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量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文第1篇

關(guān)鍵詞：類比教學(xué)法；量子力學(xué)；應(yīng)用探究

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）24-0100-02

量子力學(xué)作為描寫微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的學(xué)科，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一，而且在化學(xué)和很多近代技術(shù)中也有廣泛應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對于量子數(shù)大到一定的極限的量子系統(tǒng)，可以用經(jīng)典理論精確描述。量子力學(xué)、經(jīng)典力學(xué)既有區(qū)別也有聯(lián)系，從這些區(qū)別和聯(lián)系入手可以使學(xué)生更加容易理解量子力學(xué)的新知識(shí)?；诖?，本文在分析量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探究并實(shí)踐了如何讓學(xué)生加深理解的問題。將類比教學(xué)法應(yīng)用于量子力學(xué)的實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，這樣既可以豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生積極性，又可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，同時(shí)還可以鞏固學(xué)生以前學(xué)過的經(jīng)典物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而能提升量子力學(xué)課教學(xué)質(zhì)量。

一、類比教學(xué)法

類比方法是根據(jù)兩類物理現(xiàn)象在某些性質(zhì)的相同或相似處，推斷出這兩類物理現(xiàn)象的另一些性質(zhì)也相同或相似的一種邏輯推理方法。類比法是專業(yè)術(shù)語，指由一類事物所具有的某種屬性，可以推測與其類似的事物也應(yīng)具有這種屬性的推理方法。在我們學(xué)習(xí)一些十分抽象地看不見、摸不著的物理量時(shí)，由于不易理解，我們就拿出一個(gè)大家能看見的且與之很相似的事物來進(jìn)行對照學(xué)習(xí)。類比方法強(qiáng)調(diào)在分析、發(fā)現(xiàn)不同事物的共同性質(zhì)的基礎(chǔ)上，把一個(gè)事物的屬性轉(zhuǎn)移到另一類事物上。類比的過程具有創(chuàng)造性，是科學(xué)家常用的思維方法。

二、量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的相似點(diǎn)及類比教學(xué)法的應(yīng)用

物理學(xué)研究的目的是總結(jié)、概括各種不同物質(zhì)在時(shí)空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且把這些規(guī)律用數(shù)學(xué)公式表示出來。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的研究對象不同，而宏觀和微觀物質(zhì)自身性質(zhì)的巨大差異，造成了學(xué)習(xí)量子力學(xué)相比于學(xué)習(xí)經(jīng)典力學(xué)的困難。而另一方面，把量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)類比，找到它們之間的共同點(diǎn)，再進(jìn)一步推理，可以更加容易理解量子力學(xué)理論。在處理物體直線運(yùn)動(dòng)或是自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們自然會(huì)想到在（x，y，z）所組成的空間坐標(biāo)系中，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律，分析物體的狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況。每一時(shí)刻，物體的位置可以用三維空間里的任何一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)表示出來。為了方便地處理不同物理問題，空間直角坐標(biāo)系可以變換成柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系。處理物體的碰撞時(shí)，把實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系換成質(zhì)心坐標(biāo)系，利用動(dòng)量守恒原理，也可以使表達(dá)式更加簡單，易于求解。因此，選擇最佳的坐標(biāo)系，可以讓復(fù)雜的問題變的簡單。在微觀世界中，量子力學(xué)仍然需要在恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中討論物理問題。在經(jīng)典力學(xué)中，物體處在某個(gè)狀態(tài)的位置和角動(dòng)量可以被精確的計(jì)算。但是，對于微觀體系，比如一個(gè)電子在原子中的環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)，它的位置、動(dòng)量不能同時(shí)精確確定。當(dāng)該電子處于定態(tài)時(shí)，它的能量不會(huì)隨時(shí)間變化，即它的能量守恒。這時(shí)，我們可以把電子放在能量坐標(biāo)系中討論。在數(shù)學(xué)中，希爾伯特空間是歐幾里得空間的一個(gè)推廣，它不再局限于有限維的情形。在量子力學(xué)中，能量坐標(biāo)系被稱為能量表象。量子力學(xué)中常見的表象包括：動(dòng)量表象，能量表象，粒子數(shù)表象等。在矩陣力學(xué)中，把狀態(tài)Ψ看成是一個(gè)列向量。選擇一個(gè)特定的Q表象，就相當(dāng)于選取一個(gè)特定的坐標(biāo)系?！龅谋菊骱瘮?shù)u1（x1），u2（x2），u3（x3）…un（xn）就是這個(gè)表象的基矢，相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的單位矢量i，j，k；波函數(shù)a1（t），a2（t）…an（t），是態(tài)矢量Ψ在Q表象中沿基矢方向的“分量”，正如A沿i，j，k三個(gè)方向的分量是（Ax，Ay，Az）一樣；■本征函數(shù)的歸一性，類似于幾何坐標(biāo)系的i?ij?jk?k1；而本征函數(shù)的正交性，類似于幾何坐標(biāo)系中i?ji?kj?k0[5]。在量子力學(xué)中，■的本征函數(shù)有無限多，稱態(tài)矢量所在空間是無限維的希爾伯特空間。由此看來，幾何坐標(biāo)和力學(xué)表象是同一個(gè)概念，只是處理不同的問題時(shí)，選擇不同的坐標(biāo)系可以減小復(fù)雜程度。在量子力學(xué)中如果知道了狀態(tài)的波函數(shù)，那么粒子處于空間某點(diǎn)的幾率，以及力學(xué)量的平均值均可求得，因此說波函數(shù)完全描述粒子體系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而對于同一個(gè)狀態(tài)，在不同的表象中，有不同的波函數(shù)形式。量子力學(xué)的一種基本假設(shè)是波函數(shù)滿足態(tài)疊加原理：

