近年来，随着一流课程“双万计划”的实施，如何打造高阶性、创新性、挑战度“金课”已成为高校共识，基于翻转课堂教学、慕课和SPOC (小规模限制性在线课程)等新兴教学模式，纷纷建设线上和线下“金课”，推动优质课程资源广泛共享。大势所趋，理工科类基础课程的传统教学模式也面临着巨大挑战。

物理化学是一门重要的化学基础课程。它借助数学、物理学等基础科学的理论及其提供的实验手段，研究化学科学中的原理和方法，是研究化学体系行为的最基本宏观、微观规律和理论的学科，是化学的理论基础^[1]。1994年，《自然科学学科发展战略调研报告(物理化学卷)》中指出：“实践表明，凡是具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通，自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而可能站在国际科技发展的前沿”^[2]。对于环境科学与工程等需要储备一定化学基本知识的学科方向，考虑到这些学科的核心内容仍然是物理化学的课题，因此，同样需要进行物理化学方面的课程讲授^[2]。

相比于仅需要高中数学基础的无机、有机和分析化学的大学化学教学而言，学好物理化学需具有良好的高等数学知识基础且具有较强的逻辑推理能力，因此物理化学普遍被视为是最难学的化学学科。笔者所在环境与生态学院的部分学生因此对物理化学学习产生严重的畏惧心理，甚至影响学生的专业选择：对于环境科学方向的学生们，在选择环境化学还是环境管理的时候，有些学生因为担忧物理化学课程难度大拉低绩点而选择了环境管理方向。

因此，在课程从144学时被压缩到45学时的背景下，本课程讲授的难点和重点在于：1)如何快速消除学生畏难情绪，吸引更多的学生积极参与本课程教学；2)如何让学生抓住课程教学的本质及其知识重点；3)如何有效培养学生的思辨能力，实现“立德树人”的人才培养根本目标^[3-10]。

本文以所讲授的《物理化学核心教程》(第三版，沈文霞等编)为例，结合考试成绩和学生反馈，分析教学方法的实施成效，探讨如何实现物理化学课程教学的“金课”标准化，即高阶性、创新性和挑战度。

在授课过程中，笔者注重并引导学生从基本概念的理解入手进行实际运用，弱化含有大量微积分数学公式的推导过程的讲解(感兴趣的学生课外自行钻研有关内容并可找授课教师讨论)；自始至终强调避免死记硬背，要求“重点在理解公式所传达的信息”(考试为半开卷形式，允许携带自行摘抄的公式)。如热力学第一和第二定律含有大量的微积分公式推导和应用，并引入了很多新概念，即便对于化学专业的学生而言也需要下大功夫才能较好掌握基本内容。因此，在有限的课时内，笔者紧扣最基本问题，即ΔU= Q + W和η_I ≤ η_R这两个热力学第一和第二定律的核心公式；引导学生基于这两个基本公式理解并推导可逆过程及不可逆过程的各种状态函数间的相互关系。重点理解并掌握：1)等式反映了在始终态确定的情况下，体系能量变化遵循能量守恒原理，而与具体过程无关，进而推出具有普适性的迂回战术的Hess定律；2)不等式说明实际体系(不可逆过程)和理想状态(可逆过程)的差距，反映了化学反应的方向和限度；3)这两个公式是大量微观状态分子的集体行为的表达，反映了体系的宏观状态。

该教学理念的可操作性和教学方法的初见成效反应在如下两个方面：1)参与课程教学的学生群不仅包括认为“物理化学对于今后研究生学习很重要”而坚持选择环境化学方向的学生，也吸引了部分本来犹豫是否选修物理化学的本院学生和选环境管理的学生，甚至生命与科学学院等外专业的学生。2)在教学后期的“一对一”沟通交流中，学生们也纷纷反馈自己的学习心得。比如：换个眼光看世界，从微观变化角度去重新认识和理解生活和科研中的有趣现象；做事时，有意识让自己更有逻辑性地分析问题，推理和解决问题的能力也得到了一定的提高。

弱化公式推导不仅没有降低了课程的教学难度，反而因为强调基本概念的理解和应用而提高了课程的“挑战度”，而这一点在参与教学的学生的后续继续深造中尤为重要。

笔者在与高年级本科生甚至研究生讨论科研工作时，注意到不少学生，包括本科阶段成绩不错的学生，普遍存在基本概念不清的状态。经沟通发现，在惯性思维影响下，学生们倾向于通过大量刷计算题等传统考试大题题型，加深对课程内容的理解；往往忽视对于掌握物理化学基本概念更为有效、强调数形结合的思考题和问答题等题型。进一步，短期题海战术虽然有利于成绩提高，但是从长期看来，学生不一定能够有效掌握基本概念，无法做到“高阶性”：将所学知识融会贯通而应用于实际科研工作。

