引入前沿成果提高物理化學(xué)課教學(xué)質(zhì)量

慈成剛 何丹鳳

物理化學(xué)課程作為一門化工專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，既承擔(dān)著將無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)等課程的知識上升到更高理論層次的責(zé)任，也扮演著承擔(dān)化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程等課程的理論基礎(chǔ)的角色[1]。另一方面，物理化學(xué)作為一門研究化學(xué)體系中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和變化基本規(guī)律的學(xué)科，從20世紀(jì)以來，通過量子力學(xué)和現(xiàn)代物理方法，在化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和電化學(xué)等領(lǐng)域取得了大量令人興奮的科研成果，加上物理化學(xué)和其他學(xué)科的交叉和滲透，驅(qū)動了很多新穎的，如生命、材料、能源和環(huán)境等前沿研究領(lǐng)域[2-4]。本文將以大慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化工專業(yè)本科生教學(xué)為例，從物理化學(xué)前沿成果的獲取、前沿成果的引入在提高教師課堂教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)效率等方面的作用，就引入物理化學(xué)前沿成果對課程教學(xué)質(zhì)量的提高進(jìn)行初步的探討。

一獲取前沿成果的方式

1教學(xué)科研相結(jié)合

隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，學(xué)科之間的不斷融合與交叉，物理化學(xué)的研究成果也早已實現(xiàn)了在電子-原子-分子水平上去探索物質(zhì)的性能和演化規(guī)律[3]。前沿的最新成果日新月異，全面把握前沿成果似乎不太可能，但是初步的了解還是能夠做到的，最好的途徑就是教師自身的科學(xué)研究。缺少科研的教學(xué)沒有底蘊(yùn)，缺少教學(xué)的科研不夠全面。只有將教學(xué)和科研緊密結(jié)合，既傳遞知識，又探索、創(chuàng)新知識，教學(xué)相長，才能促進(jìn)教學(xué)的良性循環(huán)和科研的高效發(fā)展。在科研中，無論教師還是學(xué)生都在不斷地總結(jié)前人的成果，發(fā)現(xiàn)未解決的問題，尋找新的方法，提出新的觀點(diǎn)，取得新的成果。這些過程無時無刻不與科研最新的動態(tài)緊緊相連。因此，教研相結(jié)合不僅是獲取前沿成果的最佳途徑，更是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段。

2其他途徑

物理化學(xué)是隸屬于化學(xué)的二級學(xué)科，個人研究方向更是物理化學(xué)中的“三級學(xué)科”。因此，僅通過個人科研工作還很難全面把握物理化學(xué)的前沿成果。想要獲取這些成果，就需要通過一定的途徑。國家自然科學(xué)基金委員會定期的學(xué)科前沿總結(jié)以及獲批項目的研究方向為物理化學(xué)的前沿成果提供了一個很好的導(dǎo)向；再者，物理化學(xué)雜志超過120種，其中以美國、中國、英國、德國、荷蘭等國為主的化學(xué)會承辦的各種主流學(xué)術(shù)雜志如：Journal of Physical Chemistry A/B/C（簡稱JPC）， Journal of Chemical Physics（簡稱JCP）等發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)成果。根據(jù)ESI（Essential Science Indicators）對1999年1月1日至2009年6月30日期間所有雜志發(fā)表論文和引用數(shù)目的統(tǒng)計結(jié)果顯示，JPC系列雜志發(fā)表論文44724篇，被引用586924次（在世界所有雜志中排名第10，化學(xué)類排名第2），JCP雜志發(fā)表文章25071篇，被引用376662次（在世界所有雜志中排名第20）[4]。可見這些學(xué)術(shù)雜志和期刊上刊載的成果很好地反映了物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展的程度和深度。此外，國內(nèi)外定期舉辦的化學(xué)會議為物理化學(xué)近期取得的成果和未來展望提供了很好的總結(jié)；當(dāng)然，國內(nèi)外重要的物理化學(xué)實驗室、課題組的成果也為了解物理化學(xué)的前沿成果提供了很好的啟發(fā)。