ψc1ψ1+c2ψ2+K+cnψn （1）

此式的物理意義是量子體系的一般狀態(tài)是所有本征態(tài)的線性疊加。Ψn是體系的可能態(tài)，相應(yīng)的概率分別為|ck|2，而且滿足歸一化■c■■1。在經(jīng)典力學(xué)中，伽利略變換可以變換不同的慣性系。量子力學(xué)則借助幺正矩陣來實(shí)現(xiàn)不同表象之間的變換。那什么是幺正矩陣呢？簡單來說就是滿足S+S-1的矩陣稱為幺正矩陣，而由幺正矩陣所表示的變化稱為幺正變換。所以由一個(gè)表象到另一個(gè)表象的變換是幺正變換。如果以F'表示算符■在B表象中的矩陣，F(xiàn)表示■在A表象中的矩陣，則通過幺正變換可得：F'S-1FS （2） 也就是說力學(xué)量F在A表象中的矩陣左右分別乘幺正矩陣的逆矩陣和原矩陣就可以把力學(xué)量F轉(zhuǎn)換到B表象中去。量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)間的相似點(diǎn)還有很多。量子力學(xué)類比教學(xué)法的核心是，注意強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的必然聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、探索量子力學(xué)新知識(shí)的本質(zhì)，把新知識(shí)與已經(jīng)掌握的量子力學(xué)知識(shí)類比，深入透徹的理解量子力學(xué)的假設(shè)、定義和公式。

綜上所述，把量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)做類比，就是要發(fā)掘出、并重點(diǎn)講解它們之間的相似點(diǎn)，讓學(xué)生在這些相似點(diǎn)的基礎(chǔ)上，主動(dòng)的思考分辨量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的相同和不同。本文以表象為例，把表象變換與數(shù)學(xué)上幾何坐標(biāo)進(jìn)行了類比，講述了對表象及其變換的理解。總之，在講授抽象的量子力學(xué)時(shí)，把它和經(jīng)典物理進(jìn)行類比可以幫助學(xué)生更好的理解、掌握新知識(shí)，能起到很好的教學(xué)效果，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。但類比法不是萬能的，要靈活、恰當(dāng)?shù)?a href="http://m.wkgtogh.cn/haowen/255432.html" target="_blank">應(yīng)用到位，才能最大程度地發(fā)揮它的積極作用。

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量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文第2篇

關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；教學(xué)探索；普通高校

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）50-0212-02

一、概論

量子力學(xué)從建立伊始就得到了迅速的發(fā)展，并很快融合其他學(xué)科，發(fā)展建立了量子化學(xué)、分子生物學(xué)等眾多新興學(xué)科。曾謹(jǐn)言曾說過，量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，也許會(huì)對21世紀(jì)人類的物質(zhì)文明有更深遠(yuǎn)的影響[1]。

地處西部地區(qū)的貴州省，基礎(chǔ)教育水平相對落后。表1列出了2005年到2012年來的貴州省高考二本理科錄取分?jǐn)?shù)線，從中可知：自2009年起二本線已經(jīng)低于60%的及格線，并呈顯越來越低的趨勢。對于地方性新升本的普通本科學(xué)校來講，其生源質(zhì)量相對較低。同時(shí)，在物理學(xué)（師范）專業(yè)大部分學(xué)生畢業(yè)后的出路主要是中學(xué)教師、事業(yè)單位一般工作人員及公務(wù)員，對量子力學(xué)的直接需求并不急切。再加上量子力學(xué)的“曲高和寡”，學(xué)生長期以來形成學(xué)之無用的觀念，學(xué)習(xí)意愿很低。在課時(shí)安排上，隨著近年教育改革的推進(jìn)，提倡重視實(shí)習(xí)實(shí)踐課程、注重學(xué)生能力培養(yǎng)的觀念的深入，各門課程的教學(xué)時(shí)數(shù)被壓縮，量子力學(xué)課程課時(shí)從72壓縮至54學(xué)時(shí)，課時(shí)被壓縮25%。