如近年来，基于纳米材料的环境污染物的富集和降解是环境科学领域的研究热点之一，涉及到胶体与界面化学以及光、电催化等。有相当一部分论文仅仅根据动力学曲线进行函数拟合，根据拟合效果的吻合程度判断最可能的反应模型^{[11, 12]}。然而，数学拟合效果最佳的函数并不一定准确反映体系真实情况。首先应进行“毛估”(下文详述)，根据体系特点思考为什么得到这样的实验结果；然后，通过推演中间过程，形成几种可能的表面反应的模型，进而结合实验结果判断最可几概率的一种或几种模型；最后，通过在相关体系中进行验证，进一步确认该预测模型的可靠性。

在物理化学的教学中，笔者认为应引导学生“不仅知其然，而且知其所以然”，有效培养学生根据实验结果深入分析现象本质的科研素养。特别是在做习题的时候，不能仅仅只会套用公式，更重要的是要先分析清楚公式的来由及其适用条件。因此，笔者反复强调学习中避免刷题，应把书本读透，重心放在对知识点基本原理的理解和运用中，否则难以建立正确的解题思路。比如，相平衡是物理化学课程中数形结合最典型的内容。其中，单组分相图可以借助于Clapeyron方程(dp/dT = ΔH_m/TΔV_m)进行初步绘制：根据ΔH_m和ΔV_m这两个数值判断dp/dT的正负，从而“毛估”任意两相界线的斜率。然而，根据对考试中相图绘制题目的较低正确率(36/54人仅获得不到一半的分数)，明显暴露出部分学生习惯于通过计算题的解析来理解公式的含义，在结合图形理解公式并加以应用的能力方面存在不足的现状。

根据下文中2016级和2017级两届学生的期中和期末成绩分布及相关分析可知：部分喜欢通过刷题提高成绩的学生在教学初期反而不适应课程教学和考试题型，期中考试受挫后与任课教师沟通并及时调整学习方法，不仅成绩获得提高，个人能力也有所长进。

图1(a)和(b)分别给出2016和2017级两届学生的期中考试成绩分布柱状图。虽然二者间存在一些分布上的明显差异，但有三个共性：1)考试平均成绩在55‒60分之间，与预计70分有一定的差距；2)成绩分布具有一定的正态分布趋势；3)最高分和最低分相差近50分。图2(a)和(b)分别给出2016和2017级两届学生的期末考试成绩分布柱状图。与图1的期中成绩相比，期末均分有明显提高；2017级的成绩峰值在65‒70分之间，比2016级提高了5分。需指出，期末考试成绩普遍比期中的高这一现象符合预期，一般认为：1)学生对期中考试不够重视；2)期中考试时，因其他课程照常进行，学生可能没有充足的复习时间。本课程略有区别：1)学生对期中和期末考试的重视度基本一致，因为两者所占总成绩比例皆为35%；2)物理化学后半部分内容相对容易些。因此，最终结果符合普遍现象。因此，我们仅以成绩所代表的排名次序的变化做相关分析和讨论。

经调查发现，这两届学生中的一半对本课程或本专业的学习有较好的投入；相比而言，2017级学生继续深造的意愿更强烈。此外，对于期中和期末成绩不能很好符合正态分布的这样一个现状，一个重要原因在于部分学生对本专业没有兴趣。如图2(b)所示，如果忽略50分以下的少数人，2017级学生的成绩呈现了良好的正态分布，且在学习中注重逻辑思考的学生都能够学好本课程内容并获得佳绩。

为进一步分析学生成绩与学习主观能动性间的关联性，我们以期末考试成绩对期中考试成绩作图，所得结果如图3所示。可以观察到，对于这两届学生，绝大部分人的期末和期中成绩呈现极好的正相关关系，其分布都在y = x + b (图中两条红色虚线)范围内。

对于两次考试成绩都不佳的学生进行单独谈话，发现成绩落后的主要原因在于：对本专业学习兴趣不大且未来无规划，因而大学期间学习迷惘，造成各科成绩皆处于下游。因此，当面临极富挑战的物理化学时，这些学生的成绩落差显得更明显。成绩始终保持上游的学生则因为有明确的学习目标和规划，不仅上课认真听讲，课后也根据授课内容进一步深读书本并自行做相关课外练习。尤为惊喜的是，2016级有两位学生的期末比期中排位有显著提高(其中一位成绩提高了近30分，该生今年获得了保研资格)，如图3(a)蓝色星星所示；这一现象在2017级中更为明显，有5位学生的期末成绩显著提高(约在20‒30分区间)。经调研发现，这些学生在期中考试失利的原因并非平时学习不够投入，而是在学习思路和方法上未能及时针对课程特点进行调整。在教师的建议下，改题海战术为深度钻研课本相关基础知识，通过理解公式含义进行选择性做题，重心放在“知其所以然”的逻辑思维培训上，因而期末成绩有了显著提高。

