[摘要]本文以长江大学石油工程专业大二某班为试点，以胶体系统为例针对应用导向的石油工程物理化学课程改革进行了初步探索与实践。笔者通过启发式教学方法引导学生思考、探索和自主学的方式开展了“教师引导，学生主体”的教学模式，努力做到让学生想“动”、会“动”，能“动”，培养学生自主发现规律，自主寻找方法，自主探索思路、自主解决问题的能力。同时基于此次实践存在的问题提出了优化时间安排、优化督促机制和及时更新教学理论等改进方法。
[关键词]胶体化学；物理化学；课程改革；启发式方法；自主学习
社会工业化及信息化的不断发展使对应用型人才的需求不断增加，应用型人才培养模式逐渐成为了大众化高等教育的重点发展方向。工科类高校以解决生产和工程需求为本，以应用和实践为重，承载着为社会主义建设培养和输送应用型工程技术人才的重要职责，在社会发展及经济建设中发挥着关键的作用，是“工程师的摇篮”。人才的培养离不开专业的教育。2020年9月，总书记在科学家座谈会上提到：“要坚持把创新作为引领发展的第一动力，加强创新人才教育培养。要加强数学、物理、化学、生物等基础学科建设……”。物理化学是四大基础化学之一，涉及热力学、电化学、胶体化学和动力学四大方面，主要是以物理学的理论成就为基础、实验技术为手段探索和归纳化学的一般规律及理论并应用于求解复杂工程问题，属于数学、物理和化学相交叉的边缘学科。该课程具有系统理论性强、逻辑变换复杂、抽象严谨、公式繁多等特点，但兼具启发后续课程学和培养化学理论素养两大功能[1]，在促进产教融合中发挥着举足轻重的作用。
1物理化学课程定位
工科类专业以工程需求为本，以应用和实践为重。工科物理化学课程的层次介于基础课程和专业课程之间，在多数工科类高校属于专业基础课程，主要起服务专业的作用。物理化学课程具有完整的体系化特点，包含知识源头的基本问题、概念、定律以及实际应用，主要是用数学和物理学的相关方法探究化学中最具有普遍性的一般规律的学科，涉及宏观、微观不同尺度，动、静不同状态，固、液、气不同相态，要求学生具备必要的高等数学、大学物理、普通化学等方面的基础知识。该课程的教学目标主要是让学生建立完整系统的物理化学基本理论和方法的框架，使其掌握热力学、动力学、电化学及胶体化学中涉及的实验及普遍规律，并养成求真、求实的优良品德，培养工程意识、科学思维和创新能力，为从事与化学有关的工作打下坚实的理论基础[2]。对于此类“绿叶型”课程，教学重点应放在基础知识学和基础技能培养等方面。实际课程内容的取舍不应以是否新颖前沿为依据作取舍，当以在工程实践中是否实际可用为标准进行优化和筛选。工科类物理化学课程教学现状主要呈现出以下几个问题：(1)教学模式单一：教学以基础知识灌输为主，多采用教师为主体、学科知识为导向、灌输式的程序化教学模式。讲课ppt以文字居多，以理论居上，课堂氛围过于死板，师生互动少；(2)学生重视程度不够：由于缺乏理论与生活化物理化学案例的结合，无法有效体现物理化学的重要性和实用价值，吸引力不够，易给学生造成“用处不大、多学无益”的错觉；(3)授课周期短：授课周期受限，课程连贯性变差，课上思考、消化时间严重受限，学难度增大；(4)考核方式有待创新：学生自我约束力不够，教师对学生又缺乏监督，课后作业存在明显抄袭、雷同和“作业帮”现象，不能做到举一反三，导致了“课后都会，考试都不会”的巨大落差。美国能源情报署(EIA))最新报告显示，2015年至2040年，石油和天然气等化石能源继续主导的全球能源消费预计将持续增长28%。石油工程是根据油气和储层特性建立适宜的流动通道并优选举升方法，经济有效地将深埋于地下油气从油气藏中开采到地面所实施的一系列工程和工艺技术的总称，其直接目标是以最小代价最大限度地开采地下油气资源，服务于国民经济。我国是油气进口第一大国，2020年对外依存度分别为73%和43%，而且一些关键核心技术和装备仍存在“卡脖子”的风险。