總之，在學(xué)校生源質(zhì)量逐年下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿逐年降低，且課時(shí)量大幅減少的情況下，教師的教學(xué)難度進(jìn)一步增大。以下本人結(jié)合從2005至10級(jí)《量子力學(xué)》的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，談一下教學(xué)方面的思考。

二、依據(jù)學(xué)生情況，合理安排教學(xué)內(nèi)容

1.根據(jù)班級(jí)的基礎(chǔ)區(qū)別化對待，微調(diào)課程內(nèi)容?？紤]到我校學(xué)生的實(shí)際情況和需要，教學(xué)難度應(yīng)與重點(diǎn)院校學(xué)生有差別。同時(shí)，通過前一屆的教學(xué)積累經(jīng)驗(yàn)，對后續(xù)教學(xué)應(yīng)有小的調(diào)整。在備課時(shí)，通過微調(diào)教學(xué)內(nèi)容來適應(yīng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力不同的學(xué)生。比如，通過課堂教學(xué)及作業(yè)的反饋，了解該班學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，再根據(jù)班級(jí)學(xué)習(xí)狀況的不同，進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的微調(diào)。教學(xué)中注重量子力學(xué)基本概念、規(guī)律和物理思想的展開，降低教學(xué)內(nèi)容的深度，注重面上的擴(kuò)展，進(jìn)行全方位拓寬、覆蓋，特別是降低困難題目在解題方面要求，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)的畏難心理。

2.照顧班內(nèi)大多數(shù)，適當(dāng)降低數(shù)學(xué)推導(dǎo)難度。對于教學(xué)過程中將要碰到的數(shù)學(xué)問題，可采取提前布置作業(yè)的方法，讓學(xué)生主動(dòng)去復(fù)習(xí)，再輔以教師課堂講解復(fù)習(xí)，以解決學(xué)生因?yàn)閿?shù)學(xué)基礎(chǔ)差而造成的理解困難。同時(shí)，可以通過補(bǔ)充相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，細(xì)化推導(dǎo)過程，降低推導(dǎo)難度來解決。比如：在講解態(tài)和力學(xué)量的表象時(shí)[2]，要求學(xué)生提前復(fù)習(xí)線性代數(shù)中矩陣特征值、特征向量求解及特征向量的斯密特正交化方法。使學(xué)生掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，這對理解算符本征方程的本征值和本征函數(shù)起了很大的推動(dòng)作用。

3.注重量子論思想的培養(yǎng)。量子論的出現(xiàn)，推動(dòng)了哲學(xué)的發(fā)展，給傳統(tǒng)的時(shí)空觀、物質(zhì)觀等帶來了巨大的沖擊，舊的世界觀在它革命性的沖擊下分崩離析，新的世界觀逐漸形成。量子力學(xué)給出了一套全新的思維模式和解決問題的方法，它的思維模式跟人們的直覺和常識(shí)格格不入，一切不再連續(xù)變化，而是以“量子”的模式一份一份的增加或減少。地方高校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，不愿意動(dòng)手推導(dǎo)，學(xué)習(xí)興趣較低，量子力學(xué)的教學(xué)，對學(xué)生量子論思維方式的培養(yǎng)就顯得尤為重要。為了完成從經(jīng)典理論到量子理論思維模式的轉(zhuǎn)變，概念的思維方式是基礎(chǔ)、是重中之重。通過教師的講解，使學(xué)生理解量子力學(xué)的思考方式，并把經(jīng)典物理中機(jī)械唯物主義的絕對的觀念和量子力學(xué)中的概率的觀念相聯(lián)系起來，在生活中能夠利用量子力學(xué)的思維方式思考問題，從而達(dá)到學(xué)以致用的目的。

4.跟蹤科學(xué)前沿，隨時(shí)更新科研進(jìn)展?？茖W(xué)是不斷向前發(fā)展的，而教材自從編好之后多年不再變化，致使本領(lǐng)域的最新研究成果，不能在教材中得到及時(shí)體現(xiàn)。而發(fā)生在眼下的事件，最新的東西才是學(xué)生感興趣的。因此，我們可以利用學(xué)生的這種心理，通過跟蹤科學(xué)前沿，及時(shí)補(bǔ)充量子力學(xué)進(jìn)展到教學(xué)內(nèi)容中的方式，來提高學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。教師利用量子力學(xué)基本原理解釋當(dāng)下最具轟動(dòng)性的科技新聞，提高量子力學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用基本原理解釋現(xiàn)實(shí)問題，從而培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

