物理化学教学改革探究

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在大学有机化学课程的初始阶段，学习者需要迅速建立起分子空间结构物理化学是医药类院校大学本科生的一门重要基础课，对医学、药学其他主课的学习和理解起着基石的作用，就像对一个建筑而言，基础未打牢就无法盖出参天的大厦，因此非常有必要学好物理化学这门课。物理化学理论深奥抽象、结构庞杂、公式多且应用的条件要求严格。因此学生们普遍感觉概念和理论难学难记、授课的内容单调而枯燥。而物理化学的独特研究思路和研究方法，严密的逻辑推理，可以说对后续课的学习和将来的工作实践都将起着重要的指导作用。正如国家自然科学基金委员会在自然科学学科发展战略调研报告物理化学卷中指出：“实践表明，凡是具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，适应能力强，‘后劲’足。由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通、自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科技发展的前沿”。多年的教学实践启示我们：对医药学知识的深入钻研离不开扎实的物理化学基础，没有很好的基础就无法进入到医学、药学领域的前沿。就无法真正搞懂疾病发病的过程和机理，也无法明白药物设计的原理和治疗的机理。因此，为了进一步提高物理化学的教学效果，我们对物理化学教学改革进行了初步探索。下面就介绍教学改革中的一些感悟。

1介绍相关领域的最新研究进展

物理化学是一门理论性强、逻辑性严密的重要基础课，如果我们授课只知道照本宣科，对学生采取添鸭式的“满堂灌”教学，就无法将学生的学习积极性调动起来。学生就会感到讲授的课程枯燥乏味，学习内容单调冗长。长久下去，学生们就会对物理化学的学习产生畏难的心理，抵触相关部分的学习。适当地介绍物理化学相关领域的最新研究进展，并将教员最近的研究成果展示给学生，可以有效地提高学习的积极性，激发学生的学习热情，收到较好的教学效果。类似于纳米材料在生物医学中的应用，金属有机框架材料（MOFs）的制备及其对各种阳离子、阴离子、溶剂分子和危险爆炸物分子的荧光检测，一直是研究物质荧光性质的物理化学家所关注的一个热点研究方向。教员首先引入MOFs材料的概念：作为结点的金属离子被作为桥联基团的刚性共轭有机配体连接而组装成三维孔道的结构称为金属有机框架材料。因其具有大的孔径和比表面积，被广泛应用于气体的吸附与分离、催化反应以及荧光检测探针等领域。但是，传统的荧光检测探针都是以各种刚性有机配体和发光中心稀土元素Eu或Tb配位后形成配合物MOFs再被用来进行荧光检测。然而由于稀土元素的高配位数和可变的配位环境，使得形成MOFs材料特别是稳定可控的材料遇到了很大的困难，许多合成的MOFs材料无法在水中甚至空气中稳定存在，因此样品合成的重现性和样品组成的控制遇到了相当大的困难，荧光检测数据的重现性和可操作性面临着巨大的挑战。为了制备性质稳定且组成可控的MOFs材料，在借鉴法国拉瓦锡研究所Ferey课题组以MIL命名的Al-MOF系列稳定金属有机框架材料的研究成果[1]，以及挪威奥斯陆大学Lillerud课题组以UiO命名的Zr-MOF系列稳定材料的研究成果后[2]。我国课题组率先提出了用后合成方法（PSM）来负载稀土离子Eu3+或Tb3+等具有特征发射谱带的元素：即先按照文献合成性质稳定的MIL系列Al-MOF或UiO系列Zr-MOF，再用这些材料作为前驱体，将它们分别与过量的（约10倍）EuCl3或TbCl3在乙醇体系中搅拌回流，然后离心真空干燥以获得性能稳定的负载Eu3+或Tb3+的后合成材料。在这些材料中，由于骨架的组成物质是Al或Zr和刚性共轭的有机配体，而Al或Zr与配体中羧基氧形成的配位键很强，因此后合成（PSM）得到的母体材料很稳定。再进一步将Eu3+或Tb3+负载在这些母体材料中，就能够获得稀土搀杂比恒定的后合成材料。这种材料在空气中和水中都能稳定存在，由于配体对稀土离子的“天线效应”，因此它还具有特征发射强、光谱性质稳定且光谱重现性好的优点，作为先前非后合成材料的理想替代品，很有成为商业化荧光探针的潜力。教员讲授到这里，将自己后合成得到的一种负载Eu3+的MOF材料展示给大家，发现在水中Cu2+对它有很强的淬灭作用，因此这种材料在Cu2+检测中显示了极强的选择性和敏感性，是一种潜在的Cu2+荧光探针。讲授过程中，辅助鲜明的用diamond和ChemBio3D绘制的各种MOF结构图，以及Origin导出光谱滴定图和检测机理（光电子能谱）图。原本枯燥乏味的理论灌输，变成生动有趣的研究进展介绍，将学生们物理化学学习的积极性调动起来了，教学效果也有了明显的提高。

