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摘 要：在确定了基础理论和实际应用并重的创新人才培养目标定位的基础上，通过在物理化学基础理论教学中突出科学逻辑思维以培养学生的创新思维，注重基础理论与科学研究、生产实践应用相结合以培养学生的创新能力，加强课外科学研究基本能力培养以鼓励学生热爱科研，并将这些教学模式融入教学全过程，取得了很好的物理化学教学效果。
关键词：工科；物理化学；教学改革；创新能力；人才培养；科学研究基本能力
培养学生具有坚实的基础理论，具有宽泛的专业知识，同时具有将基础理论应用于科研和生产实践的能力，是基础理论教学的应有之义。在教学中，要将培养学生的创新思维和创新能力作为根本的人才培养目标，要将科学发展史、基础理论研究中的科学思维方法以及基础理论与科学研究和生产实践相结合的应用贯彻于教与学的互动中。为此，我们在工科物理化学的教学中进行了多年的研究与实践，取得了很好的教学效果。
一、基础理论和实际应用并重的创新人才培养目标定位
随着科学技术的发展，对化学、化工人才的培养提出了新的要求。学生需要具有扎实的化学化工基础理论和交叉学科知识，并能够动手实践、实际应用，同时要有创新思维和创新能力。在高等教育中本科阶段的教学对学生的培养尤为重要，在本科阶段应着力培养创新意识和创新能力，为学生成长及创新人才培养打基础。
因此，在本科阶段的教学中提倡研究式教学、重视实验教学、让学生参与科学研究是培养创新能力的保证[1]。国外高等学校在2000年以前就努力打造本科阶段的创新人才培养模式和方法，本科生参与科研就是加州大学伯克利分校培养创新人才的一个有力措施[2]。同时在教学中将以教师为中心的教学模式转变为以学生为中心的教学模式，积极调动学生参与教学，大力激发学生的主观能动性[3]。这是国外高等学校在教学普遍采用的教学模式，这些模式对人才培养起到了很大的作用。近年来，在我国的高等学校教育教学改革中，对创新人才的培养模式研究也取得了很多的成绩[4-6]。
为了培养合格的化学、化工创新人才，我们在多年的物理化学基础理论教学中，除了教会学生基础知识，更注重引导学生学习科学家在基础理论研究及形成过程中的科学思维方法，学习科学家在科学研究过程中如何发现问题、分析问题，如何建立基本模型并不断优化与研究，最终形成化学理论。在教与学的过程中教会学生如何在学习基础理论的同时培养自己的创新思维、创新能力，将学到的基础理论与科学研究以及生产实践相结合，这也是当今在基础理论教学中不断探索、研究的课题。
在多年的教学中，我们采用模块化的教学内容整合、突出知识逻辑的总结、注重理论联系实际的应用，在强化基础理论的同时培养物理化学科学研究思维方法。例如：在热力学理论的教学过程中，注重热力学基础理论建立过程中科学家的逻辑思维方法的学习；在热力学各个物理量研究中，注重总结逻辑规律来研究物质的简单p-V-T过程、化学变化过程及相变化过程的能量守恒、过程方向性和限度等，从中学习科学家在研究中的研究过程、研究方法及逻辑思维，实现创新思维的培养。再例如：采用热力学和动力学相结合的方法，研究化工生产的可控化学。在化学热力学平衡理论中，应用等温方程实现对化学反应过程自发性判定，根据等压方程的数学模型对温度（T）进行优化，从理论上得到该温度条件下的化学反应的反应限度，即平衡转化率与生产实际比较分析；再根据化学动力学的思想引入时间（t）参数，进一步对T-t-c之间的动力学数学模型进行优化，最终得到最佳的反应温度，反应时间等参数。这些数学模型的建立和优化为化学、化工生产提供工艺参数，从而实现化工生产的可控指导。从中使学生不但学会了基础理论在化学、化工生产实践中的应用，同时在实践中实现了对学生创新能力的培养。
二、突出逻辑思维的形成是培养创新能力的基础