国内高校石油工程专业的开设主要是为了培养能适应石油战略快速发展需要，专业理论基础扎实，实践能力强，能在石油工程领域从事工程设计、生产施工、技术创新与应用研究等方面的高级应用型技术人才。油气采收率是衡量油气开采技术高低的重要指标，提高采收率技术的发展与创新也是石油与天然气领域永不褪色的话题。以长江大学石油工程专业为例，作为该校的老牌专业，物理化学课程的开设主要是为了服务于等油田化学原理、提高采收率原理等专业核心课程，不仅为体系和技术的创新提供了重要的基础理论支持，也为油田化学用剂的研发和优化指明了方向。然而受传统教学模式及教学方法的限制，使物理化学这类“绿叶型”课程的教学目的无法很好达成，其服务性的作用无法得到充分体现，因此推行物理化学教学改革具有现实必要性。本文结合长江大学石油工程专业的专业目标、学生素质和教师水平，以胶体化学部分为例，“因地制宜”、“因材施教”地开展了物理化学改革探索与实践，取得了一定的效果也发现了一些问题。
2教学设计(90分钟)
2.1基本概念引入
首先采用启发式教学方法引导学生思考并了解分散系统、分散相和分散介质的定义及分散系统的分类。启发式提问包括：(1)生理盐水、硅溶胶、泥浆除了都是液体之外还有什么共性？(2)三个系统中分别有哪些成分，哪个组分多，哪个组分少？(3)氯化钠，二氧化硅和粘土分别以什么形式存在于系统中？(4)如果含量高和低的两个成分浓度互换，新形成的体系有什么不同？通过分析和讲解，可以发现三者均属于分散系统，分散相为固体(含量低)，分散介质为水(含量高)，其中氯化钠主要以钠离子(＜1nm)和氯离子(＜1nm)，二氧化硅主要以0.1μm~1nm颗粒形式，粘土主要以＞1μm颗粒形式存在于系统中，根据分散相被分散的程度进行区别分别对应分子分散系统(均相，真溶液)，胶体分散系统(粒子细小，光学显微镜下不可见)和粗分散系统(粒子粗大，光学显微镜下可见)。若以上三个体系分散相和分散介质进行互换，则可得到凝胶类分散系统。按物质聚集状态差异，可将分散系统分为八大类，包括泡沫、溶胶、乳状液、凝胶、悬浮体等。本部分介绍约10分钟。
2.2胶体分散系统性质与特点介绍
胶体分散系统中分散粒子的半径在1~100nm范围内，是众多分子或离子的集合体，是高度分散的多相系统。胶体与表面化学与生活和生产实际联系最为紧密，是应用最为广泛的化学分支。通过系列疑问句，如“胶体分散系统到底有什么特殊性？生活中哪些体系可能属于胶体系统？它是如何联系生活，助力解决实际生产？”等问题等激发学生对学胶体系统光学、电学、动力学相关性质的兴趣，并采用ppt结合线上小视频的形式帮助学生了解丁达尔效应产生的原因及条件。本部分约30分钟。
2.3前沿知识拓展
通过学发现，胶体分散系统的性质与分散粒子的尺寸密切相关。通常地，我们把至少有一维大小在1~100nm范围内的固体材料称为纳米材料，主要包括零维纳米粒子、一维纳米线、二维纳米薄膜和三维纳米块体，如图2所示。纳米技术已经迅速崛起为一种能够在技术和经济上与传统方法相媲美的新型技术。由于纳米材料具有优异的渗透和吸附能力，可调的物理化学特性和独特的热性能，因此在石油与天然气领域可用于稠油降粘、润湿反转、钻井液粘度调节、油田污水处理、管道防腐等多个方面。通过简单介绍纳米材料的制备、用途和实际应用效果，激发学生探究作用机理及材料选择标准建立的兴趣，并鼓励学生进行文献阅读。本部分约10分钟。
2.4学生自主调研文献汇报
将每两个学生分为一组，以一周为限，每组阅读一篇与纳米材料在石油领域应用有关的文献并制作ppt进行汇报，每组汇报时间3~5min，采用任务驱动法以提问的方式检查学生课下自主学的效果，并实现教师与学生的交互，促进理论与应用的结合。本文以长江大学石油工程专业2019级某班为试点开展了相关实践。该班有学生21人，共分为7组，文献来源主要包括知网、美国化学学会、SPE期刊和会议论文、Elsevier等，内容涉及新型电池、纳米机器人、纳米增注、纳米导向药物等多个方面。总体上学生积极性较高，合作交流、口头表达能力和科研思维均得到了一定的培养。本部分约35分钟。
