物理化学专业核心课程与基础课教学的学科渗透与融合

杨志安

（唐山学院，河北 唐山063000）

跨学科教学是现代大学教学发展的重要趋势。当前，提倡和推进跨学科教学已成为高等教育工作者的重要共识。“物理化学”作为工科院校化工类专业核心课程，教学内容应形成纵向以“物理化学”为主线，横向向边缘交叉学科辐射的树形知识结构与科学知识体系［1］84。笔者通过对专业核心课程方面的理论研究和教学实践，阐述“物理化学”教学中的学科交叉、渗透与融合。

一、专业核心课程内涵

专业核心课程是指在人才培养过程中，为实现培养目标，增强学生掌握专业核心课知识的能力，是对提高该专业核心竞争力起决定作用的课程［2］。专业核心课程建设应以单门核心课程建设为基础，将重心放在课程之间的整合上。从打破按学科组织课程的传统方式开始，依托区域背景，立位于学生的培养目标，以学生未来职业发展为方向，根据教学计划构建确定专业核心课程体系中各课程之间的关联。作为专业核心课程体系的教师要熟悉这种关系，了解课程体系中所有课程的教学情况。专业核心课程是公共基础课、专业基础课、专业方向课的有机组合。当然，专业核心课教师包括公共基础课、专业基础课、专业方向课的教师。只有这样，才能使教师从专业核心课程的整体出发，去除课程间的重复内容，合理组织教学与实践，使学生深深体会到理论与实践的关系，激发学生的学习兴趣，提高课程实施效率，从而提高教学质量。

二、“物理化学”课程简介［3］

“物理化学”是化学学科的一个分支，也是工科院校化工类专业核心课程。“物理化学”由化学热力学、化学动力学和结构化学三大部分组成。

化学热力学主要以热力学第一定律和热力学第二定律为基础研究化学变化以及与之相联系的相变化、表面现象和化学的方向、限度及其所伴随的能量得失等。

化学动力学主要研究化学反应的速率和机理，讨论各种因素对化学反应速率的影响规律，探索反应的机理。

结构化学主要研究物质的性质和结构之间的关系，是了解化学热力学和化学动力学本质的基础。在课程设置上一般将结构化学另行开课。

“物理化学”是一门研究物质性质及物质变化规律的基础理论课程。许多专业都将“物理化学”作为专业核心课程，并放在十分重要的地位。

“物理化学”的研究方法主要包括热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。热力学方法是以大量粒子组成的宏观系统为研究对象，以热力学第一定律和热力学第二定律为基础，推导出热力学状态函数变化与热、功和平衡状态的关系。大学本科教材多采用此法。

三、课程间的交叉、渗透与融合教学举例［4－6］

“物理化学”课程的基础是高等数学和大学物理，基础课教师针对学生的专业特点，将课程内容与“物理化学”内容相结合，并与教授“物理化学”课程的教师沟通。当然，承担“物理化学”课程教学任务的教师也要主动与基础课教师沟通，研讨各课程之间的衔接，重复内容的整合，使得三门课程在跨学科层面实现交叉、渗透与融合。

（一）“物理化学”课程与大学物理的交叉、渗透与融合教学举例

气体、热力学第一定律、热力学第二定律是“物理化学”前3章的内容，除去化学变化应用部分之外均是“大学物理”热力学部分的内容。担任“大学物理”与“物理化学”两门课程的教师经过沟通、研讨，将重复部分进行整合，可以形成两种教学计划。

一种是由“大学物理”课教师按照“物理化学”课程选用的教材讲授气体及热力学第一定律、热力学第二定律的内容。除去的部分由“物理化学”课程教师讲授。另一种是“大学物理”课教师不讲气体、热力学第一定律、热力学第二定律，所有的内容留给“化学物理”课教师讲授。不管采用哪种教学计划，只要合理组织教学实践，都会提高教学质量，还会成倍节约学时，使学生更有自主学习的空间。

化学动力学基础是“物理化学”的三大组成部分之一，其基础理论涉及化学反应速率和半衰期等内容，这些内容可以通过大学物理的运动学和原子核物理部分拓展，进而过渡到化学动力学的学习。

