物理化學(xué)專業(yè)核心課程與基礎(chǔ)課教學(xué)的學(xué)科滲透與融合

楊志安

（唐山學(xué)院，河北 唐山063000）

跨學(xué)科教學(xué)是現(xiàn)代大學(xué)教學(xué)發(fā)展的重要趨勢。當(dāng)前，提倡和推進(jìn)跨學(xué)科教學(xué)已成為高等教育工作者的重要共識。“物理化學(xué)”作為工科院校化工類專業(yè)核心課程，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)形成縱向以“物理化學(xué)”為主線，橫向向邊緣交叉學(xué)科輻射的樹形知識結(jié)構(gòu)與科學(xué)知識體系［1］84。筆者通過對專業(yè)核心課程方面的理論研究和教學(xué)實踐，闡述“物理化學(xué)”教學(xué)中的學(xué)科交叉、滲透與融合。

一、專業(yè)核心課程內(nèi)涵

專業(yè)核心課程是指在人才培養(yǎng)過程中，為實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)，增強學(xué)生掌握專業(yè)核心課知識的能力，是對提高該專業(yè)核心競爭力起決定作用的課程［2］。專業(yè)核心課程建設(shè)應(yīng)以單門核心課程建設(shè)為基礎(chǔ)，將重心放在課程之間的整合上。從打破按學(xué)科組織課程的傳統(tǒng)方式開始，依托區(qū)域背景，立位于學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展為方向，根據(jù)教學(xué)計劃構(gòu)建確定專業(yè)核心課程體系中各課程之間的關(guān)聯(lián)。作為專業(yè)核心課程體系的教師要熟悉這種關(guān)系，了解課程體系中所有課程的教學(xué)情況。專業(yè)核心課程是公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課的有機組合。當(dāng)然，專業(yè)核心課教師包括公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)方向課的教師。只有這樣，才能使教師從專業(yè)核心課程的整體出發(fā)，去除課程間的重復(fù)內(nèi)容，合理組織教學(xué)與實踐，使學(xué)生深深體會到理論與實踐的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程實施效率，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、“物理化學(xué)”課程簡介［3］

“物理化學(xué)”是化學(xué)學(xué)科的一個分支，也是工科院校化工類專業(yè)核心課程。“物理化學(xué)”由化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)三大部分組成。

化學(xué)熱力學(xué)主要以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)研究化學(xué)變化以及與之相聯(lián)系的相變化、表面現(xiàn)象和化學(xué)的方向、限度及其所伴隨的能量得失等。

化學(xué)動力學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)的速率和機理，討論各種因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律，探索反應(yīng)的機理。

結(jié)構(gòu)化學(xué)主要研究物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，是了解化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)。在課程設(shè)置上一般將結(jié)構(gòu)化學(xué)另行開課。

“物理化學(xué)”是一門研究物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)理論課程。許多專業(yè)都將“物理化學(xué)”作為專業(yè)核心課程，并放在十分重要的地位。

“物理化學(xué)”的研究方法主要包括熱力學(xué)方法、統(tǒng)計力學(xué)方法和量子力學(xué)方法。熱力學(xué)方法是以大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)為研究對象，以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)變化與熱、功和平衡狀態(tài)的關(guān)系。大學(xué)本科教材多采用此法。

三、課程間的交叉、滲透與融合教學(xué)舉例［4－6］

“物理化學(xué)”課程的基礎(chǔ)是高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理，基礎(chǔ)課教師針對學(xué)生的專業(yè)特點，將課程內(nèi)容與“物理化學(xué)”內(nèi)容相結(jié)合，并與教授“物理化學(xué)”課程的教師溝通。當(dāng)然，承擔(dān)“物理化學(xué)”課程教學(xué)任務(wù)的教師也要主動與基礎(chǔ)課教師溝通，研討各課程之間的銜接，重復(fù)內(nèi)容的整合，使得三門課程在跨學(xué)科層面實現(xiàn)交叉、滲透與融合。

（一）“物理化學(xué)”課程與大學(xué)物理的交叉、滲透與融合教學(xué)舉例

氣體、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律是“物理化學(xué)”前3章的內(nèi)容，除去化學(xué)變化應(yīng)用部分之外均是“大學(xué)物理”熱力學(xué)部分的內(nèi)容。擔(dān)任“大學(xué)物理”與“物理化學(xué)”兩門課程的教師經(jīng)過溝通、研討，將重復(fù)部分進(jìn)行整合，可以形成兩種教學(xué)計劃。

