“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”中的物理化學教學

郝京誠

（山東大學化學與化工學院，濟南250100）

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·教學研究與改革·

“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”中的物理化學教學

郝京誠*

（山東大學化學與化工學院，濟南250100）

摘要：依托化學學科構建的“山東大學泰山學堂”培養模式，是以“培養一大批拔尖創新人才，使之成為相關基礎學科領域的領軍人物，并逐步躋身國際一流科學家隊伍”為主旨。針對物理化學教學，關鍵是根據學生水平選擇好教材，合理取舍授課的重點和內容，進行多元、多種、多次靈活授課；在傳授物理化學基礎知識、學習方法的同時，挖掘學生的創新能力，使學生具有較好的物理化學素養和強勁的適應能力。同時，注重理論和實驗（課題組創新實驗）結合，引導學生感悟“理論－實驗－創新－創造－再理論”的認識深化過程。

關鍵詞：物理化學；基礎學科；泰山學堂；拔尖學生培養計劃

為落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010－2020）》，為人才強國戰略的實施和創新型國家的建設提供強有力的人才支撐，教育部于2009年啟動了“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”，其目的是培養一大批拔尖創新人才，使之成為相關基礎學科領域的領軍人物，并逐步躋身國際一流科學家隊伍。作為入選該計劃的17所研究型大學之一，山東大學成立了“山東大學泰山學堂（鄧從豪班）”（后文簡稱“泰山學堂”），全面負責該計劃的實施。泰山學堂在培養模式、教學方法、學生遴選等方面大膽地進行了人才培養的探索和實踐，旨在通過多元、多次及專家選才的方式，選拔具有培養潛質

筆者十余年來一直工作在物理化學教學的第一線，先后承擔了普通本科班、化學基地班、泰山學堂的教學工作。由于授課對象的不同，在教學中也獲得了很多不同的體會。有關物理化學的教學方法、技巧及如何通過實驗深化對所學知識的鞏固，已有不少經驗之談［1－4］。本文主要就如何在物理化學教學中根據拔尖人才的特點進行針對培養，結合本人擔任泰山學堂教學任務以來的實踐經驗，談一點自己的切身感受，與廣大工作在教學第一線的同仁切磋。

1　篩選教材，因材施教

泰山學堂的學生是從較大基數的學生中經過層層考查選拔出來的，在篩選過程中，著重考查了學生的知識面、創造思維及思維發散能力。因此，在選擇教材方面，充分考慮到這類學生的特點。以前普通班級采用的是印永嘉先生等編寫的《物理化學簡明教程》（普通高等教育“十一五”國家級規劃教材），結合傅獻彩先生等編著的《物理化學》（普通高等教育“十五”國家規劃教材）進行授課。針對2011級泰山學堂的學生，我選擇了Atkins和de Paula編著的Atkins′Physical Chemistry作為英文教材，并結合印永嘉先生的《物理化學簡明教程》和傅獻彩先生的《物理化學》進行講授。其中兩本中文教材在山東大學已經使用多年，相關內容重點突出、概念原理的表述明確清晰、內容安排繁簡得當，一直受到廣大師生的歡迎。但同時，也由于這些教材主要針對普通本科生，目的是基礎理論的掌握，加上這兩本教材編著時間已較長，近十幾年來物理化學研究領域的新進展沒有得到充分體現。因此在對泰山學堂進行授課時，考慮到學生的實際情況，我選擇了英文教材，并列出包括這兩本教材在內的書目供學生參考，針對不同的章節，分別推薦不同的重點教材讓他們課下自學。我自己則是多方搜集資料，對這兩部教材進行再加工，在講授中有針對性地加入了一些近年來的相關研究結果，基本上是自己重新組織教材。在教材組織方面，對每章所要學習的內容，都力求讓學生對該方向的發展演變有一個全面系統的了解。一般來講，在背景介紹部分，力求向學生較為全面地介紹該領域的發展歷程、不同階段的研究成果及局限、每個階段的重要人物及其貢獻；在基本概念理論部分，嚴格按照教材系統講授；對于引申內容，自己搜集篩選材料，注重加入當前研究的新成果，將相關內容梳理后，自己制作教材，列出參考資料出處，鼓勵學生課下自學。