物理化学的基础理论在它的研究和建立以及完善的过程中，都反映出很强的逻辑思维。在化学反应过程的研究中，通过建立各物理量之间的数学模型反映其物理量之间的逻辑关系规律，同时采用物理学科的研究方法和手段来研究物质的性质、化学反应及变化过程中的物理量的测定和计算，从而总结出化学变化的规律、原理、定理、定律，为化学学科的科学研究和生产实践服务、为研究和发现新的化学反应和新物质奠定理论基础。在教学中，在引导学生学习和掌握基础理论的同时，还要教会学生学习基础理论形成和发展过程中蕴含的科学方法，更重要的是要教会学生学习科学家善于观察现象、发现问题和解决问题的能力，学习科学家在基础理论研究中的逻辑思维。
1．教学中突出科学研究方法的逻辑思维总结。物理化学理论和研究由于学科特点，逻辑规律较强。在基础物理化学教学中，将应用实例融入热力学研究方法、动力学研究方法、电化学研究方法、表面与界面研究方法的学习。在每个部分的学习中，教师要对科学研究方法作简单介绍，引导学生自主进行文献检索，并结合科研与生产实践的应用进行研讨式学习。通过文献检索和理论介绍，使学生初步了解了物理化学原理在各个领域的应用以及物理化学科学研究的方法。
2．教学中突出知识点的逻辑思维关系总结，教会学生归纳、演绎等逻辑思维方法。物理化学原理中具有很多的相似逻辑关系，例如：在学习了简单p-V-T过程的状态函数原理及其应用后，就可以结合状态函数原理继续学习纯物质的相变化过程及化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算。采用类比的方法学习纯物质两相平衡过程如图1所示。
由热力学手册得到过程②的ΔH，由相变过程熵的定义可以得到过程②的ΔS，由ΔG=ΔH－TΔS的定义得到过程②的ΔG。由于过程①和③均是简单p-V-T过程，这两个过程ΔH、ΔS、ΔG用简单p-V-T过程的热力学原理可以得到。再通过状态函数法分别得到过程④的ΔH、ΔS、ΔG，即只要有热力学手册基础数据得到②过程的ΔH，就可以得到任何相变化过程的状态函数。同理，对于化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算，同样由类似的逻辑思想可以计算得出，如图2所示。查阅热力学手册中的标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓、标准熵等热力学基础数据，由热力学原理可以得到过程②的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm。过程①和③均是简单p-V-T过程或包含有相变化过程，由简单p-V-T过程或相变化过程的热力学函数计算可以得到这两个过程的函数。再由状态函数法分别得到过程④的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm。通过学习相变化及化学变化的热力学函数的计算，使学生从中学到状态函数原理的共性及如何建立热力学基础数据并应用这些基础理论实现各种过程的状态函数计算的逻辑思维。 在物理化学原理中还有很多相似的数学逻辑关系。例如：纯物质气液或气固两相平衡中，饱和蒸汽压与温度的关系（ ）呈线性方程，从斜率可以得到相变焓；化学平衡中标准平衡常数与温度的关系（ ）呈线性关系，从斜率可以得到反应焓；化学反应速率常数与温度的关系（ ）呈线性关系，从斜率可以得到反应活化能等。从这些物理量之间相似关系中，教会学生学习这些理论的共性和应用上的相似性，从中还学到了物理性质随温度变化的规律。通过这些类比和总结，使学生从中得到逻辑思维学习和培养。
在物理化学的原理当中，还包含着很多类似的逻辑性的规律。在教与学的过程中，在教会学生基础理论的同时，更要注重教会他们学习这些逻辑规律，从而在思维能力方面建立逻辑思想，为科学研究中分析问题和解决问题能力的培养奠定基础。
三、注重联系实际应用是培养创新能力的需要
在物理化学教学中，紧紧抓住每个知识点的学习，以科学研究和生产实践中的应用实例来进行应用方面的案例教学，能够取得很好的效果。通过教师的教学引导，教会学生充分利用数字化文献资源进行课外学习、交流、研讨，从中使学生学会如何将学到的物理化学基本理论与科学研究及生产实践联系起来，通过案例教学使学生懂得了学到的这些理论知识将来如何在生产实践中应用，同时培养了学生的创新能力和热爱科学研究的思想。
