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研究生论文

研究生“化学热力学与溶液化学”课程教学改革初探

点击:     发布时间: 2021-01-25 23:39

“化学热力学与溶液化学”是物理化学专业研究生的学位基础专业课,是对本科物理化学课程中热力学部分内容的提高和升华,授课内容既与化学、化工专业的其它专业课程关系紧密,又与生命科学、材料科学、能源科学等领域紧密相关。本课程的主要任务是在热力学三大定律、德拜-休克尔极限公式和pitzer电解质溶液理论等的基础上,进一步拓宽和加深物理化学专业的研究生对热力学和溶液化学基础理论和前沿进展的掌握,培养学生将热力学和溶液化学的基本原理应用于化学科研实践中的能力,并探索这些基础理论和技能在化学、物理、生物、材料、医药、储能材料和环境保护等各个领域的应用和发展前景[1],掌握凝聚态物质的能量和物质内部相互作用的宏观和微观性质的规律性,寻求应用化学热力学和溶液化学基础知识解决相关科学问题的新思路和新方法。

图1 构建多层次课程教学改革框架

图1 构建多层次课程教学改革框架   下载原图

Fig.1 Constructing the framework of multi-level curriculum teaching reform

针对以上目标,课程教学应当从教学设计等各环节进行相应的探索和革新,切实提升研究生的理论水平和科研能力。因此,本课程从教学体系与内容、教学方法与手段和课程考核与评价方式等方面进行教学改革初探,如图1所示,以提高物理化学专业研究生的基础专业学位课“化学热力学与溶液化学”的教学效果。

1 课程教学体系研究与改革

“化学热力学与溶液化学”课程作为物理化学专业研究生学位基础课之一,是本专业研究生理论与科研水平提高的重要奠基石。然而本课程没有专用的编制教材,且在最初阶段,教学资源相对不足,教学方法与手段比较传统,学生的学习效果在一定程度上受到相应的影响。为此,从专业的整体角度考虑,对课程进行了一系列的改革。

1.1 精炼教学内容,强化知识体系

考虑到物理化学专业的研究生基本来自于化学、化工、材料和应用化学等本科专业,在本科阶段已经系统研修了《物理化学》、《无机及分析化学》、《有机化学》、《结构化学》、《高等数学》和《大学物理》等课程,结合本专业研究生在开展科研实验过程中对热力学和溶液化学基础知识理论和技能的实际需求,我们制定了符合本校物理化学专业发展趋势,并能体现当代理工科类研究生课程教育特点[2,3]的物理化学专业研究生的化学热力学与溶液化学课程特定知识体系。该课程体系教学内容分为两大模块(共48学时):(1)化学热力学模块(32学时),主要是以热力学三大定律为依据,探讨化学热力学研究领域的发展规律,相关知识和技术在实际中的应用。重点介绍量热学作为“化学热力学和溶液化学”研究的基本技术在本学科发展中的重要作用;(2)溶液化学(16学时),重点介绍溶液化学的基本理论,如德拜-休克尔极限理论和pitzer理论等的具体推导和在电解质溶液化学研究中的应用。之所以将热力学和溶液化学的基础理论放在一起组成“化学热力学和溶液化学”这样一门课程,关键在于,第二模块溶液化学中涉及的基本概念和理论也都是以热力学为研究基础的。例如:实际溶液的热力学方程中包含活度系数、渗透系数和超额函数等概念,超额函数就是实际溶液的热力学性质减去理想溶液的热力学性质得出的差值,像超额化学势、超额体积、超额焓、超额熵和超额自由能等。

在教学过程中,首先引入了物理化学教材中的经典热力学函数和理论进行复习,做为本门课程的基础知识巩固阶段。主讲教学内容中,以《化学热力学》、《电解质溶液理论导论》和《量热学基础与应用》等教材作为本门课程的主要教学参考书[4,5,6]。根据这几部教材,结合我校物理化学专业研究生的研究方向,制定的具体教学模块如上所述,构建多媒体课件和资料、网络资源构成的立体化、信息化完整体系。

