現代物理化學課程教學改革與實踐

朱必學 朱純 袁強

摘? 要：現代物理化學是化學及其相關學科研究生的重要基礎課。作者結合多年來的教學實踐經驗和本學科特點組織現代物理化學課程的教學內容，以本科物理化學課程中重要理論為切入點，進一步深化統計力學、量子理論及催化化學3個分支學科領域的專業理論;立足相關學科發展前沿，拓展理論知識應用口徑。為實現新時代人才培養和落實立德樹人根本任務，將思政因素有機融入專業教學過程中，不斷體現現代物理化學課程教學內容與時俱進的特點。

關鍵詞：現代物理化學;研究生課程;專業理論;思政教育;與時俱進

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）08-0125-04

Abstract： Modern Physical Chemistry is an important basic curriculum for postgraduates in chemistry and related disciplines. The authors of the paper have taught Modern Physical Chemistry more than ten years. Based on our experience， focusing on important knowledge points in the undergraduate physical chemistry course， the content of Modern Physical Chemistry contains statistical thermodynamics and quantum theoretical chemistry， as well as catalytic chemistry. The teaching knowledge is deepen and expanded， based on theoretical and applied frontier study. The ideological and political factors are organically integrated into the professional teaching processes to fulfill the fundamental task of fostering virtue of postgraduates in the new era. The teaching content of this curriculum keeping pace with the times is constantly reflected.

Keywords： Modern Physical Chemistry; curriculum for postgraduate; professional theory; ideological and political education; keeping pace with the times

高等物理化學是化學、化工專業的核心學位課程，同時也是材料科學及生命科學等其他相關學科重要的理論基礎課。高等物理化學教學是本科階段物理化學知識的拓展與深化，大學本科階段物理化學及結構化學課程主要解決三個方面的基本問題[1]：即變化的“方向”與“限度”（熱力學范疇）、“速度”與“機理”（動力學范疇）、“結構”與“性能”（物質結構）之間的關系。通過本科階段物理化學的學習，使學生掌握物理化學基礎理論，具備用物理方法解決化學問題的基本知識能力。研究生階段高等物理化學課程學習旨在進一步有針對性地加深對物理化學基本知識的深入理解，提升學生自覺應用相關知識原理解決實踐實際問題的創新思維能力。迄今，公開出版的《高等物理化學》教材僅兩部，其一是由劉長壽教授主編，在2005年出版的《高等物理化學》，該教材在對本科物理化學內容進行回顧基礎上，包含了統計力學、非平衡態熱力學和多相催化反應動力學的相關知識;其二是由司云森教授主編，在2015年出版的《高等物理化學》，包含統計熱力學和非平衡態熱力學、非線性化學、電荷傳質動力學和多相催化反應動力學的相關知識。雖有這兩部教材能為研究生高等物理化學教學提供重要參考，但事實上各高校化學類及其相關專業研究生在該課程教學過程中，基本上沒有固定的教材或公認的教學參考書，不同學科領域所講述的高等物理化學課程內容也各有側重，教學內容、方法及形式也各有特色[2-3]。作者所在的貴州大學化學類專業開設高等物理化學相關的課程教學實踐已有近20年的經歷，在該課程多個輪次的教學實踐基礎上，基于物理化學是現代化學的核心理論基礎，特別是物理化學理論知識對化學及其相關學科發展貢獻作用與影響越來越大，涉及研究范疇迅速拓展，尤其隨著現代科技快速發展，不同學科對物理化學理論及技術應用更新的速度特別快，為了能在教學過程中體現本課程理論教學及應用研究與時俱進的特點，通過任課教師團隊的多次探討和反復考量后，從2016年起對該課程在教學內容及教學方法等方面進行較大調整，課程內容緊扣學科發展前沿，并將高等物理化學課程更名為“現代物理化學”，通過近6年的教學實踐，獲得較理想的預期教學效果。

一? 構建“三位一體”的課程教學框架

在教學內容組織上，以本科物理化學基礎知識為依托，以加深對重要知識點的理解為導向，以前沿研究進展為引領，以培養提升理論創新應用能力為目標，注重融入課程思政元素，確保專業知識傳授與思政育人同向同行，不斷落實立德樹人的根本任務。在專業理論教學內容選裁方面體現“重提升”“重創新引領”的教學特點，以本科物理化學課程中化學熱力學、化學動力學和表面化學基礎理論為依托，抓住知識拓展的切入點，立足橫縱兩個維度組織教學內容，從縱向上注重加深對理論知識的理解，從橫向上著重拓展理論知識的應用口徑，特別是結合物理化學基本知識及研究方法在交叉學科中應用的最新進展及最新成就加以深入講述與領會，進一步激發研究生的創新意識及創新能力。

