大物理化學(xué)課程教學(xué)體系的形成和改革實(shí)踐.pdf

第22卷第3期大學(xué)化學(xué)2007年6月教學(xué)研究與改革v8Ll范康年陸靖(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系上海200433)1S=C物理化學(xué)是大學(xué)化學(xué)類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。按照國內(nèi)大學(xué)化學(xué)系傳統(tǒng)的課程體系編排,一般先講授無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)等描述性內(nèi)容較多的化學(xué)課程,在此基礎(chǔ)上,以物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)作為各種化學(xué)現(xiàn)象的理論總結(jié),放在高年級開設(shè)。最初,物理化學(xué)課程包括化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)等內(nèi)容,后來又增加了統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)。結(jié)構(gòu)化學(xué)則包括量子力學(xué)基礎(chǔ)、原子分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵理論、晶體結(jié)構(gòu)等,后來又補(bǔ)充了分子光譜等微觀結(jié)構(gòu)測定的原理和方法。在具體處理上,物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)作為兩門獨(dú)立的課程開設(shè),一般先開設(shè)物理化學(xué),后開設(shè)結(jié)構(gòu)化學(xué)。兩門課程的內(nèi)容互相獨(dú)立,彼此之間沒有明顯的聯(lián)系,任課教師各自授課,很少相互通氣、交流和整合教學(xué)內(nèi)容。國際上大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)的發(fā)展很快。最近10多年來出版的大多數(shù)物理化學(xué)教材已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的分界線,將微觀理論和宏觀原理有機(jī)地結(jié)合在一起,由此構(gòu)成了新的大物理化學(xué)教學(xué)體系。比較流行的一種大物理化學(xué)教材編排方式是:將整個(gè)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容依次分成平衡、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)3個(gè)主要板塊,其中平衡板塊包括化學(xué)熱力學(xué)、溶液、相平衡、電化學(xué)熱力學(xué)等；結(jié)構(gòu)板塊包括量子力學(xué)基礎(chǔ),原子分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵理論,晶體結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)的測定原理和方法等；運(yùn)動(dòng)板塊包括統(tǒng)計(jì)力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)等內(nèi)容。設(shè)課的方式比較多樣化,有大課,也有將物理化學(xué)課程拆成若干較小的課程,分別進(jìn)行講授,有分有合。2!XLl復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)課程經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的歷史沿革過程。20世紀(jì)50年代初,顧翼東、吳浩青、吳征鎧等曾講授過復(fù)旦大學(xué)的物理化學(xué),當(dāng)時(shí)的課程包含了熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)。1954年增設(shè)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)課程,由吳征鎧、薛志元先后講授該課程。與此同時(shí),周介湘還開設(shè)了結(jié)晶化學(xué)課程。上述課程狀況一直延續(xù)到1966年。1979年,復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系恢復(fù)了物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)課程,前者包括熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)等主要部分,而后者則包括了以前的結(jié)構(gòu)化學(xué)和結(jié)晶化學(xué)的內(nèi)容。朱京、鄧景發(fā)、江逢霖等先后講授物理化學(xué),結(jié)構(gòu)化學(xué)課程主要由范康年講授。20世紀(jì)80年代中,在文革后恢復(fù)高等學(xué)校教學(xué)秩序和內(nèi)容,形成一個(gè)基本穩(wěn)定的教學(xué)框架以后,國內(nèi)大學(xué)化學(xué)教育界對物理化學(xué)課程如何進(jìn)行新一輪建設(shè)開展了討論。當(dāng)時(shí)在山東8大學(xué)召開了物理化學(xué)教材編審組和結(jié)構(gòu)化學(xué)教材編審組聯(lián)席會(huì)議,國內(nèi)很多有影響的物理化學(xué)(包括結(jié)構(gòu)化學(xué))教授參加了這次盛會(huì)。