例如：学习临界状态的理论时，结合超临界技术在化工生产、中药有效成分提取等方面的应用；学习稀溶液依数性的理论时，结合药物单体的纯度分析、膜技术在废水处理中的使用、反渗透原理进行海水淡化等方面的应用；学习电化学原理时，结合一次、二次电池原理及氢电池、锂电池及各种燃料电池等新能源电池，分析各个种类电池的原理、优缺点及其实现绿色化学的理念等；学习化学反应动力学的理论时，结合化学平衡理论对现有的工业生产实例进行工艺优化，提出温度、压力及反应时间等的工艺参数的优化及学习经济技术评价的思想方法等。
在物理化学教学中，结合这些基础理论在科学研究以及生产实际中的应用，能够充分发挥学生的主观能动性。在学以致用的教学活动中，使学生得到将基础理论用于生产实际的基础创新能力的培养。
四、要加强课外科学研究基本能力的培养
在物理化学的教学过程中，要充分发挥学生在学习和研究上的热情，利用课余时间加强学生课外科技活动的开展，培养他们的科学研究基本能力。
1．学习科学文献的查阅及文献综述的撰写。在物理化学每一章的教学中，结合理论与生产实际应用，组织学生开展文献查阅，检索应用实例。学生在完成课外文献作业的同时，锻炼了科技文献的查阅检索能力，并且开阔了知识视野。在教学中要求学生将查阅的文献撰写成综述论文，对比较好的综述论文进一步进行指导。
2．结合理论与实际应用的研究课题开展课外研讨。在物理化学的基础理论与生产实践相结合的学习中，每章中给学生提出一些引导性研讨题目，学生也可以根据自己在某领域的兴趣进行文献研究，对国内外的研究状况进行分析、比较、讨论，对撰写出的研讨题目在各种条件下进行交流，例如宿舍讨论会、班级讨论会及选出典型的题目进行教学班的讨论会。使学生的作品得到充分的交流学习，学生既学到了更多的应用案例，又得到了学术交流的锻炼。
3．结合物理化学实验教学进行扩展性实验研究。在物理化学教学中，十分重视学生的实践能力的培养。在基础物理化学实验教学中，鼓励学生通过查阅文献并利用现有的实验装置进行拓展性实验研究，从中锻炼学生的科学研究基本能力，培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新思维。
例如，萘在足量氧气中完全燃烧生成CO2和H2O的反应的教学实验，正常实验是测其完全燃烧反应的燃烧热。同学们在实验中发现当反应氧气没有达到足量时会产生絮状碳，于是进行拓展研究，对原料配比、氧气压力、反应温度等条件进行优化，得到合成纳米碳球材料的最佳实验条件；对该材料进行表征后发现该材料是尺度均匀的两种结构的纳米碳球，对其应用性质进行了探索，发现具有储氢性能及做超级电容器的辅助材料的可能性。
在进行电化学实验的教学中，正常实验是给出已知浓度的CuSO4溶液及ZnSO4溶液，制备出铜电极及锌电极，配有参比电极后测其原电池电动势。由于实验结束后会产生大量的CuSO4回收液和ZnSO4回收液，对回收液可以进行浓缩、结晶后再利用。但是，同学们在拓展实验的研究中进行反向思维方法，分别利用两种回收液进行电极的制备实验，配上参比电极后分别通过测定电池电动势进行溶液中的CuSO4回收液和ZnSO4回收液的浓度计算，这种反向实验使回收液得到了利用，同时也得到了同样的实验能力的学习。
这种拓展性实验很多。通过拓展性实验的研究，利用基础的常规实验技术手段开展了简单的研究性、设计性实验，同时使学生培养和锻炼了科研能力。
参考文献：
[1] 高盘良. 浅议创新能力与创新人才的培养[J]. 中国大学教学，2005(10)：21-22.
[2] 刘宝存. 加州大学伯克利分校的本科生教育[J]. 中国大学教学，2005(10)：59-60.
[3] 谢逢春. 中关两高校物理化学课程教学的对比[J]. 2009(3)：27-31.
[4] 李志义，冯林，王殿龙等. 改革人才培养模式培养高素质人才[J]. 中国大学教学，2005(10)：24-25.
[5] 刘英等. 工程素质与创新精神的培养与实践[J]. 化工高等教育，2011(2)：25-28.