我們依據圖1的基本思路構建現代物理化學課程（以下簡稱“本課程”）教學體系。首先，基于熱力學研究的基本任務是解決變化的方向和限度問題，通過“熵”（dS），功函（dA）及自由能（dG）3個基本判據的理解與應用得以實現。在3個熱力學判據中，“熵”（dS）是源生判據，功函（dA）和自由能（dG）是衍生判據，對“熵”（dS）內涵的理解至關重要，但因為多數高校在本科教學過程中對統計熱力學部分的知識講述缺失，統計熱力學理論幾乎沒有講述，即便有介紹也只是蜻蜓點水，普遍學生僅知道S∝lnΩ表達式，對熵的理解基本上停留在“熵是體系微觀粒子運動混亂度的量度”這個膚淺的感知，對微觀粒子運動的“混亂度”具體含義及其與宏觀熱力學函數之間的內在聯系缺乏深入的理解，無疑在研究生階段現代物理化學課程教學過程中對統計熱力學知識的補充學習是必要的，這是將統計熱力學知識納入本課程教學內容的直接依據。其次，在本科化學動力學基礎理論部分，主要介紹兩個反應速度理論，其一是“簡單碰撞理論”，該理論將反應物分子看成沒有結構特征的剛球，顯然是很粗糙的反應理論模型，導致該理論對反應速率計算的準確度存在局限;其二是“過渡態理論”，該理論認為反應物向生成物轉化過程中，反應物分子碰撞先形成中間過渡態結構（活化絡合物），反應速率由中間活化絡合物分解成產物的速率決定，該理論最大的合理性就在于將反應速率與反應物分子結構特征相關聯，相比于簡單碰撞理論更加合理，但在反應速率計算過程中需要熱力學和量子力學基礎知識作為支撐，因多數學生在本科階段統計熱力學和結構化學知識缺失，或許有些量子力學知識，但至多是入門，因此導致在過渡態理論或活化絡合物理論講述過程中，學生無法進行更深入的理解，而這部分知識在物理化學及其交叉學科研究中應用雜蒽方面發揮著越來越重要作用，顯然在現代物理化學課程中對量子力學知識進行更深入系統的學習尤為重要。同時，在本科物理化學教材中表面化學部分，對固體表面吸附及氣固相表面催化進行濃墨重彩的講述，學生雖然獲得了較為充分的知識儲備，但本科教材中主要講述知識原理，很少涉及知識具體的應用技術與方法。特別是現代催化化學領域的快速發展，教材內容更新頻率難以跟進發展中的催化科學前沿。本課程教學過程中，結合當前催化化學發展前沿及研究熱點進行介紹，對激發學生學習及應用知識的積極性和創造性具有重要的促進作用。綜合來看，本課程通過將三個教學模塊（統計力學、量子化學與催化化學）的教學內容進行有機整合，達成了高等物理化學課程“三位一體”的內容布局，從總體上體現本課程具有基礎性、寬廣性、系統性、先進性和前沿性的教學特點，同時也展現物理化學從宏觀到微觀，從體相到表相，從理論研究到應用研究的發展趨勢。

