环境专业高等物理化学教学改革

摘 要：针对高等物理化学抽象、难学的现状,结合我校环境专业具体研究方向,按教师讲授（提出问题）→学生互动（解决问题）→教师总结点评（基本原理强化）的方式改革教学方法,避免满堂灌输式的传统教学模式,重新点燃学生的学习兴趣.初步探索了教师主讲3个专题,提供学生6个课题,辅助1个实验的教学实践,使理论与实践完美结合,激发学生在各自研究领域重新学习物理化学的兴趣,促进研究生更快地实现从知识学习到科学研究的角色转变.

关 键 词：高等物理化学；环境专业；教学内容；教学方法

浙江工商大学案例型《高等物理化学》课程改革研究（xgy12105）项目.

【中图分类号】G642

物理化学作为环境、化学、生物、化工、材料等专业本科生基础课,由于概念多、公式多,学生在学习过程中普遍感到抽象、难学和难理解,厌学倾向比较明显.然而,物理化学中的理论、方法和观念在培养学生创新能力方面又具备其他课程无法替代的作用.高等物理化学作为物理化学的延伸,是研究生阶段的核心基础课之一.因此,根据具体研究方向,改革教学方法,避免满堂灌输式的传统教学模式,重新点燃学生的学习兴趣,对培养研究生科研创新能力至关重要,是未来高等物理化学课程改革的必然出路.

一、我校环境专业研究方向与物理化学的联系

我校环境科学与工程专业具有一级学科硕士学位授予权,经过多年发展,已形成5个特色的学科方向：（1）废水处理与优化控制技术；（2）废物处置与资源化技术；（3）大气污染控制理论与技术；（4）环境功能材料与友好过程技术；（5）环境生物与生态修复技术.这些特色研究方向与物理化学有着非常紧密的联系,物理化学的理论和方法一直被运用到环境保护中.例如：（1）水处理过程、污泥消化处理、热污染控制等许多方面都涉及热化学模拟计算；（2）作为常用的高级氧化技术之一-电化学方法涉及电化学基本原理、内电解、电凝聚、电解氧化/还原及电渗析等物理化学知识；（3）环境功能催化材料涉及热力学和动力学等多方面的知识；（4）吸附剂、表面活性剂等污染修复方法与物理化学中胶体与界面部分密不可分.因此,针对研究生高等物理化学课程改革,必须考虑如何体现课程特色、以何种模式实现研究生科研活动中基础知识再认识以及创新性思维能力的提高等关键问题.

二、环境专业高等物理化学教学设计改革

1.教学内容改革

高等物理化学包括化学热力学、化学动力学、统计热力学、结构化学四大块内容.作为环境专业研究生的基础课程,各部分教学内容应注重突出特色,有所取舍,不能简单重复本科阶段的物理化学教学.针对本校环境专业研究方向和有限的课堂学时,笔者认为,选取化学变化的方向和限度问题、化学反应的速率和机理问题、催化剂结构与性能关系、电化学基本原理和应用作为核心教学内容,有利于吸引学生结合自己的研究课题进行深入的自主学习.

在理论教学的基础上,适当增加1-2个具体实验,通过实践教学深入、形象地理解环境净化技术应用时的物理化学基础知识.

2.教学方法改革

大量的实践表明：传统的以教师讲授为主的教学模式已经不能适应时代的发展,尤其是抽象性、概括性、逻辑性很强的高等物理化学教学.要培养研究生的科研创新能力,必须激发学生的自主学习热情.因此,改革教学方式,以学生为主体,教师讲授为辅,进行前沿引导式教学为现代高等物理化学教学改革点亮希望.

具体课程安排过程中,可按教师讲授（提出问题）→学生互动（解决问题）→教师总结点评（基本原理强化）顺序展开教学.改变传统的系统讲授为重点讲授,教师根据学科特色,有侧重地突出物理化学专业知识点的应用和前沿,设置课程研讨课题；学生根据兴趣自主选者课题,课后进行文献调研和归纳,并在课堂上展示学习心得；最后,教师根据学生自主学习情况进行点评,并提出改进的建议.此外,在课堂教学上,应经常以启发式的语言、事例来激励学生,引导他们积极主动进行学习.

三、物理化学教学改革初探

根据教学设计,笔者初步尝试了教师主讲3个专题,提供学生6个课题,辅助1个实验的教学模式.教师主讲内容包括：（1）物理化学在光催化环境净化技术中的应用；（2）物理化学在环境电化学技术中的应用；（3）物理化学中的胶体界面化学.提供学生选择自主学习的课题如下：（1）物理化学与环境保护；（2）光催化体系的反应机制及应用时的瓶颈突破；（3）电化学处理有毒难降解有机污染物的电子转移机理；（4）污水处理中的热力学过程；（5）吸附法处理环境污染物的动力学过程；（6）胶体表面/界面调控与环境污染治理.要求学生学会利用学校图书馆的WebofScience和google学术搜索工具,查阅自选课题相关的文献,主要是主流TOP期刊的论文,在大量阅读文献的基础上,写出能体现课题核心内容和研究亮点的综述.经过这两阶段的学习,学生已基本具备文献查新、科学问题提炼的能力.最后笔者选取环境污染治理的新技术-太阳能光催化处理印染废水为辅助实践教学,通过改变反应条件,观察废水色度变化,既能给学生直观感受,又能通过后续的数据处理,让学生体会到物理化学基本理论的美妙.

本实验中主要涉及物理化学中的阿伦尼乌斯公式：

（1）

其中k为反应的速率常数,可以通过不同时间染料降解动力学进行拟合得到；A为反应的频率因子,对于确定的化学反应为一常数；Ea为反应活化能；R为理想气体常量；T为热力学温度.通过对公式（1）进行对数转换,可以得到公式（2）：

（2）

通过测定不同温度下染料降解的速率常数k,可以利用公式（2）计算得到反应的活化能Ea；进一步通过有无催化剂的对比实验,可以计算出染料降解反应中添加催化剂对Ea的影响,预测反应过渡态的相关信息,直观而深刻地体会到物理化学基础知识点在实际环保技术中的应用,使理论与实践完美结合,激发学生在各自研究领域重新学习物理化学的兴趣.

四、结束语

总之,物理化学是一门基础理论性和实践性都很强的学科,加强物理化学知识的学习,特别是通过课程解析物理化学基本规律在现代环境保护研究前沿热点的作用,将会有助于我校环境专业研究生从分子本质上加深对本专业和研究方向的认识,促进研究生更快地实现从知识学习到科学研究的角色转变.