工科物理化学课程教学改革问题分析
物理化学是一门以物理学中的基本原理为出发点，研究和探讨化学体系的性质和规律，并最终建立其相关规律的学科。
[摘要]本文从教学内容和教学手段两个方面出发，联系物理化学学科的特点，针对所教专业学生知识背景的不同，结合本人科学研究中的所得，探索了几点工科物理化学教学改革的方向，以改善和提高教学效果，提高学生学习兴趣，从而达到培养学生创新能力，并最终提高学生综合素质的目的。
[关键词]物理化学;教学改革
随着当今科学技术的深入发展，物理化学不断向更多的研究领域渗透与融合，目前已经成为化学，化工，材料，生化，制药，环境等诸多专业学生的重要基础课程。物理化学是将物理原理应用于化学相关学科的一门学科。因此，物理化学不仅具有非常强的逻辑性和系统性，同时也具有很强的应用性。物理化学学习既要求学生具备扎实的物理和数学知识背景，也要求学生具有较强的理论联系实际的能力。
物理化学的这种跨学科性和应用性加大了对学生的要求，同时也加深了学生学习的难度[1]。物理化学的知识点从物理基本原理出发，最终体现为大量的公式。如果学生没有系统的学习过这些物理原理，在物理化学课程的学习中可能会觉得深奥难懂，并且感觉十分的枯燥。
有些学生在学习这门课程时，面对大量的公式和推导，感觉就像一座大山压在前面，始终翻不过去，如果摆在他们前面的这座大山长期得不到解决，最终可能会导致学生学习的积极性大大降低，甚至半途而废。而工科学生往往缺乏比较系统深入的物理知识背景，这也加大了他们学习这门课的难度。因此，物理化学成为工科学生学习中的难学、难懂、学不好的一门课程。
然而，对他们以后的专业学习和研究来说，物理化学往往是联系他们以前所学知识和今后学习和研究的桥梁，起非常重要的作用。因此，如何帮助学生克服学习物理化学课程中的困难，提高学生学习物理化学的积极性和兴趣，并提高学生动手能力和创新能力，成为了教师在教学过程中需要不断探索总结的研究课题。本文根据作者在物理化学教学中所做的一些努力和实践，谈谈个人在物理化学教学过程中的几点探索和体会。
1注重理论知识的系统性和基础知识的联系性
物理化学源于物理原理，它的分析和讲解都是从物理原理出发的。不理清和学懂这背后的物理原理，往往会使得学生难以准确理解物理化学中的一些基本结论。而过于强调和深入到这些物理原理中，又会让学生迷失学习的方向和目的。因此，对于物理原理的讲解，是教学过程中的一大难点，也是学习物理化学课程最开始就要克服和解决的问题。物理化学课程以对理想气体和真实气体这一最简单物相的研究开始，将物理化学中最重要的三大定律，即热力学第一定律，热力学第二定律和热力学第三定律引入了出来。这些热力学内容的学习相对比较枯燥，其中的物理图像和概念十分的抽象，比如基本概念——功和热，过程与途径，看似简单而容易混淆，这要求教师讲解的时候要多举一些生活中实际的例子。
比如对过程和途径的解释，可以举个实际的例子。比如，用从家到超市买东西这同一过程，可以采取不同的交通工具和不同的路线来实现，这对应于同一个过程可以有不同的途径。比如状态函数——焓和熵，教材中的概念似乎不那么直观，但是教学中可以从数学的语言，用公式的形式一步步把它们推导出来。而通过卡洛定理以及克劳修斯不等式推导出来的熵，从数学表达式上看它代表热除以温度，也就是热温之商，这恰好跟它右边的商字吻合。教学中采取公式推导加形象化描述的手段，让这些抽象的概念变得更加直观，也让学生的学习和理解变得更加生动有趣。
从热力学第一定律到第二定律，再到第三定律，可以通过简单的公式推导一步一步证明而来。通过这样的讲解，学生学习热力学三大定律的时候也就不会那么枯燥无味，反而可以体会到热力学三大定律中用数学语言描绘的物理原理，体会到其中数学语言的强大以及科学的严谨，让学生学习的兴趣陡增。以类似生动有趣又简单易懂的方式教学不仅使得学生不会对大量的公式厌烦，反而慢慢地喜欢上公式表达的乐趣。
