導語：物理化學教學改革探究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

在大學有機化學課程的初始階段，學習者需要迅速建立起分子空間結構物理化學是醫藥類院校大學本科生的一門重要基礎課，對醫學、藥學其他主課的學習和理解起著基石的作用，就像對一個建筑而言，基礎未打牢就無法蓋出參天的大廈，因此非常有必要學好物理化學這門課。物理化學理論深奧抽象、結構龐雜、公式多且應用的條件要求嚴格。因此學生們普遍感覺概念和理論難學難記、授課的內容單調而枯燥。而物理化學的獨特研究思路和研究方法，嚴密的邏輯推理，可以說對后續課的學習和將來的工作實踐都將起著重要的指導作用。正如國家自然科學基金委員會在自然科學學科發展戰略調研報告物理化學卷中指出：“實踐表明，凡是具有較好物理化學素養的大學本科畢業生，適應能力強，‘后勁’足。由于有較好的理論基礎，他們容易觸類旁通、自學深造，能較快適應工作的變動，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國際科技發展的前沿”。多年的教學實踐啟示我們：對醫藥學知識的深入鉆研離不開扎實的物理化學基礎，沒有很好的基礎就無法進入到醫學、藥學領域的前沿。就無法真正搞懂疾病發病的過程和機理，也無法明白藥物設計的原理和治療的機理。因此，為了進一步提高物理化學的教學效果，我們對物理化學教學改革進行了初步探索。下面就介紹教學改革中的一些感悟。

1介紹相關領域的最新研究進展

物理化學是一門理論性強、邏輯性嚴密的重要基礎課，如果我們授課只知道照本宣科，對學生采取添鴨式的“滿堂灌”教學，就無法將學生的學習積極性調動起來。學生就會感到講授的課程枯燥乏味，學習內容單調冗長。長久下去，學生們就會對物理化學的學習產生畏難的心理，抵觸相關部分的學習。適當地介紹物理化學相關領域的最新研究進展，并將教員最近的研究成果展示給學生，可以有效地提高學習的積極性，激發學生的學習熱情，收到較好的教學效果。類似于納米材料在生物醫學中的應用，金屬有機框架材料（MOFs）的制備及其對各種陽離子、陰離子、溶劑分子和危險爆炸物分子的熒光檢測，一直是研究物質熒光性質的物理化學家所關注的一個熱點研究方向。教員首先引入MOFs材料的概念：作為結點的金屬離子被作為橋聯基團的剛性共軛有機配體連接而組裝成三維孔道的結構稱為金屬有機框架材料。因其具有大的孔徑和比表面積，被廣泛應用于氣體的吸附與分離、催化反應以及熒光檢測探針等領域。但是，傳統的熒光檢測探針都是以各種剛性有機配體和發光中心稀土元素Eu或Tb配位后形成配合物MOFs再被用來進行熒光檢測。然而由于稀土元素的高配位數和可變的配位環境，使得形成MOFs材料特別是穩定可控的材料遇到了很大的困難，許多合成的MOFs材料無法在水中甚至空氣中穩定存在，因此樣品合成的重現性和樣品組成的控制遇到了相當大的困難，熒光檢測數據的重現性和可操作性面臨著巨大的挑戰。為了制備性質穩定且組成可控的MOFs材料，在借鑒法國拉瓦錫研究所Ferey課題組以MIL命名的Al-MOF系列穩定金屬有機框架材料的研究成果[1]，以及挪威奧斯陸大學Lillerud課題組以UiO命名的Zr-MOF系列穩定材料的研究成果后[2]。我國課題組率先提出了用后合成方法（PSM）來負載稀土離子Eu3+或Tb3+等具有特征發射譜帶的元素：即先按照文獻合成性質穩定的MIL系列Al-MOF或UiO系列Zr-MOF，再用這些材料作為前驅體，將它們分別與過量的（約10倍）EuCl3或TbCl3在乙醇體系中攪拌回流，然后離心真空干燥以獲得性能穩定的負載Eu3+或Tb3+的后合成材料。在這些材料中，由于骨架的組成物質是Al或Zr和剛性共軛的有機配體，而Al或Zr與配體中羧基氧形成的配位鍵很強，因此后合成（PSM）得到的母體材料很穩定。再進一步將Eu3+或Tb3+負載在這些母體材料中，就能夠獲得稀土攙雜比恒定的后合成材料。這種材料在空氣中和水中都能穩定存在，由于配體對稀土離子的“天線效應”，因此它還具有特征發射強、光譜性質穩定且光譜重現性好的優點，作為先前非后合成材料的理想替代品，很有成為商業化熒光探針的潛力。教員講授到這里，將自己后合成得到的一種負載Eu3+的MOF材料展示給大家，發現在水中Cu2+對它有很強的淬滅作用，因此這種材料在Cu2+檢測中顯示了極強的選擇性和敏感性，是一種潛在的Cu2+熒光探針。講授過程中，輔助鮮明的用diamond和ChemBio3D繪制的各種MOF結構圖，以及Origin導出光譜滴定圖和檢測機理（光電子能譜）圖。原本枯燥乏味的理論灌輸，變成生動有趣的研究進展介紹，將學生們物理化學學習的積極性調動起來了，教學效果也有了明顯的提高。

