物理化学专业核心课程与基础课教学的学科渗透与融合

2014-01-02杨志安

唐山学院学报 2014年4期

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。