物理化学中公式虽然多，但是跟随教师形象生动的讲解，学生能够一步一步通过推导将公式联系起来。学生只要注意好了其中的联系，理解了其中的核心概念，学习起来就比较容易了。当学习到多组分系统的时候，大量的数学推导和表达式随之而来，这时的重点可以放在公式最终结论背后的物理意义，而不要过分强调公式的推导过程。总之，抓住理论知识的系统性以及基础知识的联系性，能使得物理化学的学习从枯燥变得明朗。形象化的讲解让物理化学的学习变得轻松愉快起来。
2因材施教，针对不同的专业适当变化重点内容
工科专业的'学生学习物理化学，由于工科所研究的方向之多，随着所学专业的变化，我们的侧重点也可以略微有所不同[2]。工科学生更加注重学生对相关工业生产领域和可能从事的特定行业的学习。例如对于材料专业的学生来说，很多材料的热处理与加工(比如钢铁的炼制)非常重要。材料在加工和处理的过程中，依据的最基本原理就是相图，所以教师在讲授时可以对相图进行更深入详细的讲解[3]。
相图看似是由一些简单的线条组织而成，但实际上它是材料性能和变化过程最直观而丰富的表示。利用相图，我们可以对许多材料进行加工和处理。比如从水的单组分相图中，我们可以观察到水在气态、液态和固态之间相互转变的过程。过冷水这种亚稳态的存在也可以用相图上水气线的延长线来表示，而亚稳态之所以存在，可以用下册界面现象这一章中弯曲液面的附加压力及其后果这一节的知识点来解释。
通过这样的方式将不同章节的两个知识点联系起来，学习相图的时候我们可以指出为什么亚稳态会存在这么一个问题，简单讲解其中的原理，把问题引到界面这个问题上去，好奇的同学也许就会主动学习其中的缘由。当学习到界面这一章时，又可以回顾相图中这一条延长线，再次加深学生的印象。这样通过把知识点联系起来学习的方法，必然能够提高学生学习的兴趣，加强学习的效果。另外，两组分固态互溶系统相图中的水-盐相图，可以用来解释结晶法分离盐的过程。通过水盐系统的两组分相图，对水盐系统进行合理的浓缩处理，使得水盐系统的浓度刚好大于其三相点，再通过降温结晶的办法，就可以把水盐给分离开来。这也属于材料分离处理的一种方法。同时，两组分固态相图也是铁碳合金也就是钢这种材料热处理的基本原理所在。偏析和退火，一个要利用两相转化的不平衡，一个要减少两相转化的不平衡，在不同的材料处理过程中，都可以用来改善材料的性能。
通过这样的方式对相图进行讲解，可以力争使得原本抽象难学的相图变得更加生动有趣，从而提高学生学习的效果。对于化工专业的学生，可以将化学动力学这一章的一些原理跟工业生产联系起来进行详细讲解。动力学的原理，可以指导我们最大化的获得我们所需要的工业产品。总之，针对不同专业的学生讲解时，物理化学课程的所有知识面都要遍及，但是侧重点可以稍有不同，联系学生所学的专业与生产实际相结合进行讲解，加强学生的专业学习成就感，更能激发学生的学习兴趣。
3注重物理化学课堂教学与物理化学实验相结合的教学手段，加强学生的动手能力
物理化学虽然是一门理论课程，属于理论化学的范畴，但是它也是一门应用性很强的课程。如果能够在教学中把握这一点，特别是能够加入物理化学实验的话，对学生的动手能力的加强以及理论知识的学习也会有很大的帮助[4]。
与课本知识相结合，我们在教学过程中安排了如下一些实验：在热和焓的相关学习中安排了燃烧热的测定实验，实验过程也可以让学生更加深入理解热力学第一定律这一章节的知识点。安排的第二个实验是液体饱和蒸汽压的测定，这个实验有利于学生加深理解气液两相平衡的概念以及克-克方程。安排的第三个实验为二元金属相图，实验用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。这个实验让学生对相图有了更深入的了解，使得相图变得不再抽象，而是逐渐明晰起来。
