王軍　楊冬梅　霍玉秋

[摘 要]物理化學(xué)知識(shí)體系與生命、環(huán)境、材料、化學(xué)工程、冶金工程、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。以物理化學(xué)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展?fàn)顩r為出發(fā)點(diǎn)，從教學(xué)進(jìn)程的研究、理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式和方法以及教學(xué)改革的基本思路等方面，可以探討創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式下物理化學(xué)教學(xué)應(yīng)注重的實(shí)際問(wèn)題。對(duì)物理化學(xué)知識(shí)體系的認(rèn)知和理解是培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和杰出科研能力的人才的基礎(chǔ)。根據(jù)物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和課程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)切實(shí)可行的教學(xué)環(huán)節(jié)和建立行之有效的教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)的能力，滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)科研工作者和工程技術(shù)人員的創(chuàng)新能力的要求。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新型人才 物理化學(xué) 教學(xué)研究 教學(xué)改革 理論與實(shí)踐

[中圖分類號(hào)] G642.0；C961 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）05-0099-03

物理化學(xué)是以物理的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學(xué)體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學(xué)體系中特殊規(guī)律的學(xué)科。簡(jiǎn)而言之，物理化學(xué)就是用物理的方法研究化學(xué)的問(wèn)題，其研究?jī)?nèi)容一般包括以下三個(gè)方面：

第一，化學(xué)體系的宏觀平衡性質(zhì)。以熱力學(xué)的三個(gè)基本定律為理論基礎(chǔ)，研究宏觀化學(xué)體系在各種平衡狀態(tài)下的物理化學(xué)性質(zhì)及其規(guī)律性。在這種平衡狀態(tài)下，時(shí)間不是一個(gè)變量。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有化學(xué)熱力學(xué)、溶液化學(xué)、膠體化學(xué)和界面化學(xué)。

第二，化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。以量子理論為理論基礎(chǔ)，研究原子和分子的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)。

第三，化學(xué)體系的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。研究化學(xué)變化過(guò)程的速率和變化機(jī)理。在這種情況下，時(shí)間是影響性質(zhì)體現(xiàn)的一個(gè)重要的參量。屬于這方面的物理化學(xué)分支學(xué)科有化學(xué)動(dòng)力學(xué)、催化、光化學(xué)和電化學(xué)。

21世紀(jì)后，隨著各種基礎(chǔ)理論研究的深入和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，物理化學(xué)不僅在化學(xué)與化學(xué)工程領(lǐng)域，而且在材料、冶金、能源、環(huán)境和生命科學(xué)等領(lǐng)域中也發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用，已成為納米科學(xué)、反應(yīng)控制、量子調(diào)控、表面催化等現(xiàn)代科學(xué)前沿領(lǐng)域研究的重要工具。在純粹理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面都取得了巨大進(jìn)展，形成了與生命、材料、能源、環(huán)境等諸多學(xué)科相互交叉、協(xié)同發(fā)展的新局面。[1]當(dāng)代物理化學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的研究成果也為物理化學(xué)的課堂教學(xué)增添了新內(nèi)容。

高等學(xué)校本科物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容一般包括化學(xué)熱力學(xué)、膠體化學(xué)、界面化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)，以及研究反應(yīng)機(jī)理與宏觀現(xiàn)象之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)。[2] [3] [4]結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)往往單獨(dú)設(shè)課，因此不包含在物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容之中。如何將化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的前沿知識(shí)和發(fā)展的最新成果有機(jī)地融合到物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容之中，需要一線教學(xué)人員進(jìn)行及時(shí)、深入的教學(xué)研究。然而，在創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)過(guò)程中既不能故步自封、墨守成規(guī)，又應(yīng)考慮到人才培養(yǎng)的連續(xù)性、長(zhǎng)期性以及培養(yǎng)目標(biāo)的專一性。因此，對(duì)將要進(jìn)行的每一步教學(xué)改革都應(yīng)采取積極而又謹(jǐn)慎的態(tài)度，從而提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

