高等物理化學(xué)教學(xué)改革初探

陳泳 徐惠 王玉春

摘要：本文根據(jù)教學(xué)改革的經(jīng)驗，對高等物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，及教材建設(shè)對比了教學(xué)改革前后的異同點(diǎn)，提出了新時期高等物理化學(xué)研究生教學(xué)中的變化趨勢，對構(gòu)建科學(xué)化、規(guī)范化的研究生高等物理化學(xué)課程體系具有一定的啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：高等物理化學(xué)；教學(xué)改革；課程體系

中圖分類號：O64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0124-02

高等物理化學(xué)是應(yīng)化、化工、化學(xué)等專業(yè)研究生的一門主要學(xué)位課。目前在國內(nèi)，各高校的化學(xué)和化工學(xué)科各專業(yè)都將高等物理化作為碩士研究生學(xué)科基礎(chǔ)課而開設(shè)，另外與化學(xué)有關(guān)的相關(guān)學(xué)科，如環(huán)境化學(xué)、材料化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、生物、食品等相關(guān)專業(yè)碩士生許多也都將高等物理化學(xué)作為必修或選學(xué)課程開設(shè)。高等物理化學(xué)的內(nèi)容相對于本科物理化學(xué)有較大的變化，從理想的平衡態(tài)到實際過程的非平衡態(tài)，從物質(zhì)的表相到體相，不但加深拓寬了基礎(chǔ)理論，而且從宏觀的角度逐步過渡到微觀視野，力求在基礎(chǔ)理論與解決實際問題之間起到橋梁作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，使研究生在本科物理化學(xué)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步系統(tǒng)掌握物理化學(xué)的基本原理和研究方法，了解物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展前沿和最新成就，注重與其他學(xué)科的交叉，開拓視野，使學(xué)生能夠在科學(xué)研究中應(yīng)用相關(guān)的物理化學(xué)知識進(jìn)行分析和解決問題，而不再僅僅停留在書本上，這將為他們今后從事物理化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

然而，目前國內(nèi)給碩士生開設(shè)本門課程的學(xué)校雖然很多，但由于各校對課程的要求不相同，所以課程講授的內(nèi)容差異很大。此外，公開出版的《高等物理化學(xué)》教材非常少，一是劉長壽教授主編，鄭州大學(xué)出版社2005年出版的；另外一個是司云森教授主編，科學(xué)出版社2015年出版的。很顯然，如何確定本校的課程內(nèi)容及教學(xué)方式需要一個探索過程。蘭州理工大學(xué)自2010年開設(shè)《高等物理化學(xué)》課程，經(jīng)過2013—2016年的教學(xué)改革，初步摸索出了適合本校研究生實際情況的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法和手段，以構(gòu)建本校化學(xué)與化工專業(yè)研究生培養(yǎng)的高等物理化學(xué)課程體系。

