量子化学理论范文

导语：如何才能写好一篇量子化学理论，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

（一）在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca钙矾石、含Ba钙矾石和含Sr钙矾石的Al-O键级基本一致，而含Sr钙矾石、含Ba钙矾石中的Sr，Ba原子键级与Sr-O，Ba-O共价键级都分别大于含Ca钙矾石中的Ca原子键级和Ca-O共价键级，由此认为，含Sr、Ba硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

（二）在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：d＞f＞p＞s，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说，NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心)，其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高，计算机时少而广泛应用于材料科学中，并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善，同时由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展，将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

（一）在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子,如低级芳香烃作为碳/碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian98程序中的半经验方法UAM1、在UHF/3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3LYP/3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。

（二）在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池，电池的工作过程实际上是Li+离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此，深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago等[8]用半经验分子轨道法以C32H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago等[9]用abinitio分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明，随着锂含量的增加，锂的离子性减少，预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li-C和具有共价性的Li-Li的混合物。Satoru等[10]用分子轨道计算法，对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究，研究表明，锂优先插入到石墨层间反应，然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘,进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述，我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中，量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来，由于电子计算机的飞速发展和普及，量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言，在不久的将来，量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]程新.[学位论文].武汉:武汉工业大学材料科学与工程学院,1994

[2]程新,冯修吉.武汉工业大学学报,1995,17(4):12

[3]李北星,程新.建筑材料学报,1999,2(2):147

[4]闵新民,沈尔忠,江元生等.化学学报,1990,48(10):973

[5]程新,陈亚明.山东建材学院学报,1994,8(2):1

[6]闵新民.化学学报,1992,50(5):449

[7]王宝俊,张玉贵,秦育红等.煤炭转化,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,何则强,熊利芝等.量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.吉首大学学报,2006,27(3):97.

篇2

在结构化学课程教学中设置课程论文作为激励学生学习知识和课程评价的手段。引导学生将课堂学习的结构化学理论知识应用于课程论文研究中，达到学以致用效果。论文指导过程中，注意学生创新思维模式的培育，教学的重点应放在课程论文研究的过程上，同时注意培养学生的科学道德，全面提升学生的科学素养。

【关键词】 结构化学 课程论文 创新思维

《结构化学》是理科院校化学专业的一门重要基础理论专业课。这门课程以严谨的数学逻辑推导为基础，建立比较抽象的理论概念，学生一般感到难学难懂。因此，学生易缺乏学习的积极性，影响到教学效果。根据结构化学教学的特点，我们在教学中，设置课程论文作为激励学生学习知识和评价教学效果的手段。对此， 我们在教学实践中， 在掌握学生基本学习情况的基础上，根据本课程的教学内容和教学特点，设置与教学目标和教学要求相适应的，注重理论研究和解释实际实验现象的课程论文题目，引导学生尝试应用结构化学/量子化学的理论计算结果来解释化学实验，深入了解分子结构和理论性质，揭示其内在规律性。从而在应用理论的过程中加深对理论知识的认识，提高学生的学习积极性，取得较好的教学效果。

1 设置课程论文的重要性

与其他化学专业课程不同，《结构化学》的内容主要是抽象理论，缺乏合适的配套实验对所学理论知识进行加深、拓宽和巩固。该门课程的对象一般是大学三年级学生，具有相当的化学专业知识。设置课程论文可以让学生在搜寻研究对象或者范围时，对以前专业知识进行回顾和分析，思考大学一年级以来学习的知识是否存在可以采用结构化学理论解释的地方，引发学生对化学知识、原理和现象进行思考，在自由选择题目范围的情况下，激发学生的学习和研究兴趣。在指导学生进行课程论文研究时，注意讲述一般科学研究的方法和步骤及科学工作者所应当具备的科学道德，全面提升学生的科学素养。在指导学生进行课程论文撰写时，着重讲授一般论文的写作格式，培养学生的逻辑思维，提高学生的书面表达能力，形成一定论文写作规范。这对于一般理工科学生尤其重要。设置的课程论文同时为四年级毕业论文研究阶段所需要的逻辑思维和论文写作打下基础。

2 理论化学计算软件的讲授

让学生进行课程论文研究，首先必须先教导学生使用理论化学的计算软件，让计算软件成为学生进行课程论文研究的工具，所以教师本身需要对该类软件非常熟悉，同时具备利用该类软件进行科学研究的能力和经验，这对教师的教学和科研能力有较高的要求。在众多量子化学理论计算软件中，HyperChem比较适合一般学生使用。可视化软件使深奥的理论计算结果形象化、直观化进行表达，让学生好学易懂，同时操作简单，适合用来作为课程论文研究的计算软件。在实际教学中，我们只需要1学时就能教会学生有关HyperChem的基本操作和应用于简单的理论计算。谭君［1］介绍了HyperChem软件的一些使用操作和特点，这里不再重复叙述。

3 科学研究思维和步骤的指导

授之以鱼不若授之以渔，所以我们在课堂上，教导学生一般的科学研究思维和步骤。课堂上以苯环上亲电取代反应的定位规律作为计算例子，采用Hyperchem软件计算各原子电荷并解释定位规律的实验现象。众所周知，苯环上的取代基分为邻对位定位基和间位定位基两类。这里选择了氨基和甲醛基分别作为邻对位定位基和间位定位基两类代表，通过计算其量子化学指数，讨论其计算结果，从理论上解释定位效应。

首先分析影响亲电反应的因素。一般认为碳原子的电子云密度是主要因素，所以我们可以通过计算苯环上的碳原子电荷来解析亲电反应规律。

在Hyperchem构造并以PM3分别计算氨基苯和苯甲醛，按display中的labels，选定charge项，在分子中显示各碳原子的电荷分布。

电荷分布显示氨基苯上邻位和对位的C原子带负电荷，分别为-0.191和-0.169，均大于间位C原子电荷（-0.05），所以对于氨基苯来说，亲电基团会首先进攻邻位和对位。而在苯甲醛的情况恰好相反，间位C原子电荷为最负，为-0.119。亲电基团会首先进攻间位。根据上述计算结果和讨论，应用原子电荷的规律变化很好地解释了亲电取代定位规则。

转贴于 　　4 拟定结构化学计算题目

自由选择题目范围，可以激发学生的学习和研究兴趣，教学中，我们设定以下方向（题目）：

① 药物分子的结构与活性关系

通过对分子的结构计算，讨论结构与活性关系，寻找分子活性中心和主要影响活性的因素。

② 化学反应原理与规律解释

以理论方法计算和解释常见化学反应的产物与规律，如丁二烯的加成反应。

③ 分子结构与性质

计算出分子的量化指数，寻找量化指数与分子性质的关系，如HOMO、LUMO与颜色的关系。

④ 光谱的移动

研究分子结构与光谱移动的关系，如分子中的键长的变化直接影响红外吸收峰的移动。

⑤ 分子的结构/构型/构象

以理论方法研究分子的结构、具体构型和构象。

⑥ 分子间的相互作用

分子间的作用一般为氢键和范德华作用，与化合键作用相比，属于弱作用，是生物大分子主要相互作用。

5 论文指导与创新思维模式的培育

创新思维的特征是求同与求异的统一、发散与收敛思维的统一、敏锐的直觉与理论思维的统一。课程论文布置下去以后，学生在对课题的思考会有许多新的问题和新的想法，我们要鼓励学生在对新的问题进行创新思维。安排课程讨论，将学生的想法在课堂上讨论，尊重学生的新想法，引导学生将课堂学习的结构化学理论知识应用于课程论文研究中。

具有独立思考判断能力是学生创新思维模式的主要表现。传统教师讲、学生听的缺乏互动的教学模式已表现出许多弊端，影响了学生独立思考和动手的素质及其能力的形成。学生自己选题，成为培养学生独立思考判断能力跨出的第一步，也是重要的一步。独立开展课程论文研究，进一步培养学生独立思考判断能力。因此，教学的重点应放在课程论文研究的过程上，而非结论。教会学生从抽象的数理推导中评选出适合个体所需的条件。同时，学生只有具备独立的思考判断能力和获取知识的能力，才能在终身教育过程中面对日新月异的世界，不断实现知识的更新［2］。

【参考文献】

1 谭君. HyperChem 在结构化学教学中的应用. 重庆教育学院学报，2004，17(6):20～22.

篇3

一直以来，复旦大学化学系有着重视化学实验教学改革的优良传统。20世纪70年代末，由复旦大学等14所学校合作编写的《物理化学实验》教材在国内广受好评，影响深远。20世纪90年代，复旦大学化学系对大学本科的化学课程体系进行了改革，逐步形成以创新能力培养为核心、以技术要素为主线的新实验教学体系及相应管理机制[1，2]。2000年前后，复旦化学系根据化学实验的特点，本着“统筹管理、优化资源、避免重复和遗漏”的原则，将涉及仪器操作类的基础实验课程“仪器分析实验”和“物理化学实验”融合为“仪器分析和物理化学实验”，那时实验教学中心在世行贷款和学校配套资金支持下，购置了一批在当时属于先进的仪器用于教学，使得化学实验条件得到大幅度改善，教学质量和水平因此得到保障和提高。

随着时代和学科的发展，我系的物理化学实验教学逐渐暴露出一些不足。一方面大部分实验仪器设备相对落后，如电化学分析工作站、气相色谱仪、原子发射光谱仪等设备都已使用了10～15年。这些仪器性能不够稳定，测量出的实验数据误差大，得不到理想的实验结果，这样直接削弱了学生学习新知识的积极性。另一方面是实验内容更新速度慢，滞后于科学研究发展的步伐。物理化学学科的发展也使得一些原本属于专门化或综合实验内容的高级技术和仪器成为基础物理化学实验的常规技术和设备，在当前科研中发挥重要作用的常规表征手段至今没有相应的教学实验开设，而且复旦大学物理化学教学团队早在1999年就开设了以结构分析和表征为主线，集原理、仪器使用和解谱为一体的“谱学导论”理论课，导致理论教学与实验教学有较大的脱节。同时本系科研实力的快速提高、学科建设、师资优化和研究生生源的增长需求对本科学生的科研素质提出了新要求，一些操作简单、内容单薄的验证性实验显然不能满足这些要求。在这样的形势下，物理化学实验教学内容如何设置，成为我们面临的又一重要课题。经过多次调研和讨论，我们对物理化学实验教学内容设置有了一些初步实践与设想，希望能与国内同行共同探讨。