1.2 改善教学理念,重视能力培养

一直以来,本课程的传统理论授课内容繁多,近几年教学过程中逐渐摒弃传统的学科本位思想,更加注重学生的能力和素质培养,重视学生的专业素养和创新意识的形成。以不同研究方向的学生能力培养为基础,独辟蹊径,将课程划分为“化学热力学”和“溶液化学”两条主线,以每条主线为依据,再展开教学内容,构建新的教学内容体系。在授课过程中,筛选讲授了一些符合我校研究生在研需要的基础知识和经典理论,并对课程知识体系中的关键科学问题进行了拓展式教学,缩减了一些理论性很强的长串公式和讨论,改为学生课下根据兴趣和需要进行选学,削枝强干,对热力学,尤其是各种量热技术的原理和发现过程及其应用在课堂教学中进行重点介绍和引用,启发和培养学生的科学思维能力和科学创造能力。

1.3 引入教学案例,理论启发应用

针对化学热力学和经典的电解质溶液化学理论性强、概念抽象等特点,我们在相应模块的教学内容中,设计了以经典量热技术和溶液化学理论解决化学科学问题为重点,引入日常生活或化工生产中的实际案例,探讨热力学原理和溶液化学基础理论及其在化学、化工生产研究中的应用。例如:在介绍熵、混乱度和微观状态数的概念时,引入建筑物的倒塌和金字塔等自然现象做形象说明;在讲解量热学研究的意义时,以化工厂生产肥料所需化学反应的理论产率为例,需要知道反应中涉及的焓变和熵变,突出量热研究的重要性;在离子的水化一章中,以墨西哥湾流和冰在水面上的漂浮为例,展开水的重要结构和性质。案例引用的目的是为了让学生理解基础理论和抽象概念的同时,掌握运用其解决实际生产过程的能力,从而激发学生的学习兴趣。

1.4 注入前沿进展,学研相辅相成

在相应模块的基础理论教学理论中引入最新的相关科学研究进展和热点应用,使研究生不仅了解研究背景,更要搞清楚国内外研究现状,关注研究前沿,注重知识和技术在实际发展过程中的应用,做到教学与科研的相互促进,符合当前研究生应达到的基本培养目标和要求。例如:介绍绝热量热技术时,以近些年发表的代表性研究论文为例,展示绝热量热仪可以直接测定或通过德拜热容公式拟合间接得到化合物在0~400 K之间的热容,并求得物质的焓变、熵变等标准热力学函数,获得超额热容、纯度、相变和磁性等信息[7,8,9],像美国Brigham Young University的J.Boerio-Goates等人[9]对直径为(7.0±1.0) nm的Co O粒子进行热容测定,结果显示其热容曲线在265 K附近有一个宽的热异常出现(图2),其环形的热容极大值处的温度比单晶Co O的Néel温度TN减少了23 K,说明单晶Co O热容曲线上所出现的尖峰是磁旋转远程有序的表示;在介绍溶液化学中的pizer理论时,通过参考文献举例,说明pitzer理论所涉及的公式和参数在实际研究过程中的具体应用[10,11,12,13],比如按照pitzer理论的普遍方程,得到的D-葡萄糖酸钾中外推函数Y与其它参数之间的关系[12]如图3所示。因此,通过注入研究前沿,启发研究生在课程学习中找到科研兴趣点,引导发现和创新,为科研提供思路和帮助。

