大物理化學課程教學體系的形成和改革實踐.pdf

第22卷第3期大學化學2007年6月教學研究與改革v8Ll范康年陸靖(復旦大學化學系上海200433)1S=C物理化學是大學化學類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。按照國內(nèi)大學化學系傳統(tǒng)的課程體系編排,一般先講授無機化學、有機化學和分析化學等描述性內(nèi)容較多的化學課程,在此基礎(chǔ)上,以物理化學和結(jié)構(gòu)化學作為各種化學現(xiàn)象的理論總結(jié),放在高年級開設(shè)。最初,物理化學課程包括化學熱力學、化學動力學、電化學等內(nèi)容,后來又增加了統(tǒng)計熱力學。結(jié)構(gòu)化學則包括量子力學基礎(chǔ)、原子分子結(jié)構(gòu)和化學鍵理論、晶體結(jié)構(gòu)等,后來又補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,物理化學和結(jié)構(gòu)化學作為兩門獨立的課程開設(shè),一般先開設(shè)物理化學,后開設(shè)結(jié)構(gòu)化學。兩門課程的內(nèi)容互相獨立,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、交流和整合教學內(nèi)容。國際上大學物理化學教學的發(fā)展很快。最近10多年來出版的大多數(shù)物理化學教材已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的物理化學和結(jié)構(gòu)化學的分界線,將微觀理論和宏觀原理有機地結(jié)合在一起,由此構(gòu)成了新的大物理化學教學體系。比較流行的一種大物理化學教材編排方式是:將整個物理化學教學內(nèi)容依次分成平衡、結(jié)構(gòu)和運動3個主要板塊,其中平衡板塊包括化學熱力學、溶液、相平衡、電化學熱力學等；結(jié)構(gòu)板塊包括量子力學基礎(chǔ),原子分子結(jié)構(gòu)和化學鍵理論,晶體結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)的測定原理和方法等；運動板塊包括統(tǒng)計力學、化學動力學和非平衡態(tài)熱力學等內(nèi)容。設(shè)課的方式比較多樣化,有大課,也有將物理化學課程拆成若干較小的課程,分別進行講授,有分有合。2!XLl復旦大學物理化學課程經(jīng)歷了半個多世紀的歷史沿革過程。20世紀50年代初,顧翼東、吳浩青、吳征鎧等曾講授過復旦大學的物理化學,當時的課程包含了熱力學、動力學和電化學。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,周介湘還開設(shè)了結(jié)晶化學課程。上述課程狀況一直延續(xù)到1966年。1979年,復旦大學化學系恢復了物理化學和結(jié)構(gòu)化學課程,前者包括熱力學、動力學和電化學等主要部分,而后者則包括了以前的結(jié)構(gòu)化學和結(jié)晶化學的內(nèi)容。朱京、鄧景發(fā)、江逢霖等先后講授物理化學,結(jié)構(gòu)化學課程主要由范康年講授。20世紀80年代中,在文革后恢復高等學校教學秩序和內(nèi)容,形成一個基本穩(wěn)定的教學框架以后,國內(nèi)大學化學教育界對物理化學課程如何進行新一輪建設(shè)開展了討論。當時在山東8大學召開了物理化學教材編審組和結(jié)構(gòu)化學教材編審組聯(lián)席會議,國內(nèi)很多有影響的物理化學(包括結(jié)構(gòu)化學)教授參加了這次盛會。時任理科化學教材編審委員會主任的唐敖慶院士提出:(1)教材建設(shè)要適應近代化學學科發(fā)展的趨勢；(2)化學正從宏觀走向微觀,從定性走向定量,從體相走向表相；(3)作為化學系基礎(chǔ)課的物理化學和結(jié)構(gòu)化學,應該在內(nèi)容上有所調(diào)整和更新,以期做到宏觀和微觀相結(jié)合,理論和應用相結(jié)合。根據(jù)物理化學學科發(fā)展的趨勢和特點,以及當時國內(nèi)大多數(shù)物理化學教學第一線教師研討所產(chǎn)生的共識,復旦大學化學系產(chǎn)生了將宏觀物理化學與微觀結(jié)構(gòu)化學有機結(jié)合成一個大物理化學體系,并逐步使微觀理論成為學習物理化學原理的重要基礎(chǔ)的設(shè)想。按照這個設(shè)想建設(shè)的物理化學課程將有別于作為復旦大學化學系入門課程的普通化學原理,比普通化學原理有更深的層次。我們的教學實踐分為兩個主要階段。第一個階段主要開始于20世紀90年代。首先試圖將宏觀物理化學與微觀結(jié)構(gòu)化學有機結(jié)合成一個大物理化學體系,大體結(jié)構(gòu)依次是化學熱力學、量子力學基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學、統(tǒng)計熱力學、化學動力學和電化學,并按照這一結(jié)構(gòu)開展教學和編寫教材。