二、物理化学实验教学内容的总体设计

本课程内容的设置将充分依托本系学科优势，在“衔接前沿、兼顾基础”的原则下，更新、升级、完善和补充大型仪器类实验。同时在完成经典传承的基础上，加大综合性、设计性、研究性实验的比例，以求拓宽学生专业面、增强适应性。更希望通过本课程教学内容的实施和开展，让学生了解和掌握一定的前沿技术、技能以及思考、解决问题的方法，促进学生探索能力、科研创新能力的发展，提高学生的综合能力。

在上述思想的指导下，我们经过对国内部分高校的物理化学实验教学内容进行调研和对比，并结合本系的实际情况，进行如下改革。

1.更新仪器设备，推动传统实验内容的更新优化

对目前开设的多个实验的老旧设备进行更新，取得了明显的效果。

比如，差热分析实验是一个经典的研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化的热分析实验。本系原有的实验设备，是20世纪70年代老师们自己动手搭建的，从冰水浴、自制热偶、加热炉到记录笔、温控仪的连接，都需要学生动手完成，由于各配件年代久远，数据的重现性、分辨率都不理想，而且经常出现某一部件“罢工”的尴尬局面，导致实验无法顺利进行。近年来，热分析技术的不断创新与完善，使得热分析的应用领域不断拓展，研究对象不断增加，在无机、有机、化工、冶金、医药、食品、塑料、橡胶、能源、建筑、生物及空间技术等领域被广泛应用[3]。开展热分析类的教学实验，不仅具有课堂理论意义，也具有非常强的应用背景，国内许多高校开设热分析教学实验，但具体实施的方案各不相同。经过考察，我们购置了性能较好的热重天平，此仪器采用较先进自动化技术和精密的机械制造工艺，将机械结构、机电控制和气氛控制集于一体，一定程度上改善了传统热分析仪器笨重外形。性能优良的温度控制软件和界面，全面的热动力参数分析功能，将热重分析TG、微商热重法DTG与差热分析DTA结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重、微商热重与差热数据。这样一来，实验简便快捷，而且数据可靠直观。为克服实验内容相对单薄的问题，我们重新设计实验方案，学生除了验证已知样品受热过程中的吸放热情况，还可以观测不同升温速率下吸放热情况的变化，进而研究样品受热过程中相应的动力学参数，例如根据不同升温速率下五水硫酸铜失水峰的峰顶温度与升温速率进行数学处理，便可以计算热分解的活化能。在问题与思考环节中，启发学生通过文献查阅，对热分析方法进行更全面的了解，有了这样的技术和知识储备，将来需要分析其他样品受热过程中物相变化、吸放热等问题时，很容易找到解决方案。

此外，对气液色谱法测定非电解质溶液热力学函数的实验也更换了最新型号的气相色谱仪。所有的温度、压力、流量以及其他参数的设定和显示均可以在电脑软件界面上进行，大大方便了学生的实验操作，而且对了解目前的主流色谱有了感官认识。最为关键的是，数据重复性得到了极大的提高，以前需要重复进样近10次才能得到3次相对误差较小的数据，现在只需进样3次就可满足要求，对操作难度的要求大大降低，数据也与文献值吻合较好，得到了同学们的认可。

涉及电化学测量的实验，目前全部采用电化学工作站进行。由于是软件界面控制，重现性较好，出现故障也很容易判断。这些改进与以前的电压、电流表显示相比，优势明显，而且对本科生继续从事电化学相关研究起到了较好的铺垫作用。

2.增开研究性实验，加强对学生技术技能的培养

调研发现，物理化学实验内容最欠缺的是科学研究领域中的前沿成果在教学中的体现，而学生能力培养上较欠缺的是现代表征仪器的操作技术。因此，与前沿研究相关的实验内容的设置，是我们此次实验教学内容更新的重点。

我们引入负载型催化剂的多相催化实验。随着催化技术的发展，由于多相催化剂具有易回收利用、产物易分离等特点，在石油化工等领域得到越来越广泛的应用。因此，让学生了解和掌握一定的多相催化技术和知识显得尤为重要，国内浙江大学和南京大学化学系的本科生物理化学实验中都涉及相关的实验内容。我们开设了负载贵金属催化剂液相催化苯甲醇氧化的实验，通过本实验，希望学生理解多相催化操作中的基本要求、评价活性优劣的基本方法、影响催化活性的外界因素、完成活性测试的定量分析手段等内容，再通过数据处理与分析，了解更多的与催化相关的动力学和热力学知识与技术。

3.引入物质结构性质表征方面的实验内容

现在科学研究中，物质结构及其性质的揭示，离不开大型仪器。自19世纪伦琴发现了X射线以来，X射线衍射被迅速地应用于物质结构表征，它可以用在研究体积很大的对象，譬如人体骨骼，还可以表征很小的物质结构，譬如蛋白质分子结构[4]。由于波长短，X射线有很强的穿透性，在分子及原子级的材料结构研究当中应用尤为广泛。现代X射线技术在研究未知结构和新材料中已经成为一个有力的工具，比如本系多个课题组制备的各种单晶新材料，其结构解析就离不开X射线单晶衍射仪。作为重要的物质结构表征手段，理论课堂上也做了深入的介绍，但由于硬件条件的限制，本系本科生一直没有机会动手操作X射线衍射仪。

多孔固体材料最早发现于19世纪90年代，因其独特的结构特性而在催化、吸附、分离和储能等领域受到广泛的关注，表面状态和孔结构直接影响其性能，所以多孔固体材料的比表面积和孔径分布是研究固体材料的必要数据。本系多个课题组在介孔、微孔材料的制备研究中，一直离不开比表面积测试仪对样品基本性质的测定，也正因如此，本系多套比表面积测试仪均难以匀出机时用于本科教学。

通过努力，现在我们购置了4台比表面积测试仪，并借用本系X射线粉末衍射仪科研机时，用于本科生的教学实验。先让学生通过不同方法制备铜锆复合氧化物材料，并对这些样品进行X射线粉末衍射和比表面积测定，最后通过数据处理，分析了解不同的制备因素对材料基本性质的影响，了解BET多分子层吸附理论的基本假设和BET法测量固体比表面的基本原理，掌握X射线粉末衍射方法的基本原理、技术和物理吸附仪的工作原理、使用方法，并借此掌握一定的材料常规表征实验技能技巧。

三、未来设想

近年来，随着世界环境问题的日益严重，光催化在环境污染物降解中已成为研究热点[5]。最近我们还将开设TiO2光催化废水降解实验，这个实验是有效治理环境污染技术的典型代表。纳米TiO2由于其化学性能稳定、抗菌性能好以及在有机物降解过程中无二次污染等优良性质，成为环境污染治理领域中的重要光催化剂，在光催化领域得到了广泛研究。TiO2的结构形貌对其光催化活性有很大的影响，通过本实验，希望学生了解环境污染与防治的相关知识，并能从结构形貌与光量子效率间的关系理解影响光催化活性的因素，同时理解光催化降解效率的衡量指标等知识和技能。

从培养学生技术技能的角度看，现代物质基本结构表征方面涉及的内容还远不够，将来还计划开设铜锆复合氧化物或者负载贵金属样品表面的CO吸附红外光谱测定、核磁共振测定液相反应速率常数等相关内容。希望通过系列动力学活性测试以及相应物质结构表征方面实验的开展，让学生对功能材料样品制备技术、物质基本性质表征以及样品性质与性能之间的本质关联有所了解。更希望学生通过这一系列的训练，对科学研究过程有所了解，为他们开展系列校内科技创新项目打下基础，有利于他们今后的继续深造或工作。

篇4

“培养物理学家的物理学家”――彭桓武

“两弹一星功勋奖章”的获得者有很多，钱学森、钱三强、郭永怀等名字为许多人所熟知，但也有很多人隐身在了集体的身后，彭桓武便是其中一位。

彭桓武师从名家，在清华大学读研究生期间，他师从中国理论物理奠基人之一周培源教授，并以优异的课业成绩获得周教授的赏识。之后他曾在英国爱丁堡大学理论物理系学习期间，师从世界量子力学奠基人之一、著名物理学家马克思・玻恩（Max Born），成为玻恩的第一个中国学生，并得到了玻恩教授的认可。玻恩教授曾在写给爱因斯坦的信中，多次提到他的得意门生彭桓武。

1941年，玻恩教授将彭桓武推荐到了诺贝尔物理学奖获得者薛定谔担任所长的爱尔兰都柏林高等研究院理论物理研究所从事博士后研究。20世纪40年代初，彭桓武在爱尔兰都柏林物理研究所从事研究期间，与量子化学的创始人之一W・海特勒和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿合作，发表了一系列有关介子场的研究成果，并最终形成了以三人姓氏头字母命名的HHP理论，首次对宇宙线的能量分布和空间分布进行了解释。借助HHP理论，彭桓武在国际物理学界获得了越来越多学者的认可，并在33岁时成为爱尔兰皇家科学院院士。

但彭桓武最终还是义无返顾地放弃了在欧洲光明的发展前景，回到中国从事科学研究工作，并在中国原子弹和氢弹研发的过程中发挥了极为重要的作用。但在两弹研制成功后，他便悄然隐身于“集体”的身后，直到1999年才获得“两弹一星功勋奖章”。

最具影响力的华人科学家――杨振宁

即使不太关注科学界动态的人，也不会对杨振宁这个名字感到太陌生。美国物理学家、诺贝尔奖得主，赛格瑞（E. Segre）曾评价杨振宁为20世纪继爱因斯坦和费米之后，第三位具有全面的知识和才能的“物理学全才”。

原籍中国安徽的杨振宁，在1944年从西南联合大学研究生毕业之后赴美留学，并在芝加哥大学获得博士学位。之后，杨振宁留在美国发展，曾在芝加哥大学、普林斯顿大学和纽约州立大学石溪分校等科研院所从事教学和研究工作。

1957年，杨振宁因与另一华裔科学家李政道合作提出的“弱相互作用中宇称不守恒理论”，而共同获得了诺贝尔物理学奖，两人成为最早获得诺贝尔奖的华人。杨振宁还率先与米尔斯（R.L.Mills）提出了“杨-米尔斯方程”，并与巴克斯特（R.Baxter）创立了“杨振宁-巴克斯特方程”。

1971年，出国已27年之久的杨振宁回国访问，之后在推动中美的科学文化交流方面做出了一定的贡献。

多才多艺的物理学大师――王竹溪

作为中国热力学统计物理研究的开拓者，王竹溪在促进中国物理学研究发展的过程中所发挥的作用是不容置疑的，他在表面吸附、超点阵统计理论和植物细胞的吸水等方面都做过许多工作，对推动我国物理学研究、传播和交流都做出了卓越的贡献。

