大物理化学课程教学体系的形成和改革实践.pdf

第22卷第3期大学化学2007年6月教学研究与改革v8Ll范康年陆靖(复旦大学化学系上海200433)1S=C物理化学是大学化学类专业的一门重要基础课。按照国内大学化学系传统的课程体系编排,一般先讲授无机化学、有机化学和分析化学等描述性内容较多的化学课程,在此基础上,以物理化学和结构化学作为各种化学现象的理论总结,放在高年级开设。最初,物理化学课程包括化学热力学、化学动力学、电化学等内容,后来又增加了统计热力学。结构化学则包括量子力学基础、原子分子结构和化学键理论、晶体结构等,后来又补充了分子光谱等微观结构测定的原理和方法。在具体处理上,物理化学和结构化学作为两门独立的课程开设,一般先开设物理化学,后开设结构化学。两门课程的内容互相独立,彼此之间没有明显的联系,任课教师各自授课,很少相互通气、交流和整合教学内容。国际上大学物理化学教学的发展很快。最近10多年来出版的大多数物理化学教材已经突破了传统的物理化学和结构化学的分界线,将微观理论和宏观原理有机地结合在一起,由此构成了新的大物理化学教学体系。比较流行的一种大物理化学教材编排方式是:将整个物理化学教学内容依次分成平衡、结构和运动3个主要板块,其中平衡板块包括化学热力学、溶液、相平衡、电化学热力学等；结构板块包括量子力学基础,原子分子结构和化学键理论,晶体结构以及微观结构的测定原理和方法等；运动板块包括统计力学、化学动力学和非平衡态热力学等内容。设课的方式比较多样化,有大课,也有将物理化学课程拆成若干较小的课程,分别进行讲授,有分有合。2!XLl复旦大学物理化学课程经历了半个多世纪的历史沿革过程。20世纪50年代初,顾翼东、吴浩青、吴征铠等曾讲授过复旦大学的物理化学,当时的课程包含了热力学、动力学和电化学。1954年增设了物质结构课程,由吴征铠、薛志元先后讲授该课程。与此同时,周介湘还开设了结晶化学课程。上述课程状况一直延续到1966年。1979年,复旦大学化学系恢复了物理化学和结构化学课程,前者包括热力学、动力学和电化学等主要部分,而后者则包括了以前的结构化学和结晶化学的内容。朱京、邓景发、江逢霖等先后讲授物理化学,结构化学课程主要由范康年讲授。20世纪80年代中,在文革后恢复高等学校教学秩序和内容,形成一个基本稳定的教学框架以后,国内大学化学教育界对物理化学课程如何进行新一轮建设开展了讨论。当时在山东8大学召开了物理化学教材编审组和结构化学教材编审组联席会议,国内很多有影响的物理化学(包括结构化学)教授参加了这次盛会。时任理科化学教材编审委员会主任的唐敖庆院士提出:(1)教材建设要适应近代化学学科发展的趋势；(2)化学正从宏观走向微观,从定性走向定量,从体相走向表相；(3)作为化学系基础课的物理化学和结构化学,应该在内容上有所调整和更新,以期做到宏观和微观相结合,理论和应用相结合。根据物理化学学科发展的趋势和特点,以及当时国内大多数物理化学教学第一线教师研讨所产生的共识,复旦大学化学系产生了将宏观物理化学与微观结构化学有机结合成一个大物理化学体系,并逐步使微观理论成为学习物理化学原理的重要基础的设想。按照这个设想建设的物理化学课程将有别于作为复旦大学化学系入门课程的普通化学原理,比普通化学原理有更深的层次。我们的教学实践分为两个主要阶段。第一个阶段主要开始于20世纪90年代。首先试图将宏观物理化学与微观结构化学有机结合成一个大物理化学体系,大体结构依次是化学热力学、量子力学基础和结构化学、统计热力学、化学动力学和电化学,并按照这一结构开展教学和编写教材。1993年,由邓景发和范康年按照新的思路编写的5物理化学6(第1版)出版1。1994年,在教学计划中正式将物理化学和结构化学合并为新的物理化学课程,分3学期讲授,分别为物理化学()化学热力学,物理化学()量子力学基础和结构化学,物理化学()统计热力学、化学动力学、电化学。