導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇量子化學(xué)理論，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

（一）在建筑材料方面的應(yīng)用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，計(jì)算量子化學(xué)開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于許多水泥熟料礦物和水化產(chǎn)物體系的研究中，解決了很多實(shí)際問(wèn)題。

鈣礬石相是許多水泥品種的主要水化產(chǎn)物相之一，它對(duì)水泥石的強(qiáng)度起著關(guān)鍵作用。程新等[1,2]在假設(shè)材料的力學(xué)強(qiáng)度決定于化學(xué)鍵強(qiáng)度的前提下，研究了幾種鈣礬石相力學(xué)強(qiáng)度的大小差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ca鈣礬石、含Ba鈣礬石和含Sr鈣礬石的Al-O鍵級(jí)基本一致，而含Sr鈣礬石、含Ba鈣礬石中的Sr，Ba原子鍵級(jí)與Sr-O，Ba-O共價(jià)鍵級(jí)都分別大于含Ca鈣礬石中的Ca原子鍵級(jí)和Ca-O共價(jià)鍵級(jí)，由此認(rèn)為，含Sr、Ba硫鋁酸鹽的膠凝強(qiáng)度高于硫鋁酸鈣的膠凝強(qiáng)度[3]。

將量子化學(xué)理論與方法引入水泥化學(xué)領(lǐng)域，是一門前景廣闊的研究課題，它將有助于人們直接將分子的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能聯(lián)系起來(lái)，也為水泥材料的設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑[3]。

（二）在金屬及合金材料方面的應(yīng)用

過(guò)渡金屬(Fe、Co、Ni)中氫雜質(zhì)的超精細(xì)場(chǎng)和電子結(jié)構(gòu)，通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算表明，含有雜質(zhì)石原子的磁矩要降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。閔新民等[4]通過(guò)量子化學(xué)方法研究了鑭系三氟化物。結(jié)果表明，在LnF3中Ln原子軌道參與成鍵的次序是：d＞f＞p＞s，其結(jié)合能計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值定性趨勢(shì)一致。此方法還廣泛用于金屬氧化物固體的電子結(jié)構(gòu)及光譜的計(jì)算[5]。再比如說(shuō)，NbO2是一個(gè)在810℃具有相變的物質(zhì)(由金紅石型變成四方體心)，其高溫相的NbO2的電子結(jié)構(gòu)和光譜也是通過(guò)量子化學(xué)方法進(jìn)行的計(jì)算和討論，并通過(guò)計(jì)算指出它和低溫NbO2及其等電子化合物VO2在性質(zhì)方面存在的差異[6]。

量子化學(xué)方法因其精確度高，計(jì)算機(jī)時(shí)少而廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)中，并取得了許多有意義的結(jié)果。隨著量子化學(xué)方法的不斷完善，同時(shí)由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍將不斷得到拓展，將為材料科學(xué)的發(fā)展提供一條非常有意義的途徑[5]。

二、在能源研究中的應(yīng)用

（一）在煤裂解的反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方面的應(yīng)用

煤是重要的能源之一。近年來(lái)隨著量子化學(xué)理論的發(fā)展和量子化學(xué)計(jì)算方法以及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，量子化學(xué)方法對(duì)于深入探索煤的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性之間的關(guān)系成為可能。

量子化學(xué)計(jì)算在研究煤的模型分子裂解反應(yīng)機(jī)理和預(yù)測(cè)反應(yīng)方向方面有許多成功的例子,如低級(jí)芳香烴作為碳/碳復(fù)合材料碳前驅(qū)體熱解機(jī)理方面的研究已經(jīng)取得了比較明確的研究結(jié)果。由化學(xué)知識(shí)對(duì)所研究的低級(jí)芳香烴設(shè)想可能的自由基裂解路徑，由Guassian98程序中的半經(jīng)驗(yàn)方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的從頭計(jì)算方法和考慮了電子相關(guān)效應(yīng)的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法對(duì)設(shè)計(jì)路徑的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算。由理論計(jì)算方法所得到的主反應(yīng)路徑、熱力學(xué)變量和表觀活化能等結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比有較好的一致性，對(duì)煤熱解的量子化學(xué)基礎(chǔ)的研究有重要意義[7]。

（二）在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

鋰離子二次電池因?yàn)榫哂须娙萘看?、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、無(wú)記憶效應(yīng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們稱之為“最有前途的化學(xué)電源”，被廣泛應(yīng)用于便攜式電器等小型設(shè)備，并已開(kāi)始向電動(dòng)汽車、軍用潛水艇、飛機(jī)、航空等領(lǐng)域發(fā)展。

鋰離子電池又稱搖椅型電池，電池的工作過(guò)程實(shí)際上是Li+離子在正負(fù)兩電極之間來(lái)回嵌入和脫嵌的過(guò)程。因此，深入鋰的嵌入-脫嵌機(jī)理對(duì)進(jìn)一步改善鋰離子電池的性能至關(guān)重要。Ago等[8]用半經(jīng)驗(yàn)分子軌道法以C32H14作為模型碳結(jié)構(gòu)研究了鋰原子在碳層間的插入反應(yīng)。認(rèn)為鋰最有可能摻雜在碳環(huán)中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子軌道法對(duì)摻鋰的芳香族碳化合物的研究表明，隨著鋰含量的增加，鋰的離子性減少，預(yù)示在較高的摻鋰狀態(tài)下有可能存在一種Li-C和具有共價(jià)性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子軌道計(jì)算法，對(duì)低結(jié)晶度的炭素材料的摻鋰反應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，鋰優(yōu)先插入到石墨層間反應(yīng)，然后摻雜在石墨層中不同部位里[11]。

隨著人們對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)水平的更高發(fā)展，相信量子化學(xué)原理在鋰離子電池中的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更廣泛、更深入、更具指導(dǎo)性。

三、在生物大分子體系研究中的應(yīng)用

生物大分子體系的量子化學(xué)計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，尤其是生物大分子體系的理論研究具有重要意義。由于量子化學(xué)可以在分子、電子水平上對(duì)體系進(jìn)行精細(xì)的理論研究，是其它理論研究方法所難以替代的。因此要深入理解有關(guān)酶的催化作用、基因的復(fù)制與突變、藥物與受體之間的識(shí)別與結(jié)合過(guò)程及作用方式等，都很有必要運(yùn)用量子化學(xué)的方法對(duì)這些生物大分子體系進(jìn)行研究。毫無(wú)疑問(wèn)，這種研究可以幫助人們有目的地調(diào)控酶的催化作用,甚至可以有目的地修飾酶的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)并合成人工酶；可以揭示遺傳與變異的奧秘,進(jìn)而調(diào)控基因的復(fù)制與突變，使之造福于人類；可以根據(jù)藥物與受體的結(jié)合過(guò)程和作用特點(diǎn)設(shè)計(jì)高效低毒的新藥等等，可見(jiàn)運(yùn)用量子化學(xué)的手段來(lái)研究生命現(xiàn)象是十分有意義的。

綜上所述，我們可以看出在材料、能源以及生物大分子體系研究中，量子化學(xué)發(fā)揮了重要的作用。在近十幾年來(lái)，由于電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和普及，量子化學(xué)計(jì)算變得更加迅速和方便?？梢灶A(yù)言，在不久的將來(lái)，量子化學(xué)將在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程新.[學(xué)位論文].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,1994

[2]程新,馮修吉.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):147

[4]閔新民,沈爾忠,江元生等.化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(10):973

[5]程新,陳亞明.山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1994,8(2):1

[6]閔新民.化學(xué)學(xué)報(bào),1992,50(5):449

[7]王寶俊,張玉貴,秦育紅等.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):1

[8]AgoH,NagataK,YoshizawAK,etal.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1997,70:1717

[9]AgoH,KatoM,YaharaAK.etal.JournaloftheElectrochemicalSociety,1999,146(4):1262

[10]SatoruK,MikioW,ShinighiK.ElectrochimicaActa1998,43(21-22):3127

[11]麻明友,何則強(qiáng),熊利芝等.量子化學(xué)原理在鋰離子電池研究中的應(yīng)用.吉首大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(3):97.

篇2

在結(jié)構(gòu)化學(xué)課程教學(xué)中設(shè)置課程論文作為激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和課程評(píng)價(jià)的手段。引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于課程論文研究中，達(dá)到學(xué)以致用效果。論文指導(dǎo)過(guò)程中，注意學(xué)生創(chuàng)新思維模式的培育，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過(guò)程上，同時(shí)注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)化學(xué) 課程論文 創(chuàng)新思維

《結(jié)構(gòu)化學(xué)》是理科院?；瘜W(xué)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)理論專業(yè)課。這門課程以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)為基礎(chǔ)，建立比較抽象的理論概念，學(xué)生一般感到難學(xué)難懂。因此，學(xué)生易缺乏學(xué)習(xí)的積極性，影響到教學(xué)效果。根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)中，設(shè)置課程論文作為激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和評(píng)價(jià)教學(xué)效果的手段。對(duì)此， 我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中， 在掌握學(xué)生基本學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)置與教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求相適應(yīng)的，注重理論研究和解釋實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的課程論文題目，引導(dǎo)學(xué)生嘗試應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)/量子化學(xué)的理論計(jì)算結(jié)果來(lái)解釋化學(xué)實(shí)驗(yàn)，深入了解分子結(jié)構(gòu)和理論性質(zhì)，揭示其內(nèi)在規(guī)律性。從而在應(yīng)用理論的過(guò)程中加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得較好的教學(xué)效果。

1 設(shè)置課程論文的重要性

與其他化學(xué)專業(yè)課程不同，《結(jié)構(gòu)化學(xué)》的內(nèi)容主要是抽象理論，缺乏合適的配套實(shí)驗(yàn)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行加深、拓寬和鞏固。該門課程的對(duì)象一般是大學(xué)三年級(jí)學(xué)生，具有相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)專業(yè)知識(shí)。設(shè)置課程論文可以讓學(xué)生在搜尋研究對(duì)象或者范圍時(shí)，對(duì)以前專業(yè)知識(shí)進(jìn)行回顧和分析，思考大學(xué)一年級(jí)以來(lái)學(xué)習(xí)的知識(shí)是否存在可以采用結(jié)構(gòu)化學(xué)理論解釋的地方，引發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)、原理和現(xiàn)象進(jìn)行思考，在自由選擇題目范圍的情況下，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文研究時(shí)，注意講述一般科學(xué)研究的方法和步驟及科學(xué)工作者所應(yīng)當(dāng)具備的科學(xué)道德，全面提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程論文撰寫(xiě)時(shí)，著重講授一般論文的寫(xiě)作格式，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，提高學(xué)生的書(shū)面表達(dá)能力，形成一定論文寫(xiě)作規(guī)范。這對(duì)于一般理工科學(xué)生尤其重要。設(shè)置的課程論文同時(shí)為四年級(jí)畢業(yè)論文研究階段所需要的邏輯思維和論文寫(xiě)作打下基礎(chǔ)。

2 理論化學(xué)計(jì)算軟件的講授

讓學(xué)生進(jìn)行課程論文研究，首先必須先教導(dǎo)學(xué)生使用理論化學(xué)的計(jì)算軟件，讓計(jì)算軟件成為學(xué)生進(jìn)行課程論文研究的工具，所以教師本身需要對(duì)該類軟件非常熟悉，同時(shí)具備利用該類軟件進(jìn)行科學(xué)研究的能力和經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)教師的教學(xué)和科研能力有較高的要求。在眾多量子化學(xué)理論計(jì)算軟件中，HyperChem比較適合一般學(xué)生使用。可視化軟件使深?yuàn)W的理論計(jì)算結(jié)果形象化、直觀化進(jìn)行表達(dá)，讓學(xué)生好學(xué)易懂，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，適合用來(lái)作為課程論文研究的計(jì)算軟件。在實(shí)際教學(xué)中，我們只需要1學(xué)時(shí)就能教會(huì)學(xué)生有關(guān)HyperChem的基本操作和應(yīng)用于簡(jiǎn)單的理論計(jì)算。譚君［1］介紹了HyperChem軟件的一些使用操作和特點(diǎn)，這里不再重復(fù)敘述。

3 科學(xué)研究思維和步驟的指導(dǎo)

授之以魚(yú)不若授之以漁，所以我們?cè)谡n堂上，教導(dǎo)學(xué)生一般的科學(xué)研究思維和步驟。課堂上以苯環(huán)上親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律作為計(jì)算例子，采用Hyperchem軟件計(jì)算各原子電荷并解釋定位規(guī)律的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。眾所周知，苯環(huán)上的取代基分為鄰對(duì)位定位基和間位定位基兩類。這里選擇了氨基和甲醛基分別作為鄰對(duì)位定位基和間位定位基兩類代表，通過(guò)計(jì)算其量子化學(xué)指數(shù)，討論其計(jì)算結(jié)果，從理論上解釋定位效應(yīng)。

首先分析影響親電反應(yīng)的因素。一般認(rèn)為碳原子的電子云密度是主要因素，所以我們可以通過(guò)計(jì)算苯環(huán)上的碳原子電荷來(lái)解析親電反應(yīng)規(guī)律。

在Hyperchem構(gòu)造并以PM3分別計(jì)算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，選定charge項(xiàng)，在分子中顯示各碳原子的電荷分布。

電荷分布顯示氨基苯上鄰位和對(duì)位的C原子帶負(fù)電荷，分別為-0.191和-0.169，均大于間位C原子電荷（-0.05），所以對(duì)于氨基苯來(lái)說(shuō)，親電基團(tuán)會(huì)首先進(jìn)攻鄰位和對(duì)位。而在苯甲醛的情況恰好相反，間位C原子電荷為最負(fù)，為-0.119。親電基團(tuán)會(huì)首先進(jìn)攻間位。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和討論，應(yīng)用原子電荷的規(guī)律變化很好地解釋了親電取代定位規(guī)則。

轉(zhuǎn)貼于 　　4 擬定結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算題目

自由選擇題目范圍，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣，教學(xué)中，我們?cè)O(shè)定以下方向（題目）：

① 藥物分子的結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系

通過(guò)對(duì)分子的結(jié)構(gòu)計(jì)算，討論結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系，尋找分子活性中心和主要影響活性的因素。

② 化學(xué)反應(yīng)原理與規(guī)律解釋

以理論方法計(jì)算和解釋常見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物與規(guī)律，如丁二烯的加成反應(yīng)。

③ 分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

計(jì)算出分子的量化指數(shù)，尋找量化指數(shù)與分子性質(zhì)的關(guān)系，如HOMO、LUMO與顏色的關(guān)系。

④ 光譜的移動(dòng)

研究分子結(jié)構(gòu)與光譜移動(dòng)的關(guān)系，如分子中的鍵長(zhǎng)的變化直接影響紅外吸收峰的移動(dòng)。

⑤ 分子的結(jié)構(gòu)/構(gòu)型/構(gòu)象

以理論方法研究分子的結(jié)構(gòu)、具體構(gòu)型和構(gòu)象。

⑥ 分子間的相互作用

分子間的作用一般為氫鍵和范德華作用，與化合鍵作用相比，屬于弱作用，是生物大分子主要相互作用。

5 論文指導(dǎo)與創(chuàng)新思維模式的培育

創(chuàng)新思維的特征是求同與求異的統(tǒng)一、發(fā)散與收斂思維的統(tǒng)一、敏銳的直覺(jué)與理論思維的統(tǒng)一。課程論文布置下去以后，學(xué)生在對(duì)課題的思考會(huì)有許多新的問(wèn)題和新的想法，我們要鼓勵(lì)學(xué)生在對(duì)新的問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新思維。安排課程討論，將學(xué)生的想法在課堂上討論，尊重學(xué)生的新想法，引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于課程論文研究中。

具有獨(dú)立思考判斷能力是學(xué)生創(chuàng)新思維模式的主要表現(xiàn)。傳統(tǒng)教師講、學(xué)生聽(tīng)的缺乏互動(dòng)的教學(xué)模式已表現(xiàn)出許多弊端，影響了學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手的素質(zhì)及其能力的形成。學(xué)生自己選題，成為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力跨出的第一步，也是重要的一步。獨(dú)立開(kāi)展課程論文研究，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考判斷能力。因此，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)放在課程論文研究的過(guò)程上，而非結(jié)論。教會(huì)學(xué)生從抽象的數(shù)理推導(dǎo)中評(píng)選出適合個(gè)體所需的條件。同時(shí)，學(xué)生只有具備獨(dú)立的思考判斷能力和獲取知識(shí)的能力，才能在終身教育過(guò)程中面對(duì)日新月異的世界，不斷實(shí)現(xiàn)知識(shí)的更新［2］。

【參考文獻(xiàn)】

1 譚君. HyperChem 在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 重慶教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，17(6):20～22.

