物理化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的一些嘗試和體會

楊 琨 許 軍 仝曉強(qiáng) 李 釅

（中國民航大學(xué)理學(xué)院 天津 300300）

物理化學(xué)形成于19 世紀(jì)中后期，從物質(zhì)變化的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化的聯(lián)系入手來探求化學(xué)變化規(guī)律的一門科學(xué)。物理化學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它的理論體系完全建立在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上，有著非常嚴(yán)謹(jǐn)完整的知識體系。同時隨著科學(xué)研究成果的積累，在二十世紀(jì)六十年代之后，物理化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究突飛猛進(jìn)，在石油化工、新材料科技、生物醫(yī)藥、航空航天領(lǐng)域形成了眾多的新型研究課題。然而目前我們的物理化學(xué)理論教學(xué)仍然較多的遵循自上世紀(jì)五六十年代以來形成的基本理論體系，過于偏重基礎(chǔ)理論，在與當(dāng)前科研領(lǐng)域最前沿的研究成果接軌方面銜接不夠，同時在物理化學(xué)新的理論突破方面引入不夠，在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系上不夠緊密，未能凸現(xiàn)物理化學(xué)作為一門自然科學(xué)的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新并舉的特色。更為重要的是以往教學(xué)過于注重結(jié)論的學(xué)習(xí)與機(jī)械的演繹，這種教學(xué)模式勢必忽視了科學(xué)研究過程在理論發(fā)展完善中重要作用，我們把物理化學(xué)與實(shí)驗(yàn)聯(lián)合進(jìn)行教學(xué)改革，正是希望突破以往結(jié)論性學(xué)習(xí)的模式，突顯科學(xué)研究過程的重要性，培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)事實(shí)、嚴(yán)密完整的科學(xué)思維能力，這樣必然對培養(yǎng)創(chuàng)新性思維這樣一個宏觀教學(xué)目標(biāo)提出一個很好的培養(yǎng)模式。

同時為了更好地配合我校四年一次的教學(xué)計劃的實(shí)施，改革舊的教學(xué)模式已成為必然趨勢，希望通過教學(xué)內(nèi)容的研究選取、教學(xué)方式的改進(jìn)，提高學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)動手能力，真正在物理化學(xué)教學(xué)過程中，逐步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、自主學(xué)習(xí)能力，以及創(chuàng)新型思維方式的培養(yǎng)。

1 幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物理化學(xué)的理論框架，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法

物理化學(xué)作為化學(xué)的基礎(chǔ)分支，有著自身完整的體系框架，依據(jù)我校關(guān)于材料專業(yè)的培養(yǎng)計劃，物理化學(xué)課程教學(xué)的核心內(nèi)容主要由熱化學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能三個方面知識體系構(gòu)成。這三條主線貫穿整個物理化學(xué)的教學(xué)過程，必須教給學(xué)生一個完整的知識框架體系。而這三條主線所涉及的內(nèi)容又與物理化學(xué)的先期基礎(chǔ)課程和后續(xù)的專業(yè)課程知識存在相互的交叉。因此必須理清頭緒，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)，突出物理化學(xué)的完整體系。對于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)一門學(xué)科，最重要的是掌握它的知識框架，而具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)時的設(shè)置來選取其中的精華進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)。而對知識框架的熟悉，熟悉了典型的內(nèi)容，學(xué)生就可以通過課下自學(xué)逐漸掌握廣博而貫通的知識。這一點(diǎn)也正是我們學(xué)生所需要掌握的學(xué)習(xí)方法。而在每個知識單元的學(xué)習(xí)中同樣也遵循這樣的教學(xué)指導(dǎo)思想，即掌握框架體系，突出經(jīng)典內(nèi)容教學(xué)。以相平衡為例，專業(yè)的后續(xù)課程中材料科學(xué)基礎(chǔ)課程中也會學(xué)習(xí)相平衡知識，物理化學(xué)中相平衡的學(xué)習(xí)更側(cè)重基礎(chǔ)，因此我們在教學(xué)過程中更多側(cè)重相平衡的基礎(chǔ)框架教學(xué)，如典型相圖分析，特別是兩組分體系相圖的分析中，各種典型類型相圖的特征總結(jié)，歸納出七種典型相圖，并通過典型相圖的組合與演變推導(dǎo)出復(fù)雜相圖。舉例如圖1。

圖1

這樣使學(xué)生能夠非常快而且準(zhǔn)確的把握基本相圖類型，在此基礎(chǔ)上學(xué)生可以根據(jù)個人能力和興趣，在課下做更深更廣泛的學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步對復(fù)雜相圖準(zhǔn)確分析。

2 以物理化學(xué)的理論框架為基礎(chǔ)結(jié)合專業(yè)特色合理篩選教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課堂教學(xué)效果

