工科物理化學課程教學改革問題分析.doc

工科物理化學課程教學改革問題分析 物理化學是一門以物理學中的基本原理為出發(fā)點，研究和探討化學體系的性質(zhì)和規(guī)律，并最終建立其相關(guān)規(guī)律的學科。 摘要本文從教學內(nèi)容和教學手段兩個方面出發(fā)，聯(lián)系物理化學學科的特點，針對所教專業(yè)學生知識背景的不同，結(jié)合本人科學研究中的所得，探索了幾點工科物理化學教學改革的方向，以改善和提高教學效果，提高學生學習興趣，從而達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，并最終提高學生綜合素質(zhì)的目的。 關(guān)鍵詞物理化學;教學改革 隨著當今科學技術(shù)的深入發(fā)展，物理化學不斷向更多的研究領(lǐng)域滲透與融合，目前已經(jīng)成為化學，化工，材料，生化，制藥，環(huán)境等諸多專業(yè)學生的重要基礎(chǔ)課程。物理化學是將物理原理應(yīng)用于化學相關(guān)學科的一門學科。因此，物理化學不僅具有非常強的邏輯性和系統(tǒng)性，同時也具有很強的應(yīng)用性。物理化學學習既要求學生具備扎實的物理和數(shù)學知識背景，也要求學生具有較強的理論聯(lián)系實際的能力。 物理化學的這種跨學科性和應(yīng)用性加大了對學生的要求，同時也加深了學生學習的難度1。物理化學的知識點從物理基本原理出發(fā)，最終體現(xiàn)為大量的公式。如果學生沒有系統(tǒng)的學習過這些物理原理，在物理化學課程的學習中可能會覺得深奧難懂，并且感覺十分的枯燥。 有些學生在學習這門課程時，面對大量的公式和推導，感覺就像一座大山壓在前面，始終翻不過去，如果擺在他們前面的這座大山長期得不到解決，最終可能會導致學生學習的積極性大大降低，甚至半途而廢。而工科學生往往缺乏比較系統(tǒng)深入的物理知識背景，這也加大了他們學習這門課的難度。因此，物理化學成為工科學生學習中的難學、難懂、學不好的一門課程。 然而，對他們以后的專業(yè)學習和研究來說，物理化學往往是聯(lián)系他們以前所學知識和今后學習和研究的橋梁，起非常重要的作用。因此，如何幫助學生克服學習物理化學課程中的困難，提高學生學習物理化學的積極性和興趣，并提高學生動手能力和創(chuàng)新能力，成為了教師在教學過程中需要不斷探索總結(jié)的研究課題。本文根據(jù)作者在物理化學教學中所做的一些努力和實踐，談?wù)剛€人在物理化學教學過程中的幾點探索和體會。 1注重理論知識的系統(tǒng)性和基礎(chǔ)知識的聯(lián)系性 物理化學源于物理原理，它的分析和講解都是從物理原理出發(fā)的。不理清和學懂這背后的物理原理，往往會使得學生難以準確理解物理化學中的一些基本結(jié)論。而過于強調(diào)和深入到這些物理原理中，又會讓學生迷失學習的方向和目的。因此，對于物理原理的講解，是教學過程中的一大難點，也是學習物理化學課程最開始就要克服和解決的問題。物理化學課程以對理想氣體和真實氣體這一最簡單物相的研究開始，將物理化學中最重要的三大定律，即熱力學第一定律，熱力學第二定律和熱力學第三定律引入了出來。這些熱力學內(nèi)容的學習相對比較枯燥，其中的物理圖像和概念十分的抽象，比如基本概念功和熱，過程與途徑，看似簡單而容易混淆，這要求教師講解的時候要多舉一些生活中實際的例子。 比如對過程和途徑的解釋，可以舉個實際的例子。比如，用從家到超市買東西這同一過程，可以采取不同的交通工具和不同的路線來實現(xiàn)，這對應(yīng)于同一個過程可以有不同的途徑。比如狀態(tài)函數(shù)焓和熵，教材中的概念似乎不那么直觀，但是教學中可以從數(shù)學的語言，用公式的形式一步步把它們推導出來。而通過卡洛定理以及克勞修斯不等式推導出來的熵，從數(shù)學表達式上看它代表熱除以溫度，也就是熱溫之商，這恰好跟它右邊的商字吻合。教學中采取公式推導加形象化描述的手段，讓這些抽象的概念變得更加直觀，也讓學生的學習和理解變得更加生動有趣。 從熱力學第一定律到第二定律，再到第三定律，可以通過簡單的公式推導一步一步證明而來。通過這樣的講解，學生學習熱力學三大定律的時候也就不會那么枯燥無味，反而可以體會到熱力學三大定律中用數(shù)學語言描繪的物理原理，體會到其中數(shù)學語言的強大以及科學的嚴謹，讓學生學習的興趣陡增。