篇3

一直以來(lái)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系有著重視化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的優(yōu)良傳統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，由復(fù)旦大學(xué)等14所學(xué)校合作編寫(xiě)的《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材在國(guó)內(nèi)廣受好評(píng)，影響深遠(yuǎn)。20世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系對(duì)大學(xué)本科的化學(xué)課程體系進(jìn)行了改革，逐步形成以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以技術(shù)要素為主線的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)管理機(jī)制[1，2]。2000年前后，復(fù)旦化學(xué)系根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，本著“統(tǒng)籌管理、優(yōu)化資源、避免重復(fù)和遺漏”的原則，將涉及儀器操作類的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程“儀器分析實(shí)驗(yàn)”和“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”融合為“儀器分析和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，那時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在世行貸款和學(xué)校配套資金支持下，購(gòu)置了一批在當(dāng)時(shí)屬于先進(jìn)的儀器用于教學(xué)，使得化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件得到大幅度改善，教學(xué)質(zhì)量和水平因此得到保障和提高。

隨著時(shí)代和學(xué)科的發(fā)展，我系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸暴露出一些不足。一方面大部分實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相對(duì)落后，如電化學(xué)分析工作站、氣相色譜儀、原子發(fā)射光譜儀等設(shè)備都已使用了10～15年。這些儀器性能不夠穩(wěn)定，測(cè)量出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大，得不到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣直接削弱了學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的積極性。另一方面是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新速度慢，滯后于科學(xué)研究發(fā)展的步伐。物理化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也使得一些原本屬于專門化或綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高級(jí)技術(shù)和儀器成為基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的常規(guī)技術(shù)和設(shè)備，在當(dāng)前科研中發(fā)揮重要作用的常規(guī)表征手段至今沒(méi)有相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)，而且復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)早在1999年就開(kāi)設(shè)了以結(jié)構(gòu)分析和表征為主線，集原理、儀器使用和解譜為一體的“譜學(xué)導(dǎo)論”理論課，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較大的脫節(jié)。同時(shí)本系科研實(shí)力的快速提高、學(xué)科建設(shè)、師資優(yōu)化和研究生生源的增長(zhǎng)需求對(duì)本科學(xué)生的科研素質(zhì)提出了新要求，一些操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容單薄的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)顯然不能滿足這些要求。在這樣的形勢(shì)下，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如何設(shè)置，成為我們面臨的又一重要課題。經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和討論，我們對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置有了一些初步實(shí)踐與設(shè)想，希望能與國(guó)內(nèi)同行共同探討。

二、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的總體設(shè)計(jì)

本課程內(nèi)容的設(shè)置將充分依托本系學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在“銜接前沿、兼顧基礎(chǔ)”的原則下，更新、升級(jí)、完善和補(bǔ)充大型儀器類實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在完成經(jīng)典傳承的基礎(chǔ)上，加大綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)的比例，以求拓寬學(xué)生專業(yè)面、增強(qiáng)適應(yīng)性。更希望通過(guò)本課程教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施和開(kāi)展，讓學(xué)生了解和掌握一定的前沿技術(shù)、技能以及思考、解決問(wèn)題的方法，促進(jìn)學(xué)生探索能力、科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合能力。

在上述思想的指導(dǎo)下，我們經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)部分高校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研和對(duì)比，并結(jié)合本系的實(shí)際情況，進(jìn)行如下改革。

1.更新儀器設(shè)備，推動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新優(yōu)化

對(duì)目前開(kāi)設(shè)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)的老舊設(shè)備進(jìn)行更新，取得了明顯的效果。

比如，差熱分析實(shí)驗(yàn)是一個(gè)經(jīng)典的研究物質(zhì)在受熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生的物理和化學(xué)的變遷速率和溫度以及所涉及的能量和質(zhì)量變化的熱分析實(shí)驗(yàn)。本系原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是20世紀(jì)70年代老師們自己動(dòng)手搭建的，從冰水浴、自制熱偶、加熱爐到記錄筆、溫控儀的連接，都需要學(xué)生動(dòng)手完成，由于各配件年代久遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性、分辨率都不理想，而且經(jīng)常出現(xiàn)某一部件“罷工”的尷尬局面，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行。近年來(lái)，熱分析技術(shù)的不斷創(chuàng)新與完善，使得熱分析的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，研究對(duì)象不斷增加，在無(wú)機(jī)、有機(jī)、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、塑料、橡膠、能源、建筑、生物及空間技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3]。開(kāi)展熱分析類的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅具有課堂理論意義，也具有非常強(qiáng)的應(yīng)用背景，國(guó)內(nèi)許多高校開(kāi)設(shè)熱分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但具體實(shí)施的方案各不相同。經(jīng)過(guò)考察，我們購(gòu)置了性能較好的熱重天平，此儀器采用較先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和精密的機(jī)械制造工藝，將機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)電控制和氣氛控制集于一體，一定程度上改善了傳統(tǒng)熱分析儀器笨重外形。性能優(yōu)良的溫度控制軟件和界面，全面的熱動(dòng)力參數(shù)分析功能，將熱重分析TG、微商熱重法DTG與差熱分析DTA結(jié)合為一體，在同一次測(cè)量中利用同一樣品可同步得到熱重、微商熱重與差熱數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便快捷，而且數(shù)據(jù)可靠直觀。為克服實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單薄的問(wèn)題，我們重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生除了驗(yàn)證已知樣品受熱過(guò)程中的吸放熱情況，還可以觀測(cè)不同升溫速率下吸放熱情況的變化，進(jìn)而研究樣品受熱過(guò)程中相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如根據(jù)不同升溫速率下五水硫酸銅失水峰的峰頂溫度與升溫速率進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，便可以計(jì)算熱分解的活化能。在問(wèn)題與思考環(huán)節(jié)中，啟發(fā)學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)查閱，對(duì)熱分析方法進(jìn)行更全面的了解，有了這樣的技術(shù)和知識(shí)儲(chǔ)備，將來(lái)需要分析其他樣品受熱過(guò)程中物相變化、吸放熱等問(wèn)題時(shí)，很容易找到解決方案。

此外，對(duì)氣液色譜法測(cè)定非電解質(zhì)溶液熱力學(xué)函數(shù)的實(shí)驗(yàn)也更換了最新型號(hào)的氣相色譜儀。所有的溫度、壓力、流量以及其他參數(shù)的設(shè)定和顯示均可以在電腦軟件界面上進(jìn)行，大大方便了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，而且對(duì)了解目前的主流色譜有了感官認(rèn)識(shí)。最為關(guān)鍵的是，數(shù)據(jù)重復(fù)性得到了極大的提高，以前需要重復(fù)進(jìn)樣近10次才能得到3次相對(duì)誤差較小的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需進(jìn)樣3次就可滿足要求，對(duì)操作難度的要求大大降低，數(shù)據(jù)也與文獻(xiàn)值吻合較好，得到了同學(xué)們的認(rèn)可。

涉及電化學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，目前全部采用電化學(xué)工作站進(jìn)行。由于是軟件界面控制，重現(xiàn)性較好，出現(xiàn)故障也很容易判斷。這些改進(jìn)與以前的電壓、電流表顯示相比，優(yōu)勢(shì)明顯，而且對(duì)本科生繼續(xù)從事電化學(xué)相關(guān)研究起到了較好的鋪墊作用。

2.增開(kāi)研究性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技術(shù)技能的培養(yǎng)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容最欠缺的是科學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿成果在教學(xué)中的體現(xiàn)，而學(xué)生能力培養(yǎng)上較欠缺的是現(xiàn)代表征儀器的操作技術(shù)。因此，與前沿研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，是我們此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新的重點(diǎn)。

我們引入負(fù)載型催化劑的多相催化實(shí)驗(yàn)。隨著催化技術(shù)的發(fā)展，由于多相催化劑具有易回收利用、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)，在石油化工等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因此，讓學(xué)生了解和掌握一定的多相催化技術(shù)和知識(shí)顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)和南京大學(xué)化學(xué)系的本科生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中都涉及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我們開(kāi)設(shè)了負(fù)載貴金屬催化劑液相催化苯甲醇氧化的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生理解多相催化操作中的基本要求、評(píng)價(jià)活性優(yōu)劣的基本方法、影響催化活性的外界因素、完成活性測(cè)試的定量分析手段等內(nèi)容，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，了解更多的與催化相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)與技術(shù)。

3.引入物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)表征方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)在科學(xué)研究中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)的揭示，離不開(kāi)大型儀器。自19世紀(jì)倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線以來(lái)，X射線衍射被迅速地應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，它可以用在研究體積很大的對(duì)象，譬如人體骨骼，還可以表征很小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，譬如蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)[4]。由于波長(zhǎng)短，X射線有很強(qiáng)的穿透性，在分子及原子級(jí)的材料結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中應(yīng)用尤為廣泛?，F(xiàn)代X射線技術(shù)在研究未知結(jié)構(gòu)和新材料中已經(jīng)成為一個(gè)有力的工具，比如本系多個(gè)課題組制備的各種單晶新材料，其結(jié)構(gòu)解析就離不開(kāi)X射線單晶衍射儀。作為重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征手段，理論課堂上也做了深入的介紹，但由于硬件條件的限制，本系本科生一直沒(méi)有機(jī)會(huì)動(dòng)手操作X射線衍射儀。

多孔固體材料最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)90年代，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性而在催化、吸附、分離和儲(chǔ)能等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注，表面狀態(tài)和孔結(jié)構(gòu)直接影響其性能，所以多孔固體材料的比表面積和孔徑分布是研究固體材料的必要數(shù)據(jù)。本系多個(gè)課題組在介孔、微孔材料的制備研究中，一直離不開(kāi)比表面積測(cè)試儀對(duì)樣品基本性質(zhì)的測(cè)定，也正因如此，本系多套比表面積測(cè)試儀均難以勻出機(jī)時(shí)用于本科教學(xué)。

通過(guò)努力，現(xiàn)在我們購(gòu)置了4臺(tái)比表面積測(cè)試儀，并借用本系X射線粉末衍射儀科研機(jī)時(shí)，用于本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。先讓學(xué)生通過(guò)不同方法制備銅鋯復(fù)合氧化物材料，并對(duì)這些樣品進(jìn)行X射線粉末衍射和比表面積測(cè)定，最后通過(guò)數(shù)據(jù)處理，分析了解不同的制備因素對(duì)材料基本性質(zhì)的影響，了解BET多分子層吸附理論的基本假設(shè)和BET法測(cè)量固體比表面的基本原理，掌握X射線粉末衍射方法的基本原理、技術(shù)和物理吸附儀的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常規(guī)表征實(shí)驗(yàn)技能技巧。

三、未來(lái)設(shè)想

近年來(lái)，隨著世界環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，光催化在環(huán)境污染物降解中已成為研究熱點(diǎn)[5]。最近我們還將開(kāi)設(shè)TiO2光催化廢水降解實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有效治理環(huán)境污染技術(shù)的典型代表。納米TiO2由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、抗菌性能好以及在有機(jī)物降解過(guò)程中無(wú)二次污染等優(yōu)良性質(zhì)，成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中的重要光催化劑，在光催化領(lǐng)域得到了廣泛研究。TiO2的結(jié)構(gòu)形貌對(duì)其光催化活性有很大的影響，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，希望學(xué)生了解環(huán)境污染與防治的相關(guān)知識(shí)，并能從結(jié)構(gòu)形貌與光量子效率間的關(guān)系理解影響光催化活性的因素，同時(shí)理解光催化降解效率的衡量指標(biāo)等知識(shí)和技能。

從培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)技能的角度看，現(xiàn)代物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)表征方面涉及的內(nèi)容還遠(yuǎn)不夠，將來(lái)還計(jì)劃開(kāi)設(shè)銅鋯復(fù)合氧化物或者負(fù)載貴金屬樣品表面的CO吸附紅外光譜測(cè)定、核磁共振測(cè)定液相反應(yīng)速率常數(shù)等相關(guān)內(nèi)容。希望通過(guò)系列動(dòng)力學(xué)活性測(cè)試以及相應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征方面實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，讓學(xué)生對(duì)功能材料樣品制備技術(shù)、物質(zhì)基本性質(zhì)表征以及樣品性質(zhì)與性能之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)有所了解。更希望學(xué)生通過(guò)這一系列的訓(xùn)練，對(duì)科學(xué)研究過(guò)程有所了解，為他們開(kāi)展系列校內(nèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目打下基礎(chǔ)，有利于他們今后的繼續(xù)深造或工作。

篇4

“培養(yǎng)物理學(xué)家的物理學(xué)家”――彭桓武

“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆钡墨@得者有很多，錢學(xué)森、錢三強(qiáng)、郭永懷等名字為許多人所熟知，但也有很多人隱身在了集體的身后，彭桓武便是其中一位。

彭桓武師從名家，在清華大學(xué)讀研究生期間，他師從中國(guó)理論物理奠基人之一周培源教授，并以優(yōu)異的課業(yè)成績(jī)獲得周教授的賞識(shí)。之后他曾在英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)理論物理系學(xué)習(xí)期間，師從世界量子力學(xué)奠基人之一、著名物理學(xué)家馬克思?玻恩（Max Born），成為玻恩的第一個(gè)中國(guó)學(xué)生，并得到了玻恩教授的認(rèn)可。玻恩教授曾在寫(xiě)給愛(ài)因斯坦的信中，多次提到他的得意門生彭桓武。

1941年，玻恩教授將彭桓武推薦到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者薛定諤擔(dān)任所長(zhǎng)的愛(ài)爾蘭都柏林高等研究院理論物理研究所從事博士后研究。20世紀(jì)40年代初，彭桓武在愛(ài)爾蘭都柏林物理研究所從事研究期間，與量子化學(xué)的創(chuàng)始人之一W?海特勒和愛(ài)爾蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家哈密頓合作，發(fā)表了一系列有關(guān)介子場(chǎng)的研究成果，并最終形成了以三人姓氏頭字母命名的HHP理論，首次對(duì)宇宙線的能量分布和空間分布進(jìn)行了解釋。借助HHP理論，彭桓武在國(guó)際物理學(xué)界獲得了越來(lái)越多學(xué)者的認(rèn)可，并在33歲時(shí)成為愛(ài)爾蘭皇家科學(xué)院院士。

但彭桓武最終還是義無(wú)返顧地放棄了在歐洲光明的發(fā)展前景，回到中國(guó)從事科學(xué)研究工作，并在中國(guó)原子彈和氫彈研發(fā)的過(guò)程中發(fā)揮了極為重要的作用。但在兩彈研制成功后，他便悄然隱身于“集體”的身后，直到1999年才獲得“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆薄?/p>

最具影響力的華人科學(xué)家――楊振寧

即使不太關(guān)注科學(xué)界動(dòng)態(tài)的人，也不會(huì)對(duì)楊振寧這個(gè)名字感到太陌生。美國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主，賽格瑞（E. Segre）曾評(píng)價(jià)楊振寧為20世紀(jì)繼愛(ài)因斯坦和費(fèi)米之后，第三位具有全面的知識(shí)和才能的“物理學(xué)全才”。

原籍中國(guó)安徽的楊振寧，在1944年從西南聯(lián)合大學(xué)研究生畢業(yè)之后赴美留學(xué)，并在芝加哥大學(xué)獲得博士學(xué)位。之后，楊振寧留在美國(guó)發(fā)展，曾在芝加哥大學(xué)、普林斯頓大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校等科研院所從事教學(xué)和研究工作。

1957年，楊振寧因與另一華裔科學(xué)家李政道合作提出的“弱相互作用中宇稱不守恒理論”，而共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，兩人成為最早獲得諾貝爾獎(jiǎng)的華人。楊振寧還率先與米爾斯（R.L.Mills）提出了“楊-米爾斯方程”，并與巴克斯特（R.Baxter）創(chuàng)立了“楊振寧-巴克斯特方程”。

1971年，出國(guó)已27年之久的楊振寧回國(guó)訪問(wèn)，之后在推動(dòng)中美的科學(xué)文化交流方面做出了一定的貢獻(xiàn)。

多才多藝的物理學(xué)大師――王竹溪

作為中國(guó)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理研究的開(kāi)拓者，王竹溪在促進(jìn)中國(guó)物理學(xué)研究發(fā)展的過(guò)程中所發(fā)揮的作用是不容置疑的，他在表面吸附、超點(diǎn)陣統(tǒng)計(jì)理論和植物細(xì)胞的吸水等方面都做過(guò)許多工作，對(duì)推動(dòng)我國(guó)物理學(xué)研究、傳播和交流都做出了卓越的貢獻(xiàn)。

王竹溪初進(jìn)清華研究院，便跟隨周培源教授研究湍流理論。周培源對(duì)王竹溪十分器重，借量子力學(xué)的奠基人英國(guó)理論物理學(xué)家狄拉克到中國(guó)訪問(wèn)之際，他通過(guò)狄拉克將王竹溪推薦給了劍橋大學(xué)的R.H.福勒教授。于是，1935年王竹溪便前往劍橋大學(xué)跟隨福勒做統(tǒng)計(jì)物理研究，并于1938年以《吸附理論及超晶格理論的一個(gè)推廣》為畢業(yè)論文獲得博士學(xué)位，隨后便回國(guó)擔(dān)任清華大學(xué)教授一職。

