基础课物理化学教学中的几个关系

基础课物理化学教学中的几个关系

培养创新人才是当前学校工作的目标，提高创新能力必须通过扎扎实实的教学和科研工作来实现。由70多位专家撰写的自然科学学科发展战略调研报告《物理化学》卷中提出：“实践表明，凡具有较好物理化学素养的大学毕业生，适应能力强，后劲足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿。”可见物理化学(含结构化学)课程在培养创新人才方面的作用与地位。讨论新形势下物理化学课教学中的几个关系对课程建设非常重要，对其他课程的改革不无借鉴作用。

一、经典原理与内容更新的关系

翻开100年前的物化教材与当今的相比，无疑有巨大的差别，但其基本框架又是大同小异，因为物理化学长期发展的经典理论体系为物理化学乃至化学学科奠定了理论基础，但是经典原理，随着整个科学的发展又有了新的认识和内涵。

以熵为例。熵这一经典的重要概念经历了150年后，有了如下新的认识：1．对熵的地位的认识，传统的看法以为“能”是宇宙的女主人，“熵”是她的

影子，后来有人提出不同的看法：“在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为他规定整个企业的经营方式和方法，而能原理仅仅充当簿记，平衡贷方和借方”。

2．在熵的概念上由可逆过程热温商及熵是有序无序的度量发展为负熵，信息熵……从而由物理学伸向信息科学、生命科学……

3．在熵变与过程方向的关系上，无引力场下的熵变预示着退化式的变化，即由非热平衡变为热平衡、有序变为无序，而引力场下的熵变预示着进化式的发展，即由热平衡发展为非热平衡，由无序向有序、由简单到复杂、由低级到高级，这与人类社会发展乃至宇宙的进化规律相吻合。可以说古老的科学规律焕发了青春。大物理学家惠勒曾说过：“一个人如果不懂得熵是怎么回事，就不能说是科学上有教养的人”。

活化能概念是化学动力学中的核心概念，是19世纪晚期由阿仑尼鸟斯提出，认为普通反应物分子吸收能量转变为活化分子反应才能发生。据此解释了随温度升高反应速率加快的事实，且活化能恒为正。一百多年来，活化能一直是十分活跃的概念，是研究的前沿。其主要进展有：

1．研究发现，绝大多数反应(即使像氢、氧这样简单的分子生成水)不是一

步完成而是经历了多步(基元反应)完成，因此在总反应层次上活化能并不具有如阿伦尼鸟斯所说的物理意义，不过就是反应速率的温度系数而已。

2．负活化能：研究发现许多反应的活化能为负值，其中原因为基元反应中有大放热反应导致总反应活化能为负值，而基元反应的负活化能则是发生“超催化”的原因。

3．现代反应动力学研究发现，对活化能不仅有数量的要求，更对能量品种(平动能、转动能、振动能)有特定的要求，这就是活化能的选择性，面对如此迅速的发展，不同层次的教学中并没有得到充分的响应。

总之，在教学内容的更新上，不仅要增加化学上的新发现，而在经典内容的现代诠释上同样要给予重视。当然，有些经典原理过于陈旧而应淘汰，如勒·夏特列原理。

二、基本理论与基本方法的关系

物理化学理论体系形成的同时，相应地形成了有价值的物理化学基本方法，这些方法或者是从相邻学科移植过来的，或者为物理化学学科所独创。要授人以渔，就是要在准确讲解基本原理同时，必须提炼出主要方法加以讲解，指导学生举一反三。深刻认识并掌握这些基本方法，对于学习物理化学及其他相关学科也是十分有益的。许多学生反映，方法论促进了对物理化学原理的理解，解题思路宽了，科学思维能力提高了，其效果说成“如虎添翼”一点不为过。

