖于任何一个它们首先看见的活动物体，并跟随这个活动物体进行学习。这一活动物体甚至会影响到它们对于将来配偶的选择。5 印随学习相当于学习过程中的第一印象，它是顽固而不容易改变的，就好像武侠作品里那些武林高手，危急关头使出来的，都是最熟悉的最早练习的功夫。这一点，在日常生活中也经常得以体现，课堂上也不例外。因此，令主讲物理化学课程的教师颇为头疼的一点就是，在计算体积功的时候，相当多的学生不假思索就直接使用了公式(1)，而不考虑公式的适用范围。也就是说，无机化学课程里对于公式(1)适用范围的说明几乎没有效果，这个公式本身却深入人心。这是个令人无奈的问题，而它又不止出现这一次，在平衡常数等内容上，也有类似的情形出现。这就让我们不得不思考，究竟有没有可以应对这种问题的方法。2 课程边界思维在教材中的体现课程边界思维在教材中的体现 与前文相对的例子，是在物理化学课程和反应工程课程中都会出现的“复合反应”部分的内容。在物理化学课程中，介绍重点在于复合反应的动力学特点，包括速率方程和反应历程6。而在反应工程课程中，重点则在于复合反应的物料平衡、选择性、收率及反应器的选择7。反应工程课程一般安排在物理化学课程之后讲授。一本优秀的反应工程课程的教材(如参考文献7)，在编写的时候，就会考虑和前续课程的连接、本课程的特点，以及和后续课程之间的关系。在复合反应部分，就会简单地介绍复合反应的不同类型，尽可能少地与物理化学课程的相关内容重复，而把重点放在反应参数的选择上。物理化学课程所给出的，是理论图景，而反应工程课程所给出的，则是如何实现这些理论图景。两门课程之间，侧重点不同，逻辑关系清晰，学生就不会出现前文例子中的“印随学习”效应。所谓的“课程边界”，指的就是不同课程之间的界限。它不是某种硬性规定，而是在学科的长期发展中依据学科特点自发形成的一种默契。如果两种不同学科涉及到一部分相同内容，把这部分相同内容视为一个点，点越多，说明两种学科共同涉及的内容越多。连接这些点，就构成了这两种学科之间的界限。在编写教材和讲课的时候，对于这些点，就要格外注意，收稿日期 2023-02-06 作者简介 白杨(1975-)，女，山西太原人，博士，主要研究方向为物理化学。2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 233 既要能讲出本学科的特点，又要注意不能越界到其他学科，也就是要注意课程边界。这种边界的形成，实际上是和学生的认知规律有关并符合学生的认知规律的。心理学研究表明，学生在学习知识和掌握技能的过程中，必然会遵循一定的认知规律。只有遵循学生的认知规律，让学生在符合自身认知规律的教学活动中成长，教学才能取得预期效果8。在反应工程课程中有传质扩散过程，有些学校在反应工程课程之后还有专门的流体扩散课程。两门课程都涉及到扩散，和前面的两个例子一样，必然有相同的理论模型和公式。但反应工程课程只介绍多相系统中的传递和多孔催化剂内的扩散7,9，流体扩散课程则要介绍更多情况下的扩散，包括传质和传热，以及对扩散的控制和应用10。这是经典的由浅入深的学习过程，既符合学生学习的认知规律，又方便学生的复习和自学。在反应工程课程之前，有些学校还会设置化工传递过程课程。反应工程课程的主要内容可以简称为“三传一反”，即动量传递、质量传递、热量传递和反应器设计。而化工传递过程课程则是专门学习动量传递、质量传递、热量传递的专业课程。在有关传递部分的深度和广度上，化工传递过程课程比反应工程课程更深更广，但是不涉及反应器设计11。反应工程课程只介绍传递的基本过程和公式，更大篇幅则用于不同情况下反应器的设计。这是经典的全面学习总结要点应用的学习过程，同样符合学生学习的认知规律，并且方便学生的复习和自学。以上无论哪一种课程设置以及教材编写，都很科学，因为它们都尊重了学生的认知规律，在教材的编写方面就显得尤为精当。3 课程边界的含义课程边界的含义 课程边界思维的含义在于认识到并且遵从学生的认知规律，以学生为教学活动的核心，一切教学活动(包括编写教材)的出发点都是是否有利于学生的学习。在教学活动中时刻注意学生的接受能力和对课程的反馈，以学生对课程的掌握为讲课目的，这就是“以学生为教学活动的核心”的基本内容。有经验的教师一般都会有这种体会，即使是同样的内容，在不同的课堂上，讲课方式也会因课堂规模、学生素质、课程要求不同等原因而有所区别。所以，尽管慕课越来越多，但没有一种教学形式能够取代课堂讲课；只有课堂讲课，才能把学生的即时反馈提供给教师，使教师能够根据这些反馈来调节上课方式和内容。这种具有针对性的教学，尤其是对于课程的初学者来说，效果会远远好于没有针对性的网络课程。