高等物理化学教学改革初探
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摘要：本文根据教学改革的经验，对高等物理化学课程教学内容、教学方法，及教材建设对比了教学改革前后的异同点，提出了新时期高等物理化学研究生教学中的变化趋势，对构建科学化、规范化的研究生高等物理化学课程体系具有一定的启发。
关键词：高等物理化学；教学改革；课程体系
中图分类号：O64 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）23-0124-02
高等物理化学是应化、化工、化学等专业研究生的一门主要学位课。目前在国内，各高校的化学和化工学科各专业都将高等物理化作为硕士研究生学科基础课而开设，另外与化学有关的相关学科，如环境化学、材料化学、生物化学、药物化学、生物、食品等相關专业硕士生许多也都将高等物理化学作为必修或选学课程开设。高等物理化学的内容相对于本科物理化学有较大的变化，从理想的平衡态到实际过程的非平衡态，从物质的表相到体相，不但加深拓宽了基础理论，而且从宏观的角度逐步过渡到微观视野，力求在基础理论与解决实际问题之间起到桥梁作用。通过本课程的学习，使研究生在本科物理化学课程学习的基础上，进一步系统掌握物理化学的基本原理和研究方法，了解物理化学学科的发展前沿和最新成就，注重与其他学科的交叉，开拓视野，使学生能够在科学研究中应用相关的物理化学知识进行分析和解决问题，而不再仅仅停留在书本上，这将为他们今后从事物理化学及其相关领域的科学研究和生产实践打下坚实的基础。
然而，目前国内给硕士生开设本门课程的学校虽然很多，但由于各校对课程的要求不相同，所以课程讲授的内容差异很大。此外，公开出版的《高等物理化学》教材非常少，一是刘长寿教授主编，郑州大学出版社2005年出版的；另外一个是司云森教授主编，科学出版社2015年出版的。很显然，如何确定本校的课程内容及教学方式需要一个探索过程。兰州理工大学自2010年开设《高等物理化学》课程，经过2013—2016年的教学改革，初步摸索出了适合本校研究生实际情况的教学内容及教学方法和手段，以构建本校化学与化工专业研究生培养的高等物理化学课程体系。
一、高等物理化学课程教学内容的改革
本课程的主要目的在于使应化、化工等专业的硕士研究生能进一步系统、深刻地掌握物理化学的基本原理和研究方法，把握物理化学的理论体系和知识结构，能结合学科发展的最新进展和最新成果将物理化学的基本原理和研究方法加以深入领会，并能在实际的科研工作中将有关的原理和方法加以很好的应用。教学之初设定的内容分为四个板块：化学热力学、化学动力学、量子力学基础和学科发展前沿。化学热力学包括：非平衡态热力学、单元系相变；动力学过程包括：催化动力学、相变过程动力学，电子转移动力学。但是在教学过程中，笔者发现学生的本科物理化学知识储备不够，在课程的衔接上不够充分。因此，对教学内容进行了修正，使得课程教学能够科学地体现其基础性、宽广性和系统性，深度和广度把握得当，并能体现其实践性、先进性和前沿性，有利于激发研究生的创造性和创新能力的培养。
1.分别增加了化学热力学概述及拓展，主要包括平衡热力学、非平衡热力学对化学反应及相关过程中的能量效应及方向和限度进行加深讲述。讨论热力学各种定律：热力学第一定律说明热与其他形式的能量在过程中相互转化的守恒关系——能量转化与守恒；热力学第二定律说明热与其他形式能量间相互转化时的方向性问题；热力学第三定律说明规定熵，解决化学平衡的计算问题。同时增加化学动力学概述及拓展，从各种基本动力学方程到复杂动力学方程的推导，比如链反应、对峙反应和平行反应。重点讲述各种动力学方程推导的方法，比如稳态近似法、平衡假设法。这种回忆、更新和加深本科物理化学的基础知识的方式，使学生能更好地理解高等物理化学中的相关内容，并且在后续章节的计算中不会再次出现问题。同时增加了统计热力学内容，在本科学习的基础上再次深入讲解，从而使学生加深从宏观到微观过渡的理解。
此外，删除了之前一直讲述的比较晦涩难懂的量子力学基础和电子转移动力学，但同时指出相应的参考书，建议学生进行自学。