图2 单晶Co O和7 nm Co O热容的比较

图2 单晶Co O和7 nm Co O热容的比较   下载原图

Fig.2 Comparison of heat capacity between single crystal Co O and 7nm Co O

图3 D-葡萄糖酸钾化合物中Y相对于-m和-my’的三维图

图3 D-葡萄糖酸钾化合物中Y相对于-m和-my’的三维图   下载原图

Fig.3 Three-dimensional diagrams of Y against-m and-my’in potassium D-gluconate

2 课程教学方法与手段革新

2.1 多媒体教学

随着计算机技术的发展,教学模式已从传统的板书讲授为主转化为以多媒体教学为主,板书为辅。传统教育方法和模式已远不能适应新形势下教学需要,现代教育技术的运用因其讲解精辟,演示生动等优点,可大大提高了教学质量,而且随着网络技术的发达,学生也可以通过网络自主学习多媒体课件和电子教材等资源提高学习效果[14,15,16]。由于本课程基础理论和原理内容较多,涉及范围面广,课程主讲内容被制作成多媒体课件,将文字内容与图片,视频或动画等相结合,向同学们展示各种热力学和溶液化学的基本原理,公式和应用,提高同学们的学习兴趣,使抽象的内容形象、具体化,便于加深学生们的理解。

2.2 实践式教学

在期中阶段,安排课内实践环节,这一环节主要是选择溶解热和燃烧热等基础量热实验,引导学生结合自己的研究方向,学习和掌握热力学量热技术和方法,选取合适的样品或体系做测试,培养研究生的思维和动手能力,并通过对量热结果的分析、讨论和计算,掌握量热方法的原理和应用,提高其分析问题和解决问题的能力。每位研究生同学不仅能够熟练掌握这些量热技术的基本操作和数据处理方法,还可以借助于实践环节,将自己的研究课题参与进来,系统地分析和解决科研问题,培养他们的实践能力和创新能力[17]

2.3 研讨式教学

在授课过程中,为了让研究生真正参与到教学活动中来,变被动学习为主动学习,采用了研讨式教学法[18,19],使学生变为主体,设置将课堂教学内容与科研动态相结合的命题,学生从中选择和自己研究方向相关的专题,通过课后查阅文献,进行归纳总结,制作PPT,然后在下次上课时,每名学生对自己的工作成果进行短时间的汇报讲解,并同时对别人的工作提出问题或建议。全程由老师负责指导、点评和总结,并最终对同学们的汇报工作和水平进行评分,提出改进意见和建议。课堂报告的表现会作为学生平时成绩考查的主要指标之一。这种授课方式能够使课堂充分活跃起来,有利于提高学生的积极性、主动性,还能够明显改善理论学习效果和提高其专业研究能力。而且,这种教学方法还大大有助于培养研究生的查阅资料、归纳总结、及组织和语言表达能力,学生之间也可以相互学习和借鉴。

3 课程考核与评价方式优化

在课程考核方式上,改变了过去单一的期末考试命题形式,重新建立了合理多效的评估评价方式[20,21]。当前的课程考核由两大部分组成:平时成绩和期末成绩。平时成绩的分数高低主要由出勤率,课堂活跃度和专题课堂报告水平等决定,其中课题活跃度包括课堂发言和讨论,课堂报告水平包括文献资料的查阅和提炼、PPT的制作水平和报告现场的语言组织和讲解能力等,成绩比例占30%;期末成绩则是通过命题考试的方式进行,考查范围以化学热力学和溶液化学的理论知识为基础,并在课程内容的基础上扩大知识面,提高学生们限时思考、分析和解决问题的能力。考核评价的最终目的是为了促进学生的主动学习,在掌握课程基础知识理论的同时,结合自己的研究方向,通过文献查阅、学术交流与研讨,提升研究生的研究水平和创造力。

4结束语

研究生课程教学过程不仅是知识传授过程,更是培养研究生科研能力和创新精神的必修环节,通过对化学热力学与溶液化学课程进行教学改革探索,引导和激发了研究生对本课程学习的积极性和主动性,培养和提升了研究生的科研水平和创造力。为了进一步提高教学质量,本课程后续仍将不断探索和革新,课程改革后期将在师资队伍、网络教学平台等方面继续加强建设,持续提升化学热力学与溶液化学课程的教学质量,为科研提供强大的理论和技术支撑,实现教学与科研共赢。

参考文献