從英國(guó)學(xué)成歸國(guó)后，王竹溪先后在清華和北大執(zhí)教40多年，而執(zhí)教的課程也是從低年級(jí)物理到高年級(jí)物理，直至研究生的專門課程悉數(shù)囊括。他教過(guò)的學(xué)生更是達(dá)數(shù)千人之多，其中不乏多名杰出的物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，同樣是“清華四杰”之一的楊振寧就是其中之一。楊振寧曾坦言，“王先生把我引進(jìn)了物理的這一領(lǐng)域?！?/p>

王竹溪在物理學(xué)研究和教學(xué)方面所作出的貢獻(xiàn)是有目共睹的，但很少人知道這個(gè)大物理學(xué)家其實(shí)在文字上還很有造詣。他不僅發(fā)明了漢字的新部首檢字法，而且憑借一己之力獨(dú)自編纂了《新部首大字典》。

“應(yīng)用數(shù)學(xué)之父”――林家翹

1937年畢業(yè)于清華大學(xué)物理系的林家翹，曾于1939年與郭永懷、錢偉長(zhǎng)等人同期考取庚子賠款留英公費(fèi)生，但因時(shí)局動(dòng)蕩，最終未能成行。直到1940年，林家翹才獲得了赴加拿大多倫多大學(xué)深造的機(jī)會(huì)，并在獲得碩士學(xué)位后，前往美國(guó)加州理工學(xué)院攻讀博士。

林家翹是國(guó)際公認(rèn)的力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)權(quán)威。他曾在20世紀(jì)40年代帶動(dòng)一代人在流體力學(xué)的流動(dòng)穩(wěn)定性和湍流理論方面進(jìn)行研究和探索。他曾與被譽(yù)為“航空航天時(shí)代的科學(xué)奇才”的馮?卡門一起提出了各向同性湍流的湍譜理論，并發(fā)展了馮?卡門的相似性理論，形成了早期湍流統(tǒng)計(jì)理論的主要學(xué)派。從20世紀(jì)60年代起，林家翹進(jìn)入了天體物理研究領(lǐng)域，創(chuàng)立了星系螺旋結(jié)構(gòu)的密度波理論，成功地解釋了盤狀星系螺旋結(jié)構(gòu)的主要特征，克服了困擾天文界數(shù)十年的“纏卷疑難”，并發(fā)展了星系旋臂長(zhǎng)期維持的動(dòng)力學(xué)理論。

篇5

古希臘人把所有對(duì)自然界的觀察和思考，籠統(tǒng)地包含在一門學(xué)問(wèn)里，那就是自然哲學(xué).科學(xué)分化為天文學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等，只是最近幾百年的事.在牛頓的時(shí)代里，科學(xué)和哲學(xué)還沒(méi)有完全分家.牛頓劃時(shí)代的著作名為“自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理”，就是一個(gè)明證.物理學(xué)最直接地關(guān)心自然界最基本規(guī)律，所以牛頓把當(dāng)時(shí)的物理學(xué)叫做自然哲學(xué).17世紀(jì)牛頓在伽利略、開(kāi)普勒工作的基礎(chǔ)上，建立了完整的經(jīng)典力學(xué)理論，這是現(xiàn)代意義下的物理學(xué)的開(kāi)端.從18世紀(jì)到19世紀(jì)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，卡諾、焦耳、開(kāi)爾文、克勞修斯等建立了宏觀的熱力學(xué)理論;克勞修斯、麥克斯韋、玻耳茲曼等建立了說(shuō)明熱現(xiàn)象的氣體分子動(dòng)理論;庫(kù)侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等建立了電磁學(xué)理論.至此，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的大廈巍然聳立.然而，正當(dāng)大功甫成之際，一系列與經(jīng)典物理的預(yù)言極不相容的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相繼出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)大廈的基礎(chǔ)動(dòng)搖了.

在這些新實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦獨(dú)自創(chuàng)立了相對(duì)論，先后在普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，創(chuàng)立了量子論和量子力學(xué)，奠定了近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ).本世紀(jì)隨著科學(xué)的發(fā)展，從物理學(xué)中不斷地分化出諸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態(tài)物理、激光物理、電子物理、等離子體物理等名目繁多的新分支，以及從物理學(xué)和其它學(xué)科的雜交中生長(zhǎng)出來(lái)的，諸如天體物理、地球物理、化學(xué)物理、生物物理等眾多交又學(xué)科.什么是物理學(xué)?試用一句話來(lái)概括，可以說(shuō):物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科.盡管這個(gè)相當(dāng)廣泛的定義仍難以刻畫(huà)出當(dāng)代物理學(xué)極其豐富的內(nèi)涵，不過(guò)有一點(diǎn)是肯定的，即一與其它科學(xué)相比，物理學(xué)更著重于物質(zhì)世界普遍而基本的規(guī)律的追求.物理學(xué)和天文學(xué)由來(lái)已久的血緣關(guān)系，是有目共睹的.當(dāng)今物理學(xué)的研究領(lǐng)域里有兩個(gè)尖端，一個(gè)是高能或粒子物理，另一個(gè)是天體物理.前者在最小的尺度上探索物質(zhì)更深層次的結(jié)構(gòu)，后者在最大的尺度上追尋宇宙的演化和起源.可是近幾十年的進(jìn)展表明，這兩個(gè)極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對(duì)密不可分的姊妹學(xué)科.物理學(xué)和化學(xué)從來(lái)就是并肩前進(jìn)的.

如果說(shuō)物理化學(xué)還是它們?cè)谳^為唯象的層次上的結(jié)合，則量子化學(xué)已深人到化學(xué)現(xiàn)象的微觀機(jī)理.物理學(xué)和生物學(xué)的關(guān)系怎么樣?對(duì)于如何解釋生命現(xiàn)象的問(wèn)題，歷史卜有吁兩種極端相反的看法:一是“生機(jī)淪”，認(rèn)為生命現(xiàn)象是由某種“活力”主宰著，水遠(yuǎn)不能在物理和化學(xué)的基礎(chǔ)上得到解釋;另一是“還原論認(rèn)為一切生命現(xiàn)象都可歸結(jié)(或者說(shuō)，還原)為物理和化學(xué)過(guò)程.1824年沃勒成功地在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用無(wú)機(jī)物合成了’尿素之后，生機(jī)論動(dòng)搖了.但是、能否用物理學(xué)和化學(xué)的原理與定律解釋生命呢?回答這個(gè)問(wèn)題為時(shí)尚早.不過(guò)，生命科學(xué)有自己獨(dú)特的思維方式和研究手段，積累了大量知識(shí)，確立了許多定律，說(shuō)把生物學(xué)“還原”為物理學(xué)和化學(xué)，是沒(méi)有意義的.可是物理學(xué)研究的是物質(zhì)世界普遍而基本的規(guī)律，這些規(guī)律對(duì)有機(jī)界和無(wú)機(jī)界同樣適用.物理學(xué)構(gòu)成所有自然科學(xué)的理論基礎(chǔ)，其中包括生物學(xué)在內(nèi).物理學(xué)和生物學(xué)相互滲透，前途是不可估量的.近四、五十年在兩學(xué)科的交叉點(diǎn)上產(chǎn)生的一系列重大成就，如D、、雙螺旋結(jié)構(gòu)的確定、耗散結(jié)構(gòu)理論的建立等，充分證明了這一點(diǎn).現(xiàn)在人們常說(shuō)，21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，這話有一定道理.不過(guò)，生命科學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展，必定是在與物理學(xué)科更加密切的結(jié)合中達(dá)到的.

2物理學(xué)與技術(shù)

社會(huì)上習(xí)慣于把科學(xué)和技術(shù)聯(lián)在一起，統(tǒng)稱“科技”，實(shí)際上二者既有密切聯(lián)系，又有重要區(qū)別.科學(xué)解決理論問(wèn)題，技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題.科學(xué)要解決的問(wèn)題，是發(fā)現(xiàn)自然界中確鑿的事實(shí)和現(xiàn)象之間的關(guān)系，并建立理論把這些事實(shí)和關(guān)系聯(lián)系起來(lái);技術(shù)的任務(wù)則是把科學(xué)的成果應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中去.科學(xué)主要是和未知的領(lǐng)域打交道，其進(jìn)展，尤其是重大的突破，是難以預(yù)料的;技術(shù)是在相對(duì)成熟的領(lǐng)域內(nèi)工作，可以作比較準(zhǔn)確的規(guī)劃.歷史上，物理學(xué)和技術(shù)的關(guān)系有兩種模式.回顧以解決動(dòng)力機(jī)械為主導(dǎo)的第一次工業(yè)革命，熱機(jī)的發(fā)明和使用提供了第一種模式.17世紀(jì)末葉發(fā)明了巴本鍋和蒸汽泵;18世紀(jì)末技術(shù)工人瓦特給蒸汽機(jī)增添了冷凝器、發(fā)明了活塞閥、飛輪、離心節(jié)速器等，完善了蒸汽機(jī)，使之真正成為動(dòng)力.其后，蒸汽機(jī)被應(yīng)用于紡織、輪船、火車;那時(shí)的熱機(jī)效率只有5一8%.1824年工程師卡諾提出他的著名定理，為提高熱機(jī)效率提供了理論依據(jù).

到20世紀(jì)蒸汽機(jī)效率達(dá)到15%，內(nèi)燃機(jī)效率達(dá)到40%，燃?xì)鉁u輪機(jī)效率達(dá)到50%.19世紀(jì)中葉科學(xué)家邁耶、亥姆霍茲、焦耳確立了能量守恒定律，物理學(xué)家開(kāi)爾文、克勞修斯建立了熱力學(xué)第一、第二定律.這種模式是技術(shù)向物理提出了問(wèn)題，促使物理發(fā)展了理論，反過(guò)來(lái)提高了技術(shù)，即技術(shù)~物理~技術(shù).電氣化的進(jìn)程提供了第二朽模式.從1785年建立庫(kù)侖定律，中間經(jīng)過(guò)伏打、奧斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，基本上是物理上的探索，沒(méi)有應(yīng)用的研究.此后半個(gè)多世紀(jì)，各種交、直流發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電報(bào)機(jī)的研究應(yīng)運(yùn)而生，蓬勃地發(fā)展起來(lái).有了1862年麥克斯韋電磁理淪的建立和1888年赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)，才導(dǎo)致了馬可尼和波波夫無(wú)線電的發(fā)明.當(dāng)然，電氣化反過(guò)來(lái)大大促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展.這種模式是物理~技術(shù)~物理.本世紀(jì)以來(lái)，在物理和技術(shù)的關(guān)系中，上述兩種模式并存，相互交叉.但幾乎所有重大的新技術(shù)領(lǐng)域(如電子學(xué)、原子能、激光和信息技術(shù))的創(chuàng)立，事前都在物理學(xué)中經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的醞釀，在理論和實(shí)驗(yàn)上積累了大量知識(shí)，才突然迸發(fā)出來(lái)的.沒(méi)有1909年盧瑟福的。

粒子散射實(shí)驗(yàn)，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年愛(ài)因斯坦提出受激發(fā)射理論，才可能有1960年第一臺(tái)激光器的誕生.當(dāng)今對(duì)科學(xué)、技術(shù)，乃至社會(huì)生活各個(gè)方面都產(chǎn)生了巨大沖擊的高技術(shù)，莫過(guò)于電子計(jì)算機(jī)，由之而引發(fā)的信息革命被譽(yù)為第二次工業(yè)革命.整個(gè)信息技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展，其硬件部分都是以物理學(xué)的成果為基礎(chǔ)的.大學(xué)都知道，1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的開(kāi)始，1962年發(fā)明了集成電路.70年代后期出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路.殊不知，在此之前至少還有20年的“史前期”，在物理學(xué)中為孕育它的誕生作了大量的理淪和實(shí)驗(yàn)_L的準(zhǔn)備:1925一1926年建立了量子力學(xué);1926年建立了費(fèi)米一狄拉克統(tǒng)計(jì)法，得知固體中電子服從泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理論，得知在理想晶格中電子不發(fā)生散射;1928年索末菲提出能帶的猜想;1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念，解釋了正霍耳系數(shù)的存在;同年貝特提出了費(fèi)米面的概念，直至1957年才由皮帕得測(cè)量了第一個(gè)費(fèi)米面，爾后劍橋?qū)W派編制了費(fèi)米面一覽表.總之，當(dāng)前的第二次工業(yè)革命主要是按物理一，技術(shù)，物理的模式進(jìn)行的.

3物理學(xué)的方法和科學(xué)態(tài)度

現(xiàn)代的物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確科學(xué).物理學(xué)中有一套獲得知識(shí)、組織知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的有效步驟和方法，其要點(diǎn)可概括為:1)提出命題命題一般是從新的觀測(cè)事實(shí)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)中提煉出來(lái)的，也可能是從已有原理中推演出來(lái)的.2)推測(cè)答案答案可以有不同的層次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推測(cè)對(duì)現(xiàn)象作定性的解釋;根據(jù)現(xiàn)有理論進(jìn)行邏輯推理和數(shù)學(xué)演算，以便對(duì)現(xiàn)象作出定量的解釋;當(dāng)新事實(shí)與舊理論不符時(shí)，提出新的假說(shuō)和原理去說(shuō)明它，等等.3)理論預(yù)言作為一個(gè)科一學(xué)的論斷，新的理論必須提出能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)所證偽的預(yù)言.這是真、偽科學(xué)的分野.為什么說(shuō).‘證偽”而不說(shuō)“證實(shí)”?因?yàn)槎嗌賯€(gè)正面的事例也不能保證今后不出現(xiàn)反例，但一個(gè)反例就足以否定它，所以理論是不能完全被證實(shí)的.為什么要求能用實(shí)驗(yàn)來(lái)證偽?假如有人宣稱:在我們中間存在著一種不可探知的外來(lái)生靈.你怎么駁倒他?對(duì)這種論斷，你既不能說(shuō)它正確，又不能說(shuō)它錯(cuò)誤.我們只能說(shuō)，因?yàn)樗荒苡脤?shí)驗(yàn)來(lái)證偽，所以不是科學(xué)的論斷.4)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，一切理論最終都要以觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)的事實(shí)為準(zhǔn)則.

理論不是唯一的，一布、理論包含的假設(shè)愈少、愈簡(jiǎn)潔，同時(shí)與之符合的事實(shí)愈多、愈普遍，它就愈是一個(gè)好的理論.5)修改理論當(dāng)一個(gè)理論與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符合，或不完全符合時(shí)，它就面臨著修改或被.不過(guò)，那些經(jīng)過(guò)大量事實(shí)檢驗(yàn)的理論是不大會(huì)被的，只是部分地被修改，或確定其成立范圍.以上步驟循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成物理學(xué)發(fā)展模式化的進(jìn)程.但是物理學(xué)中的許多重大突破和發(fā)現(xiàn)，并不都是按照這個(gè)模式進(jìn)行的，預(yù)感、直覺(jué)和頓悟往往起很大作用.此外，且探且進(jìn)的摸索、大膽的猜測(cè)、偏離初衷的遭遇或巧合，也導(dǎo)致了不少的發(fā)現(xiàn).頓悟是經(jīng)驗(yàn)和思考的升華，而機(jī)遇偏愛(ài)有心人，平時(shí)思想上有準(zhǔn)備，就比較容易抓住稍縱即逝的機(jī)遇.所以科學(xué)上重大的發(fā)現(xiàn)不會(huì)是純粹的僥幸.科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，遠(yuǎn)非盡如人愿.不管你喜歡不喜歡，實(shí)事求是的作風(fēng)、老老實(shí)實(shí)的科學(xué)態(tài)度是絕對(duì)必要的.在科學(xué)研究中，一相情愿的如意算盤是行不通的，弄虛作假遲一早會(huì)暴露.