王竹溪初进清华研究院，便跟随周培源教授研究湍流理论。周培源对王竹溪十分器重，借量子力学的奠基人英国理论物理学家狄拉克到中国访问之际，他通过狄拉克将王竹溪推荐给了剑桥大学的R.H.福勒教授。于是，1935年王竹溪便前往剑桥大学跟随福勒做统计物理研究，并于1938年以《吸附理论及超晶格理论的一个推广》为毕业论文获得博士学位，随后便回国担任清华大学教授一职。

从英国学成归国后，王竹溪先后在清华和北大执教40多年，而执教的课程也是从低年级物理到高年级物理，直至研究生的专门课程悉数囊括。他教过的学生更是达数千人之多，其中不乏多名杰出的物理学家、诺贝尔物理学奖获得者，同样是“清华四杰”之一的杨振宁就是其中之一。杨振宁曾坦言，“王先生把我引进了物理的这一领域。”

王竹溪在物理学研究和教学方面所作出的贡献是有目共睹的，但很少人知道这个大物理学家其实在文字上还很有造诣。他不仅发明了汉字的新部首检字法，而且凭借一己之力独自编纂了《新部首大字典》。

“应用数学之父”――林家翘

1937年毕业于清华大学物理系的林家翘，曾于1939年与郭永怀、钱伟长等人同期考取庚子赔款留英公费生，但因时局动荡，最终未能成行。直到1940年，林家翘才获得了赴加拿大多伦多大学深造的机会，并在获得硕士学位后，前往美国加州理工学院攻读博士。

林家翘是国际公认的力学和应用数学权威。他曾在20世纪40年代带动一代人在流体力学的流动稳定性和湍流理论方面进行研究和探索。他曾与被誉为“航空航天时代的科学奇才”的冯・卡门一起提出了各向同性湍流的湍谱理论，并发展了冯・卡门的相似性理论，形成了早期湍流统计理论的主要学派。从20世纪60年代起，林家翘进入了天体物理研究领域，创立了星系螺旋结构的密度波理论，成功地解释了盘状星系螺旋结构的主要特征，克服了困扰天文界数十年的“缠卷疑难”，并发展了星系旋臂长期维持的动力学理论。

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古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学.科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等，只是最近几百年的事.在牛顿的时代里，科学和哲学还没有完全分家.牛顿划时代的著作名为“自然哲学的数学原理”，就是一个明证.物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学.17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端.从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论;克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论;库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论.至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立.然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了.

在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础.本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科.什么是物理学?试用一句话来概括，可以说:物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科.尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即一与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求.物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的.当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理.前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源.可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科.物理学和化学从来就是并肩前进的.

如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理.物理学和生物学的关系怎么样?对于如何解释生命现象的问题，历史卜有吁两种极端相反的看法:一是“生机沦”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，水远不能在物理和化学的基础上得到解释;另一是“还原论认为一切生命现象都可归结(或者说，还原)为物理和化学过程.1824年沃勒成功地在实验室内用无机物合成了’尿素之后，生机论动摇了.但是、能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢?回答这个问题为时尚早.不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的.可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用.物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内.物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如D、、双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点.现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理.不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的.

2物理学与技术

社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别.科学解决理论问题，技术解决实际问题.科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去.科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划.历史上，物理学和技术的关系有两种模式.回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式.17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵;18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力.其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车;那时的热机效率只有5一8%.1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据.

到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%.19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律.这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术~物理~技术.电气化的进程提供了第二朽模式.从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究.此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来.有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明.当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展.这种模式是物理~技术~物理.本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉.但几乎所有重大的新技术领域(如电子学、原子能、激光和信息技术)的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的.没有1909年卢瑟福的。

粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生.当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命.整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的.大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路.70年代后期出现了大规模集成电路.殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验_L的准备:1925一1926年建立了量子力学;1926年建立了费米一狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射;1928年索末菲提出能带的猜想;1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在;同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表.总之，当前的第二次工业革命主要是按物理一，技术，物理的模式进行的.

3物理学的方法和科学态度

现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学.物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为:1)提出命题命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的.2)推测答案答案可以有不同的层次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推测对现象作定性的解释;根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释;当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等.3)理论预言作为一个科一学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言.这是真、伪科学的分野.为什么说.‘证伪”而不说“证实”?因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的.为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵.你怎么驳倒他?对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误.我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断.4)实验检验物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则.

理论不是唯一的，一布、理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论.5)修改理论当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就面临着修改或被.不过，那些经过大量事实检验的理论是不大会被的，只是部分地被修改，或确定其成立范围.以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化的进程.但是物理学中的许多重大突破和发现，并不都是按照这个模式进行的，预感、直觉和顿悟往往起很大作用.此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现.顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人，平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇.所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸.科学实验的结果，远非尽如人愿.不管你喜欢不喜欢，实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的.在科学研究中，一相情愿的如意算盘是行不通的，弄虚作假迟一早会暴露.

失误任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是勇于承认.1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文，遭到爱因斯坦的批评.次年，爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后，公开声明自己被说服了.据伽莫夫回忆，爱因斯坦说，这是他一生中最大的疏忽.伟大科学家这种坦荡的襟怀，是所有人的楷模.基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要.根据公开发表的文献，人人可以自己判断，独立思考.所以，在科学的王国里，直理面前人人平等.这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从.“实践是检验真理的唯一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决.实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认.自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的.实验的结果验证了理论，固然可喜;与理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋，世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的.40多年的历史表明，除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由.高能物理学界把这看作正常现象.1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后，曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果.人们反而说:现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事.这便是物理学界极富进取精神的得失观.因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的.他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”.理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图象来;实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理.因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科，而要放眼于更广阔的天地.人们公认，当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的.

4怎样教导学生学好物理学?

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关键词：物理教学；数学手段；物理教学理念

一、前言

物理是一门研究自然界变化规律的科学。物理逻辑性强，物理教学中离不开数学，需要通过数学公式来表达物理思想，通过数学演算揭示事物发展规律，同时也为数学的发展提供新的命题。成功的物理的教学理念往往体现出物理和数学这种相辅相成的关系。

二、物理教学理念处处体现数学的重要性

物理教学应该具备相应的理念，这些教学理念也可以在物理、数学的密切关系中得到体现。在设计物理教学时应该具备的教学理念有：

1.注意分享物理发展史，介绍物理发展史上著名的物理问题的提出和解决过程，回顾大师足迹，激发学生兴趣，这就必然离不开阐述物理和数学的关系。物理发展史上有很多物理学家，他们同时也是数学家。比如牛顿，牛顿19岁时进入剑桥大学，他的第一任教授伊萨克•巴罗是个博学多才的学者，将自己的数学知识，包括计算曲线图形面积的方法，全部传授给牛顿，牛顿在数学的学习中走向了近代自然科学的研究领域，又在自然科学的研究中提出二项式定理、微积分、解析几何与综合几何、数值分析、概率论和初等数论，牛顿在他的论著《自然哲学中的数学原理》中明确提到了物理———数学方法，认为物理学范围中的概念和定律都应该“尽量用数学表达”。因此，介绍牛顿的贡献必然离不开介绍牛顿为物理、数学两个领域建立的桥梁，牛顿的贡献是阐述物理和数学之间不可分离的关系的最生动的实例。

2.提醒学生重视物理学科的研究方法，在传授知识点的时候介绍相应的方法论。物理问题的表述、解答、定律都离不开数学，物理学研究方法与数学发展紧密相关，不同分支的物理学科有其最重要的数学理论，要掌握不同分支的物理知识必须熟悉其相应的数学方法，否则就是离本之木。比如分析力学的创立者拉格朗日，在其名著《分析力学》中，在总结历史上各种力学基本原理的基础上，拉格朗日发展了达朗贝尔、欧拉等人的研究成果，引入了势和等势面的概念，建立了拉格朗日方程，把力学体系的运动方程从以力为基本概念的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的分析力学形式，使得分析力学成为理论力学最重要的方法论。高斯通过对足够多的测量数据的处理，得到一个新的、概率性质的测量结果，在这些测量数据的基础之上，高斯专注于曲面与曲线的计算，成功得到正态分布曲线，其函数被命名为标准正态分布（或高斯分布），这种分布被广泛应用于分析和处理物理学中各种概率事件中。傅里叶认为数学是解决工程问题最卓越的工具，在他的著作《热的解析理论》中，傅里叶就系统运用了三角级数和三角积分（即傅里叶级数和傅里叶积分），此后以傅立叶著作为基础发展起来的傅立叶分析对近代物理和工程技术的发展都功不可没，因此，学好物理某一分支，就必须重点掌握并能够灵活运用这一分支需要的数学知识。

3.注重将物理知识与生活、社会联系起来，启发学生创造性思维，提高学生素质。国际纯粹物理与应用物理联合会在《新千年的物理教育》一文中认为：如果物理教育是为更多学生的全面发展服务的，那就应当重视物理学家的工作成果在社会上、技术上的应用，应当重视蕴涵于我们文化之中的物理学方法，应当重视物理学家这个专业群体的特点，如支持、贡献社会的方式等。如今，物理已经渗透到社会生活、技术的各个领域，比如，物理和化学之间，量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化、功能材料等学科的兴起都是物理学的理论向化学领域的渗透；物理和生物学之间，量子生物学、分子生物学等也都是物理理论在生物学领域的进一步延伸和提高；再比如物理与经济学，股市模型、报酬经济学等都建立在物理模型和经济学基础相结合的基础上。然而，我们也必须注意到，物理向某个科学领域渗透的媒介必然是数学，物理学家对这一学科的贡献也报过了其用到的数学方法，因此，强调物理学的应用就必须强调数学的重要性。比如免疫的统计模型建立的基石是数学统计、回归分析论，通过各种先进数学算法得出规律性结论，多元判别分析预测结果与原判定结果差异等。股市模型可以建立在模糊数学方法基础上，应用模糊模式识别、评价股市技术面和基本面，指导股民进行理性投资。因此，物理向各学科领域渗透的过程，也是相应的数学知识与各领域特征知识进行结合的过程，只有深刻意识到这一点，物理思想才能在各学科领域中发光溢彩。