三、更新教學(xué)手段，提高教學(xué)效率

1.拓展手段，量子力學(xué)可視化。早在上世紀(jì)90年代初，兩位德國人就編制完成了名為IQ的量子力學(xué)輔助教學(xué)軟件，并在此基礎(chǔ)上出版了《圖解量子力學(xué)》。該書采用二維網(wǎng)格圖形和動(dòng)畫技術(shù)，形象地表述量子力學(xué)的基本內(nèi)容，推動(dòng)了量子力學(xué)可視化的前進(jìn)。近幾年計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的迅速提高，將計(jì)算物理學(xué)方法和動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合，再輔以數(shù)學(xué)工具模擬，應(yīng)用到量子力學(xué)教學(xué)的輔助表述上，使量子力學(xué)可視化。通過基本概念和原理形象逼真的表述，學(xué)生理解起來必將更加輕松，其理解能力也會(huì)得到提高。

2.適當(dāng)引入英語詞匯。在一些漢語解釋不是特別清楚的概念上，可以引入英文的原文，使學(xué)生更清晰的理解原理所表述的含義。例如，在講解測不準(zhǔn)關(guān)系時(shí)，初學(xué)者往往覺得它很難理解。由于這個(gè)原理和已經(jīng)深入人心經(jīng)典物理概念格格不入，因此初學(xué)者往往缺乏全面、正確的認(rèn)識(shí)。有學(xué)生根據(jù)漢語的字面意思認(rèn)為，測量了才有不確定度，不測量就不存在不確定。這時(shí)教師引入英文“Uncertainty principle”可使學(xué)生通過英文原意“不確定原理”知道，這個(gè)原理與“測量”這個(gè)動(dòng)作的實(shí)施與否并沒有絕對關(guān)系，也就是說并不是測量了力學(xué)量之間才有不確定度，不測量就不存在，而是源于量子力學(xué)中物質(zhì)的波粒二象性的基本原理。

3.提出問題，引導(dǎo)學(xué)生探究。對于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，適當(dāng)引入思考題，并指導(dǎo)他們解決問題，從而使學(xué)生得到基本的科研訓(xùn)練。比如，在講解氫原子一級(jí)斯塔克效應(yīng)時(shí)，提到“通常的外電場強(qiáng)度比起原子內(nèi)部的電場強(qiáng)度來說是很小的”[2]。這時(shí)引入思考題：當(dāng)氫原子能級(jí)主量子數(shù)n增大時(shí)，微擾論是否還適用？在哪種情況下可以使用，精確度為多少？當(dāng)確定精度要求后，微擾論在討論較高激發(fā)態(tài)時(shí)，這個(gè)n能達(dá)到多少？學(xué)生通過對問題的主動(dòng)探索解決，將進(jìn)一步熟悉微擾論這個(gè)近似方法的基本過程，理解這種近似方法的精神。這樣不僅可以加深學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解，還可以得到基本的科研訓(xùn)練，從而引導(dǎo)學(xué)生走上科研的道路。

4.師生全面溝通，及時(shí)教學(xué)反饋。教學(xué)反饋是教學(xué)系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對教和學(xué)雙方都具有激發(fā)新動(dòng)機(jī)的作用。比如：通過課堂提問及觀察學(xué)生表情變化的方式老師能夠及時(shí)掌握學(xué)生是否理解教師所講的內(nèi)容，若不清楚可以當(dāng)堂糾正。由此建立起良好的師生互動(dòng)，改變單純的灌輸式教學(xué)，在動(dòng)態(tài)交流中建立良好的教學(xué)模式，及時(shí)調(diào)整自己的教學(xué)行為。利用好課程結(jié)束前5分鐘，進(jìn)行本次課程主要內(nèi)容的回顧，及時(shí)反饋總結(jié)。通過及時(shí)批改課后作業(yè)，了解整個(gè)班級(jí)相關(guān)知識(shí)及解題方法的掌握情況。依據(jù)反饋信息，對后續(xù)課程進(jìn)行修訂。

通過雙方的反饋信息，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)中的反饋信息分析、判定學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，學(xué)生也可以根據(jù)教師的反饋，分析自己的學(xué)習(xí)效率，檢測自己的學(xué)習(xí)態(tài)度、水平和效果。同時(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)行為活動(dòng)和結(jié)果的反饋是教師自我調(diào)控和對整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行有效調(diào)控的依據(jù)[6]。