失誤任何人都難以避免，一旦發(fā)現(xiàn)，最聰明的辦法是勇于承認(rèn).1922年年輕的蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼發(fā)表了動(dòng)態(tài)宇宙模型的論文，遭到愛(ài)因斯坦的批評(píng).次年，愛(ài)因斯坦在讀了弗里德曼誠(chéng)懇的申辯信之后，公開(kāi)聲明自己被說(shuō)服了.據(jù)伽莫夫回憶，愛(ài)因斯坦說(shuō)，這是他一生中最大的疏忽.偉大科學(xué)家這種坦蕩的襟懷，是所有人的楷模.基礎(chǔ)科學(xué)研究的信息資源是共享的，這里沒(méi)有秘不可及的玄機(jī)和訣要.根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)，人人可以自己判斷，獨(dú)立思考.所以，在科學(xué)的王國(guó)里，直理面前人人平等.這里最少對(duì)偶像的迷信和對(duì)權(quán)威的屈從.“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這一信條，在自然科學(xué)的領(lǐng)域里貫徹得最堅(jiān)決.實(shí)踐不是個(gè)別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)槟菚?huì)有假象，重大的實(shí)驗(yàn)事實(shí)必須經(jīng)多人重復(fù)印證才被確認(rèn).自然科學(xué)的主要任務(wù)是探索未知的領(lǐng)域，很多事情是難以預(yù)料的.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了理論，固然可喜;與理論不符合可能預(yù)示著重大的突破，更加令人興奮，世界上建造了許多加速器，每個(gè)加速器都是針對(duì)某類現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的.40多年的歷史表明，除了反核子和中間玻色子外，粒子物理中的所有重大發(fā)現(xiàn)都不是當(dāng)初建造那個(gè)加速器的理由.高能物理學(xué)界把這看作正常現(xiàn)象.1984年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了弱電統(tǒng)一理論所預(yù)言的中間玻色子后，曾一度較少發(fā)現(xiàn)出乎理論預(yù)料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.人們反而說(shuō):現(xiàn)在最令人驚訝的，是沒(méi)有出現(xiàn)令人驚訝的事.這便是物理學(xué)界極富進(jìn)取精神的得失觀.因?yàn)樵谧匀豢茖W(xué)中物理學(xué)最直接觸及自然界的基本規(guī)律，物理學(xué)家對(duì)事物是最好窮本極源的.他們?cè)谘芯康倪^(guò)程中不斷地思考著，凡事總喜歡問(wèn)個(gè)“為什么”.理論物理學(xué)家不能僅僅埋首于公式的推演，應(yīng)該詢問(wèn)其物理實(shí)質(zhì)，從中構(gòu)想出鮮明的物理圖象來(lái);實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家不應(yīng)滿足于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的記錄，或某種先進(jìn)的指標(biāo)，而要追究其中的物理機(jī)理.因?yàn)樵谧匀豢茖W(xué)中物理學(xué)研究的是自然界最普遍的規(guī)律，物理學(xué)家不應(yīng)總把自己的目光和興趣局限于狹窄的本門學(xué)科，而要放眼于更廣闊的天地.人們公認(rèn)，當(dāng)今最有生命力的是不同學(xué)科間雜交的領(lǐng)域，有志的年輕物理學(xué)工作者在那里是大有作為的.

4怎樣教導(dǎo)學(xué)生學(xué)好物理學(xué)?

篇6

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；數(shù)學(xué)手段；物理教學(xué)理念

一、前言

物理是一門研究自然界變化規(guī)律的科學(xué)。物理邏輯性強(qiáng)，物理教學(xué)中離不開(kāi)數(shù)學(xué)，需要通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)物理思想，通過(guò)數(shù)學(xué)演算揭示事物發(fā)展規(guī)律，同時(shí)也為數(shù)學(xué)的發(fā)展提供新的命題。成功的物理的教學(xué)理念往往體現(xiàn)出物理和數(shù)學(xué)這種相輔相成的關(guān)系。

二、物理教學(xué)理念處處體現(xiàn)數(shù)學(xué)的重要性

物理教學(xué)應(yīng)該具備相應(yīng)的理念，這些教學(xué)理念也可以在物理、數(shù)學(xué)的密切關(guān)系中得到體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)物理教學(xué)時(shí)應(yīng)該具備的教學(xué)理念有：

1.注意分享物理發(fā)展史，介紹物理發(fā)展史上著名的物理問(wèn)題的提出和解決過(guò)程，回顧大師足跡，激發(fā)學(xué)生興趣，這就必然離不開(kāi)闡述物理和數(shù)學(xué)的關(guān)系。物理發(fā)展史上有很多物理學(xué)家，他們同時(shí)也是數(shù)學(xué)家。比如牛頓，牛頓19歲時(shí)進(jìn)入劍橋大學(xué)，他的第一任教授伊薩克•巴羅是個(gè)博學(xué)多才的學(xué)者，將自己的數(shù)學(xué)知識(shí)，包括計(jì)算曲線圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，牛頓在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)中走向了近代自然科學(xué)的研究領(lǐng)域，又在自然科學(xué)的研究中提出二項(xiàng)式定理、微積分、解析幾何與綜合幾何、數(shù)值分析、概率論和初等數(shù)論，牛頓在他的論著《自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理》中明確提到了物理———數(shù)學(xué)方法，認(rèn)為物理學(xué)范圍中的概念和定律都應(yīng)該“盡量用數(shù)學(xué)表達(dá)”。因此，介紹牛頓的貢獻(xiàn)必然離不開(kāi)介紹牛頓為物理、數(shù)學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域建立的橋梁，牛頓的貢獻(xiàn)是闡述物理和數(shù)學(xué)之間不可分離的關(guān)系的最生動(dòng)的實(shí)例。

2.提醒學(xué)生重視物理學(xué)科的研究方法，在傳授知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候介紹相應(yīng)的方法論。物理問(wèn)題的表述、解答、定律都離不開(kāi)數(shù)學(xué)，物理學(xué)研究方法與數(shù)學(xué)發(fā)展緊密相關(guān)，不同分支的物理學(xué)科有其最重要的數(shù)學(xué)理論，要掌握不同分支的物理知識(shí)必須熟悉其相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法，否則就是離本之木。比如分析力學(xué)的創(chuàng)立者拉格朗日，在其名著《分析力學(xué)》中，在總結(jié)歷史上各種力學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，拉格朗日發(fā)展了達(dá)朗貝爾、歐拉等人的研究成果，引入了勢(shì)和等勢(shì)面的概念，建立了拉格朗日方程，把力學(xué)體系的運(yùn)動(dòng)方程從以力為基本概念的牛頓形式，改變?yōu)橐阅芰繛榛靖拍畹姆治隽W(xué)形式，使得分析力學(xué)成為理論力學(xué)最重要的方法論。高斯通過(guò)對(duì)足夠多的測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，得到一個(gè)新的、概率性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果，在這些測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，高斯專注于曲面與曲線的計(jì)算，成功得到正態(tài)分布曲線，其函數(shù)被命名為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布（或高斯分布），這種分布被廣泛應(yīng)用于分析和處理物理學(xué)中各種概率事件中。傅里葉認(rèn)為數(shù)學(xué)是解決工程問(wèn)題最卓越的工具，在他的著作《熱的解析理論》中，傅里葉就系統(tǒng)運(yùn)用了三角級(jí)數(shù)和三角積分（即傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉積分），此后以傅立葉著作為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的傅立葉分析對(duì)近代物理和工程技術(shù)的發(fā)展都功不可沒(méi)，因此，學(xué)好物理某一分支，就必須重點(diǎn)掌握并能夠靈活運(yùn)用這一分支需要的數(shù)學(xué)知識(shí)。

3.注重將物理知識(shí)與生活、社會(huì)聯(lián)系起來(lái)，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生素質(zhì)。國(guó)際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)在《新千年的物理教育》一文中認(rèn)為：如果物理教育是為更多學(xué)生的全面發(fā)展服務(wù)的，那就應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)家的工作成果在社會(huì)上、技術(shù)上的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)重視蘊(yùn)涵于我們文化之中的物理學(xué)方法，應(yīng)當(dāng)重視物理學(xué)家這個(gè)專業(yè)群體的特點(diǎn)，如支持、貢獻(xiàn)社會(huì)的方式等。如今，物理已經(jīng)滲透到社會(huì)生活、技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，比如，物理和化學(xué)之間，量子化學(xué)、激光化學(xué)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、固體表面催化、功能材料等學(xué)科的興起都是物理學(xué)的理論向化學(xué)領(lǐng)域的滲透；物理和生物學(xué)之間，量子生物學(xué)、分子生物學(xué)等也都是物理理論在生物學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步延伸和提高；再比如物理與經(jīng)濟(jì)學(xué)，股市模型、報(bào)酬經(jīng)濟(jì)學(xué)等都建立在物理模型和經(jīng)濟(jì)學(xué)基礎(chǔ)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。然而，我們也必須注意到，物理向某個(gè)科學(xué)領(lǐng)域滲透的媒介必然是數(shù)學(xué)，物理學(xué)家對(duì)這一學(xué)科的貢獻(xiàn)也報(bào)過(guò)了其用到的數(shù)學(xué)方法，因此，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)的應(yīng)用就必須強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性。比如免疫的統(tǒng)計(jì)模型建立的基石是數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、回歸分析論，通過(guò)各種先進(jìn)數(shù)學(xué)算法得出規(guī)律性結(jié)論，多元判別分析預(yù)測(cè)結(jié)果與原判定結(jié)果差異等。股市模型可以建立在模糊數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊模式識(shí)別、評(píng)價(jià)股市技術(shù)面和基本面，指導(dǎo)股民進(jìn)行理性投資。因此，物理向各學(xué)科領(lǐng)域滲透的過(guò)程，也是相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識(shí)與各領(lǐng)域特征知識(shí)進(jìn)行結(jié)合的過(guò)程，只有深刻意識(shí)到這一點(diǎn)，物理思想才能在各學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)光溢彩。

4.引導(dǎo)學(xué)生建立嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理的哲學(xué)思想，實(shí)現(xiàn)自然科學(xué)和人文教育的大統(tǒng)一。物理是研究運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，物理上的運(yùn)動(dòng)可以理解為變化，變化是自然界的客觀存在，與人類的主觀認(rèn)知有不同的一面，這就要求我們?cè)谖锢斫逃^(guò)程中，不能讓人類的認(rèn)知水平左右到對(duì)物理知識(shí)的接受，不能偏離物理客觀的一面。而數(shù)學(xué)作為一門邏輯性很強(qiáng)的科學(xué)，最適合于作為物理教育的語(yǔ)言載體和分析工具，由數(shù)學(xué)推導(dǎo)、建立起來(lái)物理結(jié)論無(wú)疑最具有說(shuō)服力，物理教學(xué)要以數(shù)學(xué)為主要載體，在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上向?qū)W生熏陶物理思想，在經(jīng)得起推敲的層面上，保證物理知識(shí)的延續(xù)和發(fā)揚(yáng)，同時(shí)培養(yǎng)思維細(xì)致、邏輯縝密的公民。愛(ài)因斯坦在他的狹義相對(duì)論中得出了“一切物體的速度不可以超過(guò)光速”的結(jié)論，而根據(jù)當(dāng)時(shí)人們對(duì)引力的認(rèn)識(shí)，似乎引力的傳播速度卻是無(wú)窮大，為了解決這一問(wèn)題，最終愛(ài)因斯坦以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，在專門學(xué)習(xí)了黎曼幾何、張量分析等數(shù)學(xué)知識(shí)后，利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行推理、論證，提出在無(wú)限小的體積中均勻的引力場(chǎng)完全可以代替加速運(yùn)動(dòng)的參照系，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，而引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空的觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦用數(shù)學(xué)方法得到的廣義相對(duì)論中的推測(cè)，也最終由水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中一直無(wú)法解釋的43秒、引力紅移、引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)等系列觀測(cè)結(jié)論完美地證實(shí)。如今廣義相對(duì)論已經(jīng)被廣泛承認(rèn)，廣義相對(duì)論的發(fā)展里程也正是一條典型的物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程：在自然界中發(fā)現(xiàn)變化—借助數(shù)學(xué)方法摸索規(guī)律—通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)推斷，這種思維方式應(yīng)該在物理教學(xué)中得到落實(shí)。

三、在強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)手段的重要性中貫徹物理教學(xué)理念

學(xué)習(xí)物理的目的分為：①研究物理而學(xué)物理；②為應(yīng)用而學(xué)物理；③為提高文化素養(yǎng)而學(xué)物理。這就構(gòu)成了物理教學(xué)目的的多樣性或者說(shuō)物理學(xué)習(xí)的多功能性。但從物理學(xué)的發(fā)展我們知道，18世紀(jì)，物理學(xué)歸屬于自然哲學(xué)，因?yàn)閿?shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，使得物理學(xué)從自然哲學(xué)中分離出來(lái)，物理學(xué)研究不再以思辨哲學(xué)的方法為主，從定性表達(dá)發(fā)展到定量表達(dá)，塑造了現(xiàn)代物理學(xué)的新特征物，因此，物理研究終究需要通過(guò)數(shù)學(xué)手段來(lái)完成。物理和數(shù)學(xué)都是邏輯性強(qiáng)的學(xué)科，因此物理教學(xué)設(shè)計(jì)要關(guān)注學(xué)生渴求學(xué)習(xí)成功的心理，拓展教學(xué)方法和思路，使學(xué)生通過(guò)數(shù)學(xué)來(lái)理解物理，獲得物理學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，要盡可能多地在雙向交流中進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上采用提問(wèn)模式、討論模式、合作學(xué)習(xí)模式、答辯模式等。

參考文獻(xiàn)：

篇7

[關(guān)鍵詞] 物理化學(xué)；教材；特色；簡(jiǎn)介

[中圖分類號(hào)] O6 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1005-4634（2013）06-0054-03

0 引言

Atkins' Physical Chemistry（第九版）[1]是國(guó)外優(yōu)秀的物理化學(xué)教材之一，其作者Peter Atkins教授是林肯大學(xué)、牛津大學(xué)的研究員，創(chuàng)作了60多本暢銷全球的書(shū)籍。作者在原來(lái)版本[2]的基礎(chǔ)上對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行了徹底的更新，使其應(yīng)用靈活、學(xué)生更易接受，且知識(shí)范圍廣、更具權(quán)威性。本書(shū)對(duì)于物理課程所呈現(xiàn)出來(lái)的最大靈活性是它提供了傳統(tǒng)的全一冊(cè)版本和全新的上下兩冊(cè)版本，在兩冊(cè)版本中，上下冊(cè)均由十個(gè)章節(jié)組成，上冊(cè)的主要內(nèi)容為熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，對(duì)應(yīng)于全一冊(cè)中第1～6章和第20～23章的內(nèi)容。下冊(cè)的主要內(nèi)容為量子化學(xué)、光譜學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，對(duì)應(yīng)于全一冊(cè)中第7～16章的內(nèi)容。關(guān)于全一冊(cè)中第17章分子相互作用和第18、19章材料科學(xué)的內(nèi)容，上下冊(cè)版本中沒(méi)有包含，這一部分的內(nèi)容可以很方便地在該書(shū)的網(wǎng)絡(luò)資源中找到，可見(jiàn)，上下冊(cè)版本對(duì)全一冊(cè)版本的內(nèi)容進(jìn)行了重組，這樣使用者可根據(jù)不同需要來(lái)進(jìn)行選擇，這相對(duì)于國(guó)內(nèi)同類教材[3，4]來(lái)說(shuō)，充分突顯了其靈活性。近年來(lái)，隨著“雙語(yǔ)”教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，部分高等學(xué)校在物理化學(xué)課程的“雙語(yǔ)”教學(xué)中都使用了該教材，深受讀者歡迎，得到了廣泛的好評(píng)。

1 Atkins' Physical Chemistry一書(shū)的特色

筆者手中的Physical Chemistry（第九版）為全一冊(cè)設(shè)計(jì)的版本，該書(shū)相對(duì)于傳統(tǒng)版本來(lái)說(shuō)，在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)置上更為靈活，內(nèi)容安排上有著全新的設(shè)計(jì)風(fēng)格，網(wǎng)絡(luò)資源途徑變得更加寬泛。該書(shū)不但重視基本的化學(xué)概念與原理的呈現(xiàn)，而且更加重視與科學(xué)研究前沿的銜接，將當(dāng)前物理化學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題納入其中，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題的能力，使其能夠?qū)W以致用。本文將從以下幾方面來(lái)介紹該書(shū)獨(dú)有的特色。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

對(duì)于前置結(jié)構(gòu)的設(shè)置，該書(shū)除了設(shè)有國(guó)內(nèi)教材通常所設(shè)的前言和目錄外，還設(shè)有欄目介紹、網(wǎng)絡(luò)資源使用指導(dǎo)以及作者簡(jiǎn)介等項(xiàng)目，使讀者對(duì)該書(shū)有了多方面的了解。

在主體結(jié)構(gòu)方面，該書(shū)以章節(jié)內(nèi)容為主體，其中章節(jié)內(nèi)容部分共876頁(yè)，分為23章，由“平衡”、“結(jié)構(gòu)”和“變化”三大部分組成，這對(duì)概括全書(shū)基本內(nèi)容起到了提綱挈領(lǐng)的作用[5]，這相比于國(guó)內(nèi)同類教材的章法，令人耳目一新。但是材料化學(xué)部分的內(nèi)容不能自成體系，已經(jīng)被移到了章節(jié)之間，且章節(jié)本身也進(jìn)行了重組，這樣的結(jié)構(gòu)調(diào)整使主體內(nèi)容更加緊密地結(jié)合到了一起。“平衡”部分由氣體的性質(zhì)、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、純物質(zhì)的物理轉(zhuǎn)化、簡(jiǎn)單的混合物、化學(xué)平衡6個(gè)章節(jié)組成。在這一部分中，作者在原來(lái)版本重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，作出了一些謹(jǐn)慎的轉(zhuǎn)變，也同時(shí)注重了熱力學(xué)理論在材料科學(xué)中的應(yīng)用，這是一個(gè)越來(lái)越受到化學(xué)家們關(guān)注的領(lǐng)域。在“結(jié)構(gòu)”部分中，個(gè)別章節(jié)題目的范圍被修改，主要由量子理論、原子結(jié)構(gòu)和光譜、分子結(jié)構(gòu)、分子對(duì)稱性、分子光譜學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)等13個(gè)章節(jié)組成。這一部分對(duì)納米科學(xué)、光譜學(xué)以及計(jì)算化學(xué)給予了更多的關(guān)注，擴(kuò)充了這部分知識(shí)的信息量，對(duì)于該部分知識(shí)點(diǎn)的呈現(xiàn)相比于其他同類教材略顯豐富與新穎?！白兓辈糠钟蛇\(yùn)動(dòng)中的分子、化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化四個(gè)章節(jié)組成。這部分舍棄了原來(lái)關(guān)于復(fù)雜反應(yīng)的動(dòng)能和表面過(guò)程的章節(jié)，將保留下來(lái)的聚合、光化學(xué)、酶、表面催化反應(yīng)這幾部分內(nèi)容納入了讀者所熟悉的第21章（化學(xué)反應(yīng)速率）、第22章（反應(yīng)動(dòng)力學(xué)）以及新的章節(jié)第23章（催化），使其在教學(xué)中更容易被學(xué)生接受。國(guó)外教材再版后所呈現(xiàn)出來(lái)的大膽、謹(jǐn)慎的改變與更新是值得借鑒的。