一、高等物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的改革

本課程的主要目的在于使應(yīng)化、化工等專業(yè)的碩士研究生能進(jìn)一步系統(tǒng)、深刻地掌握物理化學(xué)的基本原理和研究方法，把握物理化學(xué)的理論體系和知識結(jié)構(gòu)，能結(jié)合學(xué)科發(fā)展的最新進(jìn)展和最新成果將物理化學(xué)的基本原理和研究方法加以深入領(lǐng)會，并能在實際的科研工作中將有關(guān)的原理和方法加以很好的應(yīng)用。教學(xué)之初設(shè)定的內(nèi)容分為四個板塊：化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、量子力學(xué)基礎(chǔ)和學(xué)科發(fā)展前沿。化學(xué)熱力學(xué)包括：非平衡態(tài)熱力學(xué)、單元系相變；動力學(xué)過程包括：催化動力學(xué)、相變過程動力學(xué)，電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)。但是在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的本科物理化學(xué)知識儲備不夠，在課程的銜接上不夠充分。因此，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了修正，使得課程教學(xué)能夠科學(xué)地體現(xiàn)其基礎(chǔ)性、寬廣性和系統(tǒng)性，深度和廣度把握得當(dāng)，并能體現(xiàn)其實踐性、先進(jìn)性和前沿性，有利于激發(fā)研究生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.分別增加了化學(xué)熱力學(xué)概述及拓展，主要包括平衡熱力學(xué)、非平衡熱力學(xué)對化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)過程中的能量效應(yīng)及方向和限度進(jìn)行加深講述。討論熱力學(xué)各種定律：熱力學(xué)第一定律說明熱與其他形式的能量在過程中相互轉(zhuǎn)化的守恒關(guān)系——能量轉(zhuǎn)化與守恒；熱力學(xué)第二定律說明熱與其他形式能量間相互轉(zhuǎn)化時的方向性問題；熱力學(xué)第三定律說明規(guī)定熵，解決化學(xué)平衡的計算問題。同時增加化學(xué)動力學(xué)概述及拓展，從各種基本動力學(xué)方程到復(fù)雜動力學(xué)方程的推導(dǎo)，比如鏈反應(yīng)、對峙反應(yīng)和平行反應(yīng)。重點(diǎn)講述各種動力學(xué)方程推導(dǎo)的方法，比如穩(wěn)態(tài)近似法、平衡假設(shè)法。這種回憶、更新和加深本科物理化學(xué)的基礎(chǔ)知識的方式，使學(xué)生能更好地理解高等物理化學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容，并且在后續(xù)章節(jié)的計算中不會再次出現(xiàn)問題。同時增加了統(tǒng)計熱力學(xué)內(nèi)容，在本科學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上再次深入講解，從而使學(xué)生加深從宏觀到微觀過渡的理解。

此外，刪除了之前一直講述的比較晦澀難懂的量子力學(xué)基礎(chǔ)和電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)，但同時指出相應(yīng)的參考書，建議學(xué)生進(jìn)行自學(xué)。

2.進(jìn)一步完善、深化已有的講稿內(nèi)容，廣泛查閱學(xué)習(xí)相關(guān)資料，將與高等物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的研究成果及研究方法，整理加入到相關(guān)章節(jié)進(jìn)行講授，注重實際科研工作和理論的結(jié)合。更新最新研究成果信息，增加比如有關(guān)超分子、特殊介質(zhì)的物理化學(xué)、介觀體系、化學(xué)仿生學(xué)等內(nèi)容。其中介觀體系從納米材料的定義、納米材料的分類，納米材料的特殊性質(zhì)到納米材料相應(yīng)的各種制備方法，比如化學(xué)液相法、化學(xué)氣相沉積、沉淀法、水熱法和噴霧法進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，從而便于學(xué)生了解和掌握與高等物理化學(xué)相關(guān)聯(lián)的學(xué)科發(fā)展的前沿。

3.關(guān)注本校及本學(xué)院教師與課程理論相關(guān)的科研工作，比如有關(guān)石墨烯及相關(guān)復(fù)合材料的制備及性能研究；多孔碳材料的制備及相干吸附性能、電化學(xué)性能的研究；各種聚合物比如聚苯胺和聚吡咯材料的制備及各種性能的研究，將其引入到教學(xué)的內(nèi)容。開設(shè)以下實例在課堂與學(xué)生進(jìn)行分析和討論，并且根據(jù)研究熱點(diǎn)的變化每年進(jìn)行更新：①納米碳酸鈣制備、表面修飾改性和在涂料、PVC建材中的應(yīng)用。②納米TiO2制備、表面修飾改性和光催化劑的應(yīng)用。③導(dǎo)電聚合物的微觀結(jié)構(gòu)對性能的影響。④納米氧化鎳、氧化鎳雙金屬氧化物、氧化鎳/導(dǎo)電聚合物的制備和性能研究。⑤凹凸棒表面重金屬離子印跡聚苯胺的制備及吸附特性研究。⑥聚吡咯/凹凸棒復(fù)合材料的制備及吸附特性的研究。⑦碳材料在超級電容器和鋰離子電池材料中的應(yīng)用研究。