時(shí)任理科化學(xué)教材編審委員會(huì)主任的唐敖慶院士提出:(1)教材建設(shè)要適應(yīng)近代化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢；(2)化學(xué)正從宏觀走向微觀,從定性走向定量,從體相走向表相；(3)作為化學(xué)系基礎(chǔ)課的物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué),應(yīng)該在內(nèi)容上有所調(diào)整和更新,以期做到宏觀和微觀相結(jié)合,理論和應(yīng)用相結(jié)合。根據(jù)物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢和特點(diǎn),以及當(dāng)時(shí)國內(nèi)大多數(shù)物理化學(xué)教學(xué)第一線教師研討所產(chǎn)生的共識(shí),復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系產(chǎn)生了將宏觀物理化學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)化學(xué)有機(jī)結(jié)合成一個(gè)大物理化學(xué)體系,并逐步使微觀理論成為學(xué)習(xí)物理化學(xué)原理的重要基礎(chǔ)的設(shè)想。按照這個(gè)設(shè)想建設(shè)的物理化學(xué)課程將有別于作為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系入門課程的普通化學(xué)原理,比普通化學(xué)原理有更深的層次。我們的教學(xué)實(shí)踐分為兩個(gè)主要階段。第一個(gè)階段主要開始于20世紀(jì)90年代。首先試圖將宏觀物理化學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)化學(xué)有機(jī)結(jié)合成一個(gè)大物理化學(xué)體系,大體結(jié)構(gòu)依次是化學(xué)熱力學(xué)、量子力學(xué)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)和電化學(xué),并按照這一結(jié)構(gòu)開展教學(xué)和編寫教材。1993年,由鄧景發(fā)和范康年按照新的思路編寫的5物理化學(xué)6(第1版)出版1。1994年,在教學(xué)計(jì)劃中正式將物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)合并為新的物理化學(xué)課程,分3學(xué)期講授,分別為物理化學(xué)()化學(xué)熱力學(xué),物理化學(xué)()量子力學(xué)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學(xué),物理化學(xué)()統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)。但相比于教材結(jié)構(gòu)的安排,實(shí)際教學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整的難度則要大得多,周期也長得多。在第一輪教學(xué)時(shí),新物理化學(xué)的教學(xué)安排是:三年級上學(xué)期教授物理化學(xué)(),三年級下學(xué)期并行教授物理化學(xué)()和物理化學(xué)()。到第二輪教學(xué)時(shí),教學(xué)安排調(diào)整為:二年級下學(xué)期講授物理化學(xué)(),三年級上學(xué)期并行講授物理化學(xué)()和物理化學(xué)()。第三輪講課時(shí)進(jìn)一步調(diào)整為:二年級下學(xué)期并行開設(shè)物理化學(xué)()和物理化學(xué)(),三年級上學(xué)期開設(shè)物理化學(xué)()。在教學(xué)實(shí)踐中,我們對探索如何在物理化學(xué)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀相結(jié)合,取得了比較成功的經(jīng)驗(yàn),并得到同行的肯定。5物理化學(xué)6(第1版)1先后獲得教育部和上海市優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng),物理化學(xué)課程被評為全國優(yōu)秀創(chuàng)名牌課程。在此基礎(chǔ)上,從2001年開始,我們又開始了第二階段實(shí)踐。1998年,在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了因發(fā)展量子化學(xué)計(jì)算方法而作出杰出貢獻(xiàn)的波普爾和科恩后,化學(xué)已經(jīng)從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性學(xué)科發(fā)展成一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)并重的學(xué)科。我們認(rèn)為,化學(xué)學(xué)科的這種變化趨勢一定會(huì)反映到大學(xué)化學(xué)教學(xué)中來。大學(xué)化學(xué)的課程結(jié)構(gòu)也將從先講描述性內(nèi)容,然后抽提總結(jié)化學(xué)原理,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛没瘜W(xué)原理為指導(dǎo),去理解認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)規(guī)律。具體到物理化學(xué)教學(xué)中,微觀理論將逐漸成為學(xué)習(xí)物理化學(xué)原理的基礎(chǔ)。