二? 主要專業知識教學內容

本課程三個教學模塊內容注重各分支知識的系統性和完整性。在“統計熱力學”部分主要介紹熱力學統計基本理論，在講述Stirling公式和Lagrange未定乘子法則（統計力學統計的兩大法寶）基礎上，掌握麥克斯韋-玻爾茲曼分布統計法及原理，推演獲得體系熵（S）與微觀狀態數（Ω）之間的關系，深入理解S∝lnΩ的內涵。基于量子力學原理，通過氣體Bose統計和fermi統計簡述，理解Boltzmann統計經典極限屬性。通過配分函數的定義及其析因子性質，推演獲取系列熱力學函數計算方法。從單一粒子沿一維方向運動的相軌道描述向大量粒子系集中粒子運動在概念空間中相軌道過渡與理解，基于相空間體積元（相胞）理解獲得大量微觀粒子系集在概念空間中微觀運動狀態數的經典統計思想，進一步學習理解并掌握微正則系綜、正則系綜及巨正則系綜的統計方法和相關體系熱力學函數計算。在此基礎上，進一步通過溶液、相平衡體系中統計熱力學應用典例講述，提高學生對統計熱力學原理在不同實際體系中的理解及應用能力，加深宏觀熱力學狀態函數與微觀粒子運動狀態之間的內在關系的理解。量子化學部分，主要系統介紹Schr?dinger方程、箱中的粒子、算符與量子力學、角動量量子力學基本假設、變分法原理等，基于部分學生在本科階段對量子化學知識存在較大知識缺口，量子力學基礎甚至為零基礎，因此在這部分知識講述之前，需要補充量子力學基礎知識和研究物質結構的實驗方法等。通過這部分知識的學習，主要是在學生對原子分子結構和性質、化學鍵理論、晶體化學等基礎知識學習基礎上，立足物質分子原子結構及分子內部電子運動的某些規律，以便深入理解物質結構與性能之間的構效關系。“催化化學”部分主要講述固體表面化學與催化化學之間的關系，如表面結構表征、固體表面吸附及本質、吸附質在表面的運動及溢流效應等，并結合當前研究前沿，介紹金屬碳化物和氮化物結構及催化性能、合成方法及應用實例。同時，結合當前本學科團隊在分子無機材料可控合成、電催化活性，有機分子設計及微納材料組裝調控，以及構效關系等特色研究進行介紹，激發學生對分子設計與組裝，及其在催化、材料等相關學科交叉研究方面的創新意識。

三? 課程思政內容及特色

針對以往研究生課程教學過程中，只注重專業知識傳授，忽視對研究生立德樹人方面的教育，為體現新時代背景下課程思政教學特色，2020年5月，教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出[4]，課程思政以全面提高人才培養能力為核心，以專業課程為基本載體，結合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，將其有機融入教學過程的各方面及各環節中。為了加強新時代高校人才培養和落實立德樹人根本任務，課程思政建設正在作為一場全方位深層次的教學改革如火如荼地進行。基于現代物理化學是本學科研究生教育的核心課程，講述內容具有多學科知識交叉滲透特點，教師團隊由本學科具有多年專業教學經驗的多位教授專家組成，團隊教師多年來一直從事化學熱力學、量子理論化學和催化化學方面的科學研究，能適時把握各自研究專業領域發展動態、熟悉專業領航大師們在本研究領域的杰出成就、創新意識、國際視野、家國情懷及使命擔當等基本信息，為將本課程建設打造成為思政教育精品課程提供豐富的素材。