4.引导学生建立严谨、务实的求知态度，帮助学生认识到物理的哲学思想，实现自然科学和人文教育的大统一。物理是研究运动的科学，物理上的运动可以理解为变化，变化是自然界的客观存在，与人类的主观认知有不同的一面，这就要求我们在物理教育过程中，不能让人类的认知水平左右到对物理知识的接受，不能偏离物理客观的一面。而数学作为一门逻辑性很强的科学，最适合于作为物理教育的语言载体和分析工具，由数学推导、建立起来物理结论无疑最具有说服力，物理教学要以数学为主要载体，在数学的基础上向学生熏陶物理思想，在经得起推敲的层面上，保证物理知识的延续和发扬，同时培养思维细致、逻辑缜密的公民。爱因斯坦在他的狭义相对论中得出了“一切物体的速度不可以超过光速”的结论，而根据当时人们对引力的认识，似乎引力的传播速度却是无穷大，为了解决这一问题，最终爱因斯坦以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，在专门学习了黎曼几何、张量分析等数学知识后，利用数学手段进行推理、论证，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空的观点。爱因斯坦用数学方法得到的广义相对论中的推测，也最终由水星近日点进动中一直无法解释的43秒、引力红移、引力场使光线偏转等系列观测结论完美地证实。如今广义相对论已经被广泛承认，广义相对论的发展里程也正是一条典型的物理学发展进程：在自然界中发现变化—借助数学方法摸索规律—通过实验证实推断，这种思维方式应该在物理教学中得到落实。

三、在强调数学手段的重要性中贯彻物理教学理念

学习物理的目的分为：①研究物理而学物理；②为应用而学物理；③为提高文化素养而学物理。这就构成了物理教学目的的多样性或者说物理学习的多功能性。但从物理学的发展我们知道，18世纪，物理学归属于自然哲学，因为数学和实验的发展，使得物理学从自然哲学中分离出来，物理学研究不再以思辨哲学的方法为主，从定性表达发展到定量表达，塑造了现代物理学的新特征物，因此，物理研究终究需要通过数学手段来完成。物理和数学都是逻辑性强的学科，因此物理教学设计要关注学生渴求学习成功的心理，拓展教学方法和思路，使学生通过数学来理解物理，获得物理学习的乐趣，要尽可能多地在双向交流中进行数学推导，在数学的基础上采用提问模式、讨论模式、合作学习模式、答辩模式等。

参考文献：

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[关键词] 物理化学；教材；特色；简介

[中图分类号] O6 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）06-0054-03

0 引言

Atkins' Physical Chemistry（第九版）[1]是国外优秀的物理化学教材之一，其作者Peter Atkins教授是林肯大学、牛津大学的研究员，创作了60多本畅销全球的书籍。作者在原来版本[2]的基础上对其内容进行了彻底的更新，使其应用灵活、学生更易接受，且知识范围广、更具权威性。本书对于物理课程所呈现出来的最大灵活性是它提供了传统的全一册版本和全新的上下两册版本，在两册版本中，上下册均由十个章节组成，上册的主要内容为热力学和动力学，对应于全一册中第1～6章和第20～23章的内容。下册的主要内容为量子化学、光谱学和统计热力学，对应于全一册中第7～16章的内容。关于全一册中第17章分子相互作用和第18、19章材料科学的内容，上下册版本中没有包含，这一部分的内容可以很方便地在该书的网络资源中找到，可见，上下册版本对全一册版本的内容进行了重组，这样使用者可根据不同需要来进行选择，这相对于国内同类教材[3，4]来说，充分突显了其灵活性。近年来，随着“双语”教学活动的开展，部分高等学校在物理化学课程的“双语”教学中都使用了该教材，深受读者欢迎，得到了广泛的好评。

1 Atkins' Physical Chemistry一书的特色

笔者手中的Physical Chemistry（第九版）为全一册设计的版本，该书相对于传统版本来说，在体系结构的设置上更为灵活，内容安排上有着全新的设计风格，网络资源途径变得更加宽泛。该书不但重视基本的化学概念与原理的呈现，而且更加重视与科学研究前沿的衔接，将当前物理化学的热点问题纳入其中，培养学生实际解决问题的能力，使其能够学以致用。本文将从以下几方面来介绍该书独有的特色。

1.1 体系结构

对于前置结构的设置，该书除了设有国内教材通常所设的前言和目录外，还设有栏目介绍、网络资源使用指导以及作者简介等项目，使读者对该书有了多方面的了解。

在主体结构方面，该书以章节内容为主体，其中章节内容部分共876页，分为23章，由“平衡”、“结构”和“变化”三大部分组成，这对概括全书基本内容起到了提纲挈领的作用[5]，这相比于国内同类教材的章法，令人耳目一新。但是材料化学部分的内容不能自成体系，已经被移到了章节之间，且章节本身也进行了重组，这样的结构调整使主体内容更加紧密地结合到了一起。“平衡”部分由气体的性质、热力学第一定律、热力学第二定律、纯物质的物理转化、简单的混合物、化学平衡6个章节组成。在这一部分中，作者在原来版本重点强调热力学理论的基础上，作出了一些谨慎的转变，也同时注重了热力学理论在材料科学中的应用，这是一个越来越受到化学家们关注的领域。在“结构”部分中，个别章节题目的范围被修改，主要由量子理论、原子结构和光谱、分子结构、分子对称性、分子光谱学、统计热力学等13个章节组成。这一部分对纳米科学、光谱学以及计算化学给予了更多的关注，扩充了这部分知识的信息量，对于该部分知识点的呈现相比于其他同类教材略显丰富与新颖。“变化”部分由运动中的分子、化学反应速率、反应动力学、催化四个章节组成。这部分舍弃了原来关于复杂反应的动能和表面过程的章节，将保留下来的聚合、光化学、酶、表面催化反应这几部分内容纳入了读者所熟悉的第21章（化学反应速率）、第22章（反应动力学）以及新的章节第23章（催化），使其在教学中更容易被学生接受。国外教材再版后所呈现出来的大胆、谨慎的改变与更新是值得借鉴的。

在后置结构的设计上，国内教材普遍会设置附录、答案和索引等，该书在这方面的安排上与其大体相似，值得一提的是，该书的附录中设有Road Maps这一功能栏目，这一部分将所涉及的表达式通过简明的线条和必要的文字叙述紧密的联系在一起，呈现的十分清晰，使琐碎的知识条理化，学生更易掌握。

可见，该书结构合理，各章既衔接紧密又可独立成文，利于学生在学习过程中进行知识框架的构建，利于激发学生学习的兴趣，同时也为教师灵活选材提供了方便。

1.2 内容安排

在物理化学的学习中，大量的知识点、高难度的数学计算以及习题的解答通常使学生感到很困扰，为了使学生在学习过程中能够变得轻松与高效，作者对该书内容的呈现方式进行了独特的设计，这也是该书非常鲜明的特色。

在知识内容的组织上，该书设置了贯穿于每个章节的六个功能性栏目和个别章节才有的Mathematical Background和Impact Sections专题。在这六个栏目中，Key Points出现在知识点介绍之前，对本章的主要知识点进行简要的概括，提醒学生重点关注的内容。Equation and Concept Tags是对于学生应重点记忆的方程式和概念进行标记并做一个注解，例如，在第一章第一节中所涉及的重要表达式 ，其右侧有蓝色方框进行标记，里面附有文字说明：气体状态方程的一般表达式。这一栏目首先在图文的设计上就引起了学生的关注，同时在内容的记忆上也受到了学生的重视。Notes on Good Practice是针对于解题中语言的使用和步骤的书写，它强调了与国际惯例要相符以避免一些常识性的错误。例如，在第7章光子数量的计算这一例题中，这一栏目给出了合理的解题思路与步骤，使学生逐渐培养良好的解题习惯。Checklist of Key Equations位于每章的章节内容之后，是将每一章所介绍的重要方程式以表格的形式总结出来，并在每个方程式的后边标注其所适用的条件，学生看起来一目了然也方便记忆。关于物理与化学介绍性的知识，会在Brief comments（简要评论）和Further information（补充信息）这两个栏目中体现。丰富的功能性栏目的设计充分体现了该教材鲜明的工具性和教学性。

对于物理化学的学习，数学知识的应用是十分广泛与重要的，通常情况下，人们都需要对一个数学概念和表达式进行充分的理解，它是理解其他方程式的一个前提条件，针对这样的情况，该书设有Mathematical Background这一专题，位于章节之间，具有针对性地回顾、评论和扩充关于数学技术的知识，并在充分考虑了学生现有的学术水平的前提下进行较为详细的讲解，不会给学生带来负担。这一专题会在首次需要给予说明的地方出现，方便学生阅读，而国内同类教材对于数学知识的渗透主要集中在附录中体现，会对一些表达式给出简要的推导过程，相比之下，该书这一专题的位置安排较为合理且信息容量大而难度适中，使学生能在理解了数学知识的基础上更好的理解物理化学的相关内容。部分知识还配有Impact Sections专题，提供了大量的与生物、材料、环境、工程和天体等研究领域相关的应用实例，以便学生更深入地理解物理化学的内涵和外延，从而开阔了学生的视野，这也体现出该书对知识内容的应用性的重视，这一点可为我国教材的内容设置提供参考。

1.3 习题设置

该书对于习题的设置可谓匠心独运，其数量和类型都是国内外同类教材所不能及的。习题由两部分组成，一部分是章内练习题，位于每章中所出现的例题之后，主要用来检测学生对于例题中所用到的知识点的掌握情况，每道例题后一般附有一道自测题，其答案位于问题之后，便于学生参考，而国内同类教材则一般只在章节内设置例题。另一部分为章末练习题，位于每章章末，其数量在100道左右，由易到难分为三部分，且多种多样，可以满足不同学生的需要。Discussion Question部分是由一些开放性的问答题与讨论题组成，旨在鼓励学生对学习材料进行更深入地思考，以更加宽泛的视角去看问题。Exercises部分的习题是一些简单的数值测验题，每个知识点考察都配有由简单到复杂的两道习题，这样的设计对于知识点的巩固起到了良好的作用。Problems部分的习题更具有探索性，这部分是数量最多、难度最大的部分，由三种类型的习题构成，一种是稍有难度的数值计算，另一种是考查在带入数值之前一些表达式的推导过程，第三种重点关注于理论的实际应用，其循序渐进的设计有效地提高了学生的学习能力和探索创新能力。可见该书的习题类型是十分丰富的，题量较大并由简单到复杂依次呈现，编题意图明确、涉及面广且很贴近生活，使学生更好地巩固了所学内容。相比之下，我国同类教材习题类型略显单一，只设有复习题和习题，且数量一般在50道左右，我国可借鉴该书的习题设计风格，充实习题类型，扩充习题容量，加强学生对知识的巩固，以提高教材的适用性。