2　現代手段與傳統教學方法結合，理論與實踐并重

目前在教學中非常強調先進技術方法的應用。對此，我非常贊同，并且在教學中也經常使用PPT、錄像、卡通動畫、物理化學國際頂尖大師研究成果故事會等手段，取得了相當好的課堂效果。這些手段的優點是直觀、活潑，容易吸引學生的注意力，利于活躍課堂氣氛。但同時，我也想強調，傳統教學模式之所以能傳承多年，必然有其合理的地方。我們在大膽創新的同時也要對傳統的東西認真分析，進行批判性的繼承。我個人的理解是，對于前沿、熱點的內容，目的在于使學生了解當前的進展，需要傳遞的內容多、信息量大；同時，這些內容大多是在較為成熟的基礎理論上的進一步發展，相對較易理解和掌握，比較適合采用直觀的技術手段以畫面或圖片方式展示給學生。但物理化學有其本身的學科特點，即理論性強，每章都有公式，少則十幾個，多則幾十甚至上百個，尤為重要的是，這些公式的前提假設各不相同，并且許多衍生公式需要熟練掌握其被導出的源公式才能正確運用。因此，在化學熱力學、化學動力學、電化學、化學勢等章節的基礎理論部分，我認為最好還是沿用傳統的教學方法，需要學生下硬功夫，把具體的概念、定義研讀透徹，認真去啃相關公式，這是偷懶不得的。我在教學中要求學生能熟練地推導出常用公式，自己也經常帶領他們一起推導，在推導過程中加深強化對概念的理解以及對所學知識的運用。而對那些帶延伸性的內容，如雙電層理論及Zeta電勢、電池、電極電勢及極化、膠體與界面化學部分等，盡量采用多元化的教學手段以激發興趣、開闊視野、發散思維。由于泰山學堂是小班上課，每班十幾人，交流起來比較靈活，我首先讓他們參考推薦的教材自學，鼓勵他們自己搜集資料做成PPT講給大家聽，在課堂上互相討論、形成互動。通過這樣的交流，每個人的觀點都有機會展示出來，并且可以從別人身上學到東西。很多時候，學生的觀點以及獲得的資料也經常讓我有耳目一新的感覺，深深體會到了“教學相長”實乃至理名言。

化學是一門實驗科學，理論上的知識需要在實踐中鞏固和提升。尤其是物理化學中所學的許多理論，聽起來比較枯燥，學生掌握很難卻很容易遺忘。因此，在常規的實驗課程之外，我們又安排了設計實驗、創新實驗等項目。設計實驗是在教材安排的實驗結束之后，分成3－4人的小組，由教師帶隊指導，確定一個類似研究性質的題目，讓學生查閱資料、制定出實驗方案，與指導教師討論后，獨立進行實驗并進行討論，最后將自己的結果與理論驗證。在整個實驗結束后，要求學生一起總結思路，并按照科技論文的形式撰寫出實驗報告。創新實驗則是從剛開始學習物理化學課程開始，就鼓勵學生進入相關教師課題組體驗，根據教師的研究方向確定課題，再由學院組織答辯篩選，然后予以立項資助，要求他們定期進行工作匯報，對出現的問題及時討論解決，完成后進行結項答辯。在對學生考核評定時，我們不要求學生一定將實驗做成功，而是著重于考查他們的邏輯思維能力和創造性。對于一些新穎的想法思路，即使失敗了，仍然鼓勵他們查找原因，改進方案后繼續進行。這些教學措施實施后，學生也都反映，通過實驗現象的觀察對從書本上學到的東西有了感性體驗，那些枯燥的理論也變得容易理解。許多學生還能活學活用，對實驗過程中觀察到的一些現象和問題能綜合運用所學知識進行解釋、解決，這也是我們培養創新型人才的目的之一。