[6] 马玉龙，高小红，文艳霞等. 促进学生创新学习的教学方法探索和实践[J]. 大学化学，2011，26 (4)：8-10.
关键词：工科；物理化学；教学改革；创新能力；人才培养；科学研究基本能力
培养学生具有坚实的基础理论，具有宽泛的专业知识，同时具有将基础理论应用于科研和生产实践的能力，是基础理论教学的应有之义。在教学中，要将培养学生的创新思维和创新能力作为根本的人才培养目标，要将科学发展史、基础理论研究中的科学思维方法以及基础理论与科学研究和生产实践相结合的应用贯彻于教与学的互动中。为此，我们在工科物理化学的教学中进行了多年的研究与实践，取得了很好的教学效果。
一、基础理论和实际应用并重的创新人才培养目标定位
随着科学技术的发展，对化学、化工人才的培养提出了新的要求。学生需要具有扎实的化学化工基础理论和交叉学科知识，并能够动手实践、实际应用，同时要有创新思维和创新能力。在高等教育中本科阶段的教学对学生的培养尤为重要，在本科阶段应着力培养创新意识和创新能力，为学生成长及创新人才培养打基础。
因此，在本科阶段的教学中提倡研究式教学、重视实验教学、让学生参与科学研究是培养创新能力的保证[1]。国外高等学校在2000年以前就努力打造本科阶段的创新人才培养模式和方法，本科生参与科研就是加州大学伯克利分校培养创新人才的一个有力措施[2]。同时在教学中将以教师为中心的教学模式转变为以学生为中心的教学模式，积极调动学生参与教学，大力激发学生的主观能动性[3]。这是国外高等学校在教学普遍采用的教学模式，这些模式对人才培养起到了很大的作用。近年来，在我国的高等学校教育教学改革中，对创新人才的培养模式研究也取得了很多的成绩[4-6]。
为了培养合格的化学、化工创新人才，我们在多年的物理化学基础理论教学中，除了教会学生基础知识，更注重引导学生学习科学家在基础理论研究及形成过程中的科学思维方法，学习科学家在科学研究过程中如何发现问题、分析问题，如何建立基本模型并不断优化与研究，最终形成化学理论。在教与学的过程中教会学生如何在学习基础理论的同时培养自己的创新思维、创新能力，将学到的基础理论与科学研究以及生产实践相结合，这也是当今在基础理论教学中不断探索、研究的课题。
在多年的教学中，我们采用模块化的教学内容整合、突出知识逻辑的总结、注重理论联系实际的应用，在强化基础理论的同时培养物理化学科学研究思维方法。例如：在热力学理论的教学过程中，注重热力学基础理论建立过程中科学家的逻辑思维方法的学习；在热力学各个物理量研究中，注重总结逻辑规律来研究物质的简单p-V-T过程、化学变化过程及相变化过程的能量守恒、过程方向性和限度等，从中学习科学家在研究中的研究过程、研究方法及逻辑思维，实现创新思维的培养。再例如：采用热力学和动力学相结合的方法，研究化工生产的可控化学。在化学热力学平衡理论中，应用等温方程实现对化学反应过程自发性判定，根据等压方程的数学模型对温度（T）进行优化，从理论上得到该温度条件下的化学反应的反应限度，即平衡转化率与生产实际比较分析；再根据化学动力学的思想引入时间（t）参数，进一步对T-t-c之间的动力学数学模型进行优化，最终得到最佳的反应温度，反应时间等参数。这些数学模型的建立和优化为化学、化工生产提供工艺参数，从而实现化工生产的可控指导。从中使学生不但学会了基础理论在化学、化工生产实践中的应用，同时在实践中实现了对学生创新能力的培养。
二、突出逻辑思维的形成是培养创新能力的基础
物理化学的基础理论在它的研究和建立以及完善的过程中，都反映出很强的逻辑思维。在化学反应过程的研究中，通过建立各物理量之间的数学模型反映其物理量之间的逻辑关系规律，同时采用物理学科的研究方法和手段来研究物质的性质、化学反应及变化过程中的物理量的测定和计算，从而总结出化学变化的规律、原理、定理、定律，为化学学科的科学研究和生产实践服务、为研究和发现新的化学反应和新物质奠定理论基础。在教学中，在引导学生学习和掌握基础理论的同时，还要教会学生学习基础理论形成和发展过程中蕴含的科学方法，更重要的是要教会学生学习科学家善于观察现象、发现问题和解决问题的能力，学习科学家在基础理论研究中的逻辑思维。