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6(第1版)出版1。1994年,在教學計劃中正式將物理化學和結(jié)構(gòu)化學合并為新的物理化學課程,分3學期講授,分別為物理化學()化學熱力學,物理化學()量子力學基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學,物理化學()統(tǒng)計熱力學、化學動力學、電化學。但相比于教材結(jié)構(gòu)的安排,實際教學結(jié)構(gòu)調(diào)整的難度則要大得多,周期也長得多。在第一輪教學時,新物理化學的教學安排是:三年級上學期教授物理化學(),三年級下學期并行教授物理化學()和物理化學()。到第二輪教學時,教學安排調(diào)整為:二年級下學期講授物理化學(),三年級上學期并行講授物理化學()和物理化學()。第三輪講課時進一步調(diào)整為:二年級下學期并行開設(shè)物理化學()和物理化學(),三年級上學期開設(shè)物理化學()。在教學實踐中,我們對探索如何在物理化學教學中實現(xiàn)宏觀和微觀相結(jié)合,取得了比較成功的經(jīng)驗,并得到同行的肯定。5物理化學6(第1版)1先后獲得教育部和上海市優(yōu)秀教材一等獎,物理化學課程被評為全國優(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踐。1998年,在諾貝爾化學獎授予了因發(fā)展量子化學計算方法而作出杰出貢獻的波普爾和科恩后,化學已經(jīng)從一個實驗性學科發(fā)展成一個理論和實驗并重的學科。我們認為,化學學科的這種變化趨勢一定會反映到大學化學教學中來。大學化學的課程結(jié)構(gòu)也將從先講描述性內(nèi)容,然后抽提總結(jié)化學原理,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛没瘜W原理為指導,去理解認識化學現(xiàn)象和化學規(guī)律。具體到物理化學教學中,微觀理論將逐漸成為學習物理化學原理的基礎(chǔ)。與此相映照,在具體教學安排上,微觀內(nèi)容(主要是結(jié)構(gòu)化學內(nèi)容)將移到物理化學課程的最前面講授,然后通過統(tǒng)計熱力學,實現(xiàn)教學內(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和反應體系動力學等方面的性質(zhì),賦予教學內(nèi)容以更深的內(nèi)涵。2002年,復旦大學進行了全校性課程結(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。自然科學大類各專業(yè)的學生在進校第一年都要完成高等數(shù)學(10學分)、大學物理(10學分,含2學分實驗)、普通化學(5學分,含1學分實驗)和現(xiàn)代生物學導論(3學分)等課程的學習。這樣的課程安排為化學專業(yè)課程、特別是物理化學課程的進一步調(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()前9移到二年級上學期開設(shè)。這樣,在一年級的高等數(shù)學、大學物理和普通化學課后馬上安排物理化學課程,而且是從微觀原理開始,教學內(nèi)容的銜接上顯得緊湊合理,有利于學生學習。同時,為了幫助學生掌握學習量子力學基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)化學所需要的線性代數(shù)等數(shù)學知識,二年級上學期化學系又安排了應用數(shù)學課程。而物理化學()和物理化學()分別安排在二年級下學期和三年級上學期開設(shè)。按照上述教學思想和實踐體會,我們從2004年開始對物理化學教材進行了修訂,并于2005年6月由高等教育出版社出版了5物理化學6(第2版)2。第2版教材的基本結(jié)構(gòu)是,從量子力學基礎(chǔ)開始,依次介紹原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)及各種化學鍵理論,微觀結(jié)構(gòu)的測定原理和方法,并通過統(tǒng)計熱力學將微觀原理過渡到化學熱力學,下面依次是相平衡、非平衡態(tài)熱力學、化學動力學、電化學。這本教材是教育部/高等教育面向21世紀教學內(nèi)容和課程體系改革計劃0的研究成果,也是面向21世紀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)熱力學三大定律的統(tǒng)計解釋)從微觀演繹和宏觀歸納兩個角度引出熱力學三大定律；(2)理想氣體反應平衡常數(shù)的統(tǒng)計熱力學計算)在討論化學平衡體系熱力學時加入了用配分函數(shù)計算平衡常數(shù)的介紹；(3)基元反應的速率理論)從原子分子層次介紹基元反應碰撞理論、過渡態(tài)理論和軌道對稱守恒原理；(4)分子反應動力學)采用量子力學原理介紹態(tài)2態(tài)反應、勢能面和反應途徑等。