在后置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)教材普遍會(huì)設(shè)置附錄、答案和索引等，該書(shū)在這方面的安排上與其大體相似，值得一提的是，該書(shū)的附錄中設(shè)有Road Maps這一功能欄目，這一部分將所涉及的表達(dá)式通過(guò)簡(jiǎn)明的線條和必要的文字?jǐn)⑹鼍o密的聯(lián)系在一起，呈現(xiàn)的十分清晰，使瑣碎的知識(shí)條理化，學(xué)生更易掌握。

可見(jiàn)，該書(shū)結(jié)構(gòu)合理，各章既銜接緊密又可獨(dú)立成文，利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行知識(shí)框架的構(gòu)建，利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也為教師靈活選材提供了方便。

1.2 內(nèi)容安排

在物理化學(xué)的學(xué)習(xí)中，大量的知識(shí)點(diǎn)、高難度的數(shù)學(xué)計(jì)算以及習(xí)題的解答通常使學(xué)生感到很困擾，為了使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠變得輕松與高效，作者對(duì)該書(shū)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計(jì)，這也是該書(shū)非常鮮明的特色。

在知識(shí)內(nèi)容的組織上，該書(shū)設(shè)置了貫穿于每個(gè)章節(jié)的六個(gè)功能性欄目和個(gè)別章節(jié)才有的Mathematical Background和Impact Sections專題。在這六個(gè)欄目中，Key Points出現(xiàn)在知識(shí)點(diǎn)介紹之前，對(duì)本章的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的概括，提醒學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。Equation and Concept Tags是對(duì)于學(xué)生應(yīng)重點(diǎn)記憶的方程式和概念進(jìn)行標(biāo)記并做一個(gè)注解，例如，在第一章第一節(jié)中所涉及的重要表達(dá)式 ，其右側(cè)有藍(lán)色方框進(jìn)行標(biāo)記，里面附有文字說(shuō)明：氣體狀態(tài)方程的一般表達(dá)式。這一欄目首先在圖文的設(shè)計(jì)上就引起了學(xué)生的關(guān)注，同時(shí)在內(nèi)容的記憶上也受到了學(xué)生的重視。Notes on Good Practice是針對(duì)于解題中語(yǔ)言的使用和步驟的書(shū)寫(xiě)，它強(qiáng)調(diào)了與國(guó)際慣例要相符以避免一些常識(shí)性的錯(cuò)誤。例如，在第7章光子數(shù)量的計(jì)算這一例題中，這一欄目給出了合理的解題思路與步驟，使學(xué)生逐漸培養(yǎng)良好的解題習(xí)慣。Checklist of Key Equations位于每章的章節(jié)內(nèi)容之后，是將每一章所介紹的重要方程式以表格的形式總結(jié)出來(lái)，并在每個(gè)方程式的后邊標(biāo)注其所適用的條件，學(xué)生看起來(lái)一目了然也方便記憶。關(guān)于物理與化學(xué)介紹性的知識(shí)，會(huì)在Brief comments（簡(jiǎn)要評(píng)論）和Further information（補(bǔ)充信息）這兩個(gè)欄目中體現(xiàn)。豐富的功能性欄目的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了該教材鮮明的工具性和教學(xué)性。

對(duì)于物理化學(xué)的學(xué)習(xí)，數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用是十分廣泛與重要的，通常情況下，人們都需要對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)概念和表達(dá)式進(jìn)行充分的理解，它是理解其他方程式的一個(gè)前提條件，針對(duì)這樣的情況，該書(shū)設(shè)有Mathematical Background這一專題，位于章節(jié)之間，具有針對(duì)性地回顧、評(píng)論和擴(kuò)充關(guān)于數(shù)學(xué)技術(shù)的知識(shí)，并在充分考慮了學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)術(shù)水平的前提下進(jìn)行較為詳細(xì)的講解，不會(huì)給學(xué)生帶來(lái)負(fù)擔(dān)。這一專題會(huì)在首次需要給予說(shuō)明的地方出現(xiàn)，方便學(xué)生閱讀，而國(guó)內(nèi)同類教材對(duì)于數(shù)學(xué)知識(shí)的滲透主要集中在附錄中體現(xiàn)，會(huì)對(duì)一些表達(dá)式給出簡(jiǎn)要的推導(dǎo)過(guò)程，相比之下，該書(shū)這一專題的位置安排較為合理且信息容量大而難度適中，使學(xué)生能在理解了數(shù)學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上更好的理解物理化學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。部分知識(shí)還配有Impact Sections專題，提供了大量的與生物、材料、環(huán)境、工程和天體等研究領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，以便學(xué)生更深入地理解物理化學(xué)的內(nèi)涵和外延，從而開(kāi)闊了學(xué)生的視野，這也體現(xiàn)出該書(shū)對(duì)知識(shí)內(nèi)容的應(yīng)用性的重視，這一點(diǎn)可為我國(guó)教材的內(nèi)容設(shè)置提供參考。

1.3 習(xí)題設(shè)置

該書(shū)對(duì)于習(xí)題的設(shè)置可謂匠心獨(dú)運(yùn)，其數(shù)量和類型都是國(guó)內(nèi)外同類教材所不能及的。習(xí)題由兩部分組成，一部分是章內(nèi)練習(xí)題，位于每章中所出現(xiàn)的例題之后，主要用來(lái)檢測(cè)學(xué)生對(duì)于例題中所用到的知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，每道例題后一般附有一道自測(cè)題，其答案位于問(wèn)題之后，便于學(xué)生參考，而國(guó)內(nèi)同類教材則一般只在章節(jié)內(nèi)設(shè)置例題。另一部分為章末練習(xí)題，位于每章章末，其數(shù)量在100道左右，由易到難分為三部分，且多種多樣，可以滿足不同學(xué)生的需要。Discussion Question部分是由一些開(kāi)放性的問(wèn)答題與討論題組成，旨在鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)材料進(jìn)行更深入地思考，以更加寬泛的視角去看問(wèn)題。Exercises部分的習(xí)題是一些簡(jiǎn)單的數(shù)值測(cè)驗(yàn)題，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)考察都配有由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的兩道習(xí)題，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的鞏固起到了良好的作用。Problems部分的習(xí)題更具有探索性，這部分是數(shù)量最多、難度最大的部分，由三種類型的習(xí)題構(gòu)成，一種是稍有難度的數(shù)值計(jì)算，另一種是考查在帶入數(shù)值之前一些表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程，第三種重點(diǎn)關(guān)注于理論的實(shí)際應(yīng)用，其循序漸進(jìn)的設(shè)計(jì)有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和探索創(chuàng)新能力?？梢?jiàn)該書(shū)的習(xí)題類型是十分豐富的，題量較大并由簡(jiǎn)單到復(fù)雜依次呈現(xiàn)，編題意圖明確、涉及面廣且很貼近生活，使學(xué)生更好地鞏固了所學(xué)內(nèi)容。相比之下，我國(guó)同類教材習(xí)題類型略顯單一，只設(shè)有復(fù)習(xí)題和習(xí)題，且數(shù)量一般在50道左右，我國(guó)可借鑒該書(shū)的習(xí)題設(shè)計(jì)風(fēng)格，充實(shí)習(xí)題類型，擴(kuò)充習(xí)題容量，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的鞏固，以提高教材的適用性。

1.4 圖表應(yīng)用

該書(shū)裝幀講究、排版精美，其內(nèi)容采用彩色印刷，不同內(nèi)容采用不同色調(diào)，圖文并茂，十分具有藝術(shù)性。所用圖表類型十分豐富，設(shè)有模型圖、示意圖、結(jié)構(gòu)圖、組成圖、表格等等，這些立體圖、平面圖和簡(jiǎn)明表格的結(jié)合與應(yīng)用大大地提高了教材中的信息量，給人以良好的視覺(jué)效果，激發(fā)了學(xué)生的好奇心與求知欲[6]，對(duì)比我國(guó)教材中圖表的呈現(xiàn)，該書(shū)中圖表的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)同類教材，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，章節(jié)內(nèi)容部分的圖表數(shù)量多達(dá)912個(gè)，平均每頁(yè)出現(xiàn)1.04個(gè)圖表，幾乎每一頁(yè)都有，可見(jiàn)該書(shū)對(duì)知識(shí)表達(dá)形象化和真實(shí)性的重視。而國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)風(fēng)格上采用一貫的簡(jiǎn)明作風(fēng)，多為黑白印刷版面，更側(cè)重文字表達(dá)和簡(jiǎn)明圖表，重視知識(shí)的邏輯性。這一方面需向國(guó)外學(xué)習(xí)，兼顧邏輯性與形象化，使內(nèi)容的呈現(xiàn)形式較為多樣，且更具有立體感、色彩感，生動(dòng)形象，給人更加愉悅的感覺(jué)。

1.5 網(wǎng)絡(luò)資源

整套教材不但有對(duì)應(yīng)的電子版，還有伴隨該書(shū)所設(shè)置的資源豐富的網(wǎng)絡(luò)資源中心（oxfordtextbooks.co.uk/orc/pchem9e/），多種多樣的圖表和大量的數(shù)據(jù)可為教師制作教學(xué)課件提供材料，使教師能夠呈現(xiàn)出一堂內(nèi)容充實(shí)且生動(dòng)的課。針對(duì)學(xué)生所設(shè)計(jì)的資源有生動(dòng)形象的變化圖表，這種動(dòng)態(tài)直觀的變化更加便于學(xué)生的理解，另外還有每個(gè)章節(jié)的網(wǎng)絡(luò)鏈接導(dǎo)航為學(xué)生選擇性閱讀提供方便。除此之外，還有電子版的教材輔用書(shū)——Explorations in Physical Chemistry。電子媒介的應(yīng)用賦予了該書(shū)更豐富的知識(shí)內(nèi)容和新穎的學(xué)習(xí)手段，形成了一套新型的立體教材。

2 結(jié)束語(yǔ)

好的教材不是“編”出來(lái)的，而是“創(chuàng)作”出來(lái)的[7]。通過(guò)以上介紹不難看出，Atkins' Physical Chemistry一書(shū)特色鮮明，是作者精心創(chuàng)作出來(lái)的，而不是將內(nèi)容簡(jiǎn)單的組合在一起。首先給人最直觀的感覺(jué)便是精美、視覺(jué)愉悅；其次該書(shū)的結(jié)構(gòu)靈活而不失合理性，內(nèi)容豐富且在信息的組織上嚴(yán)密而又有新意；最后，多媒體技術(shù)的使用使整本教材更加活化、立體化。整體說(shuō)來(lái)，整本教材本著為學(xué)生服務(wù)的編排理念，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)其實(shí)際應(yīng)用能力，同時(shí)也為教師的教學(xué)提供了良好的素材，是一本值得使用的優(yōu)秀教材。希望通過(guò)本文對(duì)該書(shū)的介紹，為我國(guó)大學(xué)物理化學(xué)教材的編寫(xiě)帶來(lái)一些啟示，為我國(guó)高校物理化學(xué)教學(xué)提供更廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1] Peter A，Julio de P.Physical Chemistry（9rd.Edit）[M].New York：Oxford University Press，2010.

[2] Peter A，Julio de P.Physical Chemistry（8rd.Edit）[M].New York：Oxford University Press，2006.

[3] 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，等.物理化學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4] 劉俊吉，周亞軍等.物理化學(xué)（第五版）[M] .北京：高等教育出版社，2009.

[5]蘇文煅.幾部歐美物理化學(xué)教材比較[J].大學(xué)化學(xué)，1994，9（1）：58-61.

篇8

關(guān)鍵詞:改革;創(chuàng)新;繼承;化學(xué)教育對(duì)象;化學(xué)教育目的;化學(xué)教育價(jià)值;科學(xué)探究

文章編號(hào):1005-6629(2009)08-0025-05 中圖分類號(hào):G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

引 言

今年三月在杭州召開(kāi)全國(guó)化學(xué)特級(jí)教師論壇暨化學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)第十三次學(xué)術(shù)年會(huì), 主題是課程改革與化學(xué)教學(xué)改革,減輕過(guò)重學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān),提高教學(xué)質(zhì)量、推進(jìn)素質(zhì)教育。我認(rèn)為課程改革與化學(xué)教學(xué)改革是一個(gè)核心的環(huán)節(jié) ,想借此論壇跟大家交流的是化學(xué)教育改革的創(chuàng)新和繼承問(wèn)題。

改革不是目的,改革是為了發(fā)展,為了提高,為了前進(jìn)?；瘜W(xué)教育的改革,是為了化學(xué)教育的發(fā)展,為了促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展,促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。但是,改革要有創(chuàng)新才能促進(jìn)發(fā)展,改革要有繼承才有基礎(chǔ),才能成功,才能持續(xù)發(fā)展。

回顧幾十年來(lái)化學(xué)教育改革的歷程,尤其是近三十年來(lái),主要是圍繞著幾個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的:化學(xué)教育的對(duì)象,化學(xué)教育的價(jià)值,化學(xué)教育的內(nèi)容,化學(xué)教育的途徑和方式,化學(xué)教育的評(píng)價(jià)等。本文就想圍繞其中幾個(gè)問(wèn)題來(lái)探討改革中創(chuàng)新和繼承的情況,以便更好的促進(jìn)化學(xué)教育改革,實(shí)施素質(zhì)教育,提高化學(xué)教育質(zhì)量,減輕學(xué)生過(guò)重的課業(yè)負(fù)擔(dān),促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展。

1世界教育改革的趨勢(shì)

在回顧和反思我們改革的創(chuàng)新與繼承之前,我們最好先來(lái)審視一下世界教育改革的趨勢(shì),作為借鑒,以利于我們反思的廣度、高度和深度。

1.1美國(guó)《2061計(jì)劃》

該計(jì)劃是由美國(guó)促進(jìn)科學(xué)協(xié)會(huì)聯(lián)合美國(guó)科學(xué)院和聯(lián)邦教育部等12個(gè)機(jī)構(gòu),聘請(qǐng)800多位科學(xué)家參與,從1985年啟動(dòng)制定的。它代表美國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革和教學(xué)改革的趨勢(shì),培養(yǎng)當(dāng)今美國(guó)兒童能夠適應(yīng)未來(lái)2061年科技急劇變化的生活。

該計(jì)劃指出科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)位居未來(lái)變革的核心,提出了這些學(xué)科的基本內(nèi)容、基本概念和基本技能,這些學(xué)科之間的聯(lián)系,以及掌握這些內(nèi)容、概念和聯(lián)系的基本態(tài)度、方法和手段。

該計(jì)劃指出課程和教學(xué)改革的趨勢(shì):課程結(jié)構(gòu)的合理性(核心課程與一般課程),課程的彈性(選擇性,因材施教),教學(xué)開(kāi)放性,教學(xué)手段現(xiàn)代化。

該計(jì)劃強(qiáng)調(diào)整體性,長(zhǎng)效性,基礎(chǔ)性(強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)學(xué)科,各學(xué)科內(nèi)部以基礎(chǔ)知識(shí)的傳授和基本技能培養(yǎng)為主),學(xué)生為中心(注意因材施教,培養(yǎng)創(chuàng)造性,鼓勵(lì)思考問(wèn)題不是追現(xiàn)成答案;教師采用多種教學(xué)方法,幫助學(xué)生發(fā)展思維和想象力并解決實(shí)際問(wèn)題),發(fā)揮教師主導(dǎo)作用(只有教師才能有效地傳授知識(shí)和啟迪智慧,更新課程,改善教學(xué)),協(xié)作性。

1.2英國(guó)《提高教育和技能的白皮書(shū)》

2005年的白皮書(shū)中提出: 11～14歲學(xué)生要提高基礎(chǔ)知識(shí)和技能水平; 14～19歲學(xué)生要提高閱讀能力和科學(xué)能力。

1.3日本《開(kāi)創(chuàng)日本義務(wù)教育的新時(shí)代》

2005年的《開(kāi)創(chuàng)日本義務(wù)教育的新時(shí)代》提出:要打下扎實(shí)的學(xué)力,包括基礎(chǔ)知識(shí)和技能,獨(dú)立思考能力和創(chuàng)造能力;在基礎(chǔ)教育除了培養(yǎng)學(xué)生的生存能力,還要培養(yǎng)獲取知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的能力,增強(qiáng)求知欲,尊重日本民族文化。