以類似生動有趣又簡單易懂的方式教學不僅使得學生不會對大量的公式厭煩，反而慢慢地喜歡上公式表達的樂趣。 物理化學中公式雖然多，但是跟隨教師形象生動的講解，學生能夠一步一步通過推導將公式聯(lián)系起來。學生只要注意好了其中的聯(lián)系，理解了其中的核心概念，學習起來就比較容易了。當學習到多組分系統(tǒng)的時候，大量的數(shù)學推導和表達式隨之而來，這時的重點可以放在公式最終結(jié)論背后的物理意義，而不要過分強調(diào)公式的推導過程?？傊プ±碚撝R的系統(tǒng)性以及基礎(chǔ)知識的聯(lián)系性，能使得物理化學的學習從枯燥變得明朗。形象化的講解讓物理化學的學習變得輕松愉快起來。 2因材施教，針對不同的專業(yè)適當變化重點內(nèi)容 工科專業(yè)的學生學習物理化學，由于工科所研究的方向之多，隨著所學專業(yè)的變化，我們的側(cè)重點也可以略微有所不同2。工科學生更加注重學生對相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和可能從事的特定行業(yè)的學習。例如對于材料專業(yè)的學生來說，很多材料的熱處理與加工(比如鋼鐵的煉制)非常重要。材料在加工和處理的過程中，依據(jù)的最基本原理就是相圖，所以教師在講授時可以對相圖進行更深入詳細的講解3。 相圖看似是由一些簡單的線條組織而成，但實際上它是材料性能和變化過程最直觀而豐富的表示。利用相圖，我們可以對許多材料進行加工和處理。比如從水的單組分相圖中，我們可以觀察到水在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變的過程。過冷水這種亞穩(wěn)態(tài)的存在也可以用相圖上水氣線的延長線來表示，而亞穩(wěn)態(tài)之所以存在，可以用下冊界面現(xiàn)象這一章中彎曲液面的附加壓力及其后果這一節(jié)的知識點來解釋。 通過這樣的方式將不同章節(jié)的兩個知識點聯(lián)系起來，學習相圖的時候我們可以指出為什么亞穩(wěn)態(tài)會存在這么一個問題，簡單講解其中的原理，把問題引到界面這個問題上去，好奇的同學也許就會主動學習其中的緣由。當學習到界面這一章時，又可以回顧相圖中這一條延長線，再次加深學生的印象。這樣通過把知識點聯(lián)系起來學習的方法，必然能夠提高學生學習的興趣，加強學習的效果。另外，兩組分固態(tài)互溶系統(tǒng)相圖中的水-鹽相圖，可以用來解釋結(jié)晶法分離鹽的過程。通過水鹽系統(tǒng)的兩組分相圖，對水鹽系統(tǒng)進行合理的濃縮處理，使得水鹽系統(tǒng)的濃度剛好大于其三相點，再通過降溫結(jié)晶的辦法，就可以把水鹽給分離開來。這也屬于材料分離處理的一種方法。同時，兩組分固態(tài)相圖也是鐵碳合金也就是鋼這種材料熱處理的基本原理所在。偏析和退火，一個要利用兩相轉(zhuǎn)化的不平衡，一個要減少兩相轉(zhuǎn)化的不平衡，在不同的材料處理過程中，都可以用來改善材料的性能。 通過這樣的方式對相圖進行講解，可以力爭使得原本抽象難學的相圖變得更加生動有趣，從而提高學生學習的效果。對于化工專業(yè)的學生，可以將化學動力學這一章的一些原理跟工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系起來進行詳細講解。動力學的原理，可以指導我們最大化的獲得我們所需要的工業(yè)產(chǎn)品。總之，針對不同專業(yè)的學生講解時，物理化學課程的所有知識面都要遍及，但是側(cè)重點可以稍有不同，聯(lián)系學生所學的專業(yè)與生產(chǎn)實際相結(jié)合進行講解，加強學生的專業(yè)學習成就感，更能激發(fā)學生的學習興趣。 3注重物理化學課堂教學與物理化學實驗相結(jié)合的教學手段，加強學生的動手能力 物理化學雖然是一門理論課程，屬于理論化學的范疇，但是它也是一門應(yīng)用性很強的課程。如果能夠在教學中把握這一點，特別是能夠加入物理化學實驗的話，對學生的動手能力的加強以及理論知識的學習也會有很大的幫助4。 與課本知識相結(jié)合，我們在教學過程中安排了如下一些實驗：在熱和焓的相關(guān)學習中安排了燃燒熱的測定實驗，實驗過程也可以讓學生更加深入理解熱力學第一定律這一章節(jié)的知識點。