二結(jié)合前沿成果提高課堂教學(xué)質(zhì)量

1合理引入前沿成果

物理化學(xué)作為一門基礎(chǔ)課程，其教學(xué)內(nèi)容大體分為：化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、量子化學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)。大多數(shù)教師頭腦中都存在一種“基礎(chǔ)課程的內(nèi)容是經(jīng)典的知識，不存在更新的理由”的思維定勢。因此，教師應(yīng)當(dāng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，獲取相關(guān)的前沿成果，簡單而且清晰地介紹成果的基本原理和基礎(chǔ)知識之間的聯(lián)系。以量子化學(xué)為例，自1900年，從普朗克提出輻射量子假說開始，通過愛因斯坦、狄拉克、海森堡等人被建設(shè)成了一門物理化學(xué)的重要的分支學(xué)科。課程內(nèi)容的講述也基本局限于這些經(jīng)典內(nèi)容。實際上，量子化學(xué)作為強(qiáng)大的理論工具，能夠很好地幫助人們認(rèn)識微觀世界。1998年的諾貝爾化學(xué)獎授予兩位卓越的量子化學(xué)家：美國加利福尼亞大學(xué)的沃爾特·科恩（Walter. Kohn）和美國西北大學(xué)的約翰·波普爾（John A. Pople），以獎勵他們在密度泛函理論和量子化學(xué)計算方法方面的貢獻(xiàn)。這是對量子化學(xué)在科學(xué)界地位的充分肯定。然而，在教科書中，對于這些前沿成果的介紹和應(yīng)用卻是難得一見，顯然是不合適的。在此，教師可以用簡單的氫氣分子或甲醛等簡單分子為例，介紹求解薛定諤方程的原理，進(jìn)而得出微觀結(jié)構(gòu)中的能量、結(jié)構(gòu)參數(shù)等簡單信息。這樣既使學(xué)生對所學(xué)知識的用途有所了解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又不會使學(xué)生陷于繁瑣的公式推導(dǎo)。

2經(jīng)典內(nèi)容和前沿成果相輔相成

物理化學(xué)家Atkins早在1987年就指出，“傳統(tǒng)的物理化學(xué)已經(jīng)處于革命的前夜，因為化學(xué)家終于可以關(guān)注真實而且高度復(fù)雜的體系了，新課程必須反映這個巨大的變化，計算機(jī)正在開始改變我們的思維以及教學(xué)的方式”[5-6]。經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容相比于前沿的成果似乎略顯陳舊，而且在受到考研、課時量減少、和無機(jī)化學(xué)、大學(xué)物理等課程存在重復(fù)內(nèi)容等因素的影響下，各類高校都在精簡物理化學(xué)經(jīng)典內(nèi)容的比重，這是一種很好的現(xiàn)象。但在精簡過程中，教師應(yīng)該注意到，經(jīng)典內(nèi)容是物理化學(xué)學(xué)科的根基，也是前沿進(jìn)展的基石。在講述這些經(jīng)典內(nèi)容時，一定要把握住經(jīng)典內(nèi)容的核心所在，讓學(xué)生能夠抓住主線，不要僅關(guān)注前沿，而忽略基礎(chǔ)。以熱力學(xué)三大定律為例，其核心所在就是如何使用這三大定律去判斷化學(xué)反應(yīng)的方向、限度以及能量轉(zhuǎn)換的問題。這部分內(nèi)容在無機(jī)化學(xué)中已經(jīng)有過簡略的介紹，因此，教師完全可以讓學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，在課堂講解的同時，引入前沿成果。例如，引入線性和非線性非平衡態(tài)的熱力學(xué)，對比平衡態(tài)的熱力學(xué)，在開放體系中判斷系統(tǒng)變化的方向和限度，區(qū)分平衡態(tài)和耗散結(jié)構(gòu)。但要注意，應(yīng)僅限于原理和概念的簡單介紹，這樣既鞏固了平衡態(tài)熱力學(xué)，又開拓了學(xué)生的眼界，而且不會陷于前人的爭論以及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