动力学这一章节安排了乙酸乙酯皂化的一个二级反应。这个实验用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数和活化能。电化学这一章节安排了电化学综合性实验，这个实验用动态方法测定不锈钢在硫酸溶液中的阳极极化曲线，测定镍在硫酸溶液中的阴极极化曲线和阳极极化曲线。
这几个实验的设计，不但锻炼了学生的动手能力，也能够让学生从枯燥乏味的理论学习中脱离出来，用实际而生动的实验体会到理论的本质，从而让物理化学的学习变得更加有趣。学生在认真实验的同时甚至还能从实验室找到自己从事科学研究的乐趣，这为以后学生从事相关领域的生产研究和科学研究都有很大的帮助。
4科学研究与课堂教学紧密联系，充分调动学生的学习积极性，培养学生创新思维和能力
课本知识的学习，往往更加注重基础知识的系统性与普及性。长时间的课本学习，往往容易使学生感觉乏味。此时，如果能将课本的学习与工业生产，或者更加前沿的科学研究结合起来，有时候会对学生的学习起到很大的促进作用。比如界面现象章节中对表面与界面中所涉及到的问题的学习，化学反应动力学章节中对反应速率和活化能等知识点讲解，可以通过一些实际的科学研究课题将它们联系起来。
在快讲解完这两章节时，作者给学生讲解了一篇关于钯掺杂的氮化硼用于催化氧化一氧化碳的理论研究论文。这个研究大致描述的是，一氧化碳存在于汽车的尾气中，可以采用适当的催化剂将它在排放到大气之前氧化掉，从而变成一种无毒的气体。这个问题本身比较简单，学生也容易理解和接受。论文中采用的是计算化学的研究手段，具体计算过程学生可以不用详细研究。
而其中的核心过程最初涉及到了CO，O2，以及氧原子在氮化硼纳米管上面的吸附，这个吸附过程发生在界面与表面上，其中就分别涉及到了物理吸附和化学吸附。这对应于界面这一章节的内容，通过CO，O2等分子在氮化硼纳米管上面吸附的讲解，可以让学生更加深入地理解界面吸附的过程和性质。文中提出了三种反应机理，论文用图像直观地描述了反应的机理与过程，而文中涉及的知识点基本都来自于化学动力学这一章节的内容。授课时对这篇论文进行简单的讲解，对于学生学习界面以及动力学相关内容必然大有益处。这不仅促进了学生学习的兴趣，同时也加深了对知识的理解。这对学生以后无论是从事相关科学研究，还是工业生产实际都大有益处[6]。
5结语
由于物理化学学科的逻辑性，跨学科性和抽象性，使得物理化学成为了大学工科专业中一门比较难学，难教的一门课程。我们从多年的教学经验总结出了工科教学的几点探索。首先要注重理论知识的系统性以及基础知识的联系性，使得物理化学的学习变得有章可循。其次，针对不同专业的学生讲授时，可以联系学生所研究专业的不同采取因材施教的教学方法。联系学生所学的专业与生产实际相结合进行讲解，加强学生的专业学习成就感，激发学生的学习兴趣。再者，理论教学需要和实验教学相结合起来，理论联系实际，让学生能亲身感受得到其中的物理化学思想。最后将课本的学习与工业生产以及前沿的科学研究结合起来，有时候会物理化学的教学产生很大的促进作用。
参考文献
[1]卢荣，王飞利.工科物理化学教学模式改革初探[J].高等理科教育，2006，4：107-111.
[2]王芳，刘俊华.物理化学教学改革的探索与实践[J].广东化工，2014，41(19)：221-222.
[3]朱晓东.材料专业物理化学教学改革探索[J].教育与教学研究，2011，25(12)：90-92.
[4]赵东江，徐丽英.应用型人才培养与物理化学教学改革的实践[J].继续教育研究，2012，8：142-143.
[5]陈芳，胡珍珠，王卫东.物理化学课程教学中学生素质能力的培养[J].高等理科教育，2005(3)：97-99.
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