安排的第二個實驗是液體飽和蒸汽壓的測定，這個實驗有利于學生加深理解氣液兩相平衡的概念以及克-克方程。安排的第三個實驗為二元金屬相圖，實驗用熱分析法測繪Pb-Sn二元金屬相圖。這個實驗讓學生對相圖有了更深入的了解，使得相圖變得不再抽象，而是逐漸明晰起來。 動力學這一章節(jié)安排了乙酸乙酯皂化的一個二級反應(yīng)。這個實驗用電導法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)的速率常數(shù)和活化能。電化學這一章節(jié)安排了電化學綜合性實驗，這個實驗用動態(tài)方法測定不銹鋼在硫酸溶液中的陽極極化曲線，測定鎳在硫酸溶液中的陰極極化曲線和陽極極化曲線。 這幾個實驗的設(shè)計，不但鍛煉了學生的動手能力，也能夠讓學生從枯燥乏味的理論學習中脫離出來，用實際而生動的實驗體會到理論的本質(zhì)，從而讓物理化學的學習變得更加有趣。學生在認真實驗的同時甚至還能從實驗室找到自己從事科學研究的樂趣，這為以后學生從事相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)研究和科學研究都有很大的幫助。 4科學研究與課堂教學緊密聯(lián)系，充分調(diào)動學生的學習積極性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和能力 課本知識的學習，往往更加注重基礎(chǔ)知識的系統(tǒng)性與普及性。長時間的課本學習，往往容易使學生感覺乏味。此時，如果能將課本的學習與工業(yè)生產(chǎn)，或者更加前沿的科學研究結(jié)合起來，有時候會對學生的學習起到很大的促進作用。比如界面現(xiàn)象章節(jié)中對表面與界面中所涉及到的問題的學習，化學反應(yīng)動力學章節(jié)中對反應(yīng)速率和活化能等知識點講解，可以通過一些實際的科學研究課題將它們聯(lián)系起來。 在快講解完這兩章節(jié)時，作者給學生講解了一篇關(guān)于鈀摻雜的氮化硼用于催化氧化一氧化碳的理論研究論文。這個研究大致描述的是，一氧化碳存在于汽車的尾氣中，可以采用適當?shù)拇呋瘎⑺谂欧诺酱髿庵把趸?，從而變成一種無毒的氣體。這個問題本身比較簡單，學生也容易理解和接受。論文中采用的是計算化學的研究手段，具體計算過程學生可以不用詳細研究。 而其中的核心過程最初涉及到了CO，O2，以及氧原子在氮化硼納米管上面的吸附，這個吸附過程發(fā)生在界面與表面上，其中就分別涉及到了物理吸附和化學吸附。這對應(yīng)于界面這一章節(jié)的內(nèi)容，通過CO，O2等分子在氮化硼納米管上面吸附的講解，可以讓學生更加深入地理解界面吸附的過程和性質(zhì)。文中提出了三種反應(yīng)機理，論文用圖像直觀地描述了反應(yīng)的機理與過程，而文中涉及的知識點基本都于化學動力學這一章節(jié)的內(nèi)容。授課時對這篇論文進行簡單的講解，對于學生學習界面以及動力學相關(guān)內(nèi)容必然大有益處。這不僅促進了學生學習的興趣，同時也加深了對知識的理解。這對學生以后無論是從事相關(guān)科學研究，還是工業(yè)生產(chǎn)實際都大有益處6。 5結(jié)語 由于物理化學學科的邏輯性，跨學科性和抽象性，使得物理化學成為了大學工科專業(yè)中一門比較難學，難教的一門課程。我們從多年的教學經(jīng)驗總結(jié)出了工科教學的幾點探索。首先要注重理論知識的系統(tǒng)性以及基礎(chǔ)知識的聯(lián)系性，使得物理化學的學習變得有章可循。其次，針對不同專業(yè)的學生講授時，可以聯(lián)系學生所研究專業(yè)的不同采取因材施教的教學方法。聯(lián)系學生所學的專業(yè)與生產(chǎn)實際相結(jié)合進行講解，加強學生的專業(yè)學習成就感，激發(fā)學生的學習興趣。再者，理論教學需要和實驗教學相結(jié)合起來，理論聯(lián)系實際，讓學生能親身感受得到其中的物理化學思想。最后將課本的學習與工業(yè)生產(chǎn)以及前沿的科學研究結(jié)合起來，有時候會物理化學的教學產(chǎn)生很大的促進作用。 參考文獻 1盧榮，王飛利.工