一、教學(xué)進(jìn)程的研究

1877年德國(guó)化學(xué)家F.W.Ostwald和荷蘭化學(xué)家J. H.Vant Hoff創(chuàng)辦了德文的《物理化學(xué)雜志》（Zeitschrift für Physikalische Chemie）、標(biāo)志著物理化學(xué)學(xué)科的形成。至20世紀(jì)40年代，物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)就已奠定。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和各學(xué)科之間的相互滲透，物理化學(xué)不僅與物理學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等學(xué)科在內(nèi)容上存在著大規(guī)模的交叉，而且也不斷產(chǎn)生新的分支學(xué)科，例如物理有機(jī)化學(xué)、生物物理化學(xué)、冶金物理化學(xué)、化學(xué)物理等。因此，不可能在短短幾十個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)將全部相關(guān)知識(shí)灌輸給學(xué)生。重要的是通過(guò)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的培訓(xùn)使學(xué)生掌握物理化學(xué)這門(mén)學(xué)科的研究問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，提高學(xué)生靈活運(yùn)用物理化學(xué)知識(shí)的能力，逐步建立起科學(xué)的世界觀和方法論。依據(jù)這種教學(xué)理念，可以將本科物理化學(xué)的教學(xué)過(guò)程分為四個(gè)階段：

第一階段：基本理論和實(shí)驗(yàn)技能的被動(dòng)學(xué)習(xí)階段。對(duì)初學(xué)者而言，這個(gè)階段枯燥乏味，但又必不可少。在此階段的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)逐漸培養(yǎng)并全力保護(hù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，盡可能縮短學(xué)生在這個(gè)階段的駐留時(shí)間。

第二階段：基本理論和實(shí)驗(yàn)技能的主動(dòng)學(xué)習(xí)階段。按照理論課程的進(jìn)展，幫助學(xué)生掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)科目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砑皩?shí)驗(yàn)方法，提高實(shí)驗(yàn)效率，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度。也可適當(dāng)加入綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生對(duì)理論及實(shí)驗(yàn)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力。此外，鼓勵(lì)學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)心得體會(huì)，在幫助他人的同時(shí)也提高了自己。

第三階段：探索精神的培養(yǎng)。鼓勵(lì)學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。指導(dǎo)教師積極引導(dǎo)學(xué)生深入思考實(shí)驗(yàn)中包含的各種科學(xué)問(wèn)題，并查閱圖書(shū)資料自行解決問(wèn)題。物理化學(xué)課程中的許多知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐和日常生活聯(lián)系緊密，教師可以結(jié)合生活中常見(jiàn)的事物提出問(wèn)題，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)去解釋現(xiàn)象或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程向預(yù)期的方向發(fā)展。

第四階段：科研素質(zhì)的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升。對(duì)于有研究興趣的學(xué)生，可以鼓勵(lì)其進(jìn)入物理化學(xué)專業(yè)教學(xué)平臺(tái)，直接參與教師的科研工作，以期拓寬研究視野，迅速提升科研能力和創(chuàng)新能力。

二、理論教學(xué)的方法

物理化學(xué)是理論性較強(qiáng)的一個(gè)學(xué)科。對(duì)初學(xué)者而言，物理化學(xué)理論知識(shí)比較抽象、晦澀難懂。因此，在理論課教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)時(shí)刻注意引導(dǎo)學(xué)生掌握由已知解釋未知、由簡(jiǎn)單至復(fù)雜、由點(diǎn)及面、由淺入深的學(xué)習(xí)方法，使其學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)的演繹和推理方法，避免其在新知識(shí)面前手足無(wú)措。例如，熱力學(xué)是一種物理方法，熱力學(xué)第一定律是物理化學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中遇到的第一個(gè)熱力學(xué)定律。但是對(duì)于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，即使在中學(xué)階段學(xué)習(xí)過(guò)基礎(chǔ)物理學(xué)知識(shí)，“熱力學(xué)”仍然是一個(gè)含糊不清的概念。因此，在教學(xué)過(guò)程中，在進(jìn)行各種復(fù)雜的熱力學(xué)推導(dǎo)之前，我們首先強(qiáng)調(diào)，熱力學(xué)第一定律不是一個(gè)陌生的定律，它不過(guò)就是我們中學(xué)時(shí)期就耳熟能詳?shù)哪芰渴睾阍碓跓崃W(xué)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用而已。這樣，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的由已知解釋未知的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生就自然而然地接受了“熱力學(xué)”這個(gè)概念。在基礎(chǔ)理論教學(xué)過(guò)程中，也應(yīng)引入相當(dāng)比例的基礎(chǔ)理論在實(shí)際科研及生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用的典型案例，引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，深化學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容的理解，并激發(fā)學(xué)生探究自然規(guī)律的興趣。