一種是由“大學(xué)物理”課教師按照“物理化學(xué)”課程選用的教材講授氣體及熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。除去的部分由“物理化學(xué)”課程教師講授。另一種是“大學(xué)物理”課教師不講氣體、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律，所有的內(nèi)容留給“化學(xué)物理”課教師講授。不管采用哪種教學(xué)計劃，只要合理組織教學(xué)實踐，都會提高教學(xué)質(zhì)量，還會成倍節(jié)約學(xué)時，使學(xué)生更有自主學(xué)習(xí)的空間。

化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)是“物理化學(xué)”的三大組成部分之一，其基礎(chǔ)理論涉及化學(xué)反應(yīng)速率和半衰期等內(nèi)容，這些內(nèi)容可以通過大學(xué)物理的運動學(xué)和原子核物理部分拓展，進(jìn)而過渡到化學(xué)動力學(xué)的學(xué)習(xí)。

物理學(xué)中關(guān)于速率的定義：速率是指單位時間內(nèi)物體運動的距離，是物體運動快慢的一種度量。

化學(xué)反應(yīng)速率通常是用單位時間內(nèi)反應(yīng)物物質(zhì)的量的減少或生成物物質(zhì)的量的增加來表示。

物理學(xué)中關(guān)于半衰期的定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。衰變是一種化學(xué)反應(yīng)。

例如Ra的衰變?yōu)?/p>

在“物理化學(xué)”中半衰期的定義：原有物質(zhì)有一半發(fā)生反應(yīng)所需的時間。這里所說的反應(yīng)指化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)然包括放射性元素的衰變。例如N2O5的分解反應(yīng)為

式（1）、式（2）均稱為一級反應(yīng)，對于一級反應(yīng)，反應(yīng)速率只與反應(yīng)物濃度的一次方成正比，它的速率方程為

式中，C為反應(yīng)濃度，t是時間，k1是反應(yīng)比速率。

積分上式得反應(yīng)時間與反應(yīng)物濃度的關(guān)系，即

當(dāng)反應(yīng)開始時，t＝0，C＝C0，代入上式得常數(shù)等于lnC0。因此

對于不同的一級反應(yīng)來說，t1／2∝k1－1，故也可以用t1／2來表示反應(yīng)的快慢。

在實際應(yīng)用中也可以用反應(yīng)物濃度降級到（1／3）C0或（1／4）C0所需的時間，描述化學(xué)反應(yīng)速率，那就是1／3衰期和1／4衰期，是半衰期概念的拓展。

在“大學(xué)物理”教學(xué)中，可采用普適的速率定義：單位時間內(nèi)某一物理量或化學(xué)量的變化。

物體的運動速率，就是物體距離的變化。

化學(xué)反應(yīng)速率，就是反應(yīng)物物質(zhì)量的減少。

至于半衰期的概念在兩門課程中的定義是相同的，只要去掉時間的限制，式（5）或式（6）就是有普適意義了。

（二）“物理化學(xué)”課程與“高等數(shù)學(xué)”的交叉、滲透與融合教學(xué)舉例

“高等數(shù)學(xué)”與“物理化學(xué)”的交叉、滲透與融合體現(xiàn)在“物理化學(xué)”課程的始終。最明顯的例子就是全微分函數(shù)的應(yīng)用。

在“高等數(shù)學(xué)”中講過全微分函數(shù)，就是“物理化學(xué)”中的狀態(tài)函數(shù)。“高等數(shù)學(xué)”教師可以針對以“物理化學(xué)”為專業(yè)核心課程的學(xué)生，將狀態(tài)函數(shù)概念引入全微分函數(shù)部分的教學(xué)中，則“物理化學(xué)”中狀態(tài)函數(shù)特征和麥克斯韋關(guān)系式作為難點就迎刃而解。

設(shè)z是某系統(tǒng)任一全微分函數(shù)，也就是任一狀態(tài)函數(shù)，它是兩個變量x和y的函數(shù)。即

由于z是全微分函數(shù)（狀態(tài)函數(shù)），其二階偏導(dǎo)數(shù)與求導(dǎo)次序無關(guān)，因此

將式（9）運用于熱力學(xué)基本方程（U，H，A，G均為狀態(tài)函數(shù)）

式（11）稱為麥克斯韋關(guān)系式。

將數(shù)學(xué)上的全微分函數(shù)用狀態(tài)函數(shù)描述，狀態(tài)函數(shù)就具有新的特征和含義。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)確定時所有狀態(tài)函數(shù)必有確定值，狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。當(dāng)狀態(tài)發(fā)生改變時，狀態(tài)函數(shù)的改變量只取決于初始終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷一系列狀態(tài)變化，最后回到原來狀態(tài)時，狀態(tài)函數(shù)z的改變量為零，即z的微變循環(huán)量為零，∮dz＝0。麥克斯韋關(guān)系式是“物理化學(xué)”的難點，按上述講解方法，根據(jù)高等數(shù)學(xué)全微分函數(shù)的數(shù)學(xué)知識，這一難點就容易解決。