此外,新教材還根據(jù)學科的發(fā)展新增了部分內(nèi)容,包括群表示理論及其在化學中的應用；量子化學計算方法和分子性質(zhì)的計算；臨界點和超臨界現(xiàn)象,液體中的分子相互作用,以及超分子結(jié)構(gòu)化學及分子組裝；非晶態(tài)的概念、結(jié)構(gòu)和應用；現(xiàn)代表面化學研究內(nèi)容,表面性質(zhì)對表面反應性能的影響,以及表面吸附態(tài)和表面反應機理；傳遞過程和非平衡態(tài)熱力學；分子反應動力學中的波包理論,超快反應動力學的基本原理和進展等。在編寫新教材的同時,我們還結(jié)合教材內(nèi)容,完成了全套物理化學課程的多媒體課件。根據(jù)課堂教學實際需要,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,10年來,特別是近5年來,通過以老帶新,逐步擴大,教學梯隊的建設(shè)也取得了很大進展,已形成了一支年齡和職稱結(jié)構(gòu)合理、朝氣蓬勃、有實力的教師隊伍。除了課程負責人范康年教授在繼續(xù)講授物理化學外,還有由6名40歲左右的教授、博士生導師組成的物理化學教學隊伍。其中有長江特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、上海市名師獎獲得者、上海市優(yōu)秀教師和上海市啟明星計劃項目獲得者等。在教學團隊的共同努力下,教學質(zhì)量和教學效果不斷提高,課程深受學生歡迎,學生對物理化學課的評分連續(xù)多年都在4.74.9分左右(滿分5分)。由于教學隊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。3)B9在教學改革過程中,我們有以下兩點較深的體會:(1)物理化學課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整不是一個單一課程的改革。從課程自身來講,從微觀到宏觀、從平衡到運動,教學內(nèi)容的銜接要真正做到流暢、循序漸進、前后呼應,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,介紹二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等常作為有機溶劑,在毒物檢驗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,介紹酯化反應可用于動植物油的分析,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,介紹硫醇可與重金屬反應生成難溶性化合物,可作為重金屬中毒的解毒藥等。第三,在課堂講授中適時插入一些有關(guān)化學的史實,介紹諾貝爾化學獎的獲得者及其代表性工作,以開闊學生的知識面,激發(fā)其學習興趣4。如講到苯環(huán)結(jié)構(gòu)時介紹有機化學結(jié)構(gòu)的奠基者凱庫勒；講到鹵代烴與金屬的反應時,介紹格氏試劑的開創(chuàng)者格利雅；講到丙三醇與硝酸反應生成硝化甘油時,介紹諾貝爾等。在幾年的教學改革實踐中,我們感到學生對基礎(chǔ)化學的學習興趣越來越濃厚,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,但學生的平均考試成績卻逐期上升。良好的教學成果鼓舞著我們在改進基礎(chǔ)化學教學質(zhì)量的進程中更加努力。ID1汪小蘭.有機化學.第4版.北京:高等教育出版社,20052張敏,袁先友.大學化學,2005,20(1):183傅建熙.有機化學.北京:高等教育出版社,20004鄭秋容,樸銀實.大學化學,2004,19(6):21(上接第10頁)精雕細琢。同時,物理化學課程的改革也必須和其他課程的改革相配合。復旦大學化學系在物理化學課程改革時,將微觀結(jié)構(gòu)分析的原理和技術(shù)抽提出來,與儀器分析及有機化學中的相關(guān)內(nèi)容組合在一起,構(gòu)成了一門新的基礎(chǔ)課)譜學導論。同時,分析化學的教學內(nèi)容圍繞著/量0這個核心而展開；由于量子力學基礎(chǔ)的內(nèi)容前移,使得二年級下學期儀器分析的教學有了必要的理論基礎(chǔ)。(2)復旦大學有非常好的本科生,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課程改革、提高教學質(zhì)量的最大動力。而要實現(xiàn)對物理化學教學內(nèi)容在結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和改革,教師沒有扎實的基礎(chǔ)和寬廣的知識是做不到的。盡管我們在長達10多年的時間中,已