和讲课一样，编写教材从本质上说，也是一种面向学生的表述。因此，如果想要达到学生能够较为顺利地理解教材内容的目的，也要贯彻“以学生为教学活动的核心”的原则。也就是说，在编写教材的过程中，对于教材结构和内容的安排，就应符合学生的认知规律，根据不同课程的不同特点，要么由浅入深，要么由一般到特殊，要么由特殊到一般。无论选择哪种表述方式，都不应刻意给学生设置学习障碍，尤其是不要增加初学者入门的难度。比如说，量子化学(一般安排在大三或大四)教材的第一章一般都是介绍量子力学的一些基本假设，因为这是学习量子化学所必需的。而如果在普通化学或者无机化学(这两门课一般安排在大一)教材的第一章介绍量子化学的基本原理，尽管这种安排的原因能够理解，那么对于普通学生来说，进入课程的门槛就太高了。在学习普通化学或者无机化学课程时，学生一般还没有开始学习线性代数课程(一般安排在大二)，没有线性代数作为课程的数学基础，根本不可能理解量子力学的基本假设，也就不可能学会这一部分的内容。如果坚持“以学生为教学活动的核心”，而不是“以有经验的非初学者(比如教师)为教学活动的核心”，那就能够发觉，以量子化学的基本原理作为普通化学或者无机化学教材的第一章，方便的是教师而不是学生。有了这部分更深刻的内容，对于介绍普通化学或者无机化学原理来说，就事半功倍了。但这无疑加大了学生的学习难度，既不利于预习，也不方便复习。这就是跨越了课程边界。课程边界可以提供一个清晰稳定的学习条件，有助于学生建立清楚的概念，比如说，我们可以简单地概括，牛顿力学适用于低速运动的宏观物体，量子力学适用于微观物体，相对论力学适用于高速运动的物体。4 解决问题的建议解决问题的建议 回到本文最初提到的例子，如何解决“体积功”计算中的“印随学习”效应呢？其实在高中数学里，已经简单介绍过微积分的一些基本概念，高等数学(或微积分)课程也安排在在大一，在无机化学课程里讲到体积功的时候，就可以应用浅显的微积分概念，给出体积功的微分定义式(即本文公式(2)，明确告诉学生，体积功的大小需要积分该式得出；然后再给出外压不变情况下的积分结果，表明这是有条件的特例。这样一来，学生对“体积功”的印象，就不至于顽固停留在恒外压这一种情况下了。要解决类似的问题，教师需要了解一门课程的前续课程和后续课程，考察课程之间共同涉及的内容，即明确课程边界，明了前续课程对共同涉及的内容讲解的范围和深度，了解后续课程需要讲解的范围和深度，借鉴本门课程的特点，合理安排讲授范围和深度，并根据具体情况决定所要采取的讲课方式12。一本优秀的教材，总会考虑读者的接受能力和阅读预期，也就是“以学生为核心”，所以，它是不能任意天马行空毫无边界的。一名合格的教材编者，对于课程边界应当是敏感而富有弹性的。敏感指的是教材编者应当了解和自己课程有重复内容的其他课程，能够做到既不过多重复，又要突出本课程的特点。比如，在大学物理课程和物理化学课程里都有关于理想气体的描述，在大学物理教材里，理想气体模型需要满足的条件是：构成理想气体系统的分子是具有一定质量的单个质点或多个质点的某种组合；视为质点的气体分子的运动遵从牛顿运动定律；气体分子之间和分子与容器器壁分子之间，除以碰撞的形式发生相互作用外，不存在分子间力的作用；气体分子之间以及气体分子与容器器壁分子之间的碰撞都是完全弹性碰撞，因而碰撞前后不但动量守恒，而且动能也保持不变13。而在物理化学教材里，只强调两点：理想气体分子之间没有作用力；理想气体分子本身不占体积14。弹性指的是，在涉及到其他课程时，除了告知读者应该查阅哪些课程的教材之外，如果所涉及的内容篇幅不大，不妨作为附录附在教材最后，方便学生查阅。比如量子化学课程里需要解不同体系的薛定谔方程，涉及到不同的微分方程类型，而这些微分方程在数学里是有固定解法的，那就可以把所涉及到的微分方程的解法作为附录。这是为了方便学生可以在一本教材上找到所需要的方程解法，减低学习难度。而在授课的时候，这种弹性可以体现为根据课程的具体情况，加入一些其他课程的内容。比如，在研究生数理方法课程中，因为涉及到较多的微分方程的解法(这些内容属于高等数学或微积分课程)，而学生在此时往往已经遗忘了这部分内容，这时就需要教师简要地提醒或者复习一下相关内容，以保证数理方法课程教学的顺利进行。同样，在教材里也可以把所涉及到的微分方程的解法作为附录。5 总结总结 由于受到学时和课程设置的限制，没有课程可以做到“大而全”。要讲好一门课，就必须考虑到学生的因素，了解学生的接受能力和接受程度，以学生作为教学核心。在此前提下，了解并掌握课程边界，就可以在编写教材及授课时更好地为学生服务，遵从学生的认知规律，帮助学生顺利做好不同课程之间的衔接，能够更有逻辑有层次地完成学习任务。