2引入有針對性的案例式授課

物理化學是一門重要的基礎課，教員在講授的時候要引導學生用邏輯嚴密的推理方式來說明各種現象，比如熱力學第三定律所表述的“0K時，任何純物質完整晶體的熵值等于零。”或“不可能用有限的手段使一物體冷卻到熱力學溫度的絕對零度。”。然后教員就提問：“這個結論是如何得到的？”。為了激發學生們的學習熱情，我們在授課的過程中引入了案例式教學[3]。這就是對絕對零度與超低溫探索的案例：1837年，馬格努斯和勒尼奧精確測定出了氣體的定壓膨脹系數，并由此進一步反推出最低溫度是-273.15℃，即絕對零度。在絕對零度時，純物質各原子都停止了一切運動而靜止下來，因此處于完全有序的排列，混亂度也達到了最小，熵值也最小為零。為了驗證熱力學第三定律的正確性，各國科學家發起了向絕對零度的沖刺：英國科學家法拉第首先液化了氯氣，獲得了-78℃的低溫。到了1845年，科學家幾乎液化了所有的氣體，但O2、N2、He、CO、NO等氣體卻難以液化。德國科學家林德等人經過努力，采取壓縮-絕熱膨脹和抽除液面蒸氣法制得了液態氧和氮。荷蘭物理學家翁內斯采用五級串聯抽除液面蒸氣法制得大量液氫。1908年，他再用液氫和液態空氣預冷，繼續用壓縮-絕熱膨脹的方法使溫度下降到-268.95℃，將氦氣液化。當翁內斯獲得液氦后，曾進一步想用減壓降溫的方法使液氦固化，沒有獲得成功。但通過這種方法，他已經達到了-272.11℃的低溫。真正逼近了絕對零度，因此翁內斯也被稱為“絕對零度”先生。如何才能更逼近絕對零度？采用中性原子的激光冷卻技術被證明是有效的辦法：通過調諧激光的波長，使得只有在特定方向運動速度最快的原子可以吸收迎面飛來的光子，從而使原子在此方向的運動速度減慢。這種“光學黏膠”可以延緩幾百萬原子的運動，從而使其等效溫度降到接近絕對零度幾百萬分之幾的開氏溫度，即10-8K。如果在上述實驗中加上磁場就可以俘獲原子，并使溫度進一步降低到更接近絕對零度，甚至達到10-9K。因此絕對零度不能達到的理論被再一次獲得了證實。通過引入有針對性的教學案例，抽象枯燥的教學內容變得更加生動有趣了，教學效果也得到了顯著的提升。

