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物理专业如何开设高等化学课程教育

 论文栏目:化学教育论文     更新时间:2017/12/15 11:31:48   

[摘要]针对物理专业学生开设高等化学课程教育进行调查和研究。第一,对国内外著名高校物理系开设化学类课程教育的情况进行了调研;第二,论述了物理专业学生开设高等化学课程教育的重要性;最后给出了实施高等化学课程教育的建议。

[关键词]物理专业;高等化学;课程教育

大学专业课程是一个专业的所有课程按照其内在规律组成的一个有机整体,是大学本科生教学计划的核心内容。构建科学合理的大学课程体系则是实施大学生专业素质教育的核心工作。随着课程改革的推进,各国高等教育的目标正由培养专业人才转变为全面提高学生的科学素养。在提高学生科学素养的过程中,化学作为一门重要的科学发挥着不可替代的重要作用。对于物理专业学生是否需要开设化学课程,有两种截然不同的认识和意见,一部分人认为,物理专业化学课程可有可无;另一部分教师从自身教学和科研过程中的深刻体会和当代社会对科学知识的高“集成化”的特点出发,强调化学课程的重要性[1]。高等教育的目的是通过一系列课程的教学和技能训练,培养“宽口径、厚基础、强能力,高素质”的一专多能、全面发展的高级应用型、复合型专门人才。化学是自然科学的基本学科之一,随着社会的不断发展和进步,化学现在已经成为人类认识自然、改造自然,从自然得到自由的一种重要武器,它已深人到人类生活的各个领域,并在国民经济中发挥着越来越重要的作用。因此,从完善教学体系,打好学生的基础来看,开设化学课程教育是必需的。

一、国内外高校物理专业学生开设化学类课程教育的现状调查

1.国外及港台高校

根据英国《泰晤士报》2013年世界大学排名,同时尽量考虑到世界不同国家和地区高等教育的多样性和差异性,笔者选取了美国排名前6名的加州理工学院、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学和加州大学柏克利分校,英国牛津大学和剑桥大学,加拿大多伦多大学,澳大利亚墨尔本大学,新加坡国立大学和南洋理工大学,香港大学以及台湾大学等14所高校的物理系作为调研样本。通过登陆各大学物理系网站的课程介绍主页可以发现,哈佛大学、普林斯顿大学、墨尔本大学以及台湾大学物理系最注重本科生的高等化学教育。哈佛大学开设化学键、能量和反应、化学量子和统计基础,以及现代化学基础和前沿等课程,注重培养学生基础的化学理论和化学知识,同时基于物理系学生扎实的理科基础,注重把学生的物理知识和化学知识有机地结合起来,而且在课程讲授中涉及到纳米材料、光伏等多学科研究的前沿和热点问题。普林斯顿大学物理系针对本科生开设了地球内部的物理和化学、生物物理和化学等课程。台湾大学规定普通化学及实验、普通生物及实验等课程是物理系本科生的必修课程。墨尔本大学针对物理系的大一、大二学生都有相应的化学课程。麻省理工学院、加州大学柏克利分校、加州理工学院、牛津大学、多伦多大学、普林斯顿大学等都把与化学课程关联度很高的生物物理课程作为物理系本科生的必修课。剑桥大学、新加坡国立大学、南洋理工大学以及香港大学的物理系等都开设了一些与化学紧密相关的选修课或要求学生选修化学系的有关课程。调研的14所国外及港台高校中唯有斯坦福大学物理系没有为本科生开设或要求选修化学相关课程。

2.国内高校

选取了“985”高校中的清华大学、北京大学、复旦大学、上海交通大学、浙江大学、南京大学、武汉大学、中山大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、山东大学、吉林大学、南开大学、西安交通大学、中国科技大学、厦门大学等16所高校的物理系作为样本。其中,清华大学和复旦大学物理系对本科生化学课程教育的要求最高。清华大学物理系要求本科生必修化学和生物学基础课程6学分以上,复旦大学物理系要求本科生必修5.5学分的普通化学及实验课。另外,西安交通大学和哈尔滨工业大学都要求物理系本科生至少必修一学期的大学化学课程。北京大学、南京大学、中国科技大学、武汉大学、吉林大学等高校物理系都为学生开设或让学生选修一些化学相关的课程。上海交通大学、厦门大学、华中科技大学为物理学本科生开设了生物物理选修课。调研的16所高校中浙江大学、山东大学以及中山大学物理系没有为本科生开设化学类必修或选修课程。另外,通过对国内外高校物理系开设课程及讲授大纲的对比研究可以发现,我国高等教育所用的多数教材涉及面较窄,基本内容过于陈旧、雷同;在理论与科技的典型应用结合方面以及新理论、新技术的吸纳与综述方面,所占比重普遍较低;在课程体系结构上也显得陈旧,其多样化、可视化、界面的友好、信息的多渠道、内容进程的节奏感上比国外的一些好教材都要差许多。反观国外课程教学大纲,国外高校更注重对物理专业学生化学知识的传授和教育,更注重把学生的物理知识融入到化学知识中进行教育,更注重把传统的化学知识和日新月异发展的现代科学技术联系起来,开拓学生的视野,激发学生学习的兴趣;在对重要的概念、原理等的引入和编排方式上,国外教材精心考虑、科学安排,易于培养学生的自学能力,而我国高校教材则缺乏这样的特点[2]。