参考文献参考文献 1大连理工大学无机化学教研室无机化学(第 5 版)M北京：高等教育出版社，2015 2徐周庆，桑雅丽，所艳华无机化学与元素理论及发展M成都：电子科技大学出版社，2018 3徐开俊物理化学(第 3 版)M北京：中国医药科技出版社，2019 4任素贞，王旭珍，施维物理化学M上海：上海科学技术出版社，2013 5蔡淑频生物学(下)M北京：人民教育出版社，2003 (下转第 240 页)广 东 化 工 2023 年 第 16 期 240 第 50 卷 总第 498 期 4Yang J，Yuan Y，Gu J，et alDrug synthesis and analysis of an acetylcholinesterase inhibitor：a comprehensive medicinal chemistry experience for undergraduatesJJ Chem Educ，2021，98：991-995 5武瑞君，魏巍，桑晓冬，等全球抗病毒药物研发进展与展望J中国生物工程杂志，2022，42：125-132 6Taubenberger J K，Morens D M1918 Influenza：the mother of all pandemicsJEmerg Infect Dis，2006，12：15-22 7汪泽基于 MOE 软件的虚拟仿真实验多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶的分子对接J化学教育(中英文)，2022，43：107-111 8邓萍，蒋君好基于 Discovery Studio 软件的本科生创新实验项目设计卡托普利与血管紧张素转化酶的分子对接J化学教育(中英文)，2020，41：81-84 9谭相端，吕良基于 AutoDock Vina 软件的 药物设计学课程教学案例设计 以虚拟筛选细菌 RNA 聚合酶抑制剂为例J广东化工，2022，49(11)：222-223 10Zhao H，Jiang S，Ye Z，et alDiscovery of hydrazide-containing oseltamivir analogues as potent inhibitors of influenza A neuraminidaseJ Eur J Med Chem，2021，221：113567 11Hussain M，Galvin H D，Haw T Y，et alDrug resistance in influenza a virus：the epidemiology and managementJInfect Drug Resist，2017，10：121-134 12Trott O，Olson A J AutoDock Vina：improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function，efficient optimization，and multithreadingJJ Comput Chem，2010，31：455-461 13Eberhardt J，Santos M D，Tillack A F，et alAutoDock Vina 1.2.0：new docking methods，expanded force field，and python bindingsJJ Chem Inf Model，2021，61：3891-3898 14Zhang S，Krumberger M，Morris，M A，et al Structure-based drug design of an inhibitor of the SARS-CoV-2(COVID-19)main protease using free software：a tutorial for students and scientistsJEur J Med Chem，2021，218，113390 15Shen C，Zhang X，Deng Y，et alBoosting protein-ligand binding pose prediction and virtual screening based on residue-atom distance likelihood potential and graph transformerJJ Med Chem，2022，65：10691-10706 16陈雯祺，王硕，游清徽LeDock 与 PyMOL 