1．教学中突出科学研究方法的逻辑思维总结。物理化学理论和研究由于学科特点，逻辑规律较强。在基础物理化学教学中，将应用实例融入热力学研究方法、动力学研究方法、电化学研究方法、表面与界面研究方法的学习。在每个部分的学习中，教师要对科学研究方法作简单介绍，引导学生自主进行文献检索，并结合科研与生产实践的应用进行研讨式学习。通过文献检索和理论介绍，使学生初步了解了物理化学原理在各个领域的应用以及物理化学科学研究的方法。
2．教学中突出知识点的逻辑思维关系总结，教会学生归纳、演绎等逻辑思维方法。物理化学原理中具有很多的相似逻辑关系，例如：在学习了简单p-V-T过程的状态函数原理及其应用后，就可以结合状态函数原理继续学习纯物质的相变化过程及化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算。采用类比的方法学习纯物质两相平衡过程如图1所示。
由热力学手册得到过程②的ΔH，由相变过程熵的定义可以得到过程②的ΔS，由ΔG=ΔH－TΔS的定义得到过程②的ΔG。由于过程①和③均是简单p-V-T过程，这两个过程ΔH、ΔS、ΔG用简单p-V-T过程的热力学原理可以得到。再通过状态函数法分别得到过程④的ΔH、ΔS、ΔG，即只要有热力学手册基础数据得到②过程的ΔH，就可以得到任何相变化过程的状态函数。同理，对于化学变化过程的ΔH、ΔS、ΔG的计算，同样由类似的逻辑思想可以计算得出，如图2所示。查阅热力学手册中的标准摩尔生成焓或标准摩尔燃烧焓、标准熵等热力学基础数据，由热力学原理可以得到过程②的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm。过程①和③均是简单p-V-T过程或包含有相变化过程，由简单p-V-T过程或相变化过程的热力学函数计算可以得到这两个过程的函数。再由状态函数法分别得到过程④的ΔrHm、ΔrSm和ΔrGm。通过学习相变化及化学变化的热力学函数的计算，使学生从中学到状态函数原理的共性及如何建立热力学基础数据并应用这些基础理论实现各种过程的状态函数计算的逻辑思维。 在物理化学原理中还有很多相似的数学逻辑关系。例如：纯物质气液或气固两相平衡中，饱和蒸汽压与温度的关系（ ）呈线性方程，从斜率可以得到相变焓；化学平衡中标准平衡常数与温度的关系（ ）呈线性关系，从斜率可以得到反应焓；化学反应速率常数与温度的关系（ ）呈线性关系，从斜率可以得到反应活化能等。从这些物理量之间相似关系中，教会学生学习这些理论的共性和应用上的相似性，从中还学到了物理性质随温度变化的规律。通过这些类比和总结，使学生从中得到逻辑思维学习和培养。
在物理化学的原理当中，还包含着很多类似的逻辑性的规律。在教与学的过程中，在教会学生基础理论的同时，更要注重教会他们学习这些逻辑规律，从而在思维能力方面建立逻辑思想，为科学研究中分析问题和解决问题能力的培养奠定基础。
三、注重联系实际应用是培养创新能力的需要
在物理化学教学中，紧紧抓住每个知识点的学习，以科学研究和生产实践中的应用实例来进行应用方面的案例教学，能够取得很好的效果。通过教师的教学引导，教会学生充分利用数字化文献资源进行课外学习、交流、研讨，从中使学生学会如何将学到的物理化学基本理论与科学研究及生产实践联系起来，通过案例教学使学生懂得了学到的这些理论知识将来如何在生产实践中应用，同时培养了学生的创新能力和热爱科学研究的思想。