2引入有针对性的案例式授课

物理化学是一门重要的基础课，教员在讲授的时候要引导学生用逻辑严密的推理方式来说明各种现象，比如热力学第三定律所表述的“0K时，任何纯物质完整晶体的熵值等于零。”或“不可能用有限的手段使一物体冷却到热力学温度的绝对零度。”。然后教员就提问：“这个结论是如何得到的？”。为了激发学生们的学习热情，我们在授课的过程中引入了案例式教学[3]。这就是对绝对零度与超低温探索的案例：1837年，马格努斯和勒尼奥精确测定出了气体的定压膨胀系数，并由此进一步反推出最低温度是-273.15℃，即绝对零度。在绝对零度时，纯物质各原子都停止了一切运动而静止下来，因此处于完全有序的排列，混乱度也达到了最小，熵值也最小为零。为了验证热力学第三定律的正确性，各国科学家发起了向绝对零度的冲刺：英国科学家法拉第首先液化了氯气，获得了-78℃的低温。到了1845年，科学家几乎液化了所有的气体，但O2、N2、He、CO、NO等气体却难以液化。德国科学家林德等人经过努力，采取压缩-绝热膨胀和抽除液面蒸气法制得了液态氧和氮。荷兰物理学家翁内斯采用五级串联抽除液面蒸气法制得大量液氢。1908年，他再用液氢和液态空气预冷，继续用压缩-绝热膨胀的方法使温度下降到-268.95℃，将氦气液化。当翁内斯获得液氦后，曾进一步想用减压降温的方法使液氦固化，没有获得成功。但通过这种方法，他已经达到了-272.11℃的低温。真正逼近了绝对零度，因此翁内斯也被称为“绝对零度”先生。如何才能更逼近绝对零度？采用中性原子的激光冷却技术被证明是有效的办法：通过调谐激光的波长，使得只有在特定方向运动速度最快的原子可以吸收迎面飞来的光子，从而使原子在此方向的运动速度减慢。这种“光学黏胶”可以延缓几百万原子的运动，从而使其等效温度降到接近绝对零度几百万分之几的开氏温度，即10-8K。如果在上述实验中加上磁场就可以俘获原子，并使温度进一步降低到更接近绝对零度，甚至达到10-9K。因此绝对零度不能达到的理论被再一次获得了证实。通过引入有针对性的教学案例，抽象枯燥的教学内容变得更加生动有趣了，教学效果也得到了显著的提升。