1.4 图表应用

该书装帧讲究、排版精美，其内容采用彩色印刷，不同内容采用不同色调，图文并茂，十分具有艺术性。所用图表类型十分丰富，设有模型图、示意图、结构图、组成图、表格等等，这些立体图、平面图和简明表格的结合与应用大大地提高了教材中的信息量，给人以良好的视觉效果，激发了学生的好奇心与求知欲[6]，对比我国教材中图表的呈现，该书中图表的数量远远大于国内同类教材，经统计，章节内容部分的图表数量多达912个，平均每页出现1.04个图表，几乎每一页都有，可见该书对知识表达形象化和真实性的重视。而国内在设计风格上采用一贯的简明作风，多为黑白印刷版面，更侧重文字表达和简明图表，重视知识的逻辑性。这一方面需向国外学习，兼顾逻辑性与形象化，使内容的呈现形式较为多样，且更具有立体感、色彩感，生动形象，给人更加愉悦的感觉。

1.5 网络资源

整套教材不但有对应的电子版，还有伴随该书所设置的资源丰富的网络资源中心（oxfordtextbooks.co.uk/orc/pchem9e/），多种多样的图表和大量的数据可为教师制作教学课件提供材料，使教师能够呈现出一堂内容充实且生动的课。针对学生所设计的资源有生动形象的变化图表，这种动态直观的变化更加便于学生的理解，另外还有每个章节的网络链接导航为学生选择性阅读提供方便。除此之外，还有电子版的教材辅用书——Explorations in Physical Chemistry。电子媒介的应用赋予了该书更丰富的知识内容和新颖的学习手段，形成了一套新型的立体教材。

2 结束语

好的教材不是“编”出来的，而是“创作”出来的[7]。通过以上介绍不难看出，Atkins' Physical Chemistry一书特色鲜明，是作者精心创作出来的，而不是将内容简单的组合在一起。首先给人最直观的感觉便是精美、视觉愉悦；其次该书的结构灵活而不失合理性，内容丰富且在信息的组织上严密而又有新意；最后，多媒体技术的使用使整本教材更加活化、立体化。整体说来，整本教材本着为学生服务的编排理念，充分调动学生的积极性，激发学生的学习热情，培养其实际应用能力，同时也为教师的教学提供了良好的素材，是一本值得使用的优秀教材。希望通过本文对该书的介绍，为我国大学物理化学教材的编写带来一些启示，为我国高校物理化学教学提供更广阔的发展空间。

参考文献

[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] 傅献彩，沈文霞，等.物理化学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4] 刘俊吉，周亚军等.物理化学（第五版）[M] .北京：高等教育出版社，2009.

[5]苏文煅.几部欧美物理化学教材比较[J].大学化学，1994，9（1）：58-61.

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关键词:改革;创新;继承;化学教育对象;化学教育目的;化学教育价值;科学探究

文章编号:1005-6629(2009)08-0025-05 中图分类号:G633.8文献标识码:B

引 言

今年三月在杭州召开全国化学特级教师论坛暨化学教育专业委员会第十三次学术年会, 主题是课程改革与化学教学改革,减轻过重学业负担,提高教学质量、推进素质教育。我认为课程改革与化学教学改革是一个核心的环节 ,想借此论坛跟大家交流的是化学教育改革的创新和继承问题。

改革不是目的,改革是为了发展,为了提高,为了前进。化学教育的改革,是为了化学教育的发展,为了促进学生的发展,促进社会的发展。但是,改革要有创新才能促进发展,改革要有继承才有基础,才能成功,才能持续发展。

回顾几十年来化学教育改革的历程,尤其是近三十年来,主要是围绕着几个问题展开的:化学教育的对象,化学教育的价值,化学教育的内容,化学教育的途径和方式,化学教育的评价等。本文就想围绕其中几个问题来探讨改革中创新和继承的情况,以便更好的促进化学教育改革,实施素质教育,提高化学教育质量,减轻学生过重的课业负担,促进学生的发展。

1世界教育改革的趋势

在回顾和反思我们改革的创新与继承之前,我们最好先来审视一下世界教育改革的趋势,作为借鉴,以利于我们反思的广度、高度和深度。

1.1美国《2061计划》

该计划是由美国促进科学协会联合美国科学院和联邦教育部等12个机构,聘请800多位科学家参与,从1985年启动制定的。它代表美国基础教育课程改革和教学改革的趋势,培养当今美国儿童能够适应未来2061年科技急剧变化的生活。

该计划指出科学、数学和技术位居未来变革的核心,提出了这些学科的基本内容、基本概念和基本技能,这些学科之间的联系,以及掌握这些内容、概念和联系的基本态度、方法和手段。

该计划指出课程和教学改革的趋势:课程结构的合理性(核心课程与一般课程),课程的弹性(选择性,因材施教),教学开放性,教学手段现代化。

该计划强调整体性,长效性,基础性(强调基础学科,各学科内部以基础知识的传授和基本技能培养为主),学生为中心(注意因材施教,培养创造性,鼓励思考问题不是追现成答案;教师采用多种教学方法,帮助学生发展思维和想象力并解决实际问题),发挥教师主导作用(只有教师才能有效地传授知识和启迪智慧,更新课程,改善教学),协作性。

1.2英国《提高教育和技能的白皮书》

2005年的白皮书中提出: 11～14岁学生要提高基础知识和技能水平; 14～19岁学生要提高阅读能力和科学能力。

1.3日本《开创日本义务教育的新时代》

2005年的《开创日本义务教育的新时代》提出:要打下扎实的学力,包括基础知识和技能,独立思考能力和创造能力;在基础教育除了培养学生的生存能力,还要培养获取知识和应用知识的能力,增强求知欲,尊重日本民族文化。

1.4二十一世纪学生的核心能力

分析一下世界各国教育改革的趋势,我们可以看到各国无不看到基础知识和基本技能的重要,无不重视能力的培养,尤其是核心能力的培养。这些核心能力包括批判能力, 独立思考、独立判断和创造能力,分析问题和解决问题的能力,合作能力,终身学习能力,认识自我能力。

2化学教育的对象

化学教育的本体要解决两大问题: 一是化学教育的对象,二是化学教育的认识论和方法论。

化学教育的对象有精英教育和大众教育。我国化学教育的传统是重视少数学生学好化学。通过多次的改革,尤其是近期的改革,逐步地认识并选择了大众教育,从传统的精英教育到大众教育:人人学好化学,人人学习不同的化学。课程标准提出了学好化学的基本要求。课程设置为必修模块和选修模块,上海的课程设置为基础型课程、拓展型课程和研究型课程。希望通过这样的课程设置使每一个学生既有有共同的化学基础,有些学生还具有化学的特长或其他方面的特长,使得我国高中毕业生是一个既有共同基础又有不同个性特长的群体。

但是,许多学校在课程实施中只重视基础型课程,忽视拓展型课程和研究型课程,高考也只考基础型课程。这些表现实质上是只继承重视共同基础的传统,而忽视培养不同基础的创新,降低了化学教育的质量。这种实施的结果势必影响了学生的认知结构,降低化学教育的水平,也影响了学生创新精神和化学特长的培养,这是必须引起我们的高度重视和研究。

3化学教育中科学本质的教育

化学教育的重要价值之一就是要对学生进行科学本质的教育。

在国家《普通高中化学课程标准》将“理解科学本质”作为化学教育的目标之一,这是化学教育改革中很重要的创新。但是,在教学贯彻中仅仅简单地落实在分解式的三维目标中,这是很不够的。我们还应该从整体上把握和以渗透的方式体现在我们的教材、教学和评价中。

人类对“科学本质”的认识是不断发展的。人类对科学本质的认识经历了逻辑实证主义科学本质观、历史主义科学本质观和建构主义科学本质观等三个阶段,由科学的“真理观”向科学的“建构观”的转变,或是由科学的“客观性”向科学的“二重性(客观性和建构性)”的转变。人们一般将“真理观”称为传统科学本质观,将“建构观”称为当代科学本质观。

3.1逻辑实证主义科学本质观

逻辑实证主义认为科学知识是客观真理,科学知识的产生范式是以纯粹客观的观察为基础,经由培根的归纳法得到科学知识或理论。

3.2历史主义科学本质观

科学发展不是靠知识的积累而是靠范式的转换完成的,一旦形成了新范式,就可以说建立起了新的常规科学。

库恩认为,“一种范式通过革命向另一种范式的过度,便是成熟科学通常的发展模式。”在前科学的基础上,一旦形成了新的范式,便建立起了常规科学 ;当常规科学的范式发生了危机,必须通过范式的革命,即建立新的范式,这时才可以说建立起了新的常规科学,科学取得了新的发展。

3.3建构主义科学本质观

建构主义科学本质观认为,科学知识的获得是科学家根据现有的理论(原有知识)来建构科学知识,建构主义强调科学知识是暂时性的、主观的、建构性的,它会不断地被修正和。

科学认识活动是以事实为基础的,但事实本身并不是科学。科学认识活动包括观察和推论;科学认识的结果,并不是纯粹客观的,包含有人的想象性和创造性;科学知识体系是一个开放的系统;科学、技术和社会是相互影响的。

科学定律和科学理论是科学认识的两种形式,它们各自的产生范式是不同的:科学定律的产生范式是归纳式,科学理论的产生范式是建构式。

3.4运用科学本质观指导化学的教学

(1)从本质上全面落实三维目标

在“课程目标”中首次提出知识技能、过程和方法以及情感态度价值观等三维度目标。

教师的科学本质观会影响到对于化学教学目标的理解和落实。科学本质观不能只简单的体现在三维目标上,还应体现在以下其他方面。

(2)指导正确对待知识

(3)指导正确应用科学的教学话语

A.传统用语:“真理性”、“确定性”、“必然性”、“证明”、“发现”等;

B.当代用语:“观察”、“猜测”、“推论”、“可能是”“提出”“支持”等。

(4)引导学生逐步形成当代科学本质观

(5)引导学生正确理解化学内容

(6)培养学生化学的思维方式

(7)指导正确评价化学的学习

4化学教育的内容

解放后,尤其是改革开放30年来,化学教育围绕化学内容对教材经历了多次的改革。这里仅举几套有历史沿革的教材为例进行历史的比较,来考察创新与继承的情况。

4.11957年人教版

化学基本概念和基本定律――无机物的分类――溶液――卤素――氧和硫――氮和磷――门捷列夫周期律和元素周期表――

原子结构――电离学说――碳和硅――

4.21983年人教乙种版

卤素――摩尔――反应热――硫和硫酸――碱金属――物质结构和元素周期律――氮族――化学反应速度和化学平衡的――电解质溶液――硅和胶体――镁――铁――(有机化合物)

