高等物理化學教學改革初探
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摘要：本文根據教學改革的經驗，對高等物理化學課程教學內容、教學方法，及教材建設對比了教學改革前后的異同點，提出了新時期高等物理化學研究生教學中的變化趨勢，對構建科學化、規范化的研究生高等物理化學課程體系具有一定的啟發。
關鍵詞：高等物理化學；教學改革；課程體系
中圖分類號：O64 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）23-0124-02
高等物理化學是應化、化工、化學等專業研究生的一門主要學位課。目前在國內，各高校的化學和化工學科各專業都將高等物理化作為碩士研究生學科基礎課而開設，另外與化學有關的相關學科，如環境化學、材料化學、生物化學、藥物化學、生物、食品等相關專業碩士生許多也都將高等物理化學作為必修或選學課程開設。高等物理化學的內容相對于本科物理化學有較大的變化，從理想的平衡態到實際過程的非平衡態，從物質的表相到體相，不但加深拓寬了基礎理論，而且從宏觀的角度逐步過渡到微觀視野，力求在基礎理論與解決實際問題之間起到橋梁作用。通過本課程的學習，使研究生在本科物理化學課程學習的基礎上，進一步系統掌握物理化學的基本原理和研究方法，了解物理化學學科的發展前沿和最新成就，注重與其他學科的交叉，開拓視野，使學生能夠在科學研究中應用相關的物理化學知識進行分析和解決問題，而不再僅僅停留在書本上，這將為他們今后從事物理化學及其相關領域的科學研究和生產實踐打下堅實的基礎。
然而，目前國內給碩士生開設本門課程的學校雖然很多，但由于各校對課程的要求不相同，所以課程講授的內容差異很大。此外，公開出版的《高等物理化學》教材非常少，一是劉長壽教授主編，鄭州大學出版社2005年出版的；另外一個是司云森教授主編，科學出版社2015年出版的。很顯然，如何確定本校的課程內容及教學方式需要一個探索過程。蘭州理工大學自2010年開設《高等物理化學》課程，經過2013—2016年的教學改革，初步摸索出了適合本校研究生實際情況的教學內容及教學方法和手段，以構建本校化學與化工專業研究生培養的高等物理化學課程體系。
一、高等物理化學課程教學內容的改革
本課程的主要目的在于使應化、化工等專業的碩士研究生能進一步系統、深刻地掌握物理化學的基本原理和研究方法，把握物理化學的理論體系和知識結構，能結合學科發展的最新進展和最新成果將物理化學的基本原理和研究方法加以深入領會，并能在實際的科研工作中將有關的原理和方法加以很好的應用。教學之初設定的內容分為四個板塊：化學熱力學、化學動力學、量子力學基礎和學科發展前沿?；瘜W熱力學包括：非平衡態熱力學、單元系相變；動力學過程包括：催化動力學、相變過程動力學，電子轉移動力學。但是在教學過程中，筆者發現學生的本科物理化學知識儲備不夠，在課程的銜接上不夠充分。因此，對教學內容進行了修正，使得課程教學能夠科學地體現其基礎性、寬廣性和系統性，深度和廣度把握得當，并能體現其實踐性、先進性和前沿性，有利于激發研究生的創造性和創新能力的培養。
1.分別增加了化學熱力學概述及拓展，主要包括平衡熱力學、非平衡熱力學對化學反應及相關過程中的能量效應及方向和限度進行加深講述。討論熱力學各種定律：熱力學第一定律說明熱與其他形式的能量在過程中相互轉化的守恒關系——能量轉化與守恒；熱力學第二定律說明熱與其他形式能量間相互轉化時的方向性問題；熱力學第三定律說明規定熵，解決化學平衡的計算問題。同時增加化學動力學概述及拓展，從各種基本動力學方程到復雜動力學方程的推導，比如鏈反應、對峙反應和平行反應。重點講述各種動力學方程推導的方法，比如穩態近似法、平衡假設法。這種回憶、更新和加深本科物理化學的基礎知識的方式，使學生能更好地理解高等物理化學中的相關內容，并且在后續章節的計算中不會再次出現問題。同時增加了統計熱力學內容，在本科學習的基礎上再次深入講解，從而使學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基礎和電子轉移動力學，但同時指出相應的參考書，建議學生進行自學。