在結束本節內容前，我想特別提及的是，課堂授課實際上就是講故事。如何講好所授內容，體現了一個教師對備課的認真程度以及付出的精力和時間。任課教師把授課內容，以生動、感人、有趣的形式，以講故事的風格進行授課，效果將是非同尋常的，也會極大地刺激學生的學習興趣和創新思維。圖1是我在講解電解質溶液（electrolytic solution）一章時，關于范特霍夫（van?t Hoff）與電解質在溶液中的電離和溶液滲透壓的發現之間的美麗故事。

3　基本概念理論糅合科學研究成果

在科技發展日新月異的今天，物理化學學科也在不斷發展中。對拔尖人才的培養，要求他們有前瞻性的眼光，了解相關領域的發展方向及現狀。我們很注重在教學過程中介紹與所學知識相關的科研成果及最新進展，力求他們在扎實掌握基礎理論的同時，能切實感受到這些理論在科學研究中的運用，同時也接觸到本學科的最新動向。

在學習化學熱力學部分時，對于無施加外功條件下的自發等溫過程，即ΔG為負值的過程，其決定因素是熵（S）和焓（H）協同作用的結果，即混亂度的增大、放出熱量是該過程的正向推動力，然而實際過程中，這兩種作用因素往往互相矛盾，因此存在一個哪種作用為主導的問題。通過公式推導，學生從理論上基本明白了這個規律，但缺乏與實際過程的聯系，我結合膠體化學中表面活性劑膠束的形成，向他們介紹了由于表面活性劑分子進入水中破壞了水分子間通過氫鍵形成的“冰山”結構，導致熵值極大增加，而此過程中表面活性劑分子水化的熱效應卻較小，甚至還有因電離而產生吸熱效應的情況，因而絕大多數的自發膠束化過程是熵驅動過程。結合這些內容，我將微量熱技術的相關應用也作了簡單介紹，鼓勵學生課下進行了解。

在電化學章節學習電極雙電層理論模型及Zeta電勢時，我也向學生介紹了膠體、納米材料分散體系的雙電層模型，告訴學生該模型的使用范圍很廣泛，并引導他們了解膠束、囊泡、納米顆粒的分散體系中聚集結構的Zeta電勢與體系穩定性的關系，介紹當前科研領域中為抑制表面能很高的納米顆粒發生團聚而廣泛采用的納米材料表面修飾及功能化技術。在電極反應式及電池反應部分，結合不同的電池反應類型，介紹了鋰電池、鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池等概念，鼓勵他們查閱資料，了解每一類電池的電極反應特點及應用情況，并將我國及世界能源領域的現狀和發展方向（包括新能源汽車）等作了簡單介紹。

故事一：瑞典有一位大學畢業不久的年輕人，名叫斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante August Arrhenius）。他根據自己對溶液導電性的研究，提出了關于溶液的電離假說。但這一新理論的出現立即遭到國內不少學者的強烈反對。為了尋求理解與支持，阿倫尼烏斯把自己的論文寄給范特霍夫請求指正。想不到身處異國的范特霍夫一口氣讀完了論文后，不僅馬上領會了阿倫尼烏斯的基本觀點，并且由此受到了極大啟迪。他的腦子豁然開朗：電離作用！對，電離作用！這正是電解質溶液i≥1的原因。范特霍夫認為，如果溶液中的電解質確實分解為離子，那么溶液中的粒子數就會增多。同樣地，如果是由于粒子撞擊半透膜隔層而引起的滲透壓力，則很容易理解測量壓力為什么會高于計算壓力值。他把自己的想法寫成論文并寫信告訴了阿倫尼烏斯，表示完全贊同電離學說。