在近年來的教學實踐中，教師團隊緊密結合專業教學內容，以我國先輩的專業大師在統計力學、量子理論及催化化學各分支學科領域方面的杰出成就作為“切入點”，以專業大師們的科學創新精神、理想信念、道德情操及愛國情懷作為“動情點”，引領學生樹立正確的價值觀、道德觀，寓價值引導于知識傳授和能力培養中，不斷強化研究生課程教育的內涵式發展。如在統計熱力學教學過程中，在完成“系綜理論”講述后，針對普遍熟知的一類非常重要的熱力學相變現象（例如氣-液轉變），突出“相變轉移現象能否利用統計力學給予合理解釋？”的科學命題，這一科學問題一度在學界處于激烈的爭論之中，而對這一科學難題的嚴格解答最終來自兩位年輕的中國科學家李政道和楊振寧先生在1952年合作的兩篇論文，他們一起提出的關于相變的重要理論，開創了統計力學的新方向，通過對所發表論文要點引述，一方面拓展相變熱力學的專門知識，同時啟發學生對統計熱力學知識在實際體系中應用的創新思考。同時，介紹李政道和楊振寧兩位杰出的華人科學家，對我國科教事業發展所做出巨大貢獻，如在我國改革開放初期積極推動實施中國學生赴美留學計劃，向國家領導人提議在全國范圍內建立博士后制度等，極大地助推了我國基礎研究的崛起，兩位先生所輻射的愛國情懷及人格魅力讓學生心靈受到潛移默化的熏陶。在量子化學講述部分，我國著名科學家、教育家唐敖慶先生就是一個典例，唐先生在1946年同著名物理學家吳大猷、數學家華羅庚和化學家曾昭掄等同赴美國考察原子能科學技術過程中，他被推薦留在美國哥倫比亞大學化學系攻讀博士學位。唐先生長期在量子化學、統計力學和計算化學等三個重要領域做出了開創性的研究，成果斐然，被譽為“中國量子化學之父”，特別在1950年1月唐敖慶先生回國前夕，他謝絕了美國導師的挽留，說：“我的事業在自己的祖國，我的祖國就是中華人民共和國，一個愛國者是不會嫌棄自己祖國貧困的。”這飽含了怎樣深切的一種愛國情懷！同樣，化學家曾昭掄、物理學家吳大猷和數學家華羅庚等作為一代自強不息的開拓者，其偉大的愛國精神和奉獻情懷為世人樹立了光輝典范。在催化化學領域，物理化學家蔡啟瑞先生長期從事催化理論、酶催化和非酶催化固氮成氨、碳——化學和結構化學等方面的研究，是中國催化科學研究與配位催化理論的奠基人和開拓者，通過對他提出的“配位催化理論”進行引述，結合當前配位催化前沿研究取得的系列重要成果，突出其學術思想對后人研究創新所發揮的引領作用;蔡啟瑞先生在美國留學、工作近10年，他于1956年選擇在祖國最需要、最艱難的時候回到祖國，1958年作為中國科學代表團團長訪問蘇聯，進行催化方面的參觀訪問，回國后即在廈門大學建立起我國第一個催化研究室，連續培養一批又一批催化專家，深深體現其報效祖國的赤子心;錢逸泰先生在700℃條件下，通過催化還原熱解過程成功制造出納米級金剛石粉末，該成果發表在世界權威的《科學》雜志上，研究成果被國際科學家高度評價為“稻草變黃金”，但鮮有人知的是，就在本文刊出之初，在國際學界就有同行專家質疑，他和他的研究團隊經受住考驗，通過提供詳細反復驗證數據，向世界科學界有力地表明中國科學家偉大的科學創新能力和人格魅力;盧嘉錫先生是著名的化學家，在物理化學、結構化學、核化學和材料科學等多種學科領域取得了重大成績，他的研究成果對中國原子簇化學、晶體材料科學、催化化學等領域的發展起了重要推動作用。

總之，在本課程在教學過程中，類似的典例不少，通過精心挑選學術界知名科學家在相關領域的科學發現，挖掘其科學精神及家國情懷，將思政教育元素自然地穿插到專業傳授過程中。這樣一方面可拓展學生專業知識視野，激發學生探究科學問題的創新潛力，另一方面通過專業大師人格魅力的輻射作用，引領學生樹立使命擔當和民族復興的責任感，保證專業知識提升與思政教育同向同行，形成協同效應。

四? 教學方法與特色

在教學方法上，基于現代物理化學教學是對本科階段物理化學課程中重要知識點的拓展與深化，在本課程教學開啟之前，采用“思維導圖”教學法[5]對本科階段物理化學課程知識進行總結提升基礎上，向學生展示一幅本科物理化學課程內容整體布局的直觀圖景。在此基礎上，依據教學內容，基于本科物理化學基礎理論構建的現代物理化學知識框架，講述兩個不同的學習階段，即本科現代物理化學與研究生階段現代物理化學課程相關知識點之間的銜接和依承關系，著重向學生體現本課程專業內容設計的針對性、遞進性、統一性和前沿性。在思政教育內容選材方面，各團隊教師依據各自講述內容進行自主選材基礎上，通過資源聚焦和討論，統籌規劃，挑選出典型的思政教學講述范例，在不斷提升課程思政建設的意識與能力方面形成共識。

參考文獻：

[1] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，等.“物理化學”第五版[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 陳泳，徐惠，王玉春.高等物理化學教學改革初探[J].教育教學論壇，2019（23）：124-125.

[3] 孫少瑞，李釩，張麗娟，等.高等物理化學教學改革初探[J].高教學刊，2017（19）：63-65.

[4] 教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知（教高〔2020〕3號）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html？eqid=e0137be80018fa36000000066426eb51.

[5] 魏明，王夢婷，吳霏兒，等.思維導圖在物理化學“熵”概念教學中的應用[J].安徽化工，2019，45（5）：120-126.

基金項目：貴州大學研究生課程思政示范課程建設項目“新時代背景下化學類研究生核心課程建設”（KCSZ2022033）

第一作者簡介：朱必學（1965-），男，漢族，貴州六盤水人，博士，教授。研究方向為大環及超分子化學。