三、實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的模式

盡管理論性較強(qiáng)，但物理化學(xué)仍屬以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為基礎(chǔ)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)的精確設(shè)置對(duì)學(xué)生科學(xué)思維方式的訓(xùn)練、對(duì)客觀世界的感悟能力的提升、對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力的提高、對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)都尤為重要。

我國(guó)高等學(xué)?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)的物理化學(xué)課程一般于大學(xué)第二年開(kāi)設(shè)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程常與理論課程同步進(jìn)行。學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)時(shí)學(xué)習(xí)了無(wú)機(jī)化學(xué)、普通化學(xué)、分析化學(xué)等課程，已經(jīng)掌握了化學(xué)學(xué)科的基本理論和基本實(shí)驗(yàn)技能。因此，在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)在繼續(xù)訓(xùn)練學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)之上培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新思維能力。[5]在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，我們從以下幾個(gè)方面改進(jìn)了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)踐教學(xué)模式：

第一，把握學(xué)科發(fā)展節(jié)奏，實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。例如，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前循環(huán)伏安測(cè)定法已經(jīng)成為一種較普遍的電化學(xué)研究方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，我們?cè)黾恿搜h(huán)伏安法研究聚苯胺氧化還原性能的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了電化學(xué)工作站的基本使用方法，而且也學(xué)習(xí)了如何通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試結(jié)果分析材料的電化學(xué)性能。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，雖然新型儀器設(shè)備的投放會(huì)增大教學(xué)成本，但同時(shí)能顯著地提升學(xué)生的研究能力和創(chuàng)新能力。

第二，發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。眾所周知，目前多媒體技術(shù)已被廣泛用于理論課教學(xué)。因此，我們嘗試對(duì)復(fù)雜且在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用多媒體演示的方式進(jìn)行。例如，燃料電池是各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但是，在教學(xué)時(shí)間有嚴(yán)格限定的實(shí)驗(yàn)課程中很難模擬出燃料電池的全部工作過(guò)程。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中插入了相關(guān)圖文內(nèi)容，并對(duì)燃料電池的工作原理、工作進(jìn)程、發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景等諸多問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致而生動(dòng)的分析講解。對(duì)多媒體技術(shù)的這類簡(jiǎn)單的延伸使用，不僅能使學(xué)生全面而深入地了解燃料電池的相關(guān)知識(shí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生探索科學(xué)前沿領(lǐng)域的信心，而且也無(wú)需增加任何教學(xué)設(shè)備投入。

第三，增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是創(chuàng)新能力提升的有效途徑。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)，應(yīng)給學(xué)生留有充分的時(shí)間去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并與指導(dǎo)教師和小組同學(xué)討論實(shí)驗(yàn)方案的可行性。學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)資料、討論等方式自行歸納、解決部分問(wèn)題，并在全班展示，鍛煉了表達(dá)能力與交流能力。鼓勵(lì)學(xué)生分工合作，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

第四，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)。包含認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)在內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)也是物理化學(xué)教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生將課堂上所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的紐帶。認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)為學(xué)生認(rèn)識(shí)社會(huì)、了解國(guó)情、提升專業(yè)認(rèn)知度提供了機(jī)會(huì)，是培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要途徑。多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)證明：首先，建立穩(wěn)定的實(shí)習(xí)基地、制定行之有效的實(shí)習(xí)管理辦法、完善實(shí)習(xí)內(nèi)容是實(shí)踐教學(xué)發(fā)揮效能的基本保證；第二，包括教師和學(xué)生在內(nèi)，訓(xùn)練有素、積極認(rèn)真的實(shí)習(xí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)深受實(shí)習(xí)基地歡迎；第三，實(shí)踐教學(xué)不僅訓(xùn)練了學(xué)生的專業(yè)工作能力，還能幫助實(shí)習(xí)單位解決一些實(shí)際問(wèn)題；第四，實(shí)習(xí)基地的實(shí)驗(yàn)室條件、儀器設(shè)備條件和實(shí)踐條件是對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