1.4二十一世紀(jì)學(xué)生的核心能力

分析一下世界各國(guó)教育改革的趨勢(shì),我們可以看到各國(guó)無(wú)不看到基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的重要,無(wú)不重視能力的培養(yǎng),尤其是核心能力的培養(yǎng)。這些核心能力包括批判能力, 獨(dú)立思考、獨(dú)立判斷和創(chuàng)造能力,分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,合作能力,終身學(xué)習(xí)能力,認(rèn)識(shí)自我能力。

2化學(xué)教育的對(duì)象

化學(xué)教育的本體要解決兩大問(wèn)題: 一是化學(xué)教育的對(duì)象,二是化學(xué)教育的認(rèn)識(shí)論和方法論。

化學(xué)教育的對(duì)象有精英教育和大眾教育。我國(guó)化學(xué)教育的傳統(tǒng)是重視少數(shù)學(xué)生學(xué)好化學(xué)。通過(guò)多次的改革,尤其是近期的改革,逐步地認(rèn)識(shí)并選擇了大眾教育,從傳統(tǒng)的精英教育到大眾教育:人人學(xué)好化學(xué),人人學(xué)習(xí)不同的化學(xué)。課程標(biāo)準(zhǔn)提出了學(xué)好化學(xué)的基本要求。課程設(shè)置為必修模塊和選修模塊,上海的課程設(shè)置為基礎(chǔ)型課程、拓展型課程和研究型課程。希望通過(guò)這樣的課程設(shè)置使每一個(gè)學(xué)生既有有共同的化學(xué)基礎(chǔ),有些學(xué)生還具有化學(xué)的特長(zhǎng)或其他方面的特長(zhǎng),使得我國(guó)高中畢業(yè)生是一個(gè)既有共同基礎(chǔ)又有不同個(gè)性特長(zhǎng)的群體。

但是,許多學(xué)校在課程實(shí)施中只重視基礎(chǔ)型課程,忽視拓展型課程和研究型課程,高考也只考基礎(chǔ)型課程。這些表現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是只繼承重視共同基礎(chǔ)的傳統(tǒng),而忽視培養(yǎng)不同基礎(chǔ)的創(chuàng)新,降低了化學(xué)教育的質(zhì)量。這種實(shí)施的結(jié)果勢(shì)必影響了學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu),降低化學(xué)教育的水平,也影響了學(xué)生創(chuàng)新精神和化學(xué)特長(zhǎng)的培養(yǎng),這是必須引起我們的高度重視和研究。

3化學(xué)教育中科學(xué)本質(zhì)的教育

化學(xué)教育的重要價(jià)值之一就是要對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)的教育。

在國(guó)家《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》將“理解科學(xué)本質(zhì)”作為化學(xué)教育的目標(biāo)之一,這是化學(xué)教育改革中很重要的創(chuàng)新。但是,在教學(xué)貫徹中僅僅簡(jiǎn)單地落實(shí)在分解式的三維目標(biāo)中,這是很不夠的。我們還應(yīng)該從整體上把握和以滲透的方式體現(xiàn)在我們的教材、教學(xué)和評(píng)價(jià)中。

人類對(duì)“科學(xué)本質(zhì)”的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的。人類對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了邏輯實(shí)證主義科學(xué)本質(zhì)觀、歷史主義科學(xué)本質(zhì)觀和建構(gòu)主義科學(xué)本質(zhì)觀等三個(gè)階段,由科學(xué)的“真理觀”向科學(xué)的“建構(gòu)觀”的轉(zhuǎn)變,或是由科學(xué)的“客觀性”向科學(xué)的“二重性(客觀性和建構(gòu)性)”的轉(zhuǎn)變。人們一般將“真理觀”稱為傳統(tǒng)科學(xué)本質(zhì)觀,將“建構(gòu)觀”稱為當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀。

3.1邏輯實(shí)證主義科學(xué)本質(zhì)觀

邏輯實(shí)證主義認(rèn)為科學(xué)知識(shí)是客觀真理,科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生范式是以純粹客觀的觀察為基礎(chǔ),經(jīng)由培根的歸納法得到科學(xué)知識(shí)或理論。

3.2歷史主義科學(xué)本質(zhì)觀

科學(xué)發(fā)展不是靠知識(shí)的積累而是靠范式的轉(zhuǎn)換完成的,一旦形成了新范式,就可以說(shuō)建立起了新的常規(guī)科學(xué)。

庫(kù)恩認(rèn)為,“一種范式通過(guò)革命向另一種范式的過(guò)度,便是成熟科學(xué)通常的發(fā)展模式。”在前科學(xué)的基礎(chǔ)上,一旦形成了新的范式,便建立起了常規(guī)科學(xué) ;當(dāng)常規(guī)科學(xué)的范式發(fā)生了危機(jī),必須通過(guò)范式的革命,即建立新的范式,這時(shí)才可以說(shuō)建立起了新的常規(guī)科學(xué),科學(xué)取得了新的發(fā)展。

3.3建構(gòu)主義科學(xué)本質(zhì)觀

建構(gòu)主義科學(xué)本質(zhì)觀認(rèn)為,科學(xué)知識(shí)的獲得是科學(xué)家根據(jù)現(xiàn)有的理論(原有知識(shí))來(lái)建構(gòu)科學(xué)知識(shí),建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)性的、主觀的、建構(gòu)性的,它會(huì)不斷地被修正和。

科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)是以事實(shí)為基礎(chǔ)的,但事實(shí)本身并不是科學(xué)。科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)包括觀察和推論;科學(xué)認(rèn)識(shí)的結(jié)果,并不是純粹客觀的,包含有人的想象性和創(chuàng)造性;科學(xué)知識(shí)體系是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng);科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)是相互影響的。

科學(xué)定律和科學(xué)理論是科學(xué)認(rèn)識(shí)的兩種形式,它們各自的產(chǎn)生范式是不同的:科學(xué)定律的產(chǎn)生范式是歸納式,科學(xué)理論的產(chǎn)生范式是建構(gòu)式。

3.4運(yùn)用科學(xué)本質(zhì)觀指導(dǎo)化學(xué)的教學(xué)

(1)從本質(zhì)上全面落實(shí)三維目標(biāo)

在“課程目標(biāo)”中首次提出知識(shí)技能、過(guò)程和方法以及情感態(tài)度價(jià)值觀等三維度目標(biāo)。

教師的科學(xué)本質(zhì)觀會(huì)影響到對(duì)于化學(xué)教學(xué)目標(biāo)的理解和落實(shí)?？茖W(xué)本質(zhì)觀不能只簡(jiǎn)單的體現(xiàn)在三維目標(biāo)上,還應(yīng)體現(xiàn)在以下其他方面。

(2)指導(dǎo)正確對(duì)待知識(shí)

(3)指導(dǎo)正確應(yīng)用科學(xué)的教學(xué)話語(yǔ)

A.傳統(tǒng)用語(yǔ):“真理性”、“確定性”、“必然性”、“證明”、“發(fā)現(xiàn)”等;

B.當(dāng)代用語(yǔ):“觀察”、“猜測(cè)”、“推論”、“可能是”“提出”“支持”等。

(4)引導(dǎo)學(xué)生逐步形成當(dāng)代科學(xué)本質(zhì)觀

(5)引導(dǎo)學(xué)生正確理解化學(xué)內(nèi)容

(6)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)的思維方式

(7)指導(dǎo)正確評(píng)價(jià)化學(xué)的學(xué)習(xí)

4化學(xué)教育的內(nèi)容

解放后,尤其是改革開(kāi)放30年來(lái),化學(xué)教育圍繞化學(xué)內(nèi)容對(duì)教材經(jīng)歷了多次的改革。這里僅舉幾套有歷史沿革的教材為例進(jìn)行歷史的比較,來(lái)考察創(chuàng)新與繼承的情況。

4.11957年人教版

化學(xué)基本概念和基本定律――無(wú)機(jī)物的分類――溶液――鹵素――氧和硫――氮和磷――門捷列夫周期律和元素周期表――

原子結(jié)構(gòu)――電離學(xué)說(shuō)――碳和硅――

4.21983年人教乙種版

鹵素――摩爾――反應(yīng)熱――硫和硫酸――堿金屬――物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素周期律――氮族――化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡的――電解質(zhì)溶液――硅和膠體――鎂――鐵――(有機(jī)化合物)

4.31983年人教甲種版

摩爾――鹵素――硫和硫酸――堿金屬――原子結(jié)構(gòu)和元素周期律――化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)――氮族――化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡――硅和膠體――電解質(zhì)溶液――鎂和鋁――過(guò)渡元素――(有機(jī)化合物)

4.42000年人教版

化學(xué)反應(yīng)及其能量變化(氧化還原反應(yīng),離子反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)中能量變化)――堿金屬――物質(zhì)的量――鹵素――物質(zhì)結(jié)構(gòu)和周期律――硫和硫的化合物、環(huán)境保護(hù)――硅和硅酸鹽工業(yè)――氮族元素――化學(xué)平衡(化學(xué)反應(yīng)速率,化學(xué)平衡,合成氨條件)――電離平衡(電離平衡,水的電離,PH,鹽

4.51992年上?？萍及?/p>

基本概念和基本原理(摩爾――反應(yīng)熱――氧化-還原反應(yīng)――原子結(jié)構(gòu)――元素周期律――化學(xué)鍵――化學(xué)反應(yīng)速度――化學(xué)平衡――電離和電離平衡)。

元素及其化合物知識(shí)。

有機(jī)化合物知識(shí)。

4.62007年上?？萍及?/p>

物質(zhì)的微觀世界(原子結(jié)構(gòu)――化學(xué)鍵);

物質(zhì)的變化及其規(guī)律(能的轉(zhuǎn)化――化學(xué)反應(yīng)速速率與化學(xué)平衡――元素周期律――電解質(zhì)溶液――氧化還原反應(yīng));

一些元素的單質(zhì)及其化合物(氮――硫――氨――鐵――鋁)。

4.71979年上教版(理科班)

……第13章鐵,第14章過(guò)渡元素(過(guò)渡元素基本概念,絡(luò)合物,鈦,鉻,錳, 銅,鑭系元素和錒系元素)……

17種鑭系元素(原子序數(shù)58至81之間的稀土元素)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、激光器和航空業(yè)等方面,而這些元素都由中國(guó)生產(chǎn)。中國(guó)具備生產(chǎn)足夠的鑭系元素、鋱?jiān)?、釹元素和鏑元素的資源和精煉能力,以滿足每年10%的全球需求增長(zhǎng)率。

4.8幾點(diǎn)啟示

(1)化學(xué)教育內(nèi)容的改革始終圍繞化學(xué)理論與化學(xué)事實(shí)的關(guān)系上進(jìn)行改革,反復(fù)的進(jìn)行創(chuàng)新與繼承,包括前后關(guān)系上,分量關(guān)系上和要求上;

(2)化學(xué)教育內(nèi)容的更新少之又少,創(chuàng)新和繼承很不夠。例如,超分子尚未涉及,稀土族元素只在1979年上教版理科班教材和1983年人教版甲種本教材出現(xiàn)過(guò)。但是,我國(guó)在以后的新教材中卻再也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。而我國(guó)是隱藏稀土元素的大國(guó),也是生產(chǎn)稀土金屬的強(qiáng)國(guó)。

(3)忽視科學(xué)本質(zhì)和科學(xué)思維方式的培養(yǎng);

(4)構(gòu)建符合國(guó)情的、創(chuàng)新的化學(xué)教育內(nèi)容系統(tǒng)還需要下大功夫。

英國(guó)《泰晤士報(bào)》2009年3月9日文章,原題:“中國(guó)掌握技術(shù)未來(lái)的鑰匙”。

中國(guó)從一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)15年的調(diào)查中勝出,成為稀土金屬供應(yīng)的“最大壟斷國(guó)”。業(yè)內(nèi)專家說(shuō),這一主導(dǎo)地位將使中國(guó)控制消費(fèi)類電子和綠色技術(shù)的未來(lái)。全球95%以上的稀土資源都由中國(guó)生產(chǎn)供應(yīng)。

隨著世界各國(guó)在能源利用率方面加大努力,中國(guó)的主導(dǎo)地位將變得更具有戰(zhàn)略決定性,因?yàn)楹芏嘀匾沫h(huán)保技術(shù),例如風(fēng)力渦輪機(jī)、低能耗燈泡和混合動(dòng)力車等都非常依賴稀土金屬。 世界不得不清醒地認(rèn)識(shí)到,沒(méi)有這些金屬的元素,也就談不上什么技術(shù)。

在我國(guó)從稀土大國(guó)發(fā)展到稀土強(qiáng)國(guó)中有一個(gè)作出突出貢獻(xiàn)的化學(xué)家徐光憲。

徐光憲(1920- )著名物理化學(xué)家,無(wú)機(jī)化學(xué)家,教育家,中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授、北京大學(xué)稀土化學(xué)研究中心主任。幾十年來(lái),他為我們國(guó)家和人民培養(yǎng)了一大批教學(xué)和科研人材,并在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、量子化學(xué)、配位化學(xué)、萃取化學(xué)、稀土科學(xué)等領(lǐng)域做出了突出的貢獻(xiàn),黨和人民對(duì)他的貢獻(xiàn)給予了充分的肯定。1962年提出了被國(guó)內(nèi)普遍采納的萃取體系分類法。1976年他提出串級(jí)萃取理論,并在全國(guó)推廣,把我國(guó)稀土萃取分離工藝提高到國(guó)際先進(jìn)水平。 他因?yàn)樵谙⊥凛腿☆I(lǐng)域的驚人成就被稱為“稀土界的袁隆平”。 徐光憲獲得2008年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

這些不僅是我們進(jìn)行化學(xué)知識(shí)教育的重要內(nèi)容,更是我們進(jìn)行國(guó)情教育 、愛(ài)國(guó)主義教育和創(chuàng)新教育的重要內(nèi)容。

5科學(xué)探究

科學(xué)探究教育的引進(jìn)是化學(xué)教育改革的一項(xiàng)創(chuàng)新。它既是一項(xiàng)重要的化學(xué)教育內(nèi)容,又是一項(xiàng)重要的化學(xué)教育的途徑和方式。但是,我們?cè)趯?shí)施這項(xiàng)的創(chuàng)新中,如何深刻的理解和應(yīng)用它,如何適度的處理它與其他科學(xué)方法的關(guān)系,如何繼承傳統(tǒng)的科學(xué)教育方法等,我們是忽視的,研究是不夠的。這個(gè)問(wèn)題是值得我們高度重視深入研究的。

5.1科學(xué)探究是一種科學(xué)的思維方式

探究,指探索追究 ,即多方尋找答案、千方百計(jì)解決問(wèn)題。它是一種思維方式。探究?jī)A向是人類的天性,人皆有之。我們的教育必須去開(kāi)發(fā)和應(yīng)用人的這種天性。

探究可分為兩種:狹義探究、廣義探究。狹義的探究是指科學(xué)探究或科學(xué)研究;

廣義探究泛指一切獨(dú)立解決問(wèn)題的活動(dòng),包括一般的解決問(wèn)題的活動(dòng),也包括狹義探究。

思維是智力和能力的核心,也是教育的核心。偉大的思想家羅素曾經(jīng)指出,教育就是要在教師的指導(dǎo)下培養(yǎng)學(xué)生會(huì)自主思考。偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦也曾經(jīng)說(shuō)過(guò),“什么是教育?就是把學(xué)校所學(xué)的東西都忘掉了?！笨茖W(xué)探究在本質(zhì)上是科學(xué)家解決自然或科學(xué)問(wèn)題的一種思維方式,它追求知識(shí)的確鑿性、實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性、證據(jù)的可靠性,不輕信盲從、不迷信權(quán)威。因此,科學(xué)思維具有創(chuàng)造性、敏捷性、獨(dú)立性、廣闊性和深刻性等特點(diǎn)。

科學(xué)思維是科學(xué)探究的核心和靈魂。在我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究教育的時(shí)候,千萬(wàn)不要忘記科學(xué)思維這個(gè)核心和靈魂。

5.2科學(xué)探究是一種知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程

知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程是研究者原有的直接經(jīng)驗(yàn)、原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、新的現(xiàn)象和事實(shí)通過(guò)同化、順應(yīng)、激活或平衡等建構(gòu)起新的知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程。科學(xué)探究是一種知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程。

科學(xué)是邏輯、想象和創(chuàng)造的融合。 學(xué)習(xí)科學(xué)也是學(xué)習(xí)認(rèn)知方法和開(kāi)發(fā)多元智能的過(guò)程。在學(xué)習(xí)重要知識(shí)的過(guò)程中,我們老師不要忘記引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的建構(gòu),也不要忘記引導(dǎo)學(xué)生去體驗(yàn)科學(xué)的本質(zhì)。