4.31983年人教甲种版

摩尔――卤素――硫和硫酸――碱金属――原子结构和元素周期律――化学键和分子结构――氮族――化学反应速度和化学平衡――硅和胶体――电解质溶液――镁和铝――过渡元素――(有机化合物)

4.42000年人教版

化学反应及其能量变化(氧化还原反应,离子反应,化学反应中能量变化)――碱金属――物质的量――卤素――物质结构和周期律――硫和硫的化合物、环境保护――硅和硅酸盐工业――氮族元素――化学平衡(化学反应速率,化学平衡,合成氨条件)――电离平衡(电离平衡,水的电离,PH,盐

4.51992年上海科技版

基本概念和基本原理(摩尔――反应热――氧化-还原反应――原子结构――元素周期律――化学键――化学反应速度――化学平衡――电离和电离平衡)。

元素及其化合物知识。

有机化合物知识。

4.62007年上海科技版

物质的微观世界(原子结构――化学键);

物质的变化及其规律(能的转化――化学反应速速率与化学平衡――元素周期律――电解质溶液――氧化还原反应);

一些元素的单质及其化合物(氮――硫――氨――铁――铝)。

4.71979年上教版(理科班)

……第13章铁,第14章过渡元素(过渡元素基本概念,络合物,钛,铬,锰, 铜,镧系元素和锕系元素)……

17种镧系元素(原子序数58至81之间的稀土元素)广泛应用于手机、激光器和航空业等方面,而这些元素都由中国生产。中国具备生产足够的镧系元素、铽元素、钕元素和镝元素的资源和精炼能力,以满足每年10%的全球需求增长率。

4.8几点启示

(1)化学教育内容的改革始终围绕化学理论与化学事实的关系上进行改革,反复的进行创新与继承,包括前后关系上,分量关系上和要求上;

(2)化学教育内容的更新少之又少,创新和继承很不够。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年人教版甲种本教材出现过。但是,我国在以后的新教材中却再也没有出现过。而我国是隐藏稀土元素的大国,也是生产稀土金属的强国。

(3)忽视科学本质和科学思维方式的培养;

(4)构建符合国情的、创新的化学教育内容系统还需要下大功夫。

英国《泰晤士报》2009年3月9日文章,原题:“中国掌握技术未来的钥匙”。

中国从一项长达15年的调查中胜出,成为稀土金属供应的“最大垄断国”。业内专家说,这一主导地位将使中国控制消费类电子和绿色技术的未来。全球95%以上的稀土资源都由中国生产供应。

随着世界各国在能源利用率方面加大努力,中国的主导地位将变得更具有战略决定性,因为很多重要的环保技术,例如风力涡轮机、低能耗灯泡和混合动力车等都非常依赖稀土金属。 世界不得不清醒地认识到,没有这些金属的元素,也就谈不上什么技术。

在我国从稀土大国发展到稀土强国中有一个作出突出贡献的化学家徐光宪。

徐光宪(1920- )著名物理化学家,无机化学家,教育家,中国科学院院士、北京大学教授、北京大学稀土化学研究中心主任。几十年来,他为我们国家和人民培养了一大批教学和科研人材,并在物质结构、量子化学、配位化学、萃取化学、稀土科学等领域做出了突出的贡献,党和人民对他的贡献给予了充分的肯定。1962年提出了被国内普遍采纳的萃取体系分类法。1976年他提出串级萃取理论,并在全国推广,把我国稀土萃取分离工艺提高到国际先进水平。 他因为在稀土萃取领域的惊人成就被称为“稀土界的袁隆平”。 徐光宪获得2008年度国家最高科学技术奖。

这些不仅是我们进行化学知识教育的重要内容,更是我们进行国情教育 、爱国主义教育和创新教育的重要内容。

5科学探究

科学探究教育的引进是化学教育改革的一项创新。它既是一项重要的化学教育内容,又是一项重要的化学教育的途径和方式。但是,我们在实施这项的创新中,如何深刻的理解和应用它,如何适度的处理它与其他科学方法的关系,如何继承传统的科学教育方法等,我们是忽视的,研究是不够的。这个问题是值得我们高度重视深入研究的。

5.1科学探究是一种科学的思维方式

探究,指探索追究 ,即多方寻找答案、千方百计解决问题。它是一种思维方式。探究倾向是人类的天性,人皆有之。我们的教育必须去开发和应用人的这种天性。

探究可分为两种:狭义探究、广义探究。狭义的探究是指科学探究或科学研究;

广义探究泛指一切独立解决问题的活动,包括一般的解决问题的活动,也包括狭义探究。

思维是智力和能力的核心,也是教育的核心。伟大的思想家罗素曾经指出,教育就是要在教师的指导下培养学生会自主思考。伟大的物理学家爱因斯坦也曾经说过,“什么是教育?就是把学校所学的东西都忘掉了。”科学探究在本质上是科学家解决自然或科学问题的一种思维方式,它追求知识的确凿性、实验的可重复性、证据的可靠性,不轻信盲从、不迷信权威。因此,科学思维具有创造性、敏捷性、独立性、广阔性和深刻性等特点。

科学思维是科学探究的核心和灵魂。在我们对学生进行科学探究教育的时候,千万不要忘记科学思维这个核心和灵魂。

5.2科学探究是一种知识建构的过程

知识建构的过程是研究者原有的直接经验、原有的认知结构、新的现象和事实通过同化、顺应、激活或平衡等建构起新的知识和认知结构的过程。科学探究是一种知识建构的过程。

科学是逻辑、想象和创造的融合。 学习科学也是学习认知方法和开发多元智能的过程。在学习重要知识的过程中,我们老师不要忘记引导学生进行知识的建构,也不要忘记引导学生去体验科学的本质。

5.3科学探究也是一种综合活动的过程

科学探究是一种知识、能力、情感态度价值观的综合活动。

科学探究的基本要素:好奇心和观察 ; 提出问题或课题;提出假设、假说或猜想;制订调查研究方案;收集数据检验假设或假说;得出结论;写出研究报告和交流。

科学探究并不总是采用假设或假说,也可以猜想; 科学探究不存在统一的过程和模式;科学探究可以包括全部或部分基本要素。

5.4科学探究需要探究的方法或技能

科学探究没有唯一正确的方法。基础教育中学生进行科学探究需要一些科学方法,包括基本方法和综合方法。

观察(看、听、摸、闻、尝);分类(根据对象的共同点和差异点);交流; 测量;预测( 对可能要发生的事预先猜测); 推断( 对某事发生的原因做 最 好的猜测)。以上6 种为基本方法。

识别与控制变量(为了识别引发事情发生的因素,必须控制待测变量以外的变量保恒定);猜测或形成并验证假设(对两个变量间关系的预见性猜测,假设经验证成功可以上升为假说,假说己经构成系统的理论陈述,经严密论证成功后可以上升为理论);数据解释;设计操作(有些东西是无法直接测量,必须设计操作进行间接测量);实验;建立模型(对不易见到的事物或现象的具体体现)。以上是6种综合方法。

5.5科学探究重视过程,也重视结果

过程与结果相辅相成,结果包括肯定与否定;任何科学探究活动都离不开先前探究结果;过程搞得好才能取得好结果,为了取得好结果才会重视并努力地去搞好过程;过程可以培养人和锻炼人,结果可以鼓舞人和激励人。

5.6化学的学习和教学需要多元的方式

我们要不断地去完善化学学习方式和化学教学方式,既要创新,也要继承,包容各种有效的教学方式,可以根据不同的内容和不同的学生,采用不同的教学方式。

从学习论的发展来看,从行为主义,到认知主义,再到现在的社会建构主义;从教学认识论的发展来看,从知识传递论,到能力培养论,再到现在的建构论。

这些理论都有它的存在条件、存在的合理性和应用效果,也有它们的局限性。我们在实践中不能简单的肯定或否定,要具体情况具体分析,合理的应用它们。

再从对话来说。对话是课堂教学中师生互动很好的方式和途径。但是,今天的课堂教学,将“互动”,变成只是师生的对话,甚至变成了简单的形式的教师问学生答,学生不看教材,不重视实验。实际上,对话的目的是为了回归,真正使化学教学内容能回归为学生的思想和行为;对话的态度应该是平等的,尤其是教师要倾听学生所提的问题,学生的想法;对话的类型也不止一种,应该有三种,一是认知性对话,让学生跟教材对话从中认知化学的知识结构和基本内容;二是实践性对话,让学生跟实验等实践活动对话,从中得到体验和感悟,有助于建立自己的认知结构;三是社会性对话,让学生跟同学和老师对话,进行思想的交流和碰撞,有助于对知识意义的建构。

又从教学方式来探讨创新和继承。在化学公开课上,我们看到的往往是研究性学习方式和探究性教学方式;在日常化学课上,老师上的往往是接受性学习方式和传授性的教学方式。实际上,化学教育改革引进并重视了研究性学习方式和探究性教学方式,但是,我们并不是要去抛弃或否定其他学习方式和教学方式。恰恰相反,智能结构的多元性,导致学生的个性;自然界的多样性和社会的复杂性,导致学习内容的复杂性。学生和教师的学习方式和教学方式应该是多种多样的。

归纳起来,教学方式有两种类型:一种是直接性教学方式,即以教师为中心,直接向学生传授知识,特别是事实、规则、程序、步骤、常识等;一种是间接性教学方式,即以学生为中心,以问题为出发点和内容,在教师的指导下,通过学生自学、合作或探究等方式去解决问题,特别是重要的概念、理论和模型,以及其他重要的为什么。我认为,根据基础教育的特点和课时的限制,化学教育应该大部分是采用直接性教学方式,小部分采用间接性教学方式,而且并非非此即彼,可以相互结合或渗透。

我从事教育近五十年,专门从事课程与教学的改革与研究近四十年。通过回顾和反思,我深深感到教育改革要取得成功,教育要健康持久的发展,必须不断地重视和处理好创新与继承的关系。

参考文献:

[1]高级中学课本.化学(第一册,第二册)[M]. 人民教育出版社,1957,1.