软件在天然产物化学课程教学中的应用以中药防治新冠病毒肺炎(COVID-19)为例J 化学教育(中英文)，2021，42：97-100 17吴楠，崔丹丹，季宝成，等基于 GROMACS 软件的本科生酶工程创新实验项目设计微生物谷氨酰胺转胺酶在水溶液中的分子动力学模拟化学教育(中英文)，2021，42：102-107 18王战辉Gaussian 软件在动物医学专业药物化学教学中的应用J安徽农业科学，2021，49：277-279 19Pu H，Liu J，Wang Y，et alBioactive-pyrone derivatives from the endophytic fungus Diaporthe spCB10100 as inducible nitric oxide synthase inhibitorsJFront Chem，2021，9，679592 20Ye J，Lin L，Xu J，et alDesign，synthesis，biological evaluation and in silico studies of pyrazole-based NH2-Acyl oseltamivir analogues as potent neuraminidase inhibitorsJPharm Basel Switz，2021，14，371 (本文文献格式：李爱杰，姚祖福，刘建新，等 基于 AutoDock Vina 软件的药物化学虚拟仿真实验构建与应用J广东化工，2023，50(16)：237-240)(上接第 222 页)参考文献参考文献 1习近平把思想政治工作贯穿教育教学全过程，开创我国高等教育事业发展新局面N人民日报，2016-12-09(01)2教育部关于印发 高等学校课程思政建设指导纲要 的通知EB/OL 教育部网站，http:/ 3生态环境部科技与财务司，中国环境保护产业协会2020 中国环保产业发展状况报告R2020 4尹夏楠，孙妍玲专业思政与课程思政一体化建设的探索与实践J山西财经大学学报，2022，44(S1)：127-129 (本文文献格式：蔡庆，夏虹毅高职环境监测技术专业课程思政建设路径研究J广东化工，2023，50(16)：221-222)(上接第 233 页)6徐飞物理化学(第 2 版)M武汉：华中科技大学出版社，2020 7(美)H斯科特福格勒李术元，朱建华，译化学反应工程(原著第 3版)M北京：化学工业出版社，2005 8高桂梅创造让学生享受的教育M沈阳：沈阳出版社，2018 9李绍芬反应工程M北京：化学工业出版社，1990 10(美)EL柯斯乐王宇新，姜忠义，译扩散流体系统中的传质(第2 版)M北京：化学工业出版社，2002 11陈涛，张国亮化工传递过程基础M北京：化学工业出版社，2002 12白杨，张秀辉 物理化学教学中的师生多途径交流J 大学化学，2016，31(1)：2832 13刘克哲，张承琚 物理学上(第 4 版)M 北京：高等教育出版社，1987 14天津大学物理化学教研室编 王正烈，周亚平修订 物理化学 上M 北京：高等教育出版社，2001 (本文文献格式：白杨 物理化学教学以学生为教学核心的“课程边界”思维J广东化工，2023，50(16)：232-233)(上接第 242 页)参考文献参考文献 1姜朝晖新时代高校人才培养的战略定位与发展路径基于关于深化教育体制机制改革的意见的解读J重庆高教研究，2018，(1)：3-11 2朱为鸿，彭云飞新工科背景下地方本科院校现代产业学院建设研究J高校教育管理，2018，12(2)：30-37 3陶祥兴，章迪平现代产业学院产教融合人才培养模式的探索与实践以浙江科技学院大数据现代产业学院为例J 浙江科技学院学报，2021，33(2)：163-168 4国务院办公厅关于深化产教融合的若干意见Z国办发201795 号2017-12-19 5郑志霞，李文芳，黄白楠，等“三方协同、双院联动”培养工科应用型紧缺人才以莆田学院为例J西部素质教育，2017，3(17)：149-150 6教育部、国家发展改革委、财政部关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见EB/OL2015-10-21(2019-10-12)http:/ 7陈子坚，田金颖本科层次新能源类应用型人才培养途径探析J中国轻工教育，2020，(01)：68-74 (本文文献格式：许书源，王栋，白利忠，等对新材料、化工领域应用型人才需求的现代产业学院建设的思考以山西工程技术学院为例J 广东化工，2023，50(16)：241-242)