5.3科學(xué)探究也是一種綜合活動(dòng)的過(guò)程

科學(xué)探究是一種知識(shí)、能力、情感態(tài)度價(jià)值觀的綜合活動(dòng)。

科學(xué)探究的基本要素:好奇心和觀察 ; 提出問(wèn)題或課題;提出假設(shè)、假說(shuō)或猜想;制訂調(diào)查研究方案;收集數(shù)據(jù)檢驗(yàn)假設(shè)或假說(shuō);得出結(jié)論;寫(xiě)出研究報(bào)告和交流。

科學(xué)探究并不總是采用假設(shè)或假說(shuō),也可以猜想; 科學(xué)探究不存在統(tǒng)一的過(guò)程和模式;科學(xué)探究可以包括全部或部分基本要素。

5.4科學(xué)探究需要探究的方法或技能

科學(xué)探究沒(méi)有唯一正確的方法?；A(chǔ)教育中學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究需要一些科學(xué)方法,包括基本方法和綜合方法。

觀察(看、聽(tīng)、摸、聞、嘗);分類(根據(jù)對(duì)象的共同點(diǎn)和差異點(diǎn));交流; 測(cè)量;預(yù)測(cè)( 對(duì)可能要發(fā)生的事預(yù)先猜測(cè)); 推斷( 對(duì)某事發(fā)生的原因做 最 好的猜測(cè))。以上6 種為基本方法。

識(shí)別與控制變量(為了識(shí)別引發(fā)事情發(fā)生的因素,必須控制待測(cè)變量以外的變量保恒定);猜測(cè)或形成并驗(yàn)證假設(shè)(對(duì)兩個(gè)變量間關(guān)系的預(yù)見(jiàn)性猜測(cè),假設(shè)經(jīng)驗(yàn)證成功可以上升為假說(shuō),假說(shuō)己經(jīng)構(gòu)成系統(tǒng)的理論陳述,經(jīng)嚴(yán)密論證成功后可以上升為理論);數(shù)據(jù)解釋;設(shè)計(jì)操作(有些東西是無(wú)法直接測(cè)量,必須設(shè)計(jì)操作進(jìn)行間接測(cè)量);實(shí)驗(yàn);建立模型(對(duì)不易見(jiàn)到的事物或現(xiàn)象的具體體現(xiàn))。以上是6種綜合方法。

5.5科學(xué)探究重視過(guò)程,也重視結(jié)果

過(guò)程與結(jié)果相輔相成,結(jié)果包括肯定與否定;任何科學(xué)探究活動(dòng)都離不開(kāi)先前探究結(jié)果;過(guò)程搞得好才能取得好結(jié)果,為了取得好結(jié)果才會(huì)重視并努力地去搞好過(guò)程;過(guò)程可以培養(yǎng)人和鍛煉人,結(jié)果可以鼓舞人和激勵(lì)人。

5.6化學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)需要多元的方式

我們要不斷地去完善化學(xué)學(xué)習(xí)方式和化學(xué)教學(xué)方式,既要?jiǎng)?chuàng)新,也要繼承,包容各種有效的教學(xué)方式,可以根據(jù)不同的內(nèi)容和不同的學(xué)生,采用不同的教學(xué)方式。

從學(xué)習(xí)論的發(fā)展來(lái)看,從行為主義,到認(rèn)知主義,再到現(xiàn)在的社會(huì)建構(gòu)主義;從教學(xué)認(rèn)識(shí)論的發(fā)展來(lái)看,從知識(shí)傳遞論,到能力培養(yǎng)論,再到現(xiàn)在的建構(gòu)論。

這些理論都有它的存在條件、存在的合理性和應(yīng)用效果,也有它們的局限性。我們?cè)趯?shí)踐中不能簡(jiǎn)單的肯定或否定,要具體情況具體分析,合理的應(yīng)用它們。

再?gòu)膶?duì)話來(lái)說(shuō)。對(duì)話是課堂教學(xué)中師生互動(dòng)很好的方式和途徑。但是,今天的課堂教學(xué),將“互動(dòng)”,變成只是師生的對(duì)話,甚至變成了簡(jiǎn)單的形式的教師問(wèn)學(xué)生答,學(xué)生不看教材,不重視實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上,對(duì)話的目的是為了回歸,真正使化學(xué)教學(xué)內(nèi)容能回歸為學(xué)生的思想和行為;對(duì)話的態(tài)度應(yīng)該是平等的,尤其是教師要傾聽(tīng)學(xué)生所提的問(wèn)題,學(xué)生的想法;對(duì)話的類型也不止一種,應(yīng)該有三種,一是認(rèn)知性對(duì)話,讓學(xué)生跟教材對(duì)話從中認(rèn)知化學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和基本內(nèi)容;二是實(shí)踐性對(duì)話,讓學(xué)生跟實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐活動(dòng)對(duì)話,從中得到體驗(yàn)和感悟,有助于建立自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu);三是社會(huì)性對(duì)話,讓學(xué)生跟同學(xué)和老師對(duì)話,進(jìn)行思想的交流和碰撞,有助于對(duì)知識(shí)意義的建構(gòu)。

又從教學(xué)方式來(lái)探討創(chuàng)新和繼承。在化學(xué)公開(kāi)課上,我們看到的往往是研究性學(xué)習(xí)方式和探究性教學(xué)方式;在日?；瘜W(xué)課上,老師上的往往是接受性學(xué)習(xí)方式和傳授性的教學(xué)方式。實(shí)際上,化學(xué)教育改革引進(jìn)并重視了研究性學(xué)習(xí)方式和探究性教學(xué)方式,但是,我們并不是要去拋棄或否定其他學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式。恰恰相反,智能結(jié)構(gòu)的多元性,導(dǎo)致學(xué)生的個(gè)性;自然界的多樣性和社會(huì)的復(fù)雜性,導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)容的復(fù)雜性。學(xué)生和教師的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式應(yīng)該是多種多樣的。

歸納起來(lái),教學(xué)方式有兩種類型:一種是直接性教學(xué)方式,即以教師為中心,直接向?qū)W生傳授知識(shí),特別是事實(shí)、規(guī)則、程序、步驟、常識(shí)等;一種是間接性教學(xué)方式,即以學(xué)生為中心,以問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)和內(nèi)容,在教師的指導(dǎo)下,通過(guò)學(xué)生自學(xué)、合作或探究等方式去解決問(wèn)題,特別是重要的概念、理論和模型,以及其他重要的為什么。我認(rèn)為,根據(jù)基礎(chǔ)教育的特點(diǎn)和課時(shí)的限制,化學(xué)教育應(yīng)該大部分是采用直接性教學(xué)方式,小部分采用間接性教學(xué)方式,而且并非非此即彼,可以相互結(jié)合或滲透。

我從事教育近五十年,專門從事課程與教學(xué)的改革與研究近四十年。通過(guò)回顧和反思,我深深感到教育改革要取得成功,教育要健康持久的發(fā)展,必須不斷地重視和處理好創(chuàng)新與繼承的關(guān)系。

參考文獻(xiàn):

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[2]高級(jí)中學(xué)課本.化學(xué)(第三冊(cè))[M]. 人民教育出版社,1958.1.

[3]高級(jí)中學(xué)課本(試用本).化學(xué)(乙種本,上冊(cè))[M]. 人民教育出版社,1983.1.

[4]高級(jí)中學(xué)課本(試用本).化學(xué)(乙種本,下冊(cè))[M]. 人民教育出版社,1984.2.

[5]上海市中學(xué)課本.化學(xué)(理科班用,第四冊(cè))[M]. 上海教育出版社,1979.1.

[6]孫元清主編.高中研究型課程導(dǎo)師指導(dǎo)手冊(cè)[M].上?？萍冀逃霭嫔?2001.1.

篇9

摘要：

以功能聚合物載藥納米顆粒、功能環(huán)境和能源吸附材料為研究體系，依據(jù)目標(biāo)性能需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)調(diào)控的思路，闡述了在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)分子/介觀模擬和模型化等技術(shù)研究分子、聚集態(tài)納/微結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品性能間定性和定量關(guān)系的研究進(jìn)展，并嘗試建立從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學(xué)品結(jié)構(gòu)特征的系統(tǒng)方法，探索功能材料化學(xué)品的定向設(shè)計(jì)和調(diào)控，形成從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學(xué)品結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：

化學(xué)產(chǎn)品工程；聚合物材料；吸附材料；分子結(jié)構(gòu)；聚集態(tài)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)性能關(guān)系

在工業(yè)化的初期，化學(xué)工業(yè)的主要產(chǎn)品是燃料和大宗化學(xué)品。20世紀(jì)以來(lái)，大宗化學(xué)品的制備和生產(chǎn)技術(shù)已相對(duì)成熟，市場(chǎng)漸趨飽和，而隨著生物技術(shù)、納米技術(shù)、電子信息技術(shù)和環(huán)境科學(xué)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)更高生活質(zhì)量的追求，市場(chǎng)對(duì)以新材料和藥物為代表的功能材料化學(xué)品的需求迅速增加，近10年來(lái)化學(xué)品市場(chǎng)超過(guò)50%是由專用化學(xué)品組成，促使基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ?功能材料化學(xué)品[1,2]。例如：Dow化學(xué)與德國(guó)Hoechest重組轉(zhuǎn)向醫(yī)藥化學(xué)品；瑞士Sandoz與Hoechest重組轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ没瘜W(xué)品，與Ciba-Geigy重組專攻醫(yī)藥和農(nóng)用化學(xué)品。化工產(chǎn)業(yè)向功能化學(xué)品發(fā)展的轉(zhuǎn)變促使化學(xué)工業(yè)由初級(jí)加工向深度加工發(fā)展，由大批量、連續(xù)化的大宗化學(xué)品生產(chǎn)逐步向小批量、多品種和個(gè)性化的功能材料化學(xué)品的生產(chǎn)發(fā)展，化學(xué)產(chǎn)品的研究向微觀層次不斷延伸，反映了化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。在這一背景的驅(qū)動(dòng)下，一批西方化工界的研究者提出了化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域—化學(xué)產(chǎn)品工程[3]。Cussler等[4,5]將產(chǎn)品工程定義為設(shè)計(jì)或革新人們所需要的產(chǎn)品的過(guò)程，可見(jiàn)化學(xué)產(chǎn)品工程的概念更強(qiáng)調(diào)通過(guò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來(lái)滿足市場(chǎng)對(duì)特定功能的需求。

不同于大宗化學(xué)品，功能材料化學(xué)品往往是多組分或者具有多尺度結(jié)構(gòu)的化學(xué)產(chǎn)品，其性能與功能不僅取決于分子結(jié)構(gòu)，還與其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，作為化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)新興研究范疇，其研究方法還處于初步發(fā)展階段[6]。一方面，功能材料化學(xué)品由于其豐富的構(gòu)象行為、復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性以及尺度效應(yīng)，目前仍主要通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)探索來(lái)開(kāi)發(fā)，這種方式往往耗費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力。另一方面，雖然科學(xué)家們通過(guò)各種研究方法對(duì)功能材料化學(xué)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)層次規(guī)律的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是各個(gè)層次之間的聯(lián)系和研究方法尚處于探索階段，主要停留在單層次、單尺度的層面，各尺度結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間仍缺乏合適的關(guān)聯(lián)模型[7,8]，因而不能根據(jù)納米材料的成分、尺寸和結(jié)構(gòu)來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品性質(zhì)，難以通過(guò)設(shè)計(jì)特定的配方組成和生產(chǎn)條件去調(diào)控生產(chǎn)過(guò)程，得到具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和性能的功能材料產(chǎn)品?？傊?，依據(jù)目前的理論研究和技術(shù)基礎(chǔ)的積累，人們尚無(wú)法做到對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)行完整的、根本性的科學(xué)闡述，仍難以解決定量設(shè)計(jì)、調(diào)控和優(yōu)化等實(shí)際問(wèn)題，而這正是功能材料化學(xué)品研究發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，也是化學(xué)產(chǎn)品工程學(xué)科發(fā)展的重要方向。因此從微觀和介觀尺度認(rèn)識(shí)和調(diào)控化學(xué)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、指導(dǎo)反應(yīng)過(guò)程、預(yù)測(cè)和調(diào)控產(chǎn)品的性能、快速科學(xué)地實(shí)現(xiàn)功能材料化學(xué)品的設(shè)計(jì)、制備和生產(chǎn)已成為這一領(lǐng)域的新興研究理念。錢宇等[9-31,33-36]近年來(lái)系統(tǒng)地開(kāi)展了結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和構(gòu)效關(guān)系的研究，以功能聚合物載藥納米顆粒、功能環(huán)境和能源吸附材料為研究體系，根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)性能需求，設(shè)計(jì)和調(diào)控材料分子結(jié)構(gòu)和納/微聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并嘗試建立結(jié)合實(shí)驗(yàn)、分子/介觀模擬和模型化等技術(shù)研究分子、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品宏觀性能之間定性和定量關(guān)系的系統(tǒng)方法，形成從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學(xué)品的結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)基礎(chǔ)。

1功能聚合物載藥納米顆粒體系

1.1聚合物分子及其載藥納米膠束顆粒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控思路當(dāng)前，癌癥已成為危害人類健康的頭號(hào)殺手，化療是目前治療癌癥的主要手段。然而，大多數(shù)的化療藥物存在溶解性差、毒副作用大、易降解、藥代動(dòng)力學(xué)差和無(wú)靶向組織選擇性等問(wèn)題，而使用聚合物納米膠束顆粒作藥物輸送系統(tǒng)是解決這些問(wèn)題的有效途徑之一。兩親性聚合物分子通過(guò)自組裝形成分子簇，進(jìn)而聚集形成納米膠束。由于分子間相互作用和擴(kuò)散作用，非極性藥物主要分布在膠束的疏水內(nèi)核中。聚合物材料的結(jié)構(gòu)單元種類、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能性基團(tuán)和分子量等分子結(jié)構(gòu)因素影響載藥系統(tǒng)的性質(zhì)，膠束的形貌、孔隙度和粒徑等納/微結(jié)構(gòu)對(duì)載藥系統(tǒng)的性質(zhì)也有重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)疏水性藥物的口服控釋性能需求，在分子結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)上，根據(jù)胃腸道pH值的差異（人體胃液的pH值為1.0～2.5，腸道環(huán)境pH值為5.1～7.8），采用聚甲基丙烯酸（PMAA）作為pH值響應(yīng)基團(tuán)，甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PPEGMA）為親水基，聚丙交酯（PLA）為疏水基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成了兩親性三嵌段聚合物PLA-b-PMAA-b-PPEGMA。該聚合物在溶液中自組裝形成三層核殼結(jié)構(gòu)的納米膠束，外層為親水PEGMA層，內(nèi)層是疏水PLA層，中間層是PMAA層，PMA嵌段中的羧基響應(yīng)pH值的變化得失質(zhì)子，控制藥物的釋放速率。膠束形成及pH值響應(yīng)釋放過(guò)程如圖1（a）所示，其中PLA嵌段、PMAA嵌段以及PPEGMA嵌段分別用藍(lán)色、紫色和綠色表示。在胃的酸性條件下，PMAA去質(zhì)子化，膠束結(jié)構(gòu)緊密，藥物釋放量緩慢；在腸道的中性環(huán)境下，PMAA質(zhì)子化，膠束發(fā)生溶脹，藥物釋放速率增加，在pH值為1.2的緩沖溶液中，24h的藥物（硝苯地平）累積釋放量約為66%，pH值為7.4時(shí)，釋放量為96%。為了進(jìn)一步降低酸性條件下的藥物釋放，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為疏水基團(tuán)，并與對(duì)pH值響應(yīng)的PMAA無(wú)規(guī)共聚，再與親水PPEGMA形成兩嵌段聚合物P(MMA-co-MAA)-b-PPEGMA，見(jiàn)圖1（b）。此時(shí)疏水基團(tuán)和pH值響應(yīng)基團(tuán)共同形成膠束內(nèi)核，從而進(jìn)一步減小了藥物在酸性環(huán)境中的釋放，24h的藥物累積釋放量?jī)H17%。同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)能擴(kuò)大膠束的pH值響應(yīng)功能區(qū)域，提高對(duì)環(huán)境pH值變化的響應(yīng)靈敏性，也可通過(guò)改變MAA嵌段的含量，調(diào)節(jié)藥物釋放速率，MAA含量越高，釋放速率越快。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，為了提高膠束的穩(wěn)定性，將構(gòu)成膠束外殼的親水嵌段PPEGMA設(shè)計(jì)為刷狀，以提高殼層密度，增強(qiáng)膠束表面的親水性[9-14]。