[2]高级中学课本.化学(第三册)[M]. 人民教育出版社,1958.1.

[3]高级中学课本(试用本).化学(乙种本,上册)[M]. 人民教育出版社,1983.1.

[4]高级中学课本(试用本).化学(乙种本,下册)[M]. 人民教育出版社,1984.2.

[5]上海市中学课本.化学(理科班用,第四册)[M]. 上海教育出版社,1979.1.

[6]孙元清主编.高中研究型课程导师指导手册[M].上海科技教育出版社,2001.1.

篇9

摘要：

以功能聚合物载药纳米颗粒、功能环境和能源吸附材料为研究体系，依据目标性能需求设计产品结构和结构调控的思路，阐述了在实验基础上通过分子/介观模拟和模型化等技术研究分子、聚集态纳/微结构与产品性能间定性和定量关系的研究进展，并尝试建立从分子水平和微介观尺度上揭示材料化学品结构特征的系统方法，探索功能材料化学品的定向设计和调控，形成从分子水平和微介观尺度上揭示材料化学品结构特征的技术基础。

关键词：

化学产品工程；聚合物材料；吸附材料；分子结构；聚集态结构；结构性能关系

在工业化的初期，化学工业的主要产品是燃料和大宗化学品。20世纪以来，大宗化学品的制备和生产技术已相对成熟，市场渐趋饱和，而随着生物技术、纳米技术、电子信息技术和环境科学的迅速发展以及人们对更高生活质量的追求，市场对以新材料和药物为代表的功能材料化学品的需求迅速增加，近10年来化学品市场超过50%是由专用化学品组成，促使基础研究和开发的重点转向专用/功能材料化学品[1,2]。例如：Dow化学与德国Hoechest重组转向医药化学品；瑞士Sandoz与Hoechest重组转向专用化学品，与Ciba-Geigy重组专攻医药和农用化学品。化工产业向功能化学品发展的转变促使化学工业由初级加工向深度加工发展，由大批量、连续化的大宗化学品生产逐步向小批量、多品种和个性化的功能材料化学品的生产发展，化学产品的研究向微观层次不断延伸，反映了化工产业发展的新方向。在这一背景的驱动下，一批西方化工界的研究者提出了化学工程学科的一个重要前沿领域—化学产品工程[3]。Cussler等[4,5]将产品工程定义为设计或革新人们所需要的产品的过程，可见化学产品工程的概念更强调通过产品的设计来满足市场对特定功能的需求。

不同于大宗化学品，功能材料化学品往往是多组分或者具有多尺度结构的化学产品，其性能与功能不仅取决于分子结构，还与其聚集态结构有关，作为化学工程学科的一个新兴研究范畴，其研究方法还处于初步发展阶段[6]。一方面，功能材料化学品由于其丰富的构象行为、复杂的动力学特性以及尺度效应，目前仍主要通过不断的实验探索来开发，这种方式往往耗费大量时间、人力和物力。另一方面，虽然科学家们通过各种研究方法对功能材料化学品开发过程中各个层次规律的研究取得了长足的进步，但是各个层次之间的联系和研究方法尚处于探索阶段，主要停留在单层次、单尺度的层面，各尺度结构与宏观性能之间仍缺乏合适的关联模型[7,8]，因而不能根据纳米材料的成分、尺寸和结构来准确预测产品性质，难以通过设计特定的配方组成和生产条件去调控生产过程，得到具有稳定结构和性能的功能材料产品。总之，依据目前的理论研究和技术基础的积累，人们尚无法做到对产品设计和生产进行完整的、根本性的科学阐述，仍难以解决定量设计、调控和优化等实际问题，而这正是功能材料化学品研究发展亟待解决的关键问题之一，也是化学产品工程学科发展的重要方向。因此从微观和介观尺度认识和调控化学产品结构、指导反应过程、预测和调控产品的性能、快速科学地实现功能材料化学品的设计、制备和生产已成为这一领域的新兴研究理念。钱宇等[9-31,33-36]近年来系统地开展了结构化产品设计和构效关系的研究，以功能聚合物载药纳米颗粒、功能环境和能源吸附材料为研究体系，根据产品目标性能需求，设计和调控材料分子结构和纳/微聚集态结构，并尝试建立结合实验、分子/介观模拟和模型化等技术研究分子、聚集态结构与产品宏观性能之间定性和定量关系的系统方法，形成从分子水平和微介观尺度上揭示材料化学品的结构特征的技术基础。

1功能聚合物载药纳米颗粒体系

1.1聚合物分子及其载药纳米胶束颗粒的结构设计和调控思路当前，癌症已成为危害人类健康的头号杀手，化疗是目前治疗癌症的主要手段。然而，大多数的化疗药物存在溶解性差、毒副作用大、易降解、药代动力学差和无靶向组织选择性等问题，而使用聚合物纳米胶束颗粒作药物输送系统是解决这些问题的有效途径之一。两亲性聚合物分子通过自组装形成分子簇，进而聚集形成纳米胶束。由于分子间相互作用和扩散作用，非极性药物主要分布在胶束的疏水内核中。聚合物材料的结构单元种类、拓扑结构、功能性基团和分子量等分子结构因素影响载药系统的性质，胶束的形貌、孔隙度和粒径等纳/微结构对载药系统的性质也有重要的影响。为了实现疏水性药物的口服控释性能需求，在分子结构单元的设计上，根据胃肠道pH值的差异（人体胃液的pH值为1.0～2.5，肠道环境pH值为5.1～7.8），采用聚甲基丙烯酸（PMAA）作为pH值响应基团，甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PPEGMA）为亲水基，聚丙交酯（PLA）为疏水基团，设计合成了两亲性三嵌段聚合物PLA-b-PMAA-b-PPEGMA。该聚合物在溶液中自组装形成三层核壳结构的纳米胶束，外层为亲水PEGMA层，内层是疏水PLA层，中间层是PMAA层，PMA嵌段中的羧基响应pH值的变化得失质子，控制药物的释放速率。胶束形成及pH值响应释放过程如图1（a）所示，其中PLA嵌段、PMAA嵌段以及PPEGMA嵌段分别用蓝色、紫色和绿色表示。在胃的酸性条件下，PMAA去质子化，胶束结构紧密，药物释放量缓慢；在肠道的中性环境下，PMAA质子化，胶束发生溶胀，药物释放速率增加，在pH值为1.2的缓冲溶液中，24h的药物（硝苯地平）累积释放量约为66%，pH值为7.4时，释放量为96%。为了进一步降低酸性条件下的药物释放，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为疏水基团，并与对pH值响应的PMAA无规共聚，再与亲水PPEGMA形成两嵌段聚合物P(MMA-co-MAA)-b-PPEGMA，见图1（b）。此时疏水基团和pH值响应基团共同形成胶束内核，从而进一步减小了药物在酸性环境中的释放，24h的药物累积释放量仅17%。同时，这样的设计能扩大胶束的pH值响应功能区域，提高对环境pH值变化的响应灵敏性，也可通过改变MAA嵌段的含量，调节药物释放速率，MAA含量越高，释放速率越快。在拓扑结构的设计上，为了提高胶束的稳定性，将构成胶束外壳的亲水嵌段PPEGMA设计为刷状，以提高壳层密度，增强胶束表面的亲水性[9-14]。

上述线形聚合物虽然在一定程度上能改善药物控释性能，但其热力学稳定性不够理想。据此，针对抗癌药物靶向控释的性能需求，设计出了热力学稳定性更高的pH值响应两亲性星形嵌段聚合物材料[15-17]。在分子拓扑结构的设计上，选取与聚合物胶束拓扑结构相似的多臂星型结构聚合物，相比于线形聚合物可提高胶束的热力学稳定性。在分子结构单元的设计上，根据人体正常组织（pH值为7.4）和肿瘤组织环境（pH值为5.0）的差异，采用聚己内酯（PCL）为疏水基团，PPEGMA为亲水基团，聚甲基丙烯酸N,N-二乙氨基乙酯（PDEAEMA）为pH值响应基团，形成四/六臂星形三嵌段结构的聚合物4/6AS-PCL-b-PDEAEMA-b-PPEGMA。该聚合物可自组装形成胶束，用于包载难溶性抗癌药物阿霉素。当环境pH值变化时，PDEAEMA中的氨基得到或失去质子，从而影响胶束的结构，调控药物释放速率。在中性条件下，108h释放药物30%左右，而在肿瘤组织的酸性条件下，由于PDEA的质子化，胶束发生溶胀，导致药物释放速率显著增加，108h时药物几乎100%释放。另外，通过调节嵌段比例，可以调控药物释放速率，如增加PDEAEMA嵌段长度，可使药物释放速率增加。聚合物纳米胶束颗粒不仅可以用于化学药物的包载递送，也可用于生物基物质（如基因）的递送。基因（DNA或RNA）作为一种新型抗癌药物，具有传统药物所无法比拟的高效、无毒和靶向性好等特性，但是如何将基因有效地递送到靶向组织却成为基因治疗的关键问题之一。Guo等[18]设计合成了不同嵌段组成的胆固醇多肽聚合物及其自组装形成的胶束用作基因载体。胆固醇不但生物相容性好，且具有刚性甾环结构和疏水性的特点，有利于形成胶束内核以稳定胶束结构，组氨酸具有内涵体释放DNA的功能，精氨酸在较低pH值下带有正电荷，且具有细胞穿透功能，因此设计的该聚合物能与DNA结合形成稳定的复合体，有效提高基因的表达效率。具有alpha螺旋结构的多肽不但能有效增加基因传输效率，还有利于穿过细胞膜而不引起细胞毒性，因此设计合成了具有alpha螺旋结构的多肽分子用作基因的载体材料[19]。另外，针对基因带负电的特性，在基因载体材料分子结构单元的设计上，以阳离子聚合物琥珀酸酰乙基四胺（Stp）和五乙烯六胺（Sph）为基本单元，设计合成了具有叶酸靶向作用的不同拓扑结构的六种多肽聚合物[20]。其中，阳离子聚合物通过静电作用绑定基因，亲水嵌段PEG对整个体系具有保护作用。实验结果显示，叶酸具有良好的靶向作用，六种多肽聚合物均表现出较高的pDNA基因表达率，三臂和四臂多肽聚合物有理想的siRNA基因沉默率。