故事二：范特霍夫關于電解質溶液的滲透壓的文章在斯德哥爾摩發表后，引起了德國科學家威廉·奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald，1853－1942年，德國物理化學家）的極大興趣。幾個月后，他專程來到阿姆斯特丹，同范特霍夫進行了長時間的交談。他們一致認為阿倫尼烏斯的電離學說是一種了不起的創造。奧斯特瓦爾德對范特霍夫說：“我認為，這是一個新理論的開端，它將會成為研究溶液特性的基礎。而您本人的研究將會證實和發展這個理論?！彼€倡議道：“事業需要大家更緊密地進行合作，把一切力量都聯合起來?！碑斔弥惸釣跛挂褯Q定要來阿姆斯特丹同范特霍夫一起進行實驗，隨后還要去里加拜訪他時，非常高興。1887年8月，他們共同創辦的《物理化學雜志》第一期在萊比錫問世。這標志著一門新興的邊緣學科——物理化學的誕生。范特霍夫同阿倫尼烏斯、奧斯特瓦爾德的友誼與協作，使他們突破了國界和學科的局限，共同為新學科的創立奠基、為新興的基本理論的確立進行了頑強的戰斗。故此，他們被譽為“物理化學的三劍客”。

故事三：1901年12月10日，范特霍夫來到斯德哥爾摩，在瑞典科學院舉行的隆重的授獎儀式上發表了演講。他著重講到了關于溶液的理論方面的科學成就，成了化學領域第一位獲得諾貝爾獎的人。

膠體與界面化學是我的研究方向，并且也是與研究熱點極易結合的一部分內容。該部分內容中的表（界）面張力、潤濕與鋪展、表面活性劑分子聚集結構等都與實際應用或當前的研究前沿緊密相關。這部分內容的講授也結合了諸多當前的科研成果。由表（界）面張力產生的原因到超低界面張力以及其在三次采油等領域的應用，由氣/液、氣/固、液/固界面張力的相互關系與接觸角到固體表面及材料的浸潤性都引起了學生的極大興趣。在浸潤與鋪展部分，向學生介紹了顆粒的表面浸潤性在一定范圍時在溶劑中形成的particle stabilized foams和pickering emulsion等分散體系，以及這些分散體系與表面活性劑分子形成的泡沫和乳液的差別及其在礦物浮選等領域的用途，并通過與油、水的接觸角介紹了目前廣泛研究的親水、疏水、親油、疏油等性質、影響因素及在生產生活中的應用。超親水表面在油水分離等領域的應用和超疏水表面的自清潔功能使他們感受到了理論研究與實際應用的緊密聯系。我在課堂上向他們展示了自然界的許多超疏水表面，如荷葉、芋頭葉等的表面顯微結構，告訴他們這些結構的共同特點：被覆表面的低表面能物質與微納多層級結構。在此基礎上，介紹了目前通過化學手段構筑此類結構并進一步靈活調控的仿生研究結果，讓他們認識到如何從大自然中學習并能動地加以改進，以達到人類利用的目的。

通過這些努力，明顯感到學生的興趣和學習積極性的高漲。有不少學生在聽過介紹后，對自己感興趣的內容查閱了大量的資料，還主動與相應研究方向的教師討論交流，不少學生從大二開始就已加入到相關教師的課題組開始了科研的初步訓練，這對他們將來從事科學研究或生產研發都能打下很好的基礎。圖2展示了物理化學授課過程中啟發學生對科研創新理解的講授內容，獲得了熱烈反響，起到了“基本概念理論糅合科學研究成果”的展示效果。

圖2　2013－2014學年第二學期山東大學泰山學堂物理化學的授課圖片

4　物理化學教學中的人文關懷與哲學思辨

我們追求科技創新的目的是為社會的發展、人類更好的生活而服務。當前，工業化的快速發展帶來了一系列環境、能源、資源等復雜問題。我們在面對這些問題時，既應該立足于發展，同時也必須顧及整個社會的和諧與平衡，這就要求我們所培養的人才既具有過硬的專業知識和技能，同時也應該具有厚重的人文修養、敏銳的觀察能力和開闊的視野，這樣才能做到辯證地、全面地觀察看待事物，既重眼前，又重長遠。僅有本專業的技能充其量只能成為熟練的工匠，而人文關懷和人文高度則影響著一個人看問題的高度以及在自己領域中如何把握發展方向，如何在遇到矛盾時辨析主次，正確取舍。長期以來，我們在理工科的教學中存在著明顯不足，學生從小把絕大部分精力傾注在數理化的機械學習中，對人文類的學科嚴重輕視，這些欠缺既會無形中制約他們個人的長遠發展，也滿足不了國家建設對復合型人才的需求。