2.5课程思政
培养学生的社会责任感是课程思政的一大重要方面。21世纪以来，纳米材料在很多领域均得到了广泛的应用。但所有的事物都有两面性，纳米材料亦是如此。当颗粒尺寸减小到纳米尺度，其物理和化学性质都将发生巨大变化。纳米材料由于比表面积巨大，会富集环境中对人体和生态有害的物质，并跟随物质迁移或随气流漂浮至更广阔的空间，并可能自由穿过细胞膜，进入生物体内，与蛋白质、细菌、病毒等发生相互作用，并可能引发一些症状奇特的新型疾病。然而，我国目前在该方面的研究仍非常局限，从我国现状及需求出发，激发学生的社会责任感和科研精神，鼓励他们为我国的科技发展贡献力量[3-4]。学科学家们的精神对于培养学生正确的价值观有很好的促进作用。笔者引入了爱因斯坦世界科学奖得主和能源界最高奖—埃尼奖得主王中林院士的故事。王中林院士在1978年考入西北电讯工程学院物理专业，为达到每门课不低于90分的成绩，无数个夜晚和周末都是陪着书本度过的，在西安读书的四年里，除了能找到书店外，其他地方对于他而言都是陌生的。机缘巧合下，王中林投入到了高分辨电子显微学奠基人Cowley教授门下，教授对他的评语是：无论做什么，都是做的最好的。1987年7月，他仅用4年的时间便拿到了别人一般需要5~8年才能取得的物理学博士学位，成为了该系有史以来的第一人。同时，王忠林院士还积极参与祖国的教育和科研事业的发展，自1992年以来长期推进中美教育和科技交流，为国内培养和输送了一批优秀科研工作者。以此引导学生学他孜孜不倦，潜心研究，敢为人先的精神和爱国主义情怀。本部分约5分钟。
3课后反思
通过“教师引导、学生主体”的课上基础与课下自主延拓相结合的方式助力工科高校应用型人才培养模式的发展，深化“绿叶型”专业基础课程与专业核心课程的对接与融合，使学生做到学有所获，学以致用。通过课后与学生沟通，超过85%的学生认为采用此教学模式，对提高学兴趣，提升学生的参与度，活跃课堂气氛，充实教学内容，了解前沿知识有很好的促进作用[5]。然而通过此次实践，也发现了一些问题，如(1)学生多局限于阅读中文文献，对国际前沿科技的了解有较大欠缺；(2)即使选择了英文文献，也多采用翻译软件全文翻译，对内容的理解不全面；(3)采用分组模式开展此次实践，有不少同学存在着“背靠大树好乘凉”的不端正心态；(4)提问环节，学生的表现仍有很大提升空间等。改进方法有：(1)优化时间安排，给学生多一些时间消化课堂知识和了解科技前沿，努力创建学型课堂，以“教师引导，学生主体”的方式提高课堂效率；(2)优化督促机制，采用线上线下相结合的方式督促学生全员高效地参与到课堂学中。对于学积极性不高的学生，要及时做好思想教育工作；(3)教师要努力做到教学理念的及时更新，与时俱进，让学生想“动”、会“动”，能“动”，培养学生自主发现规律，自主寻找方法，自主探索思路、自主解决问题的能力。
4结语
笔者以长江大学石油工程专业大二某班为试点，以胶体系统为例针对应用导向的石油工程物理化学课程改革进行了初步探索与实践。首先采用启发式教学方法引导学生思考并了解分散系统的定义、性质和特点，其次，凸显胶体粒子、纳米材料的特殊性及其应用前景引起学生对调研前沿纳米技术的应用现状及问题的兴趣，并组织学生进行文献阅读及汇报，深化基础知识与实践应用的融合，培养其自主学和协作的能力。最后以纳米污染为基点，以科学家们敢为人先、拼搏进取的事迹为榜样进行课程思政，激发学生的社会责任感和科研精神。超过85%的学生认为采用此教学模式，对提高学兴趣，提升学生的参与度，活跃课堂气氛，充实教学内容，了解前沿知识有很好的促进作用。为进一步提高该模式的教学效果，可采取优化时间安排、优化督促机制和及时更新教学理论等方法。
作者：钟珣 单位：长江大学 石油工程学院