與此相映照,在具體教學(xué)安排上,微觀內(nèi)容(主要是結(jié)構(gòu)化學(xué)內(nèi)容)將移到物理化學(xué)課程的最前面講授,然后通過統(tǒng)計(jì)熱力學(xué),實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容從微觀到宏觀的過渡；在此基礎(chǔ)上,再討論平衡體系熱力學(xué)和反應(yīng)體系動(dòng)力學(xué)等方面的性質(zhì),賦予教學(xué)內(nèi)容以更深的內(nèi)涵。2002年,復(fù)旦大學(xué)進(jìn)行了全校性課程結(jié)構(gòu)調(diào)整,將本科課程重新設(shè)置為綜合教育、文理基礎(chǔ)教育和專業(yè)教育3部分。自然科學(xué)大類各專業(yè)的學(xué)生在進(jìn)校第一年都要完成高等數(shù)學(xué)(10學(xué)分)、大學(xué)物理(10學(xué)分,含2學(xué)分實(shí)驗(yàn))、普通化學(xué)(5學(xué)分,含1學(xué)分實(shí)驗(yàn))和現(xiàn)代生物學(xué)導(dǎo)論(3學(xué)分)等課程的學(xué)習(xí)。這樣的課程安排為化學(xué)專業(yè)課程、特別是物理化學(xué)課程的進(jìn)一步調(diào)整創(chuàng)造了非常有利的條件。經(jīng)過全系教授的討論,從2002年開始,我們將物理化學(xué)()前9移到二年級上學(xué)期開設(shè)。這樣,在一年級的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理和普通化學(xué)課后馬上安排物理化學(xué)課程,而且是從微觀原理開始,教學(xué)內(nèi)容的銜接上顯得緊湊合理,有利于學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí),為了幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)量子力學(xué)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學(xué)所需要的線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí),二年級上學(xué)期化學(xué)系又安排了應(yīng)用數(shù)學(xué)課程。而物理化學(xué)()和物理化學(xué)()分別安排在二年級下學(xué)期和三年級上學(xué)期開設(shè)。按照上述教學(xué)思想和實(shí)踐體會(huì),我們從2004年開始對物理化學(xué)教材進(jìn)行了修訂,并于2005年6月由高等教育出版社出版了5物理化學(xué)6(第2版)2。第2版教材的基本結(jié)構(gòu)是,從量子力學(xué)基礎(chǔ)開始,依次介紹原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)及各種化學(xué)鍵理論,微觀結(jié)構(gòu)的測定原理和方法,并通過統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)將微觀原理過渡到化學(xué)熱力學(xué),下面依次是相平衡、非平衡態(tài)熱力學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)。這本教材是教育部/高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃0的研究成果,也是面向21世紀(jì)課程教材和普通高等教育/十五0國家級規(guī)劃教材。高等教育出版社為本書的編輯做了大量工作,尤其是全書采用雙色套印,為整個(gè)教材增色不少。在新的教材中能明顯體現(xiàn)宏觀和微觀結(jié)合的內(nèi)容主要有:(1)熱力學(xué)三大定律的統(tǒng)計(jì)解釋)從微觀演繹和宏觀歸納兩個(gè)角度引出熱力學(xué)三大定律；(2)理想氣體反應(yīng)平衡常數(shù)的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)計(jì)算)在討論化學(xué)平衡體系熱力學(xué)時(shí)加入了用配分函數(shù)計(jì)算平衡常數(shù)的介紹；(3)基元反應(yīng)的速率理論)從原子分子層次介紹基元反應(yīng)碰撞理論、過渡態(tài)理論和軌道對稱守恒原理；(4)分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué))采用量子力學(xué)原理介紹態(tài)2態(tài)反應(yīng)、勢能面和反應(yīng)途徑等。此外,新教材還根據(jù)學(xué)科的發(fā)展新增了部分內(nèi)容,包括群表示理論及其在化學(xué)中的應(yīng)用；量子化學(xué)計(jì)算方法和分子性質(zhì)的計(jì)算；臨界點(diǎn)和超臨界現(xiàn)象,液體中的分子相互作用,以及超分子結(jié)構(gòu)化學(xué)及分子組裝；非晶態(tài)的概念、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用；現(xiàn)代表面化學(xué)研究內(nèi)容,表面性質(zhì)對表面反應(yīng)性能的影響,以及表面吸附態(tài)和表面反應(yīng)機(jī)理；傳遞過程和非平衡態(tài)熱力學(xué)；分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的波包理論,超快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理和進(jìn)展等。在編寫新教材的同時(shí),我們還結(jié)合教材內(nèi)容,完成了全套物理化學(xué)課程的多媒體課件。根據(jù)課堂教學(xué)實(shí)際需要,靈活采用PPT投影等多媒體技術(shù)和粉筆板書等傳統(tǒng)方式。