引入前沿成果提高物理化学课教学质量

慈成刚 何丹凤

物理化学课程作为一门化工专业的基础理论课程，既承担着将无机化学、有机化学和分析化学等课程的知识上升到更高理论层次的责任，也扮演着承担化工原理、化学反应工程等课程的理论基础的角色[1]。另一方面，物理化学作为一门研究化学体系中物质结构和变化基本规律的学科，从20世纪以来，通过量子力学和现代物理方法，在化学热力学、化学动力学、结构化学和电化学等领域取得了大量令人兴奋的科研成果，加上物理化学和其他学科的交叉和渗透，驱动了很多新颖的，如生命、材料、能源和环境等前沿研究领域[2-4]。本文将以大庆师范学院化学化工学院化工专业本科生教学为例，从物理化学前沿成果的获取、前沿成果的引入在提高教师课堂教学以及学生学习效率等方面的作用，就引入物理化学前沿成果对课程教学质量的提高进行初步的探讨。

一获取前沿成果的方式

1教学科研相结合

随着科学技术手段的进步，学科之间的不断融合与交叉，物理化学的研究成果也早已实现了在电子-原子-分子水平上去探索物质的性能和演化规律[3]。前沿的最新成果日新月异，全面把握前沿成果似乎不太可能，但是初步的了解还是能够做到的，最好的途径就是教师自身的科学研究。缺少科研的教学没有底蕴，缺少教学的科研不够全面。只有将教学和科研紧密结合，既传递知识，又探索、创新知识，教学相长，才能促进教学的良性循环和科研的高效发展。在科研中，无论教师还是学生都在不断地总结前人的成果，发现未解决的问题，寻找新的方法，提出新的观点，取得新的成果。这些过程无时无刻不与科研最新的动态紧紧相连。因此，教研相结合不仅是获取前沿成果的最佳途径，更是培养创新型人才的必要手段。

2其他途径

物理化学是隶属于化学的二级学科，个人研究方向更是物理化学中的“三级学科”。因此，仅通过个人科研工作还很难全面把握物理化学的前沿成果。想要获取这些成果，就需要通过一定的途径。国家自然科学基金委员会定期的学科前沿总结以及获批项目的研究方向为物理化学的前沿成果提供了一个很好的导向；再者，物理化学杂志超过120种，其中以美国、中国、英国、德国、荷兰等国为主的化学会承办的各种主流学术杂志如：Journal of Physical Chemistry A/B/C（简称JPC）， Journal of Chemical Physics（简称JCP）等发表了大量的学术成果。根据ESI（Essential Science Indicators）对1999年1月1日至2009年6月30日期间所有杂志发表论文和引用数目的统计结果显示，JPC系列杂志发表论文44724篇，被引用586924次（在世界所有杂志中排名第10，化学类排名第2），JCP杂志发表文章25071篇，被引用376662次（在世界所有杂志中排名第20）[4]。可见这些学术杂志和期刊上刊载的成果很好地反映了物理化学学科发展的程度和深度。此外，国内外定期举办的化学会议为物理化学近期取得的成果和未来展望提供了很好的总结；当然，国内外重要的物理化学实验室、课题组的成果也为了解物理化学的前沿成果提供了很好的启发。

二结合前沿成果提高课堂教学质量

1合理引入前沿成果

物理化学作为一门基础课程，其教学内容大体分为：化学热力学、化学动力学、量子化学和统计力学。大多数教师头脑中都存在一种“基础课程的内容是经典的知识，不存在更新的理由”的思维定势。因此，教师应当结合教学内容，获取相关的前沿成果，简单而且清晰地介绍成果的基本原理和基础知识之间的联系。以量子化学为例，自1900年，从普朗克提出辐射量子假说开始，通过爱因斯坦、狄拉克、海森堡等人被建设成了一门物理化学的重要的分支学科。课程内容的讲述也基本局限于这些经典内容。实际上，量子化学作为强大的理论工具，能够很好地帮助人们认识微观世界。1998年的诺贝尔化学奖授予两位卓越的量子化学家：美国加利福尼亚大学的沃尔特·科恩（Walter. Kohn）和美国西北大学的约翰·波普尔（John A. Pople），以奖励他们在密度泛函理论和量子化学计算方法方面的贡献。这是对量子化学在科学界地位的充分肯定。然而，在教科书中，对于这些前沿成果的介绍和应用却是难得一见，显然是不合适的。在此，教师可以用简单的氢气分子或甲醛等简单分子为例，介绍求解薛定谔方程的原理，进而得出微观结构中的能量、结构参数等简单信息。这样既使学生对所学知识的用途有所了解，激发了学生的学习兴趣，又不会使学生陷于繁琐的公式推导。