物理学中关于速率的定义：速率是指单位时间内物体运动的距离，是物体运动快慢的一种度量。

化学反应速率通常是用单位时间内反应物物质的量的减少或生成物物质的量的增加来表示。

物理学中关于半衰期的定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。衰变是一种化学反应。

例如Ra的衰变为

在“物理化学”中半衰期的定义：原有物质有一半发生反应所需的时间。这里所说的反应指化学反应，当然包括放射性元素的衰变。例如N2O5的分解反应为

式（1）、式（2）均称为一级反应，对于一级反应，反应速率只与反应物浓度的一次方成正比，它的速率方程为

式中，C为反应浓度，t是时间，k1是反应比速率。

积分上式得反应时间与反应物浓度的关系，即

当反应开始时，t＝0，C＝C0，代入上式得常数等于lnC0。因此

对于不同的一级反应来说，t1／2∝k1－1，故也可以用t1／2来表示反应的快慢。

在实际应用中也可以用反应物浓度降级到（1／3）C0或（1／4）C0所需的时间，描述化学反应速率，那就是1／3衰期和1／4衰期，是半衰期概念的拓展。

在“大学物理”教学中，可采用普适的速率定义：单位时间内某一物理量或化学量的变化。

物体的运动速率，就是物体距离的变化。

化学反应速率，就是反应物物质量的减少。

至于半衰期的概念在两门课程中的定义是相同的，只要去掉时间的限制，式（5）或式（6）就是有普适意义了。

（二）“物理化学”课程与“高等数学”的交叉、渗透与融合教学举例

“高等数学”与“物理化学”的交叉、渗透与融合体现在“物理化学”课程的始终。最明显的例子就是全微分函数的应用。

在“高等数学”中讲过全微分函数，就是“物理化学”中的状态函数。“高等数学”教师可以针对以“物理化学”为专业核心课程的学生，将状态函数概念引入全微分函数部分的教学中，则“物理化学”中状态函数特征和麦克斯韦关系式作为难点就迎刃而解。

设z是某系统任一全微分函数，也就是任一状态函数，它是两个变量x和y的函数。即

由于z是全微分函数（状态函数），其二阶偏导数与求导次序无关，因此

将式（9）运用于热力学基本方程（U，H，A，G均为状态函数）

式（11）称为麦克斯韦关系式。

将数学上的全微分函数用状态函数描述，状态函数就具有新的特征和含义。当系统状态确定时所有状态函数必有确定值，状态函数是状态的单值函数。当状态发生改变时，状态函数的改变量只取决于初始终态，而与变化途径无关。当系统经历一系列状态变化，最后回到原来状态时，状态函数z的改变量为零，即z的微变循环量为零，∮dz＝0。麦克斯韦关系式是“物理化学”的难点，按上述讲解方法，根据高等数学全微分函数的数学知识，这一难点就容易解决。

（三）“物理化学”课程与“大学物理”和“高等数学”的交叉、渗透与融合教学举例

“物理化学”与“大学物理”和“高等数学”一个重要隐含联系是相平衡一章的吉布斯相律。它可表述为：“只受外界温度和压力影响的相平衡系统，其自由度数等于组分数减去平衡的相数加2”。用公式表示为［1］89

吉布斯相律讲授策略，要从学生的认知结构出发，讲述相关知识的拓展或迁移。

根据数学知识，对于一个数学系统，独立变量数等于总变量数减去平衡条件的限制数，用公示表示为［1］89

数学系统是一个广义系统，它可以是数学系统本身，也可以是力学系统、生物系统、化学系统，以及更为复杂的社会系统等。

上述数学表述应用于大学物理或理论力学的非自由质点系，就有如下表述：对于含有一个几何质点和k个几何约束力学系统，描述这个系统的独立变数的个数（自由度数）等于3n－l

对学生来讲，可分别通过式（13）或（14）两条途径，将其迁移至式（12）。

从式（13）出发，对于一个只受外界温度和压力影响的相平衡系统，将组分数k与温度和压力两个变数的和看作系统的总变量数，将相数ø看作平衡条件的限制数就自然得到式（12）。

从式（14）出发，非自由n质点力学系统总变量数为3n，对应相平衡系统组分数k与温度和压力两个变数之和；几何约束数l对应相数ø，依此对应关系自然得到式（12）。

“物理化学”与“大学物理”和“高等数学”的交叉、渗透与融合内容还有很多，笔者希望以此为例，举一反三，引起同行注意，起到抛砖引玉的作用。

四、结论

以化工类专业核心课程“物理化学”为例，提出基于专业核心课程“物理化学”的跨学科教学问题，会对“物理化学”教学改革与复合型人才的培养起到推动作用。

为了在有限的课堂教学中获取更高的教学效益，除“物理化学”的教学内容要改革外，跨学科的教学研究更需要加强，以便专业核心课程群之间能有机地结合起来，这样大学课程教学各自为政、相互割裂的局面才能解决。

［1］ 杨志安.“理论力学”教学中的学科渗透与融合［J］.唐山学院学报，2013，26（1）：83－90.

［2］ 岳爱臣，高浩其，熊和平.应用型工程院校专业核心课程的研究与实践［J］.高等工程教育，2007（5）：47－49.

［3］ 陈丙义，郑海金.物理化学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

［4］ 王东云.大学物理教学的学科渗透［J］.高师理科学刊，2009，29（4）：91－93.

［5］ 郑世珍.大学物理教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［6］ 吴鸿萍，张建国.深化教学改革加强跨学科研究——高等数学与理论力学课程教改初探［J］.太原理工大学高等教育研究，1999，17（4）：38－40.