四、物理化學(xué)教學(xué)改革基本思路

我國(guó)高等學(xué)校物理化學(xué)課程的教學(xué)工作經(jīng)歷了數(shù)十年的建設(shè)和發(fā)展，特別是近年來(lái)大幅度、大范圍的教學(xué)改革的開(kāi)展[6]，使物理化學(xué)理論及實(shí)踐教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都產(chǎn)生了巨大變化，教學(xué)水平有了顯著提升。電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使我們能夠采用現(xiàn)代化的手段組織更高效、更豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)；教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建立使更多的學(xué)生離開(kāi)課堂也能受益；數(shù)學(xué)、物理研究方法以及各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步使我們?cè)谠鎏硇陆虒W(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)時(shí)更得心應(yīng)手；與國(guó)外高等學(xué)校和科研單位日益緊密的教學(xué)和科研交流活動(dòng)不僅拓寬我們的視野，同時(shí)也讓世界了解了我們。

但是，在進(jìn)行廣泛而深入的教學(xué)改革的同時(shí)，我們也應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，物理化學(xué)并非一個(gè)全新的學(xué)科。如前所述，其知識(shí)體系基礎(chǔ)的奠定已近百年。因此，物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容不能偏離其知識(shí)體系的根基和主干。任何形式的針對(duì)物理化學(xué)課程的教學(xué)改革都應(yīng)以應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)內(nèi)容的適當(dāng)補(bǔ)充和教學(xué)方法的改革為主。切忌舍本逐末，單純?yōu)榱颂岣邔W(xué)生學(xué)習(xí)興趣而過(guò)度介紹新知識(shí)、過(guò)度運(yùn)用新方法而忽視了課程的根本內(nèi)容。此外，多媒體技術(shù)的發(fā)展使我們可以在較短的課堂時(shí)間里安排大量的教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)過(guò)程更加緊湊且豐富多彩。在提高教學(xué)效率、輔助教學(xué)等方面，多媒體教學(xué)具有傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。許多教學(xué)改革也都是圍繞多媒體技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用而開(kāi)展的。然而無(wú)論如何，課堂上常用的電子演示文稿仍只是教師“板書(shū)”的一種新形式，仍無(wú)法替代教師的講解。教師才是授課的主體，是多媒體教學(xué)的靈魂。只有通過(guò)教師的教導(dǎo)和示范才能使多媒體教學(xué)變得更加生動(dòng)鮮活。為此，作為育人者，教師要不斷加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)，積極地進(jìn)行教學(xué)方法的研究和改進(jìn)，努力地提高教學(xué)水平和教學(xué)效果，有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)也應(yīng)提高自身修養(yǎng)，在敬業(yè)精神、工作態(tài)度、責(zé)任心等方面，教師的身教更重于言傳，這樣才能使被培養(yǎng)者的綜合素質(zhì)得到全面的提升。

五、結(jié)論

綜上所述，物理化學(xué)是化學(xué)、化工、材料、冶金、生物、環(huán)境等諸多學(xué)科領(lǐng)域研究、發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，對(duì)物理化學(xué)知識(shí)體系的認(rèn)知和理解是培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和杰出科研能力的人才的基礎(chǔ)。根據(jù)物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和課程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)切實(shí)可行的教學(xué)環(huán)節(jié)和建立行之有效的教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)的能力，滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對(duì)科研工作者和工程技術(shù)人員創(chuàng)新能力的要求。

[ 注 釋 ]

[1] 梁文平.新世紀(jì)的物理化學(xué)：學(xué)科前沿與展望[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，候文華.物理化學(xué)（上）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，候文華.物理化學(xué)（下）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] Peter Atkins，Julio de Paula，Atkins Physical Chemistry（Seventh Edition）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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