四、結(jié)論

量子力學(xué)作為傳統(tǒng)的“難課”，一直是學(xué)生感到學(xué)起來很困難的課程。特別是高校大擴(kuò)招的背景下，很多二本高校都面臨著招生生源質(zhì)量下降、學(xué)生學(xué)習(xí)意愿不高的現(xiàn)狀，造成了教師教學(xué)難度進(jìn)一步增大。要增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，教師不僅要遵循高等教育的教學(xué)規(guī)律，不斷加強(qiáng)自身的學(xué)術(shù)水平，講課技能，適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，采取與之相對應(yīng)的教學(xué)手段，還需要做好教學(xué)反饋，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流，了解學(xué)生的真實(shí)想法，并有針對性的引入與生活、現(xiàn)實(shí)相關(guān)的事例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)量子力學(xué)的興趣。

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量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文第3篇

關(guān)鍵詞:多媒體;量子力學(xué);教學(xué)效率

一、前言

《量子力學(xué)》課程是物理學(xué)科的一門重要的基礎(chǔ)課。量子力學(xué)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，還在化學(xué)等相關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。

由于《量子力學(xué)》課程的重要性，其相關(guān)的教學(xué)得到了相當(dāng)?shù)闹匾暎ǔＣ恐苁?個(gè)學(xué)時(shí)的課程量。眾所周知，《量子力學(xué)》是一門既難學(xué)又難教的課程，一是因?yàn)槠渲猩婕暗母拍詈臀覀內(nèi)粘Ｉ?或者說常識(shí))相距甚遠(yuǎn)，二是所學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)課程比較多，主要有高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、線性代數(shù)等，幾乎包括了物理專業(yè)學(xué)生所學(xué)過的全部數(shù)學(xué)課程。概念抽象，遠(yuǎn)離日常經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算復(fù)雜，使《量子力學(xué)》成為一門難學(xué)難教的課程。

隨著電氣化教學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在有越來越多的課程開始使用多媒體教學(xué)，并且取得了一定的成效，當(dāng)然同時(shí)也顯露了一些問題。本文擬對《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并就如何在傳統(tǒng)板書教學(xué)和多媒體教學(xué)之間達(dá)到最好的效果給出一些建議。

二、在《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)的利弊

眾所周知，多媒體教學(xué)是教學(xué)手段創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一。多媒體教學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在教育工作中的運(yùn)用，即應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，把錄音機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、視頻展示臺(tái)、投影機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)等引進(jìn)課堂，將通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子郵件、衛(wèi)星遠(yuǎn)程通訊、傳真通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)等新的教育媒體逐步運(yùn)用于教學(xué)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，增加教學(xué)的密度，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。其主要的優(yōu)點(diǎn)有:

(1)有利于提高課堂教學(xué)效率。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，教師展示知識(shí)的空間只是一塊容量有限的黑板，教學(xué)時(shí)間有限，教師不得不將很大一部分精力放在板演文字、繪畫等低效的勞動(dòng)上。這樣的課堂教學(xué)往往呆板、僵化，缺乏生機(jī)與活力，效率不高。運(yùn)用多媒體教學(xué)，可以將大量的教學(xué)信息預(yù)置在計(jì)算機(jī)內(nèi)，隨時(shí)調(diào)用，任意切換，將相關(guān)的圖形、圖像，生動(dòng)、直觀地投影到屏幕上，學(xué)生可從視覺、聽覺等多方面感受知識(shí)，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。

在《量子力學(xué)》課程中，如對于氫原子各級(jí)波函數(shù)，就可以直接使用圖像形象地表示出來，可以給學(xué)生以強(qiáng)烈的印象，使物理結(jié)果更易于理解，同時(shí)也容易激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。若使用傳統(tǒng)板書手工繪制電子云圖，一則手工畫圖速度慢，二則不很準(zhǔn)確，直接影響教學(xué)效率。有的Flash格式的課件，可以通過輸入和調(diào)整主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)，即時(shí)把原子軌道輪廓圖和徑向分布圖表示出來，用色鮮艷，對比強(qiáng)烈，給人以深刻的印象，這樣效果是很明顯的。

(2)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。多媒體技術(shù)因其圖文并茂、聲像俱佳的表現(xiàn)形式和跨越時(shí)空的非凡表現(xiàn)力，大大增強(qiáng)了學(xué)生對事物與過程的理解與感受，體現(xiàn)了極強(qiáng)的直觀性，能夠全方位、多角度、多層次地調(diào)動(dòng)學(xué)生的情緒、注意力和興趣，使學(xué)生能夠主動(dòng)地學(xué)習(xí)。