哲學是自然科學與社會科學的基本原理及運行規律的總括。雖然由于學科分類的日益細化，哲學研究的范圍不斷縮小，但其規律原理在自然科學研究中的運用隨處可見。在化學類的基礎課中，物理化學是理論性較強的科目，與哲學的關聯也體現得更明顯。因此，我在教學中有意識地引導學生在物理化學的學習中融入哲學思辨?；瘜W熱力學部分的內容理論性最強也最抽象，尤其是熱力學第二定律的描述“不可能把系統的熱完全轉化為功而不產生其它影響”及“孤立系統的自發過程熵值增加”經常使學生感到模糊困惑。在講授時，我指出能量的兩種形式“熱”和“功”分別對應“無序”和“有序”的特征，相應地，它們之間的轉化也對應著“無序”與“有序”之間的變化方向，而熵值增加則明確地是系統無序性的增大，有學生馬上發散思維，類比到了社會問題的“治”和“亂”，即讓一個動蕩的社會結束混亂、由“亂”到“治”、整合為秩序井然的狀態必須要經過極其艱苦的努力，付出極大的代價，而稍一松懈，就可能重新陷入動蕩。對于該定律所揭示的“熵增加原理”衍生出來的“熱寂論”的真偽之爭，我也鼓勵學生發表見解。有學生就認為，證明該命題正確與否的關鍵有兩點：宇宙能否被視為孤立系統；熱力學第二定律是否像牛頓運動定律一樣有其限定的適用范圍，即推廣到宇宙中時，巨大的天體及其他物質系統之間的萬有引力導致的向心性能否與該定律所研究的系統相比擬。這些問題也正是圍繞“熱寂說”爭論中的關注點，我很高興學生能有這么清楚嚴密的思維，并把化學、哲學界圍繞該學說的各種觀點（包括恩格斯立足于唯物主義對這種論斷的批判）同他們開展討論。這些討論雖然目前無法獲得確定的結論，但對學生邏輯思維、辯證思維的培養與鍛煉卻很有用處。

5　結束語

人才培養是一項艱難復雜的工程，根據社會發展的階段也有不同的要求，而拔尖人才的培養更要滿足社會的高層次需求標準，其難度自不待言。本人十幾年來在教學、科研中接觸了許多學生，感到學生之間在認知能力、接受能力、辨析能力、創造能力及個人能動性等方方面面存在著巨大差異，這是不爭的事實。根據學生資質因材施教，將其塑造成為對社會有用的人才，我們作為教育工作者責無旁貸。這些年來，我在自己的專業工作中身體力行，薄有心得。一管之窺，與諸位從事教書育人的同行共勉。

參考文獻

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［4］劉建，趙龍濤，張倩.化學教育，2014，24，20.

中圖分類號：O6；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX201509015

*通訊作者，Email:jhao@sdu.edu.cn的優秀學生，從師資配備、學習條件、學術氛圍等方面提供一流保障，形成獨具特色的化學人才培養模式和機制，培養出基礎扎實、學風樸實、有創新精神及能力的人才。

Physical Chemistry Teaching in"Excellent Students Training Program in Basic Scientific Disciplines"

HAO Jing-Cheng*
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Shandong University，Jinan 250100，P.R.China）

Abstract:The"Taishan School of Shandong University"is built to cultivate top talents with creativity to lead effectively in the basic science fields and to become the first-class scientific professionals.The key in physical chemistry teaching is to select great textbook and give diversified teaching about important contents.Besides the basic knowledge and the learning method of physical chemistry，the enhancement of innovation ability is also very important，which benefits the cultivation of good physical chemistry quality and strong adaptive capacity of students.Meanwhile，we should pay attention to the combination of the theory and experiments，leading students the more profound understanding of the theory，experiments，innovation，creation and re-theorizing.

Key Words:Physical chemistry；Basic scientific disciplines；Taishan School；Excellent students training program