通過以上實例分析使學(xué)生更好地體會如何利用理論知識對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，而不再簡單地認(rèn)為理論與實踐是脫節(jié)的。

二、高等物理化學(xué)講義及教學(xué)輔助資料的建設(shè)

根據(jù)教學(xué)效果的分析增減教學(xué)內(nèi)容的同時，加快講義建設(shè)的步伐。在開設(shè)這門課之初，無法選擇合適的教材，僅僅通過教師查閱的資料及選用其他教材中相應(yīng)的章節(jié)作為講授內(nèi)容，學(xué)生采用緊跟教師，做好課堂筆記的方式參與教學(xué)。無論教師的備課還是學(xué)生學(xué)習(xí)都倍感吃力。但是，經(jīng)過幾年課堂教學(xué)實踐，根據(jù)教學(xué)理論在實際研究中的應(yīng)用情況，高等物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊成功編寫了適合本校實際情況的講義。除了規(guī)范課堂講授內(nèi)容以外，加入經(jīng)典實例的分析，并根據(jù)每年科學(xué)研究報道的變化進(jìn)行更新替換。同時，對各章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)并給出相應(yīng)的練習(xí)題，幫助學(xué)生加深理解理論計算。另外，不可缺少的是教學(xué)課件的制作。多媒體課件包含信息量大，易于展現(xiàn)抽象的圖形，并且便于學(xué)生的自學(xué)和復(fù)習(xí)。同時通過本校研究生重點(diǎn)學(xué)位課程網(wǎng)站，建設(shè)了高等物理化學(xué)課程網(wǎng)頁，所有的教學(xué)資料上傳，實現(xiàn)課上講述和討論，課后自學(xué)和復(fù)習(xí)的交叉學(xué)習(xí)方式。

三、高等物理化學(xué)教學(xué)方法的改革

實際上這是教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容。因為老師教授的對象是碩士研究生，本科教學(xué)的“滿堂灌”已經(jīng)不能繼續(xù)使用，研究生需要有獨(dú)立的思考和自己的見解。所以筆者在教學(xué)上采用教師講授基本理論，讓學(xué)生結(jié)合自己的研究方向，查閱相應(yīng)的文獻(xiàn)和書籍，講述與高等物化熱力學(xué)或動力學(xué)內(nèi)容相關(guān)的分析方法及計算。通過這樣的方法能夠提高學(xué)生有方向性的檢索、閱讀和講述文獻(xiàn)的能力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，考試的成績不再單純局限在卷面測試，學(xué)生的講述及PPT的制作占據(jù)一定的比例，這樣能夠更加客觀地評價學(xué)生的能力。事實證明，這樣的方法是行之有效的。學(xué)生通過調(diào)研文獻(xiàn)，加深了對課堂所學(xué)知識的理解，通過描述別人工作中對理論知識的應(yīng)用，既訓(xùn)練了口頭表達(dá)能力又提高了整理資料的能力。采用這樣的教學(xué)方式，在教授知識的同時，加強(qiáng)了碩士研究生閱讀和總結(jié)的能力。力求使學(xué)生在本科物理化學(xué)的基礎(chǔ)上加深各部分理論知識對實際過程應(yīng)用的理解，將書本知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，從而發(fā)揮指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)研究工作的用途。

新時代，隨著研究生培養(yǎng)目標(biāo)的更新，對《高等物理化學(xué)》課程的教學(xué)提出了新的要求。這就要求教學(xué)者需要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式進(jìn)行深度的思考和變革，建立規(guī)范化的教材、講義及考核方式。切實地將研究生培養(yǎng)目標(biāo)落實到教學(xué)大綱，體現(xiàn)到教學(xué)課堂上。

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