在課程和教材建設(shè)的同時(shí),10年來,特別是近5年來,通過以老帶新,逐步擴(kuò)大,教學(xué)梯隊(duì)的建設(shè)也取得了很大進(jìn)展,已形成了一支年齡和職稱結(jié)構(gòu)合理、朝氣蓬勃、有實(shí)力的教師隊(duì)伍。除了課程負(fù)責(zé)人范康年教授在繼續(xù)講授物理化學(xué)外,還有由6名40歲左右的教授、博士生導(dǎo)師組成的物理化學(xué)教學(xué)隊(duì)伍。其中有長江特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、上海市名師獎(jiǎng)獲得者、上海市優(yōu)秀教師和上海市啟明星計(jì)劃項(xiàng)目獲得者等。在教學(xué)團(tuán)隊(duì)的共同努力下,教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果不斷提高,課程深受學(xué)生歡迎,學(xué)生對物理化學(xué)課的評分連續(xù)多年都在4.74.9分左右(滿分5分)。由于教學(xué)隊(duì)伍的緊張狀況得到有效緩解,班級規(guī)模也逐漸從原來200多人的大課改成100人左右的中等規(guī)模課程,更有利于師生互動(dòng)。3)B9在教學(xué)改革過程中,我們有以下兩點(diǎn)較深的體會(huì):(1)物理化學(xué)課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整不是一個(gè)單一課程的改革。從課程自身來講,從微觀到宏觀、從平衡到運(yùn)動(dòng),教學(xué)內(nèi)容的銜接要真正做到流暢、循序漸進(jìn)、前后呼應(yīng),還有很多地方需要(下轉(zhuǎn)第21頁)10若為酒后駕車,再采用頂空氣相色譜法分析飲酒者血液中乙醇的含量,給出定量值。講到鹵代烴時(shí),介紹二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等常作為有機(jī)溶劑,在毒物檢驗(yàn)中用于提取生物檢材中的某些毒物。講到羧酸及其衍生物一章時(shí),介紹酯化反應(yīng)可用于動(dòng)植物油的分析,對氨基苯酚與乙酸作用可合成解熱鎮(zhèn)痛藥對乙酰氨基酚(撲熱息痛),乙酐與水楊酸作用可合成乙酰水楊酸(阿司匹林)。講到硫醇的性質(zhì)時(shí),介紹硫醇可與重金屬反應(yīng)生成難溶性化合物,可作為重金屬中毒的解毒藥等。第三,在課堂講授中適時(shí)插入一些有關(guān)化學(xué)的史實(shí),介紹諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者及其代表性工作,以開闊學(xué)生的知識(shí)面,激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣4。如講到苯環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)介紹有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)的奠基者凱庫勒；講到鹵代烴與金屬的反應(yīng)時(shí),介紹格氏試劑的開創(chuàng)者格利雅；講到丙三醇與硝酸反應(yīng)生成硝化甘油時(shí),介紹諾貝爾等。在幾年的教學(xué)改革實(shí)踐中,我們感到學(xué)生對基礎(chǔ)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣越來越濃厚,課堂氣氛越來越活躍。雖然試題平均難度水平逐期有所提高,但學(xué)生的平均考試成績卻逐期上升。良好的教學(xué)成果鼓舞著我們在改進(jìn)基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)程中更加努力。ID1汪小蘭.有機(jī)化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,20052張敏,袁先友.大學(xué)化學(xué),2005,20(1):183傅建熙.有機(jī)化學(xué).北京:高等教育出版社,20004鄭秋容,樸銀實(shí).大學(xué)化學(xué),2004,19(6):21(上接第10頁)精雕細(xì)琢。同時(shí),物理化學(xué)課程的改革也必須和其他課程的改革相配合。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系在物理化學(xué)課程改革時(shí),將微觀結(jié)構(gòu)分析的原理和技術(shù)抽提出來,與儀器分析及有機(jī)化學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容組合在一起,構(gòu)成了一門新的基礎(chǔ)課)譜學(xué)導(dǎo)論。同時(shí),分析化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容圍繞著/量0這個(gè)核心而展開；由于量子力學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容前移,使得二年級下學(xué)期儀器分析的教學(xué)有了必要的理論基礎(chǔ)。(2)復(fù)旦大學(xué)有非常好的本科生,他們對于教材內(nèi)容的鉆研和理解,是教師能夠比較順利開展物理化學(xué)課程改革、提高教學(xué)質(zhì)量的最大動(dòng)力。而要實(shí)現(xiàn)對物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容在結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和改革,教師沒有扎實(shí)的基礎(chǔ)和寬廣的知識(shí)是做不到的。盡管我們在長達(dá)10多年的時(shí)間中,已