2.進一步完善、深化已有的講稿內容，廣泛查閱學習相關資料，將與高等物理化學教學內容密切相關的研究成果及研究方法，整理加入到相關章節進行講授，注重實際科研工作和理論的結合。更新最新研究成果信息，增加比如有關超分子、特殊介質的物理化學、介觀體系、化學仿生學等內容。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到納米材料相應的各種制備方法，比如化學液相法、化學氣相沉積、沉淀法、水熱法和噴霧法進行較為詳細的介紹，從而便于學生了解和掌握與高等物理化學相關聯的學科發展的前沿。
3.關注本校及本學院教師與課程理論相關的科研工作，比如有關石墨烯及相關復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，將其引入到教學的內容。開設以下實例在課堂與學生進行分析和討論，并且根據研究熱點的變化每年進行更新：①納米碳酸鈣制備、表面修飾改性和在涂料、PVC建材中的應用。②納米TiO2制備、表面修飾改性和光催化劑的應用。③導電聚合物的微觀結構對性能的影響。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用研究。
通過以上實例分析使學生更好地體會如何利用理論知識對實驗結果進行分析總結，從而激發學習的興趣，而不再簡單地認為理論與實踐是脫節的。
二、高等物理化學講義及教學輔助資料的建設
根據教學效果的分析增減教學內容的同時，加快講義建設的步伐。在開設這門課之初，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的章節作為講授內容，學生采用緊跟教師，做好課堂筆記的方式參與教學。無論教師的備課還是學生學習都倍感吃力。但是，經過幾年課堂教學實踐，根據教學理論在實際研究中的應用情況，高等物理化學教學團隊成功編寫了適合本校實際情況的講義。除了規范課堂講授內容以外，加入經典實例的分析，并根據每年科學研究報道的變化進行更新替換。同時，對各章節內容進行總結并給出相應的練習題，幫助學生加深理解理論計算。另外，不可缺少的是教學課件的制作。多媒體課件包含信息量大，易于展現抽象的圖形，并且便于學生的自學和復習。同時通過本校研究生重點學位課程網站，建設了高等物理化學課程網頁，所有的教學資料上傳，實現課上講述和討論，課后自學和復習的交叉學習方式。
三、高等物理化學教學方法的改革
實際上這是教學改革的重點內容。因為老師教授的對象是碩士研究生，本科教學的“滿堂灌”已經不能繼續使用，研究生需要有獨立的思考和自己的見解。所以筆者在教學上采用教師講授基本理論，讓學生結合自己的研究方向，查閱相應的文獻和書籍，講述與高等物化熱力學或動力學內容相關的分析方法及計算。通過這樣的方法能夠提高學生有方向性的檢索、閱讀和講述文獻的能力，從而激發學生的學習興趣。同時，考試的成績不再單純局限在卷面測試，學生的講述及PPT的制作占據一定的比例，這樣能夠更加客觀地評價學生的能力。事實證明，這樣的方法是行之有效的。學生通過調研文獻，加深了對課堂所學知識的理解，通過描述別人工作中對理論知識的應用，既訓練了口頭表達能力又提高了整理資料的能力。采用這樣的教學方式，在教授知識的同時，加強了碩士研究生閱讀和總結的能力。力求使學生在本科物理化學的基礎上加深各部分理論知識對實際過程應用的理解，將書本知識轉化為實際應用，從而發揮指導學生科學研究工作的用途。
新時代，隨著研究生培養目標的更新，對《高等物理化學》課程的教學提出了新的要求。這就要求教學者需要從教學內容、教學方式進行深度的思考和變革，建立規范化的教材、講義及考核方式。切實地將研究生培養目標落實到教學大綱，體現到教學課堂上。
參考文獻：
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