3开展启发式教学

教学过程是师生互动参与的过程：若在教员在讲授过程中教师只会照搬书本内容，学生就很难有学习的积极性；而完全让学生去自主学习，同样也达不到预期的教学效果。为了进一步增强学生主动学习的意识，很有必要广泛地开展启发式教学[4]。例如在讲授热力学第二定律一章内容时，我们通过卡诺定理中卡诺循环的热机效率最高引出了熵的概念，然后进一步得到孤立体系熵值永不减少即熵增加原理。这时教员就会问学生：“人的生命基本特征是新陈代谢，从熵的角度是生命体摄取结构严格有序的低熵物质（多糖、蛋白质等），排出无序的高熵物质（二氧化碳、尿、汗等）过程。那麽人生命过程各阶段体内总熵值的变化趋势是怎样的？是否都符合熵增原理呢？相比之下，自然界的熵增加会产生怎样的后果？”。并将这些问题作为思考题让学生课后思考。经过充分的课后准备，教员下一次上课时又把这个问题提出来，这时学生们都跃跃欲试。教员示意一个学员站起，这位学员非常自信地讲解起来：“在0到10岁左右，这个阶段是儿童成长发育时期，摄取的低熵物质的总熵值显著小于排泄的高熵物质的总熵值，体内的总熵变为负。这个时期是生命组织的快速正常发育，组织细胞的大量增长，代表熵减的有序组织快速增加的过程，生命在快速生长中。在10到20岁左右，这是生命基本长成的过程，刚开始摄取的低熵物质的总熵值小于排泄的高熵物质的总熵值，总熵变为负，到20岁左右，则低熵物质的总熵值约等于高熵物质的总熵值，总熵变约等于零。这个时期生命开始进入巩固阶段即生命组织较快地正常发育，组织细胞继续大量增长，有序的组织较快地增加，生命在继续生长中。在20到35岁左右，这是生命的巩固时期，摄取的低熵物质的总熵值从约等于排泄的高熵物质的总熵值到等于高熵物质的总熵值，总熵变从稍小于零到等于零，生命处于一个平衡状态，生命的各项指标都处于最佳状态，生命处于旺盛阶段。在35到50岁左右，这是生命衰老的预备时期，摄取的低熵物质的总熵值从等于排泄的高熵物质的总熵值到略大于高熵物质的总熵值，总熵变从等于零到稍大于零，生命仍处于旺盛阶段，生命体征同前一阶段比略有下降。50岁左右以后，生命开始进入衰老阶段，摄取的低熵物质的总熵值大于排泄的高熵物质的总熵值，体内的总熵变大于零。这个时期人体的各项功能下降，组织再造能力下降，人体组织中自由基等垃圾成分增加，组织的有序度下降，人体的生物熵逐渐增大。因此正常的生理功能出现失调和无序，衰老、疾病就会接踵而至。这时就要通过药物、手术、饮食和保健等来干预肌体，促使人体吸纳低熵，排除高熵，使体内总熵变小于零，身体就会逐步恢复健康。”。当这位同学详细而全面地阐述了人体各个阶段的总熵变化与人体发育、分化、生长、衰老和疾病的关系，教员对他的回答给予了充分的肯定，并进一步启发大家：“自然界的熵增加会产生怎样的影响？”。这时一些准备充分的学员也举起了手，教员示意一个同学回答。该学员表述：“人们在开采冶炼矿石、生产粮食、制造机器等劳动生产过程中，都要消耗能量。根据熵增加原理，每消耗一定的能量，都会使自然界的熵不断增加。而熵增加对于地球是一个不可逆过程。自然界熵增意味着自然灾害和人类生存环境的恶化、水旱灾害的增加、土壤的沙化等。例如近年来发生的地震、大旱和水灾都是环境熵增的结果。”。这时教员就继续引导下去：“如何降低自然界的总熵？”。这位学生接着阐述：“只有大力提倡植树绿化，节能减排，从而降低地球的总熵，才来使环境恶化趋势得到减缓。”。教员对这一位学员的发言给予了表扬。通过教员提出问题并引导学生搜集资料的启发互动式教学，学生的学习效果得到了显著的提高。

总之，在物理化学教学实践中，我们对上述三种教学方式进行了初步地尝试，极大地激发了学员的求知欲，收到良好的教学效果。

参考文献

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

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

[3]李志军.案例式教学在物理化学课程教学中的应用[J].科教文汇,2018,410:69-70.

[4]牟新利,祁俊生,傅杨武,漆勇,陈书鸿.启发式教学在物理化学教学中的应用[J].重庆三峡学院学报,2008,24(110):152-154.

作者:罗 俊 刘宝姝 张欣荣 佘 岚 马志强 杨 峰 单位:第二军医大学药学院