3引入前沿成果要配合教育理念的更新

在教學(xué)中，前沿高新技術(shù)信息的融入，既可以使教師在物理化學(xué)的教學(xué)時，感到時代感與吸引力，同時還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使其具有更加明確的學(xué)習(xí)目的性[7]。然而，機(jī)械地介紹前沿成果，往往會占用大量課時，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使教學(xué)內(nèi)容主次不清，知識混亂。因此，引入先進(jìn)前沿的成果，更需要先引進(jìn)先進(jìn)的教育理念。美國教育家杜威指出：教育并不是一種“告訴”和“被告訴”的事情，而是一個主動和建設(shè)的過程[8]。我們應(yīng)當(dāng)以學(xué)生為中心，以學(xué)生為主體，尊重學(xué)生提出的問題，解答學(xué)生的疑惑。首先，改變填鴨式的教學(xué)模式，跳出教師的主觀誤區(qū)，即，教師總是認(rèn)為課時太少，怕學(xué)生學(xué)得不夠多，理解得不夠深，考試的成績不夠理想等等。這樣做的結(jié)果很有可能使學(xué)生的學(xué)習(xí)從主動變成被動。因此，教師應(yīng)當(dāng)教會學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生能動地自主學(xué)習(xí)，主動提出問題，提出知識的前沿應(yīng)用。其次，提高教師指導(dǎo)作用。教師應(yīng)當(dāng)在有限的課時內(nèi)，合理安排教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)引入前沿成果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)靈感，引導(dǎo)學(xué)生探索課程內(nèi)容，提出個人見解。再者，因材施教。注意優(yōu)秀學(xué)生以及多數(shù)學(xué)生的鮮明個性，尊重他們的獨(dú)特見解，因勢利導(dǎo)，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣，發(fā)揮學(xué)生的優(yōu)勢，從而加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。

三課堂外延，提高學(xué)生應(yīng)用能力

受限于課堂教學(xué)的時間，經(jīng)典基礎(chǔ)知識和前沿成果之間本末關(guān)系的影響，在課堂上不可能大篇幅地講述科研的成果，課外教學(xué)討論就成為了一個擴(kuò)充課堂內(nèi)容、提高學(xué)生能力的有效途徑。以大慶師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院2010級的學(xué)生為例，我們將每一章的最后一次課設(shè)置成習(xí)題討論課。在此之前，教師會將本章的重、難點(diǎn)內(nèi)容以及相關(guān)的前沿?zé)狳c(diǎn)預(yù)先布置，引導(dǎo)學(xué)生分組去查找相關(guān)資料和文獻(xiàn)，進(jìn)行小組討論，形成自己的觀點(diǎn)，最后帶到課堂上進(jìn)行成果展示，小組之間進(jìn)行討論，并將學(xué)生的成果納入最終的成績考核，滿足學(xué)生的成就感。以相律為例，相律的知識不僅是物理化學(xué)的重要知識，更是化工原理的重要基礎(chǔ)。根據(jù)學(xué)生人數(shù)，我們將學(xué)生4-5名分為一個小組。教師事先將石油精煉的內(nèi)容以及科研成果的查找方法告知學(xué)生，經(jīng)1-2周的準(zhǔn)備，讓學(xué)生形成簡單報告，進(jìn)而在課堂上，每個小組就自身感興趣的問題進(jìn)行介紹，進(jìn)而小組間談?wù)摗４偈箤W(xué)生反復(fù)思考，互相啟發(fā)，進(jìn)而對課堂上基礎(chǔ)知識進(jìn)行反饋，再接受，同時對知識應(yīng)用和前沿成果簡單了解，最終深刻地掌握課程內(nèi)容的實質(zhì)，激發(fā)了學(xué)生探索未知世界的興趣。

物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展日新月異，前沿成果層出不窮。物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容相比之下略顯陳舊。為了適應(yīng)社會對于人才的要求，改革物理化學(xué)的教學(xué)模式，已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。前沿成果的引入對于提高物理化學(xué)的教學(xué)效果，加深學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率等都是一個行之有效的途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]彭昌軍，史濟(jì)斌，胡軍，劉洪來，黑恩成.從充分發(fā)揮專業(yè)基礎(chǔ)課程作用的視角論物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容[J].化工高等教育， 2012（1）： 12-14.

[2]教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會通訊[J]. 2010（8）.

[3]高飛雪，楊俊林.把握物理化學(xué)研究前沿完善科學(xué)基金重點(diǎn)項目領(lǐng)域立項與管理工作[J].物理化學(xué)學(xué)報， 2009（25）： 806 - 816.

[4]楊俊林，高飛雪，田中群.物理化學(xué)學(xué)科前沿與展望[M]，北京：科學(xué)出版社， 2011.

[5]Atkins P W，趙慕愚.物理化學(xué)課程的新趨勢[J].大學(xué)化學(xué)，1988（3）：61 - 62.

[6]朱志昂.物理化學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革大學(xué)化學(xué)[J].2012（5）： 9 - 13.

[7]欒敏杰，浦麗莉，劉麗麗.提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)課的興趣[J].教書育人（高教論壇），2012（10）：98 - 99.

[8]約翰，杜威.民主主義與教育[M].王承緒，譯.北京：人民教育出版社， 2001.