在《量子力學(xué)》課程中，比如在緒論部分，可適當(dāng)?shù)亟榻B一下在量子力學(xué)發(fā)展史上一些著名科學(xué)家的簡歷，如普朗克、愛因斯坦、玻爾、泡利、海森堡、費(fèi)曼等，使用多媒體可通過文字、音像資料充分表現(xiàn)，這可以活躍課堂氣氛，有助于促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)的熱愛，包括對《量子力學(xué)》課程的興趣。

(3)多媒體教學(xué)可以拓展教學(xué)時(shí)空。學(xué)生也可以通過拷貝電子教案和網(wǎng)上閱讀電子教案進(jìn)行課后復(fù)習(xí)，逐漸改變學(xué)生過于依賴課堂、過于依賴教師的傳統(tǒng)教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的能力，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和學(xué)生個(gè)性的發(fā)展。事實(shí)上，我們可從網(wǎng)絡(luò)上看到許多名師的教學(xué)課件，通過對課件的學(xué)習(xí)，無論對于學(xué)生還是教師都是有益的。這不論對《量子力學(xué)》課程還是其他課程都是一樣的。

(4)動(dòng)態(tài)交互性強(qiáng)。人機(jī)交互、立即反饋是多媒體技術(shù)的顯著特點(diǎn)，也是任何其他媒體所沒有的。在這種交互式學(xué)習(xí)環(huán)境中，教師通過創(chuàng)設(shè)形象直觀、生動(dòng)活潑的交互式教學(xué)情境，為學(xué)生提供更多的參與機(jī)會(huì)。教師與學(xué)生的交流、學(xué)生與學(xué)生交流、人機(jī)交流的良性互動(dòng)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及參與意識(shí)，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)習(xí)更為主動(dòng)，從而有利于學(xué)生形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

(5)理論聯(lián)系實(shí)踐的功能大大增強(qiáng)。運(yùn)用多媒體技術(shù)可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對普通實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)充，甚至現(xiàn)實(shí)環(huán)境很難實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以用圖形、圖像等多媒體形式，模擬實(shí)驗(yàn)全過程。借助有關(guān)的教學(xué)軟件，通過對真實(shí)情景的再現(xiàn)和模擬，學(xué)生可以隨時(shí)在電腦上“重溫”實(shí)驗(yàn)過程。

在《量子力學(xué)》課程中涉及的實(shí)驗(yàn)不多，主要有黑體輻射、電子衍射實(shí)驗(yàn)、Stern-Gelach實(shí)驗(yàn)等。在展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果時(shí)，多媒體可發(fā)揮其優(yōu)越性。如電子衍射實(shí)驗(yàn)，通過減弱電子流強(qiáng)度使粒子一個(gè)一個(gè)地被衍射，粒子一個(gè)個(gè)隨機(jī)的被打到屏幕各處，顯示粒子性，但經(jīng)過足夠長的時(shí)間，所得衍射圖樣和大量電子同時(shí)衍射所得圖樣一樣，從而引出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋。使用多媒體動(dòng)畫，我們可形象地展現(xiàn)電子一個(gè)一個(gè)打到屏幕上最后得到衍射圖樣的過程。這是在黑板上自己手工畫圖的效果所不能比擬的。

以上我們討論了使用多媒體教學(xué)體現(xiàn)出的優(yōu)越性。開展多媒體教學(xué)時(shí)一定要處理好內(nèi)容與形式的關(guān)系。形式為內(nèi)容服務(wù)，這是教學(xué)的一個(gè)基本原則，多媒體教學(xué)也不例外。教學(xué)體現(xiàn)的是教師和學(xué)生之間的一個(gè)溝通過程，在此過程中，如何恰當(dāng)?shù)厥褂枚嗝襟w技術(shù)應(yīng)引起我們的注意。如果我們仔細(xì)分析，可以發(fā)現(xiàn)在多媒體教學(xué)中，特別是在《量子力學(xué)》教學(xué)中同樣存在著較多的問題，值得引起我們的注意。

(1)忽視雙向交流。在多媒體教學(xué)中，如果不注意的話，教師可能會(huì)較多的注意桌面點(diǎn)擊，表演課件，而在一定的程度上忽視和學(xué)生的雙向交流。不過相對來說，這一點(diǎn)只要講課老師適當(dāng)注意，就能夠減小這方面的不利影響。

(2)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的欠缺。

在《量子力學(xué)》課程中，由于涉及到的數(shù)學(xué)計(jì)算較多，在講課過程中無法避免地會(huì)出現(xiàn)較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。面對整個(gè)多媒體中大片的公式，學(xué)生很容易感到疲倦，甚至失去興趣，從而使教學(xué)效果大打折扣。