接触物理化学前，学生们刚学完分析化学课程，经历了“定量”理念的熏陶，深刻体会到科学技术上的发现与发明的实现通常需要大量精确的实验和计算才能实现。因此，学生们在一定程度上形成了惯性思维，更注重于计算题的准确解析。

然而，无论在基础科学研究还是实际应用研究中，“定性”抓住主要矛盾是先决条件。只有先提出比较合理的解题思路，在方向正确的基础上进行“定量”分析才有意义。这一种研究思路正是著名物理化学家卢嘉锡先生所提出的“毛估”法。卢先生在进行科学研究时，一向比较重视对最终结果的预测，以便从总体上更好地把握研究方向。他指出：“目标模型”(通常表现为某种科学假说或设想)，对于正确地把握研究方向，避免走弯路甚至南辕北辙是很有意义、很有价值的^[13]。

实际上，该思想贯穿了整个物理化学的科学研究发展历程并反映在教材中。首当其冲的是气体状态方程的推演历史：先忽略分子间相互作用力，“毛估”气体的压强、体积和温度的关系，从而推导出理想气体状态方程pV= nRT；再考虑分子大小及范德华力以更精准的思维研究三者的关系，从而提出更符合实际情况的实际气体状态方程(p+ a/V²)(V – b) = nRT。理想气体状态方程作为一种“毛估”手段，在整个物理化学发展历史中起到了不可磨灭的作用。再如，热力学第一定律和第二定律不仅为判断化学反应的可能性和方向性提供有效判据，从本质上来说，其更为后续动力学研究提供了“毛估”的理论基石。

因此，物理化学教学中应通过讲授如何在把握事物本质的基础上，基于已有条件推导出简单而又合理的物理和化学模型，从而引导学生建立“抓主要矛盾”的大局观，培养先找准方向，再深挖的学习科研能力。

虽然物理化学课程体系的大部分理论的建立已经有百年历史，但并不意味着教学内容都是“故纸堆”，没有现实意义。笔者认为应引导学生们深刻领悟：大部分重要的突破性的科研进步都是建立于对基本概念的深刻理解，“站在前人的肩膀上”才能有所“创新”。

纵观历史可知，任何一门科学，都是一步步脚踏实地逐步发展起来的。物理化学领域著名科学家如星河灿烂，在有限的教学课时中，进行物理化学史的讲解，可以通过了解这些科学家，尤其是中国科学家的科研经历，有效培养学生树立迎难而上、不畏艰难的科学创新精神。

如在讲解水的相图中的三相点的温度时，介绍著名物理化学家黄子卿院士。1934年，黄先生通过严格控制实验条件，如精选三相点室材料并严格清洗实验器具且水样高度纯化去除CO₂等干扰，精准测得了水的三相点为0.00980 ± 0.00005 ℃，该数值成为国际实用温标(IPTS-1948)的定温基准。这一历史故事可以引导学生明白：黄先生对实验细节的严苛要求是任何时期科研工作人员开展实验和理论研究的基准。再如讲解玻璃电极和选择性电极时，介绍分析化学家俞汝勤院士领衔的团队如何在文革期间，克服种种困难，成功研制了国际领先水平的氟离子选择性电极。又如在讲解区域熔炼时，通过介绍我国在半导体工艺方面与国际水平存在的显著差异，激发学生的务实科研精神，切忌纸上谈兵：提出解决问题的方案并发表论文仅仅是科学研究的第一步，具体实施工具的可靠性和实际操作的重现性和稳定性等更是从基础科研走到基础应用并最终得以实际应用的关键。

此外，教学中紧扣当前科学发展前沿动态，即当代史，引导学生们加深对有关知识的理解。比如在讲授热力学和动力学时，指出过去由于技术条件的限制，我们只能基于大量分子的集体行为进行热力学和动力学分析。进入21世纪后，随着单分子技术的蓬勃发展，科研工作者已经在很多表面催化反应中采用荧光、电化学和拉曼光谱等多种单分子谱学技术，为从单分子水平深刻理解系统的特性提供了极高价值的参考。

综上所述，尽管物理化学一向被认为是最难学的化学课程，但只要教师教法得当且学生有强烈学习欲望，学生仍然可以学好并能够在将来的实际科研工作中学以致用。当然，如何在45节课时的时间内，让学生既能深入理解物理化学的本质，又能从广度上了解物理化学涉及的内容，还需要任课教师牢记“两性一度”的“金课”标准，不断探索和提升本课程的授课理念和方式：如何进一步加强课堂互动，使得对重要知识点理解更透彻；如何针对本学科特色有选择性进行相关知识的拓展和加深，提高学习“挑战度”以激发学生的斗志和兴趣；如何在传递物理化学的基本理念和思维方式的同时，结合习题和实际应用案例及最新科学前沿进展促进对基本概念的理解，提升学生的创新思维能力。