1.2聚合物载药胶束的定性/定量构效关系功能材料化学品的性能除了与构成产品的化学物质和材料有关外，很大程度上还取决于产品的纳/微介观结构和物理性质，因此，深入探索功能材料分子结构-产品纳/微结构-宏观性能之间的定性和定量构效关系，将有助于指导功能材料化学品的研究和开发，快速响应市场需求。由于聚合物自组装过程中形成的聚集体结构难以通过一般的实验手段进行检测，因此以介观模拟方法为主，针对溶液中聚合物分子与分子聚集体间的动态平衡和聚集体内部组成单元的排列方式及有序结构的平衡，研究聚合物分子和环境条件对其微相分离行为和聚集态结构的影响机制，掌握聚合物在微/介尺度下聚集体结构形成所遵循的特有规律，从而提出能获得具有特定介尺度结构的定向调控机制。介观模拟的理论基础是耗散粒子动力学（dissipativeparticledynamics，DPD）。首先建立合适的粗粒化模型，图2（a）是四均臂星形聚合物分子结构的粗粒化模型[21]，图中Center，PCL，MAA1/MAA2，DEA和PEG分别代表季戊四醇、己内酯、甲基丙烯酸、二乙胺基和乙二醇基团。然后通过分子动力学模拟计算粗粒化基团的相互作用参数，计算时需考虑影响介尺度行为的分子结构关键性质，如溶解度参数、混合能和排斥位能等，这是有效模拟分析介尺度行为的基础。通过DPD模拟研究了聚合物分子结构、嵌段间相互作用和pH值响应功能基团数目等对介尺度聚集体形成、聚集体间相互作用、聚集体形貌演变、介观结构稳定速率和稳定程度、以及对药物的包载能力和药物分布规律的影响和作用机制，探索了介尺度聚集体荷电性、数量、聚集体间相互作用和组分配比等对聚集体动力学稳定性、碰撞聚结机理、微/介孔的形成和组分分布情况的影响规律。在模拟不同pH值环境时，需要考虑基团质子化程度，采用不同的相互作用参数建立不同的力场进行模拟。图2（b）是pH值敏感胶束在不同pH值下发生不同程度质子化得到的DPD模拟结果，借助模拟分析得到pH值敏感嵌段在不同pH值下的伸展状态以及pH值对胶束形貌的影响，结合径向分布函数、均方回转半径、扩散系数和序参量等参数分析了聚合物分子结构和自组装环境因素对胶束纳/微尺度结构和行为的影响机制。最后，结合实验数据分析了聚合物分子结构、溶液环境和聚集体纳/微结构、介尺度行为、载药和释药性质之间的作用机制，提出根据目标性能要求调控聚合物和胶束结构的定性规则[22-30]。计算机模拟可以从介观角度，如物质的微相分离行为和聚集态结构等反映物质的宏观性质，定性预测和解释实验结果，然而，对物质结构与性能定量关系的模拟研究仍处于探索阶段，聚合物载药胶束结构性能关系的定量研究也鲜有报道。Wu等[31]尝试建立聚合物微颗粒体系的微/介尺度结构与宏观性能的定量构效关系（QSPR）模型，通过测量或量子化学计算聚合物分子和分子聚集体结构特征，利用化学信息学理论和数值分析方法，将结构特征转化成数值形式的描述符。采用遗传函数算法（GFA）进行描述符的筛选，并综合考虑聚集体的结构特征，如聚集体密度、大小、孔隙度、比表面积和表面自由能等，建立聚合物分子结构、聚集体结构与聚合物微颗粒粒径、临界胶束浓度（CMC）和药物包载量和释放速率等之间的线性或非线性QSPR模型。通过对特征描述符和介尺度结构特征进行深入分析，探索影响微颗粒性能的分子及其聚集体的结构本质，阐明其影响和控制微颗粒性能的机理。目前，结合GFA和多元线性回归方法（MLR），建立了四六臂星型聚合物包载阿霉素胶束体系的聚合物分子结构与载药量的QSPR模型。考虑到高分子构象的复杂性，普通的描述符计算方法难于准确反映其结构信息，提出嵌段单元自相关（BUA）描述符来表征聚合物结构，并确定了最佳模型。

2功能环境和能源吸附材料

2.1功能环境和能源吸附材料的结构设计和调控思路功能环境和能源吸附材料的成功设计与制备对于处理复杂气体组分吸附与分离、大分子传递与输送以及大分子多级反应等方面具有重要的意义，也为新材料（如膜材料、纳米功能材料和纳米复合催化剂材料等）的加工与制备开辟了广阔的前景。工业上常采用甲烷水蒸气重整反应来生产氢气，但该方法所生产的氢气因含有甲烷而纯度不高。变压吸附（PSA）是常用的分离提纯氢气的方法。针对金属-有机骨架（MOFs）材料的有机连接体可更换的特点，Liu等[33]在不改变拓扑结构的前提下，通过更换有机配体对苯二甲酸（BDC），1,4-萘二甲酸（R7-BDC）和2,6-萘二甲酸（NDC），设计出新型的改性MIL-101材料，应用于CH4/H2的吸附分离。研究结果表明，更换不同有机连接体后，具有较大晶格边长的MIL-101_NDC具有较好的甲烷吸附性能。对于氢气的吸附，则随着MIL-101的孔体积和比表面积的减小而减少。对于所有的MIL-101材料，甲烷的最优先吸附位均为正四面体小笼。而由于更换的有机连接体R7-BDC上有额外的苯环结构，导致MIL-101_R7-BDC中的大笼和小笼壁上出现新的甲烷吸附位，从而使其对甲烷/氢气有较强的吸附选择性。例如，母体MIL-101在低压下（500kPa）对等物质的量比的CH4和H2混合体系的选择性为6.27，而改性后的MIL-101_R7-BDC的选择性可增加至10.42，增幅高达66.1%。因此，更换的有机连接体可在不改变MIL-101骨架的拓扑结构前提下，通过增加材料的比表面积、增加有机连接体上的苯环数量、减少材料的孔径和孔容等来增加其对CH4和H2的吸附与分离性能[33]。作为一种被广泛研究的MOFs材料，Cu-对苯三酸（Cu-BTC）在吸附甲醇等小分子能源气体方面表现出优势，但是研究发现Cu-BTC吸附小分子醇类有明显的分级吸附现象，低压下醇类优先吸附于极性胞腔内的不饱和金属中心附近，而不含有金属中心的弱极性胞腔却表现出较弱的吸附能力。基于以上不足，Xiang等[34]利用随机插入的方式，以游离的锂离子掺杂到Cu-BTC的骨架中，使骨架的金属位点数量增多以增强对甲醇的吸附。类似的金属离子掺杂手段已经有课题组成功利用并合成出锂离子均匀分布的Cu-BTC，其对CO2和CH4的吸附效果都有明显提升。Wu等[35]利用密度泛函理论计算了锂离子在Cu-BTC上不同位置的结合能量，发现掺杂的锂离子更加倾向于吸附在骨架配体苯环面的上方和下方，这种掺杂方式也恰好更有利于改善弱极性胞腔的吸附能力。对比利用巨正则蒙特卡洛算法（GCMC）模拟计算的掺杂前后的骨架对于甲醇的吸附等温线，发现锂离子的掺杂可以有效提高甲醇在测试压力范围内的吸附量，同时也增强了原始骨架弱极性胞腔中的吸附能力，使分级吸附现象消失，整个吸附过程更加连续。另外，吸附密度图也显示了锂离子的加入，主要是增加了骨架中新的吸附位点。密度泛函计算结果则表明，改性后的Cu-BTC-Li，甲醇分子在新加入的锂离子上的吸附结合能比原始骨架中不饱和铜金属位点强，说明甲醇分子将优先吸附在锂离子上，而锂离子在骨架中的分布相对比较均匀，有利于提高骨架的整体吸附量。

2.2功能环境和能源吸附材料的结构性能关系研究目前石油化工中对烷烃、烯烃混合物分离的主流技术是蒸馏精炼，但是这种传统技术高度密集，而且能耗大，不利于能源的可持续发展，而吸附技术被认为是最有发展潜力的替代工艺。MOFs材料用于烷烃和烯烃的吸附分离，主要集中在类沸石骨架结构（ZIFs）系列骨架的研究，但是由于实验手段的限制，ZIFs骨架的拓扑结构对分离效果的影响尚未明确。由于原子级模型可为功能环境和能源吸附材料的结构研究提供更多的微观信息，也为定量构效关系的建立及材料性能提供预测作用，因此，Wu等[36]采用分子模拟技术探索材料的形成机理，弥补现阶段实验表征技术的缺陷，为指导实验定向合成功能化吸附材料提供重要的理论依据。挑选了几种具有常见拓扑结构的ZIFs骨架，包括ZIF-3，ZIF-6，ZIF-8和ZIF-10（图3），通过多尺度分子模拟技术，尝试建立ZIFs骨架的微观拓扑结构与宏观吸附分离性能的关系。模型的构建采用剑桥晶体库（CCDC）的晶体参数[37]，用MaterialsStudio软件包中的Visualizer模块进行晶体结构的搭建并进行简单的结构优化和整体能量最小化。采用GCMC模拟技术，在温度、外界体积和体系化学势不变的条件下模拟计算吸附等温线。单组分吸附的随机模式包括随机插入、随机删除、变形和旋转四种，而在混合组分的吸附中还包括同向扭转。吸附选择性则基于理想溶液理论（IAST）进行拟合得到，使用的吸附等温线模型是典型的双位点Langmuir-Freundlich（DSLF）模型，拟合度达到0.999。基于GCMC的计算结果，计算了在一定压力范围内乙烷和乙烯在ZIFs骨架中的等量吸附热，通过对比吸附热与吸附量大小顺序的关系，推测吸附的能量效应。而骨架本身的结构特性，包括可及比表面积、孔径和孔容等也与吸附量的顺序比较，同时结合乙烷乙烯动力学直径的大小进行分析，确定骨架在吸附过程中的空间效应。对于混合组分的分离，分别考察了压力变化、使用的模拟方法（GCMC或IAST）和混合比例对乙烷选择性的影响，同时也对比了单组分和混合组分中对应组分的吸附量的变化，最后总结出在不同压力范围内，乙烷和乙烯分离可能受到协同效应或竞争效应的影响，并与骨架的结构参数关联，得到骨架结构与乙烷和乙烯分离性能关系的规律：低压下ZIFs骨架对乙烷和乙烯的吸附选择性主要受到孔径的影响，孔径越小，其选择性越大；而在高压条件下，骨架的孔容则成为选择性的主要影响因素，孔容越大，ZIFs骨架对乙烷和乙烯的吸附选择性越大。

3总结与展望