2.进一步完善、深化已有的讲稿内容，广泛查阅学习相关资料，将与高等物理化学教学内容密切相关的研究成果及研究方法，整理加入到相关章节进行讲授，注重实际科研工作和理论的结合。更新最新研究成果信息，增加比如有关超分子、特殊介质的物理化学、介观体系、化学仿生学等内容。其中介观体系从纳米材料的定义、纳米材料的分类，纳米材料的特殊性质到纳米材料相应的各种制备方法，比如化学液相法、化学气相沉积、沉淀法、水热法和喷雾法进行较为详细的介绍，从而便于学生了解和掌握与高等物理化学相关联的学科发展的前沿。
3.关注本校及本学院教师与课程理论相关的科研工作，比如有关石墨烯及相关复合材料的制备及性能研究；多孔碳材料的制备及相干吸附性能、电化学性能的研究；各种聚合物比如聚苯胺和聚吡咯材料的制备及各种性能的研究，将其引入到教学的内容。开设以下实例在课堂与学生进行分析和讨论，并且根据研究热点的变化每年进行更新：①纳米碳酸钙制备、表面修饰改性和在涂料、PVC建材中的应用。②纳米TiO2制备、表面修饰改性和光催化剂的应用。③导电聚合物的微观结构对性能的影响。④纳米氧化镍、氧化镍双金属氧化物、氧化镍/导电聚合物的制备和性能研究。⑤凹凸棒表面重金属离子印迹聚苯胺的制备及吸附特性研究。⑥聚吡咯/凹凸棒复合材料的制备及吸附特性的研究。⑦碳材料在超级电容器和锂离子电池材料中的应用研究。
通过以上实例分析使学生更好地体会如何利用理论知识对实验结果进行分析总结，从而激发学习的兴趣，而不再简单地认为理论与实践是脱节的。
二、高等物理化学讲义及教学辅助资料的建设
根据教学效果的分析增减教学内容的同时，加快讲义建设的步伐。在开设这门课之初，无法选择合适的教材，仅仅通过教师查阅的资料及选用其他教材中相应的章节作为讲授内容，学生采用紧跟教师，做好课堂笔记的方式参与教学。无论教师的备课还是学生学习都倍感吃力。但是，经过几年课堂教学实践，根据教学理论在实际研究中的应用情况，高等物理化学教学团队成功编写了适合本校实际情况的讲义。除了规范课堂讲授内容以外，加入经典实例的分析，并根据每年科学研究报道的变化进行更新替换。同时，对各章节内容进行总结并给出相应的练习题，帮助学生加深理解理论计算。另外，不可缺少的是教学课件的制作。多媒体课件包含信息量大，易于展现抽象的图形，并且便于学生的自学和复习。同时通过本校研究生重点学位课程网站，建设了高等物理化学课程网页，所有的教学资料上传，实现课上讲述和讨论，课后自学和复习的交叉学习方式。
三、高等物理化学教学方法的改革
实际上这是教学改革的重点内容。因为老师教授的对象是硕士研究生，本科教学的“满堂灌”已经不能继续使用，研究生需要有独立的思考和自己的见解。所以笔者在教学上采用教师讲授基本理论，让学生结合自己的研究方向，查阅相应的文献和书籍，讲述与高等物化热力学或动力学内容相关的分析方法及计算。通过这样的方法能够提高学生有方向性的检索、阅读和讲述文献的能力，从而激发学生的学习兴趣。同时，考试的成绩不再单纯局限在卷面测试，学生的讲述及PPT的制作占据一定的比例，这样能够更加客观地评价学生的能力。事实证明，这样的方法是行之有效的。学生通过调研文献，加深了对课堂所学知识的理解，通过描述别人工作中对理论知识的应用，既训练了口头表达能力又提高了整理资料的能力。采用这样的教学方式，在教授知识的同时，加强了硕士研究生阅读和总结的能力。力求使学生在本科物理化学的基础上加深各部分理论知识对实际过程应用的理解，将书本知识转化为实际应用，从而发挥指导学生科学研究工作的用途。
新时代，随着研究生培养目标的更新，对《高等物理化学》课程的教学提出了新的要求。这就要求教学者需要从教学内容、教学方式进行深度的思考和变革，建立规范化的教材、讲义及考核方式。切实地将研究生培养目标落实到教学大纲，体现到教学课堂上。
参考文献：
[1]傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006：1-7.
[2]孙少瑞，李钒，张丽娟，汪夏燕.高等物理化学教学内容初探[J].高教学刊，2019，（19）：63-65.
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