二、加强高等化学课程教育的重要性

化学是自然科学的基本学科之一。大学四年的本科教育是为学生将来打基础的重要时期,对于物理专业的本科生来说,大学化学对完善其知识结构具有重要意义,并为学生学习后续相关课程、从事相关研究打下坚实的基础。1.物理学本科专业培养目标和教学内容的要求教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会制定的《高等学校物理学本科指导性专业规范》[3]中指出,物理学本科专业教育主要是为从事物理学及相关学科前沿问题的研究和教学的专业人才打下基础,同时也培养能将物理学应用于技术和社会各个领域的复合型、综合性人才。“实施科教兴国的战略,关键是人才”。而我国当前的人才状况“还不适应社会主义现代化建设的要求”,这种“不适应”不仅表现在人才素质的普遍偏低上,而且表现为复合型、综合性人才的严重匮乏。当代科学发展的一个重要特点是学科间的交叉。物理学与化学、生物学的学科交叉更为显著,产生了许多新的边缘和交叉学科。深刻认识到这一问题的紧迫性,及时调整传统的物理学专业设置和课程结构模式,增加综合性教育的比重,已经成为高等院校教学改革的迫切任务之一。《规范》还明确指出:物理学本科专业的相关学科知识领域主要包括数学、信息科学与技术、化学、生命科学、材料科学等。高等化学教育对于物理专业学生而言绝不是“无用”或“用处不大”。当今人类社会面临的材料、信息、生命科学等尖端前沿问题无不与化学、物理密切相关,需要物理学家和化学家的紧密配合,当然更需要同时具备“物理”和“化学”知识的“通才”。2.化学与物理学的学习相辅相成、相互促进传统的物理学本科专业教育往往倾向于向学生灌输一些抽象的概念公式、严密的数学推理过程以及非物理专业人士倍感深奥晦涩的物理模型等。物理学专业的四大基础课程理论力学、电动力学、热力学与统计物理、量子力学及其重要的数学工具数学物理方法、群论等课程无不具有这样的特点。物理学教育的很多内容是人们经过长期的生产实践总结出来的高度凝练的物理定律或公理,如能量守恒定律、热力学第一定律等。近现代物理学理论的发展和推动很大程度上缘于一些“天才”物理学家的孜孜以求,如麦克斯韦的电磁场理论、爱因斯坦的相对论以及量子力学的诞生等。物理学内容决定了物理学教育注重培养学生的逻辑思维能力和抽象思维能力。但物理学教育往往缺乏对事物直观、形象的描述。而化学方面的教育恰恰与之相反,化学教育的很多内容都与工农业生产或者人们的日常生活有着直接的联系,其外在表现是“看得见、摸得着”的东西。如化学药品的制备、提纯工艺、化工产品的性质等。即使是同一事物,化学角度的描述也往往比物理角度的描述更直观易懂,如对原子轨道的描述,物理学上需要采用量子力学上的波函数对其描述;而化学上则直接称s轨道为“球”形,p轨道具有“哑铃”形等。化学教育使学生更容易把所学知识与生产实践结合起来。对物理学专业的学生进行高等化学教育,有利于培养学生的实践能力。而且,物理学专业的学生通常具有良好的数学、物理功底。在解决实际问题时,物理学专业的学生结合所学的数学、物理知识,更容易探清、理解和发现问题发生的根源和实质,更容易把问题的理解上升到定量、理论的高度。理论反过来又进一步促进了实践的发展。世界上很多有名的物理学家本身也是化学家、材料学家;同样,很多化学家也具有很坚实的物理学基础。3.现代高新技术发展的需要当今世界科技日新月异,以信息技术、生物技术、新材料和新能源为基础的新技术被广泛应用,其中的生物技术、新材料和新能源都与化学学科有很直接的联系。同时,现代科技的发展也离不开物理学这一古老而飞速发展的基础科学的支持,物理学提供了最多、最基本的科学研究手段。本世纪物理学的发展与化学紧密结合,朝着阐明化学变化过程本质的目标而前进,并进一步深入到生物学领域,为探索和认识生命的奥秘做出贡献,诞生了生物物理学这一重要的学科分支[4]。物理科学的发展离不开化学的支持。特别是对于微观世界的认识方面,物理学研究擅长采用量子理论计算、模拟以及理论推导的方法去预估一些现象和结果,而实验方面的很多工作则需要化学方面的密切配合。例如,纳米材料的一些新颖光学、电学及磁学性能是当今物理学研究的热点,而纳米材料的制备则需要化学、材料学的实验技能去实现。二十世纪八十年代C60的发现曾经激发了无数物理学、化学科研工作者对其探索的热潮,直至今天碳族化合物仍然是物理学、化学共同研究的热点。物理科学侧重于从微观性质、理论方面认识世界,化学科学侧重于从宏观性质、实验方面认识世界,二者结合有力推动了现代科技的向前发展。4.当代大学生素质教育的需要对物理学专业学生开设化学课程教育,不仅是学生进一步学习化学知识的需要,也是提高学生科学素养的需要。化学是一门实用性和创造性都很强的自然科学。目前高等教育改革,重点就是对学生进行素质教育,创新意识和实践能力正是素质教育的目标所在。随着科学技术的飞速发展和高校课程体系与教育体制改革的不断深化和发展,化学与各个学科、各项工程技术以及人们的日常生活之间日益密切。高等化学课程作为高等教育中实施化学教育的基础课程,在学生掌握必要的基础化学理论和基本技能方面发挥着重要的作用。尤其对于非化学专业的学生来说,化学课程对于拓宽学生的知识面、完善学生的知识结构,培养学生多元化的思维模式,帮助学生快速适应当前交叉学科飞速发展的现状,更好地实施素质教育具有重要意义。