以“状态函数法”为例，在热力学中有一类函数称为状态函数。如热力学能、焓、熵等，其基本性质是其改变量只与始终态有关，而与通过何种路径无关。根据这一特性，提炼出“状态函数法”，即在相同的始终态间，能动地设计可进行计算的过程来解决问题；当这些状态函数中有的不能用实验直接测量时，则通过变量变换转化为实验可测量的量来表述；当这些状态函数如熵无法确定绝对值时，则通过确定标准态，把某个状态的热力学量表示为与标准态的差值，犹如地球上的高度以海平面为零高度一样。这些方法都是状态函数特性的体现。由“状态函数”提升为“状态函数法”，其内涵得到了充分的发掘，其作用几乎贯穿于整个平衡态热力学的推理及解决问题之中，既是物理化学科学思想的体现，又是解决问题的重要方法。

物理化学中还经常运用“线性化方法”，即把高阶方程经一定的数学操作或设计实验(对数操作、倒数操作、微扰法……)降阶为一次线性化方程，由此设计实验、处理实验数据，获得各种参数(反应速率常数、活化能、焓变……)和热力学与动力学规律。如H+OH→H20这个反应转瞬即逝，通常的动力学方法根本无法测量，但采用微扰法，应用弛豫动力学原理，可将高阶动力学方程转化为一级动

力学方程，通过弛豫时间的测定而求得反应速率常数和活化能等，而弛豫方法又为力学、声学等物理学中所运用。线性化方法，是热力学、统计力学、化学动力学等物理化学中普遍使用的方法，也为化学学科及相邻的学科所普遍采用，在原理的推演，实验设计与数据处理中非常有效。

教学实践中相比较而言，往往是重基本理论、轻基本方法。突出“基本方法”是要把方法论的教学提升到应有的高度，要把方法的科学思想融于基本原理之中，科学方法既是分析解决问题的桥梁，更是科学原理的体现。强调方法论的思想，为的是提高认识，加深印象达到自觉运用的目的，而不一定另设章节。

三、基础理论与科技前沿的关系

基础理论是高新技术的先导和源泉，一旦取得突破性进展，往往会促进应用研究和技术开发，最终形成大产业。长期以来，给人们留下一个错觉，似乎物理化学教学离科学技术前沿很远，有点远水不解近渴。有的同学在课堂上听不到激动人心的辉煌而渐渐失去对学习化学的兴趣。事实上，物理化学作为化学中的基础理论对高新技术同样起到了巨大的推动作用，例如：

1．超临界流体萃取是分离科学中有划时代意义的科技进步，然而这一高新技术是应用物理化学中临界状态的特性、溶解度定律、三组分体系二相平衡的分配定律及焦耳一汤姆逊效应这些基本内容相结合而成。

2．钕铁硼永磁材料的制备。现代文明社会离不开磁性材料，目前公认的得到广泛应用的钕铁硼强永磁材料是利用物理化学中凝固点降低原理、二组分体系相图，并巧妙地设计了一个电解装置才攻克了制备的难关。

3．纳米反应器。纳米材料具有许多神奇的功能，但如此微小尺度的材料是怎么制得的?化学家利用了胶体化学中具有纳米尺度的反胶束(油包水)作为纳米反应器用于制备纳米粒子。以碳酸钙纳米粒子制备为例，首先选用表面活性剂制备油包水胶束，该胶束内腔约3～6纳米。将饱和氢氧化钙溶液注入胶束内腔，再通入二氧化碳，由于化学反应：Ca(0H)2+C02→CaCO3+H2O，生成了碳酸钙沉淀，其粒径大不过6纳米，在这种软模板中合成了各种无机、有机、高分子纳米粒子。

由上可见，那些看似互不相关的原理和知识点，通过掌握这些原理的科技工作者的创新研究结出了丰硕的成果，使学生了解到坚实的理论基础与创新能力的关系。可以说，前沿领域日新月异，但他们的根部深植于那些并不深奥的基础理论和并不复杂的方法之中，我们应在基础层次上寻找前沿的根，作为教师应充分发掘这些“闪光点”，让原理在科学研究和实际应用的实例中展现其活力，提高创新能力。