上述線形聚合物雖然在一定程度上能改善藥物控釋性能，但其熱力學(xué)穩(wěn)定性不夠理想。據(jù)此，針對(duì)抗癌藥物靶向控釋的性能需求，設(shè)計(jì)出了熱力學(xué)穩(wěn)定性更高的pH值響應(yīng)兩親性星形嵌段聚合物材料[15-17]。在分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，選取與聚合物膠束拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的多臂星型結(jié)構(gòu)聚合物，相比于線形聚合物可提高膠束的熱力學(xué)穩(wěn)定性。在分子結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)上，根據(jù)人體正常組織（pH值為7.4）和腫瘤組織環(huán)境（pH值為5.0）的差異，采用聚己內(nèi)酯（PCL）為疏水基團(tuán)，PPEGMA為親水基團(tuán)，聚甲基丙烯酸N,N-二乙氨基乙酯（PDEAEMA）為pH值響應(yīng)基團(tuán)，形成四/六臂星形三嵌段結(jié)構(gòu)的聚合物4/6AS-PCL-b-PDEAEMA-b-PPEGMA。該聚合物可自組裝形成膠束，用于包載難溶性抗癌藥物阿霉素。當(dāng)環(huán)境pH值變化時(shí)，PDEAEMA中的氨基得到或失去質(zhì)子，從而影響膠束的結(jié)構(gòu)，調(diào)控藥物釋放速率。在中性條件下，108h釋放藥物30%左右，而在腫瘤組織的酸性條件下，由于PDEA的質(zhì)子化，膠束發(fā)生溶脹，導(dǎo)致藥物釋放速率顯著增加，108h時(shí)藥物幾乎100%釋放。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)嵌段比例，可以調(diào)控藥物釋放速率，如增加PDEAEMA嵌段長(zhǎng)度，可使藥物釋放速率增加。聚合物納米膠束顆粒不僅可以用于化學(xué)藥物的包載遞送，也可用于生物基物質(zhì)（如基因）的遞送。基因（DNA或RNA）作為一種新型抗癌藥物，具有傳統(tǒng)藥物所無(wú)法比擬的高效、無(wú)毒和靶向性好等特性，但是如何將基因有效地遞送到靶向組織卻成為基因治療的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Guo等[18]設(shè)計(jì)合成了不同嵌段組成的膽固醇多肽聚合物及其自組裝形成的膠束用作基因載體。膽固醇不但生物相容性好，且具有剛性甾環(huán)結(jié)構(gòu)和疏水性的特點(diǎn)，有利于形成膠束內(nèi)核以穩(wěn)定膠束結(jié)構(gòu)，組氨酸具有內(nèi)涵體釋放DNA的功能，精氨酸在較低pH值下帶有正電荷，且具有細(xì)胞穿透功能，因此設(shè)計(jì)的該聚合物能與DNA結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合體，有效提高基因的表達(dá)效率。具有alpha螺旋結(jié)構(gòu)的多肽不但能有效增加基因傳輸效率，還有利于穿過(guò)細(xì)胞膜而不引起細(xì)胞毒性，因此設(shè)計(jì)合成了具有alpha螺旋結(jié)構(gòu)的多肽分子用作基因的載體材料[19]。另外，針對(duì)基因帶負(fù)電的特性，在基因載體材料分子結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)上，以陽(yáng)離子聚合物琥珀酸酰乙基四胺（Stp）和五乙烯六胺（Sph）為基本單元，設(shè)計(jì)合成了具有葉酸靶向作用的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的六種多肽聚合物[20]。其中，陽(yáng)離子聚合物通過(guò)靜電作用綁定基因，親水嵌段PEG對(duì)整個(gè)體系具有保護(hù)作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，葉酸具有良好的靶向作用，六種多肽聚合物均表現(xiàn)出較高的pDNA基因表達(dá)率，三臂和四臂多肽聚合物有理想的siRNA基因沉默率。

1.2聚合物載藥膠束的定性/定量構(gòu)效關(guān)系功能材料化學(xué)品的性能除了與構(gòu)成產(chǎn)品的化學(xué)物質(zhì)和材料有關(guān)外，很大程度上還取決于產(chǎn)品的納/微介觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，因此，深入探索功能材料分子結(jié)構(gòu)-產(chǎn)品納/微結(jié)構(gòu)-宏觀性能之間的定性和定量構(gòu)效關(guān)系，將有助于指導(dǎo)功能材料化學(xué)品的研究和開(kāi)發(fā)，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。由于聚合物自組裝過(guò)程中形成的聚集體結(jié)構(gòu)難以通過(guò)一般的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行檢測(cè)，因此以介觀模擬方法為主，針對(duì)溶液中聚合物分子與分子聚集體間的動(dòng)態(tài)平衡和聚集體內(nèi)部組成單元的排列方式及有序結(jié)構(gòu)的平衡，研究聚合物分子和環(huán)境條件對(duì)其微相分離行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，掌握聚合物在微/介尺度下聚集體結(jié)構(gòu)形成所遵循的特有規(guī)律，從而提出能獲得具有特定介尺度結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控機(jī)制。介觀模擬的理論基礎(chǔ)是耗散粒子動(dòng)力學(xué)（dissipativeparticledynamics，DPD）。首先建立合適的粗?；Ｐ?，圖2（a）是四均臂星形聚合物分子結(jié)構(gòu)的粗?；Ｐ蚚21]，圖中Center，PCL，MAA1/MAA2，DEA和PEG分別代表季戊四醇、己內(nèi)酯、甲基丙烯酸、二乙胺基和乙二醇基團(tuán)。然后通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算粗?；鶊F(tuán)的相互作用參數(shù)，計(jì)算時(shí)需考慮影響介尺度行為的分子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性質(zhì)，如溶解度參數(shù)、混合能和排斥位能等，這是有效模擬分析介尺度行為的基礎(chǔ)。通過(guò)DPD模擬研究了聚合物分子結(jié)構(gòu)、嵌段間相互作用和pH值響應(yīng)功能基團(tuán)數(shù)目等對(duì)介尺度聚集體形成、聚集體間相互作用、聚集體形貌演變、介觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定速率和穩(wěn)定程度、以及對(duì)藥物的包載能力和藥物分布規(guī)律的影響和作用機(jī)制，探索了介尺度聚集體荷電性、數(shù)量、聚集體間相互作用和組分配比等對(duì)聚集體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、碰撞聚結(jié)機(jī)理、微/介孔的形成和組分分布情況的影響規(guī)律。在模擬不同pH值環(huán)境時(shí)，需要考慮基團(tuán)質(zhì)子化程度，采用不同的相互作用參數(shù)建立不同的力場(chǎng)進(jìn)行模擬。圖2（b）是pH值敏感膠束在不同pH值下發(fā)生不同程度質(zhì)子化得到的DPD模擬結(jié)果，借助模擬分析得到pH值敏感嵌段在不同pH值下的伸展?fàn)顟B(tài)以及pH值對(duì)膠束形貌的影響，結(jié)合徑向分布函數(shù)、均方回轉(zhuǎn)半徑、擴(kuò)散系數(shù)和序參量等參數(shù)分析了聚合物分子結(jié)構(gòu)和自組裝環(huán)境因素對(duì)膠束納/微尺度結(jié)構(gòu)和行為的影響機(jī)制。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了聚合物分子結(jié)構(gòu)、溶液環(huán)境和聚集體納/微結(jié)構(gòu)、介尺度行為、載藥和釋藥性質(zhì)之間的作用機(jī)制，提出根據(jù)目標(biāo)性能要求調(diào)控聚合物和膠束結(jié)構(gòu)的定性規(guī)則[22-30]。計(jì)算機(jī)模擬可以從介觀角度，如物質(zhì)的微相分離行為和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等反映物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，定性預(yù)測(cè)和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然而，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能定量關(guān)系的模擬研究仍處于探索階段，聚合物載藥膠束結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的定量研究也鮮有報(bào)道。Wu等[31]嘗試建立聚合物微顆粒體系的微/介尺度結(jié)構(gòu)與宏觀性能的定量構(gòu)效關(guān)系（QSPR）模型，通過(guò)測(cè)量或量子化學(xué)計(jì)算聚合物分子和分子聚集體結(jié)構(gòu)特征，利用化學(xué)信息學(xué)理論和數(shù)值分析方法，將結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)化成數(shù)值形式的描述符。采用遺傳函數(shù)算法（GFA）進(jìn)行描述符的篩選，并綜合考慮聚集體的結(jié)構(gòu)特征，如聚集體密度、大小、孔隙度、比表面積和表面自由能等，建立聚合物分子結(jié)構(gòu)、聚集體結(jié)構(gòu)與聚合物微顆粒粒徑、臨界膠束濃度（CMC）和藥物包載量和釋放速率等之間的線性或非線性QSPR模型。通過(guò)對(duì)特征描述符和介尺度結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行深入分析，探索影響微顆粒性能的分子及其聚集體的結(jié)構(gòu)本質(zhì)，闡明其影響和控制微顆粒性能的機(jī)理。目前，結(jié)合GFA和多元線性回歸方法（MLR），建立了四六臂星型聚合物包載阿霉素膠束體系的聚合物分子結(jié)構(gòu)與載藥量的QSPR模型?？紤]到高分子構(gòu)象的復(fù)雜性，普通的描述符計(jì)算方法難于準(zhǔn)確反映其結(jié)構(gòu)信息，提出嵌段單元自相關(guān)（BUA）描述符來(lái)表征聚合物結(jié)構(gòu)，并確定了最佳模型。

2功能環(huán)境和能源吸附材料

2.1功能環(huán)境和能源吸附材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控思路功能環(huán)境和能源吸附材料的成功設(shè)計(jì)與制備對(duì)于處理復(fù)雜氣體組分吸附與分離、大分子傳遞與輸送以及大分子多級(jí)反應(yīng)等方面具有重要的意義，也為新材料（如膜材料、納米功能材料和納米復(fù)合催化劑材料等）的加工與制備開(kāi)辟了廣闊的前景。工業(yè)上常采用甲烷水蒸氣重整反應(yīng)來(lái)生產(chǎn)氫氣，但該方法所生產(chǎn)的氫氣因含有甲烷而純度不高。變壓吸附（PSA）是常用的分離提純氫氣的方法。針對(duì)金屬-有機(jī)骨架（MOFs）材料的有機(jī)連接體可更換的特點(diǎn)，Liu等[33]在不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)更換有機(jī)配體對(duì)苯二甲酸（BDC），1,4-萘二甲酸（R7-BDC）和2,6-萘二甲酸（NDC），設(shè)計(jì)出新型的改性MIL-101材料，應(yīng)用于CH4/H2的吸附分離。研究結(jié)果表明，更換不同有機(jī)連接體后，具有較大晶格邊長(zhǎng)的MIL-101_NDC具有較好的甲烷吸附性能。對(duì)于氫氣的吸附，則隨著MIL-101的孔體積和比表面積的減小而減少。對(duì)于所有的MIL-101材料，甲烷的最優(yōu)先吸附位均為正四面體小籠。而由于更換的有機(jī)連接體R7-BDC上有額外的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致MIL-101_R7-BDC中的大籠和小籠壁上出現(xiàn)新的甲烷吸附位，從而使其對(duì)甲烷/氫氣有較強(qiáng)的吸附選擇性。例如，母體MIL-101在低壓下（500kPa）對(duì)等物質(zhì)的量比的CH4和H2混合體系的選擇性為6.27，而改性后的MIL-101_R7-BDC的選擇性可增加至10.42，增幅高達(dá)66.1%。因此，更換的有機(jī)連接體可在不改變MIL-101骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前提下，通過(guò)增加材料的比表面積、增加有機(jī)連接體上的苯環(huán)數(shù)量、減少材料的孔徑和孔容等來(lái)增加其對(duì)CH4和H2的吸附與分離性能[33]。作為一種被廣泛研究的MOFs材料，Cu-對(duì)苯三酸（Cu-BTC）在吸附甲醇等小分子能源氣體方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，但是研究發(fā)現(xiàn)Cu-BTC吸附小分子醇類有明顯的分級(jí)吸附現(xiàn)象，低壓下醇類優(yōu)先吸附于極性胞腔內(nèi)的不飽和金屬中心附近，而不含有金屬中心的弱極性胞腔卻表現(xiàn)出較弱的吸附能力?；谝陨喜蛔?，Xiang等[34]利用隨機(jī)插入的方式，以游離的鋰離子摻雜到Cu-BTC的骨架中，使骨架的金屬位點(diǎn)數(shù)量增多以增強(qiáng)對(duì)甲醇的吸附。類似的金屬離子摻雜手段已經(jīng)有課題組成功利用并合成出鋰離子均勻分布的Cu-BTC，其對(duì)CO2和CH4的吸附效果都有明顯提升。Wu等[35]利用密度泛函理論計(jì)算了鋰離子在Cu-BTC上不同位置的結(jié)合能量，發(fā)現(xiàn)摻雜的鋰離子更加傾向于吸附在骨架配體苯環(huán)面的上方和下方，這種摻雜方式也恰好更有利于改善弱極性胞腔的吸附能力。對(duì)比利用巨正則蒙特卡洛算法（GCMC）模擬計(jì)算的摻雜前后的骨架對(duì)于甲醇的吸附等溫線，發(fā)現(xiàn)鋰離子的摻雜可以有效提高甲醇在測(cè)試壓力范圍內(nèi)的吸附量，同時(shí)也增強(qiáng)了原始骨架弱極性胞腔中的吸附能力，使分級(jí)吸附現(xiàn)象消失，整個(gè)吸附過(guò)程更加連續(xù)。另外，吸附密度圖也顯示了鋰離子的加入，主要是增加了骨架中新的吸附位點(diǎn)。密度泛函計(jì)算結(jié)果則表明，改性后的Cu-BTC-Li，甲醇分子在新加入的鋰離子上的吸附結(jié)合能比原始骨架中不飽和銅金屬位點(diǎn)強(qiáng)，說(shuō)明甲醇分子將優(yōu)先吸附在鋰離子上，而鋰離子在骨架中的分布相對(duì)比較均勻，有利于提高骨架的整體吸附量。

2.2功能環(huán)境和能源吸附材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究目前石油化工中對(duì)烷烴、烯烴混合物分離的主流技術(shù)是蒸餾精煉，但是這種傳統(tǒng)技術(shù)高度密集，而且能耗大，不利于能源的可持續(xù)發(fā)展，而吸附技術(shù)被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ奶娲に嚒OFs材料用于烷烴和烯烴的吸附分離，主要集中在類沸石骨架結(jié)構(gòu)（ZIFs）系列骨架的研究，但是由于實(shí)驗(yàn)手段的限制，ZIFs骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)分離效果的影響尚未明確。由于原子級(jí)模型可為功能環(huán)境和能源吸附材料的結(jié)構(gòu)研究提供更多的微觀信息，也為定量構(gòu)效關(guān)系的建立及材料性能提供預(yù)測(cè)作用，因此，Wu等[36]采用分子模擬技術(shù)探索材料的形成機(jī)理，彌補(bǔ)現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)的缺陷，為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)定向合成功能化吸附材料提供重要的理論依據(jù)。挑選了幾種具有常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZIFs骨架，包括ZIF-3，ZIF-6，ZIF-8和ZIF-10（圖3），通過(guò)多尺度分子模擬技術(shù)，嘗試建立ZIFs骨架的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與宏觀吸附分離性能的關(guān)系。模型的構(gòu)建采用劍橋晶體庫(kù)（CCDC）的晶體參數(shù)[37]，用MaterialsStudio軟件包中的Visualizer模塊進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的搭建并進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和整體能量最小化。采用GCMC模擬技術(shù)，在溫度、外界體積和體系化學(xué)勢(shì)不變的條件下模擬計(jì)算吸附等溫線。單組分吸附的隨機(jī)模式包括隨機(jī)插入、隨機(jī)刪除、變形和旋轉(zhuǎn)四種，而在混合組分的吸附中還包括同向扭轉(zhuǎn)。吸附選擇性則基于理想溶液理論（IAST）進(jìn)行擬合得到，使用的吸附等溫線模型是典型的雙位點(diǎn)Langmuir-Freundlich（DSLF）模型，擬合度達(dá)到0.999?；贕CMC的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算了在一定壓力范圍內(nèi)乙烷和乙烯在ZIFs骨架中的等量吸附熱，通過(guò)對(duì)比吸附熱與吸附量大小順序的關(guān)系，推測(cè)吸附的能量效應(yīng)。而骨架本身的結(jié)構(gòu)特性，包括可及比表面積、孔徑和孔容等也與吸附量的順序比較，同時(shí)結(jié)合乙烷乙烯動(dòng)力學(xué)直徑的大小進(jìn)行分析，確定骨架在吸附過(guò)程中的空間效應(yīng)。對(duì)于混合組分的分離，分別考察了壓力變化、使用的模擬方法（GCMC或IAST）和混合比例對(duì)乙烷選擇性的影響，同時(shí)也對(duì)比了單組分和混合組分中對(duì)應(yīng)組分的吸附量的變化，最后總結(jié)出在不同壓力范圍內(nèi)，乙烷和乙烯分離可能受到協(xié)同效應(yīng)或競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)的影響，并與骨架的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)聯(lián)，得到骨架結(jié)構(gòu)與乙烷和乙烯分離性能關(guān)系的規(guī)律：低壓下ZIFs骨架對(duì)乙烷和乙烯的吸附選擇性主要受到孔徑的影響，孔徑越小，其選擇性越大；而在高壓條件下，骨架的孔容則成為選擇性的主要影響因素，孔容越大，ZIFs骨架對(duì)乙烷和乙烯的吸附選擇性越大。

3總結(jié)與展望