但相比于教材结构的安排,实际教学结构调整的难度则要大得多,周期也长得多。在第一轮教学时,新物理化学的教学安排是:三年级上学期教授物理化学(),三年级下学期并行教授物理化学()和物理化学()。到第二轮教学时,教学安排调整为:二年级下学期讲授物理化学(),三年级上学期并行讲授物理化学()和物理化学()。第三轮讲课时进一步调整为:二年级下学期并行开设物理化学()和物理化学(),三年级上学期开设物理化学()。在教学实践中,我们对探索如何在物理化学教学中实现宏观和微观相结合,取得了比较成功的经验,并得到同行的肯定。5物理化学6(第1版)1先后获得教育部和上海市优秀教材一等奖,物理化学课程被评为全国优秀创名牌课程。在此基础上,从2001年开始,我们又开始了第二阶段实践。1998年,在诺贝尔化学奖授予了因发展量子化学计算方法而作出杰出贡献的波普尔和科恩后,化学已经从一个实验性学科发展成一个理论和实验并重的学科。我们认为,化学学科的这种变化趋势一定会反映到大学化学教学中来。大学化学的课程结构也将从先讲描述性内容,然后抽提总结化学原理,逐渐转变为用化学原理为指导,去理解认识化学现象和化学规律。具体到物理化学教学中,微观理论将逐渐成为学习物理化学原理的基础。与此相映照,在具体教学安排上,微观内容(主要是结构化学内容)将移到物理化学课程的最前面讲授,然后通过统计热力学,实现教学内容从微观到宏观的过渡；在此基础上,再讨论平衡体系热力学和反应体系动力学等方面的性质,赋予教学内容以更深的内涵。2002年,复旦大学进行了全校性课程结构调整,将本科课程重新设置为综合教育、文理基础教育和专业教育3部分。自然科学大类各专业的学生在进校第一年都要完成高等数学(10学分)、大学物理(10学分,含2学分实验)、普通化学(5学分,含1学分实验)和现代生物学导论(3学分)等课程的学习。这样的课程安排为化学专业课程、特别是物理化学课程的进一步调整创造了非常有利的条件。经过全系教授的讨论,从2002年开始,我们将物理化学()前9移到二年级上学期开设。这样,在一年级的高等数学、大学物理和普通化学课后马上安排物理化学课程,而且是从微观原理开始,教学内容的衔接上显得紧凑合理,有利于学生学习。同时,为了帮助学生掌握学习量子力学基础和结构化学所需要的线性代数等数学知识,二年级上学期化学系又安排了应用数学课程。而物理化学()和物理化学()分别安排在二年级下学期和三年级上学期开设。按照上述教学思想和实践体会,我们从2004年开始对物理化学教材进行了修订,并于2005年6月由高等教育出版社出版了5物理化学6(第2版)2。第2版教材的基本结构是,从量子力学基础开始,依次介绍原子、分子和晶体结构及各种化学键理论,微观结构的测定原理和方法,并通过统计热力学将微观原理过渡到化学热力学,下面依次是相平衡、非平衡态热力学、化学动力学、电化学。这本教材是教育部/高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划0的研究成果,也是面向21世纪课程教材和普通高等教育/十五0国家级规划教材。高等教育出版社为本书的编辑做了大量工作,尤其是全书采用双色套印,为整个教材增色不少。在新的教材中能明显体现宏观和微观结合的内容主要有:(1)热力学三大定律的统计解释)从微观演绎和宏观归纳两个角度引出热力学三大定律；(2)理想气体反应平衡常数的统计热力学计算)在讨论化学平衡体系热力学时加入了用配分函数计算平衡常数的介绍；(3)基元反应的速率理论)从原子分子层次介绍基元反应碰撞理论、过渡态理论和轨道对称守恒原理；(4)分子反应动力学)采用量子力学原理介绍态2态反应、势能面和反应途径等。