（三）“物理化學(xué)”課程與“大學(xué)物理”和“高等數(shù)學(xué)”的交叉、滲透與融合教學(xué)舉例

“物理化學(xué)”與“大學(xué)物理”和“高等數(shù)學(xué)”一個重要隱含聯(lián)系是相平衡一章的吉布斯相律。它可表述為：“只受外界溫度和壓力影響的相平衡系統(tǒng)，其自由度數(shù)等于組分?jǐn)?shù)減去平衡的相數(shù)加2”。用公式表示為［1］89

吉布斯相律講授策略，要從學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)出發(fā)，講述相關(guān)知識的拓展或遷移。

根據(jù)數(shù)學(xué)知識，對于一個數(shù)學(xué)系統(tǒng)，獨立變量數(shù)等于總變量數(shù)減去平衡條件的限制數(shù)，用公示表示為［1］89

數(shù)學(xué)系統(tǒng)是一個廣義系統(tǒng)，它可以是數(shù)學(xué)系統(tǒng)本身，也可以是力學(xué)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)，以及更為復(fù)雜的社會系統(tǒng)等。

上述數(shù)學(xué)表述應(yīng)用于大學(xué)物理或理論力學(xué)的非自由質(zhì)點系，就有如下表述：對于含有一個幾何質(zhì)點和k個幾何約束力學(xué)系統(tǒng)，描述這個系統(tǒng)的獨立變數(shù)的個數(shù)（自由度數(shù)）等于3n－l

對學(xué)生來講，可分別通過式（13）或（14）兩條途徑，將其遷移至式（12）。

從式（13）出發(fā)，對于一個只受外界溫度和壓力影響的相平衡系統(tǒng)，將組分?jǐn)?shù)k與溫度和壓力兩個變數(shù)的和看作系統(tǒng)的總變量數(shù)，將相數(shù)?看作平衡條件的限制數(shù)就自然得到式（12）。

從式（14）出發(fā)，非自由n質(zhì)點力學(xué)系統(tǒng)總變量數(shù)為3n，對應(yīng)相平衡系統(tǒng)組分?jǐn)?shù)k與溫度和壓力兩個變數(shù)之和；幾何約束數(shù)l對應(yīng)相數(shù)?，依此對應(yīng)關(guān)系自然得到式（12）。

“物理化學(xué)”與“大學(xué)物理”和“高等數(shù)學(xué)”的交叉、滲透與融合內(nèi)容還有很多，筆者希望以此為例，舉一反三，引起同行注意，起到拋磚引玉的作用。

四、結(jié)論

以化工類專業(yè)核心課程“物理化學(xué)”為例，提出基于專業(yè)核心課程“物理化學(xué)”的跨學(xué)科教學(xué)問題，會對“物理化學(xué)”教學(xué)改革與復(fù)合型人才的培養(yǎng)起到推動作用。

為了在有限的課堂教學(xué)中獲取更高的教學(xué)效益，除“物理化學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容要改革外，跨學(xué)科的教學(xué)研究更需要加強，以便專業(yè)核心課程群之間能有機地結(jié)合起來，這樣大學(xué)課程教學(xué)各自為政、相互割裂的局面才能解決。

［1］ 楊志安.“理論力學(xué)”教學(xué)中的學(xué)科滲透與融合［J］.唐山學(xué)院學(xué)報，2013，26（1）：83－90.

［2］ 岳愛臣，高浩其，熊和平.應(yīng)用型工程院校專業(yè)核心課程的研究與實踐［J］.高等工程教育，2007（5）：47－49.

［3］ 陳丙義，鄭海金.物理化學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［4］ 王東云.大學(xué)物理教學(xué)的學(xué)科滲透［J］.高師理科學(xué)刊，2009，29（4）：91－93.

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［6］ 吳鴻萍，張建國.深化教學(xué)改革加強跨學(xué)科研究——高等數(shù)學(xué)與理論力學(xué)課程教改初探［J］.太原理工大學(xué)高等教育研究，1999，17（4）：38－40.