從某種意義上來說，如果學(xué)了一門理論物理的課，學(xué)生卻不能夠把公式推導(dǎo)出來，就教學(xué)效果而言，是一個(gè)很大的遺憾。使用板書可讓學(xué)生真實(shí)地看到教師如何把結(jié)論一步一步地推導(dǎo)出來，與使用多媒體相比，學(xué)生更容易掌握板書的推導(dǎo)，且學(xué)生本身的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力也能較快地提高。甚至教師在推導(dǎo)過程中偶然的失誤也會(huì)促進(jìn)學(xué)生的了解，至少可以讓學(xué)生知道哪些地方如果不注意的話可能會(huì)弄錯(cuò)。

不過，過于復(fù)雜且教學(xué)大綱又不作要求的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以通過多媒體進(jìn)行，一是讓學(xué)生看到了結(jié)論是如何出來的，二又避免了把過多的時(shí)間投入于此，畢竟課堂時(shí)間是有限的。比如一維諧振子波函數(shù)，氫原子角向波和徑向波函數(shù)。在教科書上，對氫原子角向波函數(shù)，常常直接說在《數(shù)學(xué)物理方法》課程中已經(jīng)得到解，為球諧函數(shù)，然后就直接給出了結(jié)論，由于課時(shí)的原因，不可能對此進(jìn)行詳細(xì)的闡述。事實(shí)上學(xué)生有可能已經(jīng)遺忘了相關(guān)內(nèi)容，因此相應(yīng)的復(fù)習(xí)還是必要的。通過多媒體簡略地展示下相關(guān)推導(dǎo)過程可能是一個(gè)比較好的選擇。

三、結(jié)論

前面我們分別討論了在《量子力學(xué)》課程中使用多媒體教學(xué)中存在著的優(yōu)缺點(diǎn)。為了有效提高教學(xué)效果，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)綜合的使用傳統(tǒng)板書教學(xué)和多媒體教學(xué)，在講授基本概念和有較多的圖表時(shí)，可多使用多媒體教學(xué)，但應(yīng)適當(dāng)使用，而在講數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)仍應(yīng)使用傳統(tǒng)板書，少用甚至不使用多媒體。

參考文獻(xiàn)

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量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文第4篇

化學(xué)的學(xué)科發(fā)展，可以提到許多方面，如飛秒化學(xué)。化學(xué)向生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、材料設(shè)計(jì)、能源、大氣和環(huán)境化學(xué)、國家安全與個(gè)人安全等領(lǐng)域的拓展等。在本文中，要著重說的是：化學(xué)與化學(xué)工程的重新融合。

20世紀(jì)初，化學(xué)工程從應(yīng)用化學(xué)中脫胎而出，經(jīng)歷了單元操作和三傳一反，形成了化學(xué)工程學(xué)，從以經(jīng)驗(yàn)為主過渡到有一定預(yù)測功能的較完整的理論，從而導(dǎo)致化學(xué)與化學(xué)工程的分離。這種情況在20世紀(jì)90年生了變化，基礎(chǔ)化學(xué)研究與化學(xué)工程之間發(fā)生了空前的交疊和滲透?；瘜W(xué)家越來越多地介入復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)造、分析和使用中，這些自然而然與工程學(xué)中的系統(tǒng)方法有關(guān)?；瘜W(xué)工程師正日益進(jìn)入越來越多的化學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域，在一些情況下甚至處于領(lǐng)導(dǎo)地位。在2003年美國出版的《超越分子前沿――化學(xué)與化學(xué)工程面臨的挑戰(zhàn)》一書中，開始使用化學(xué)科學(xué)來代表所有化學(xué)家和化學(xué)工程師的工作范圍。

化學(xué)是一個(gè)多尺度的科學(xué)。微觀尺度是從電子和原子核到分子，例如分子設(shè)計(jì)。宏觀尺度，例如實(shí)驗(yàn)室合成、生產(chǎn)裝置、化學(xué)和物理操作、產(chǎn)品包裝和運(yùn)輸。現(xiàn)在大家更關(guān)注介觀尺度。從化學(xué)方面來說，人們關(guān)注超越分子的層次，進(jìn)入超分子、分子集團(tuán)、大分子、活性中心、器件的作用域，可以說從微觀跨越到介觀以至宏觀層次。從化學(xué)工程來說。人們也不再滿足于宏觀的三傳一反，而是逐步深入到顆粒、液滴、氣泡、微孔、界面等介觀行為，并對微觀的機(jī)理也表現(xiàn)了濃厚的興趣。化學(xué)由底向上，化學(xué)工程由頂向下，在介觀層次相遇，互相借鑒，對于化學(xué)科學(xué)及其理論的發(fā)展，形成了巨大的推動(dòng)。