此外,新教材还根据学科的发展新增了部分内容,包括群表示理论及其在化学中的应用；量子化学计算方法和分子性质的计算；临界点和超临界现象,液体中的分子相互作用,以及超分子结构化学及分子组装；非晶态的概念、结构和应用；现代表面化学研究内容,表面性质对表面反应性能的影响,以及表面吸附态和表面反应机理；传递过程和非平衡态热力学；分子反应动力学中的波包理论,超快反应动力学的基本原理和进展等。在编写新教材的同时,我们还结合教材内容,完成了全套物理化学课程的多媒体课件。根据课堂教学实际需要,灵活采用PPT投影等多媒体技术和粉笔板书等传统方式。在课程和教材建设的同时,10年来,特别是近5年来,通过以老带新,逐步扩大,教学梯队的建设也取得了很大进展,已形成了一支年龄和职称结构合理、朝气蓬勃、有实力的教师队伍。除了课程负责人范康年教授在继续讲授物理化学外,还有由6名40岁左右的教授、博士生导师组成的物理化学教学队伍。其中有长江特聘教授、国家杰出青年基金获得者、上海市名师奖获得者、上海市优秀教师和上海市启明星计划项目获得者等。在教学团队的共同努力下,教学质量和教学效果不断提高,课程深受学生欢迎,学生对物理化学课的评分连续多年都在4.74.9分左右(满分5分)。由于教学队伍的紧张状况得到有效缓解,班级规模也逐渐从原来200多人的大课改成100人左右的中等规模课程,更有利于师生互动。3)B9在教学改革过程中,我们有以下两点较深的体会:(1)物理化学课程结构的调整不是一个单一课程的改革。从课程自身来讲,从微观到宏观、从平衡到运动,教学内容的衔接要真正做到流畅、循序渐进、前后呼应,还有很多地方需要(下转第21页)10若为酒后驾车,再采用顶空气相色谱法分析饮酒者血液中乙醇的含量,给出定量值。讲到卤代烃时,介绍二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等常作为有机溶剂,在毒物检验中用于提取生物检材中的某些毒物。讲到羧酸及其衍生物一章时,介绍酯化反应可用于动植物油的分析,对氨基苯酚与乙酸作用可合成解热镇痛药对乙酰氨基酚(扑热息痛),乙酐与水杨酸作用可合成乙酰水杨酸(阿司匹林)。讲到硫醇的性质时,介绍硫醇可与重金属反应生成难溶性化合物,可作为重金属中毒的解毒药等。第三,在课堂讲授中适时插入一些有关化学的史实,介绍诺贝尔化学奖的获得者及其代表性工作,以开阔学生的知识面,激发其学习兴趣4。如讲到苯环结构时介绍有机化学结构的奠基者凯库勒；讲到卤代烃与金属的反应时,介绍格氏试剂的开创者格利雅；讲到丙三醇与硝酸反应生成硝化甘油时,介绍诺贝尔等。在几年的教学改革实践中,我们感到学生对基础化学的学习兴趣越来越浓厚,课堂气氛越来越活跃。虽然试题平均难度水平逐期有所提高,但学生的平均考试成绩却逐期上升。良好的教学成果鼓舞着我们在改进基础化学教学质量的进程中更加努力。ID1汪小兰.有机化学.第4版.北京:高等教育出版社,20052张敏,袁先友.大学化学,2005,20(1):183傅建熙.有机化学.北京:高等教育出版社,20004郑秋容,朴银实.大学化学,2004,19(6):21(上接第10页)精雕细琢。同时,物理化学课程的改革也必须和其他课程的改革相配合。复旦大学化学系在物理化学课程改革时,将微观结构分析的原理和技术抽提出来,与仪器分析及有机化学中的相关内容组合在一起,构成了一门新的基础课)谱学导论。同时,分析化学的教学内容围绕着/量0这个核心而展开；由于量子力学基础的内容前移,使得二年级下学期仪器分析的教学有了必要的理论基础。(2)复旦大学有非常好的本科生,他们对于教材内容的钻研和理解,是教师能够比较顺利开展物理化学课程改革、提高教学质量的最大动力。而要实现对物理化学教学内容在结构上的调整和改革,教师没有扎实的基础和宽广的知识是做不到的。尽管我们在长达10多年的时间中,已