根據(jù)我校材料專業(yè)培養(yǎng)計劃，從前期和后續(xù)的專業(yè)課程設(shè)置來看，物理化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、高分子化學(xué)、高分子物理、材料腐蝕學(xué)等課程有很多的相關(guān)內(nèi)容相互重疊，例如腐蝕中的電化學(xué)原理，高分子物理與化學(xué)中的反應(yīng)機(jī)理部分等，材料科學(xué)基礎(chǔ)中關(guān)于相平衡、膠體化學(xué)、界面現(xiàn)象等內(nèi)容，均與物理化學(xué)的授課內(nèi)容相關(guān)，既有重疊又有延伸，材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料專業(yè)學(xué)生非常重要的基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容需要大量的物理化學(xué)基礎(chǔ)知識支撐，主要體現(xiàn)在物理化學(xué)中膠體化學(xué)、界面與表面化學(xué)、相平衡等內(nèi)容。尤其是我校學(xué)生特有的航材生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，在工廠中，學(xué)生們會接觸大量生產(chǎn)實(shí)際操作和原理的學(xué)習(xí)，例如金屬材料的熱處理和表面處理，復(fù)合航材的加工都涉及到物理化學(xué)中的界面化學(xué)、電化學(xué)、動力學(xué)等部分的知識，通過結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，使學(xué)生對物理化學(xué)的基礎(chǔ)知識有了更為具體的認(rèn)知。

同時對于傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容，不應(yīng)因?yàn)槠渲匾兔つ空加脭U(kuò)充教學(xué)內(nèi)容，因此在教學(xué)內(nèi)容的選取過程中，通過與相關(guān)專業(yè)課程教師交換意見，統(tǒng)籌安排，做到對學(xué)生負(fù)責(zé)。例如熱力學(xué)三定律，已經(jīng)在大學(xué)物理中多有論述，而且由于其抽象的課程內(nèi)容，學(xué)生對這一部分的學(xué)習(xí)感覺非常枯燥抽象，而熱力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)的基本應(yīng)用在前期課程大學(xué)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)中又多有提及，因此在化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)中必須突破以往理論論證為主的單純的課堂教學(xué)方式，這部分內(nèi)容的教學(xué)首先要充分調(diào)動學(xué)生積極性，以學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，首先對這部分內(nèi)容結(jié)合多媒體并以一系列問題為先導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生回憶并綜述以往學(xué)習(xí)的記憶，然后展開基本理論即熱力學(xué)三定律的學(xué)習(xí)，并總結(jié)熱力學(xué)基礎(chǔ)理論在探討物質(zhì)變化過程的應(yīng)用意義及其局限。尤其是在探討過程方向性判據(jù)的教學(xué)過程中，以當(dāng)時科學(xué)研究實(shí)際過程為線索，結(jié)合多媒體教學(xué)手段重現(xiàn)當(dāng)時科學(xué)前輩的實(shí)驗(yàn)過程，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析入手，循序漸進(jìn)，使課本中抽象的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為課堂上形象生動的分析現(xiàn)象逐步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)而上升為理論的這樣一個過程。

3 物理化學(xué)課程教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)文化修養(yǎng)，提升教學(xué)境界

縱觀自己的教學(xué)實(shí)踐以及以往聽課的一些體會，充分感覺到理科教學(xué)中過于注重知識的傳授而忽視了學(xué)生科學(xué)思想方法的培養(yǎng)。這種教學(xué)模式勢必忽視了科學(xué)研究過程在理論發(fā)展完善中重要作用，因此我們希望突破以往結(jié)論性學(xué)習(xí)的模式，而是突顯科學(xué)研究過程的重要性，培養(yǎng)學(xué)生尊重科學(xué)事實(shí)、嚴(yán)密完整的科學(xué)思維能力，這樣必然對培養(yǎng)創(chuàng)新性思維這樣一個宏觀教學(xué)目標(biāo)提出一個很好的培養(yǎng)模式。同時科學(xué)本身并不是枯燥的知識，也是一種科學(xué)文化現(xiàn)象，而多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)更是感覺我們的學(xué)生缺少科學(xué)文化理念。因此我在教學(xué)中非常注重如何通過對前人科學(xué)研究工作的介紹，使專業(yè)理論課的學(xué)習(xí)不僅僅是知識的學(xué)習(xí)，還要有科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，以及對科學(xué)家的景仰。

以化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)中，關(guān)于反應(yīng)速率的與溫度的關(guān)系為例，最為經(jīng)典的是阿倫尼烏斯的研究成果，對于阿倫尼烏斯公式，所有化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生都知道，但這一結(jié)論是如何確定的，卻知之者甚少。而事實(shí)上阿倫尼烏斯當(dāng)年的研究方法，目前仍是化學(xué)動力學(xué)科研工作的一種基本方法，因此在教學(xué)中有必要對這一科學(xué)歷史過程進(jìn)行再現(xiàn)和討論，溫度對反應(yīng)速率的影響是通過影響反應(yīng)速率常數(shù)來改變反應(yīng)速率，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立溫度對反應(yīng)速率影響的歸一化方程，從而最終確定阿倫尼烏斯方程。而阿倫尼烏斯方程的數(shù)學(xué)形式和前面所學(xué)的范霍夫等壓方程、克拉佩龍方程等非常相似，這是由于他們采取相類似的數(shù)據(jù)處理方法，而這些科學(xué)家?guī)缀跏峭瑫r代的，他們的工作互有交集，通過這樣對科學(xué)發(fā)展的歷史的再現(xiàn)，在教學(xué)過程中讓學(xué)生了解科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)而掌握科學(xué)的方法。同時也提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，了解了物理化學(xué)的發(fā)展歷史。

在這些年的物理化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，值得總結(jié)沉淀的東西很多，也有很多需要進(jìn)一步提升的。以上僅是我們一些工作經(jīng)驗(yàn)的幾點(diǎn)總結(jié)，歡迎同行們批評指正。