3開展啟發式教學

教學過程是師生互動參與的過程：若在教員在講授過程中教師只會照搬書本內容，學生就很難有學習的積極性；而完全讓學生去自主學習，同樣也達不到預期的教學效果。為了進一步增強學生主動學習的意識，很有必要廣泛地開展啟發式教學[4]。例如在講授熱力學第二定律一章內容時，我們通過卡諾定理中卡諾循環的熱機效率最高引出了熵的概念，然后進一步得到孤立體系熵值永不減少即熵增加原理。這時教員就會問學生：“人的生命基本特征是新陳代謝，從熵的角度是生命體攝取結構嚴格有序的低熵物質（多糖、蛋白質等），排出無序的高熵物質（二氧化碳、尿、汗等）過程。那麼人生命過程各階段體內總熵值的變化趨勢是怎樣的？是否都符合熵增原理呢？相比之下，自然界的熵增加會產生怎樣的后果？”。并將這些問題作為思考題讓學生課后思考。經過充分的課后準備，教員下一次上課時又把這個問題提出來，這時學生們都躍躍欲試。教員示意一個學員站起，這位學員非常自信地講解起來：“在0到10歲左右，這個階段是兒童成長發育時期，攝取的低熵物質的總熵值顯著小于排泄的高熵物質的總熵值，體內的總熵變為負。這個時期是生命組織的快速正常發育，組織細胞的大量增長，代表熵減的有序組織快速增加的過程，生命在快速生長中。在10到20歲左右，這是生命基本長成的過程，剛開始攝取的低熵物質的總熵值小于排泄的高熵物質的總熵值，總熵變為負，到20歲左右，則低熵物質的總熵值約等于高熵物質的總熵值，總熵變約等于零。這個時期生命開始進入鞏固階段即生命組織較快地正常發育，組織細胞繼續大量增長，有序的組織較快地增加，生命在繼續生長中。在20到35歲左右，這是生命的鞏固時期，攝取的低熵物質的總熵值從約等于排泄的高熵物質的總熵值到等于高熵物質的總熵值，總熵變從稍小于零到等于零，生命處于一個平衡狀態，生命的各項指標都處于最佳狀態，生命處于旺盛階段。在35到50歲左右，這是生命衰老的預備時期，攝取的低熵物質的總熵值從等于排泄的高熵物質的總熵值到略大于高熵物質的總熵值，總熵變從等于零到稍大于零，生命仍處于旺盛階段，生命體征同前一階段比略有下降。50歲左右以后，生命開始進入衰老階段，攝取的低熵物質的總熵值大于排泄的高熵物質的總熵值，體內的總熵變大于零。這個時期人體的各項功能下降，組織再造能力下降，人體組織中自由基等垃圾成分增加，組織的有序度下降，人體的生物熵逐漸增大。因此正常的生理功能出現失調和無序，衰老、疾病就會接踵而至。這時就要通過藥物、手術、飲食和保健等來干預肌體，促使人體吸納低熵，排除高熵，使體內總熵變小于零，身體就會逐步恢復健康。”。當這位同學詳細而全面地闡述了人體各個階段的總熵變化與人體發育、分化、生長、衰老和疾病的關系，教員對他的回答給予了充分的肯定，并進一步啟發大家：“自然界的熵增加會產生怎樣的影響？”。這時一些準備充分的學員也舉起了手，教員示意一個同學回答。該學員表述：“人們在開采冶煉礦石、生產糧食、制造機器等勞動生產過程中，都要消耗能量。根據熵增加原理，每消耗一定的能量，都會使自然界的熵不斷增加。而熵增加對于地球是一個不可逆過程。自然界熵增意味著自然災害和人類生存環境的惡化、水旱災害的增加、土壤的沙化等。例如近年來發生的地震、大旱和水災都是環境熵增的結果。”。這時教員就繼續引導下去：“如何降低自然界的總熵？”。這位學生接著闡述：“只有大力提倡植樹綠化，節能減排，從而降低地球的總熵，才來使環境惡化趨勢得到減緩。”。教員對這一位學員的發言給予了表揚。通過教員提出問題并引導學生搜集資料的啟發互動式教學，學生的學習效果得到了顯著的提高。

總之，在物理化學教學實踐中，我們對上述三種教學方式進行了初步地嘗試，極大地激發了學員的求知欲，收到良好的教學效果。

參考文獻

[1]LoiseauThierry,VolkringerChristophe,HaouasMohamed,TaulelleFrancis,FereyGerard.Crystalchemistryofaluminiumcarboxylates:Frommolecularspeciesto-wardsporousinfinitethree-dimensionalnetworks[J].ComptesRendusChimie,2015,18:1350-1369.

[2]CavkaJasminaHafizovic,JakobsenS?ren,OlsbyeUnni,Guill-ouNathalie,LambertiCarlo,BordigaSilvia,LillerudKarlPetter.ANewZirconiumInorganicBuildingBrickForm-ingMetalOrganicFrameworkswithExceptionalStabil-ity[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2008,130:13850-13851.

[3]李志軍.案例式教學在物理化學課程教學中的應用[J].科教文匯,2018,410:69-70.

[4]牟新利,祁俊生,傅楊武,漆勇,陳書鴻.啟發式教學在物理化學教學中的應用[J].重慶三峽學院學報,2008,24(110):152-154.

作者:羅 俊 劉寶姝 張欣榮 佘 嵐 馬志強 楊 峰 單位:第二軍醫大學藥學院