例如：学习临界状态的理论时，结合超临界技术在化工生产、中药有效成分提取等方面的应用；学习稀溶液依数性的理论时，结合药物单体的纯度分析、膜技术在废水处理中的使用、反渗透原理进行海水淡化等方面的应用；学习电化学原理时，结合一次、二次电池原理及氢电池、锂电池及各种燃料电池等新能源电池，分析各个种类电池的原理、优缺点及其实现绿色化学的理念等；学习化学反应动力学的理论时，结合化学平衡理论对现有的工业生产实例进行工艺优化，提出温度、压力及反应时间等的工艺参数的优化及学习经济技术评价的思想方法等。
在物理化学教学中，结合这些基础理论在科学研究以及生产实际中的应用，能够充分发挥学生的主观能动性。在学以致用的教学活动中，使学生得到将基础理论用于生产实际的基础创新能力的培养。
四、要加强课外科学研究基本能力的培养
在物理化学的教学过程中，要充分发挥学生在学习和研究上的热情，利用课余时间加强学生课外科技活动的开展，培养他们的科学研究基本能力。
1．学习科学文献的查阅及文献综述的撰写。在物理化学每一章的教学中，结合理论与生产实际应用，组织学生开展文献查阅，检索应用实例。学生在完成课外文献作业的同时，锻炼了科技文献的查阅检索能力，并且开阔了知识视野。在教学中要求学生将查阅的文献撰写成综述论文，对比较好的综述论文进一步进行指导。
2．结合理论与实际应用的研究课题开展课外研讨。在物理化学的基础理论与生产实践相结合的学习中，每章中给学生提出一些引导性研讨题目，学生也可以根据自己在某领域的兴趣进行文献研究，对国内外的研究状况进行分析、比较、讨论，对撰写出的研讨题目在各种条件下进行交流，例如宿舍讨论会、班级讨论会及选出典型的题目进行教学班的讨论会。使学生的作品得到充分的交流学习，学生既学到了更多的应用案例，又得到了学术交流的锻炼。
3．结合物理化学实验教学进行扩展性实验研究。在物理化学教学中，十分重视学生的实践能力的培养。在基础物理化学实验教学中，鼓励学生通过查阅文献并利用现有的实验装置进行拓展性实验研究，从中锻炼学生的科学研究基本能力，培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新思维。
例如，萘在足量氧气中完全燃烧生成CO2和H2O的反应的教学实验，正常实验是测其完全燃烧反应的燃烧热。同学们在实验中发现当反应氧气没有达到足量时会产生絮状碳，于是进行拓展研究，对原料配比、氧气压力、反应温度等条件进行优化，得到合成纳米碳球材料的最佳实验条件；对该材料进行表征后发现该材料是尺度均匀的两种结构的纳米碳球，对其应用性质进行了探索，发现具有储氢性能及做超级电容器的辅助材料的可能性。
在进行电化学实验的教学中，正常实验是给出已知浓度的CuSO4溶液及ZnSO4溶液，制备出铜电极及锌电极，配有参比电极后测其原电池电动势。由于实验结束后会产生大量的CuSO4回收液和ZnSO4回收液，对回收液可以进行浓缩、结晶后再利用。但是，同学们在拓展实验的研究中进行反向思维方法，分别利用两种回收液进行电极的制备实验，配上参比电极后分别通过测定电池电动势进行溶液中的CuSO4回收液和ZnSO4回收液的浓度计算，这种反向实验使回收液得到了利用，同时也得到了同样的实验能力的学习。
这种拓展性实验很多。通过拓展性实验的研究，利用基础的常规实验技术手段开展了简单的研究性、设计性实验，同时使学生培养和锻炼了科研能力。
参考文献：
[1] 高盘良. 浅议创新能力与创新人才的培养[J]. 中国大学教学，2005(10)：21-22.
[2] 刘宝存. 加州大学伯克利分校的本科生教育[J]. 中国大学教学，2005(10)：59-60.
[3] 谢逢春. 中关两高校物理化学课程教学的对比[J]. 2009(3)：27-31.
[4] 李志义，冯林，王殿龙等. 改革人才培养模式培养高素质人才[J]. 中国大学教学，2005(10)：24-25.
[5] 刘英等. 工程素质与创新精神的培养与实践[J]. 化工高等教育，2011(2)：25-28.
[6] 马玉龙，高小红，文艳霞等. 促进学生创新学习的教学方法探索和实践[J]. 大学化学，2011，26 (4)：8-10.