三、实施高等化学课程教育的建议

对理工科非化学专业学生实施高等化学教育的主要目的是使学生对化学学科有一个较为全面和深入的认识,使学生们认识到“微观结构决定宏观性质,宏观性质归因于微观结构”这一主要的化学科学观念,这种观念和方法论上的东西,不仅可以迁移到其它学科的学习,更为学生以后的日常生活和科学研究打下坚实的基础。在教材内容设置上,高等化学课程应包含一些基础的化学知识和化学理论;应具有一定的综合性,涉及主要的化学二级学科的内容;应反映化学学科的最新发展,充分体现化学学科在生产生活中的重要作用;还应体现化学与不同专业间的学科交叉[5]。对于不同的专业应根据其专业特点来确定课程的主线和内容,这样既能确保教学重点突出,学生接受与专业学习有密切联系的知识,加以掌握和应用,从而取得更好的教学效果;又能保证在有限的学时内完成高等化学教育的基本原理和理论教学,实现高等化学课程教育的教学目标。对于物理专业学生,结合物理专业的特点和要求来看,在教学内容上,应当以化学理论为主线,将基础化学理论始终贯穿于高等化学的教学过程中[6]。具体包括单质和无机化合物、溶液的化学反应热力学和动力学、多组分相平衡等一些基本内容。考虑到物理学专业课程教育的固有内容和要求,高等化学的另外一些核心内容可以放到一些相关的物理学课程中详细讲解,如原子结构可以放在“原子物理学”中详细讲解,晶体结构可以放在“固体物理”中详细讲解,气体热力学可以放在“热力学与统计物理”中详细讲述。另外,反映化学前沿及与其它学科交叉的知识和内容如纳米材料、生命科学、环境科学等可以作为高等化学课程的选修内容,或通过讲座的形式向同学们传授。课程讲授过程中要特别注意培养学生的学习能力和实践能力。考虑到物理学专业的学生具有较扎实的数学物理基础,可以在化学热力学和动力学理论的讲授过程中,适当布置一些与生产实践有密切关系的题目让学生去尝试,这样既锻炼了学生的化学计算能力,又能使学生理论联系实际,从而加深对化学理论的理解。另外,实验是高等化学课程的一个重要组成部分,也是培养学生分析和解决实际问题能力的重要教学环节。适当开展一些相关的化学实验课程,可以提高学生的综合分析能力和实践动手能力,并激发学生的学习兴趣,提高学生的学习积极性和主观能动性。

[参考文献]

[1]李国祥,王正德,蔡颖.应用物理专业《大学化学》课程开设与教学的尝试[J].内蒙古石油化工,2005,31(3):18-19.

[2]董平,宋义敏,魏昕,王佳宁.浅析目前我国高等工程教育课程体系、教材建设和教学过程存在的问题及协调其关系的重要性[J].华北航天工业学院学报,2002,12(3):15-18.

[3]高等学校物理学本科指导性专业规范[J].物理与工程,2011,21(4):3-26.

[4]王磊,王祖浩,李慧珍,胡久华.化学课程改革的社会需求调查及分析[J].课程•教材•教法,2002(4):66-71.

[5]李京卿.大学普通化学教材的比较研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[6]张小岗.物理专业普通化学课程教学改革初探[J].大学化学,2011,26(3):17-18,46.

作者:马德伟 单位:浙江工业大学理学院

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