2经典内容和前沿成果相辅相成

物理化学家Atkins早在1987年就指出，“传统的物理化学已经处于革命的前夜，因为化学家终于可以关注真实而且高度复杂的体系了，新课程必须反映这个巨大的变化，计算机正在开始改变我们的思维以及教学的方式”[5-6]。经典的教学内容相比于前沿的成果似乎略显陈旧，而且在受到考研、课时量减少、和无机化学、大学物理等课程存在重复内容等因素的影响下，各类高校都在精简物理化学经典内容的比重，这是一种很好的现象。但在精简过程中，教师应该注意到，经典内容是物理化学学科的根基，也是前沿进展的基石。在讲述这些经典内容时，一定要把握住经典内容的核心所在，让学生能够抓住主线，不要仅关注前沿，而忽略基础。以热力学三大定律为例，其核心所在就是如何使用这三大定律去判断化学反应的方向、限度以及能量转换的问题。这部分内容在无机化学中已经有过简略的介绍，因此，教师完全可以让学生进行预习，在课堂讲解的同时，引入前沿成果。例如，引入线性和非线性非平衡态的热力学，对比平衡态的热力学，在开放体系中判断系统变化的方向和限度，区分平衡态和耗散结构。但要注意，应仅限于原理和概念的简单介绍，这样既巩固了平衡态热力学，又开拓了学生的眼界，而且不会陷于前人的争论以及复杂的数学推导。

3引入前沿成果要配合教育理念的更新

在教学中，前沿高新技术信息的融入，既可以使教师在物理化学的教学时，感到时代感与吸引力，同时还可以培养学生的科学素养，使其具有更加明确的学习目的性[7]。然而，机械地介绍前沿成果，往往会占用大量课时，降低学生学习的积极性，使教学内容主次不清，知识混乱。因此，引入先进前沿的成果，更需要先引进先进的教育理念。美国教育家杜威指出：教育并不是一种“告诉”和“被告诉”的事情，而是一个主动和建设的过程[8]。我们应当以学生为中心，以学生为主体，尊重学生提出的问题，解答学生的疑惑。首先，改变填鸭式的教学模式，跳出教师的主观误区，即，教师总是认为课时太少，怕学生学得不够多，理解得不够深，考试的成绩不够理想等等。这样做的结果很有可能使学生的学习从主动变成被动。因此，教师应当教会学生学习，使学生能动地自主学习，主动提出问题，提出知识的前沿应用。其次，提高教师指导作用。教师应当在有限的课时内，合理安排教学内容，适当引入前沿成果，激发学生的学习灵感，引导学生探索课程内容，提出个人见解。再者，因材施教。注意优秀学生以及多数学生的鲜明个性，尊重他们的独特见解，因势利导，使学生产生学习的兴趣，发挥学生的优势，从而加深学生对课程内容的理解。

三课堂外延，提高学生应用能力

受限于课堂教学的时间，经典基础知识和前沿成果之间本末关系的影响，在课堂上不可能大篇幅地讲述科研的成果，课外教学讨论就成为了一个扩充课堂内容、提高学生能力的有效途径。以大庆师范学院化学化工学院2010级的学生为例，我们将每一章的最后一次课设置成习题讨论课。在此之前，教师会将本章的重、难点内容以及相关的前沿热点预先布置，引导学生分组去查找相关资料和文献，进行小组讨论，形成自己的观点，最后带到课堂上进行成果展示，小组之间进行讨论，并将学生的成果纳入最终的成绩考核，满足学生的成就感。以相律为例，相律的知识不仅是物理化学的重要知识，更是化工原理的重要基础。根据学生人数，我们将学生4-5名分为一个小组。教师事先将石油精炼的内容以及科研成果的查找方法告知学生，经1-2周的准备，让学生形成简单报告，进而在课堂上，每个小组就自身感兴趣的问题进行介绍，进而小组间谈论。促使学生反复思考，互相启发，进而对课堂上基础知识进行反馈，再接受，同时对知识应用和前沿成果简单了解，最终深刻地掌握课程内容的实质，激发了学生探索未知世界的兴趣。

物理化学学科发展日新月异，前沿成果层出不穷。物理化学课程教学内容相比之下略显陈旧。为了适应社会对于人才的要求，改革物理化学的教学模式，已经成为一个亟待解决的问题。前沿成果的引入对于提高物理化学的教学效果，加深学生对知识的理解，提高学生的学习效率等都是一个行之有效的途径。

参考文献

[1]彭昌军，史济斌，胡军，刘洪来，黑恩成.从充分发挥专业基础课程作用的视角论物理化学课程的教学内容[J].化工高等教育， 2012（1）： 12-14.

[2]教育部高等学校教学指导委员会通讯[J]. 2010（8）.

[3]高飞雪，杨俊林.把握物理化学研究前沿完善科学基金重点项目领域立项与管理工作[J].物理化学学报， 2009（25）： 806 - 816.

[4]杨俊林，高飞雪，田中群.物理化学学科前沿与展望[M]，北京：科学出版社， 2011.

[5]Atkins P W，赵慕愚.物理化学课程的新趋势[J].大学化学，1988（3）：61 - 62.

[6]朱志昂.物理化学课程教学内容和教学方法的改革大学化学[J].2012（5）： 9 - 13.

[7]栾敏杰，浦丽莉，刘丽丽.提高学生学习物理化学课的兴趣[J].教书育人（高教论坛），2012（10）：98 - 99.

[8]约翰，杜威.民主主义与教育[M].王承绪，译.北京：人民教育出版社， 2001.