二、介觀尺度的研究

通?；瘜W(xué)以量子力學(xué)或量子化學(xué)為理論基礎(chǔ)，用以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和對稱等，現(xiàn)在正逐步重視隨時(shí)間發(fā)展的動(dòng)態(tài)演變。在唯象地說明宏觀現(xiàn)象時(shí)，則應(yīng)用熱力學(xué)。進(jìn)入介觀層次后，要采用平衡態(tài)和非平衡態(tài)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，后者需要綜合應(yīng)用流體力學(xué)的原理。

化學(xué)工程通常以流體力學(xué)和熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，特別重視湍流理論、多相流和不可逆過程的熱力學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)有很大的發(fā)展。在研究湍流的強(qiáng)相關(guān)機(jī)理以及涉及介觀層次時(shí)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)原理起著重要的作用。而在為特征參數(shù)找出規(guī)律時(shí)，則需要量子力學(xué)的幫助。

化學(xué)科學(xué)理論的發(fā)展，進(jìn)入到綜合運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)的時(shí)代，目標(biāo)是解決多尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)與宏觀平衡和速率的關(guān)系。

進(jìn)行多尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)研究，有兩個(gè)重要方面：一是由下向上的預(yù)測。從分子結(jié)構(gòu)逐級(jí)預(yù)測介觀層次的各種結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的演變，并進(jìn)而預(yù)測宏觀層次的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和分離的特性，以至在反應(yīng)器和分離裝置中的行為，目標(biāo)是形成無縫的從微觀到宏觀的鏈接。要做到這一點(diǎn)，先要搞清楚各個(gè)相鄰層次的時(shí)空結(jié)構(gòu)是如何相互關(guān)聯(lián)的。研究這種關(guān)聯(lián)，首先要有實(shí)驗(yàn)的觀察，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)律，然后是理論的建立和推導(dǎo)，作為過渡步驟，也常常是采用模型的半經(jīng)驗(yàn)方法。二是由上向下的控制。用宏觀的手段，逐級(jí)控制各級(jí)時(shí)空結(jié)構(gòu)的形成。這兩個(gè)方面有著緊密的聯(lián)系，有相輔相成的關(guān)系。

三、對化學(xué)教學(xué)的啟示

為了適應(yīng)不斷變化的新形勢，化學(xué)教學(xué)要做好以下幾點(diǎn)：

第一要打好基礎(chǔ)。最重要的是，對于本學(xué)科的框架結(jié)構(gòu)，通過教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生有一個(gè)系統(tǒng)的完整的初步認(rèn)識(shí)。新的現(xiàn)象、規(guī)律和方法不斷出現(xiàn)，要善于在學(xué)科的框架結(jié)構(gòu)中找到它的位置。

對于物理化學(xué)，我們認(rèn)識(shí)到的學(xué)科框架包括：

兩大類研究對象：平衡和速率。

三個(gè)層次：宏觀層次，由微觀到宏觀的過渡層次，微觀層次。

兩個(gè)方面：普遍規(guī)律和物質(zhì)特性。兩者結(jié)合，可以解決實(shí)際問題。

三種方法：研究物質(zhì)特性，有實(shí)驗(yàn)方法、半經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法。從理論上研究物質(zhì)特性，將進(jìn)入下一個(gè)更深的層次。

例如生物膜中的促進(jìn)傳遞和耦合傳遞。屬于宏觀層次的速率過程，具體來說是界面中的速率過程。對于普遍規(guī)律，要學(xué)教材中“傳遞過程”的內(nèi)容(當(dāng)然還有些特殊的地方)。為得到某一個(gè)生物膜的傳遞特性，要采用實(shí)驗(yàn)測定，或半經(jīng)驗(yàn)方法。而要從理論上得到這種特性，必須應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)。

又如耗散顆粒動(dòng)態(tài)學(xué)DPD，它是一種介觀層次的模擬，實(shí)質(zhì)上它就是分子動(dòng)態(tài)學(xué)模擬MD，屬于從微觀到宏觀的過渡層次的普遍規(guī)律范疇。特殊之處是應(yīng)用了粗?；?，引入更低的介觀層次，相應(yīng)還采用了耗散力和隨機(jī)力。

第二要強(qiáng)調(diào)開放?？蚣苁情_放的，可以不斷更新和充實(shí)。內(nèi)容是開放的，可以經(jīng)常介紹新的進(jìn)展。

對于如此豐富的介觀層次，上述框架的精神依舊。微觀和宏觀之間，可以加入各種由低到高的介觀層次之間的過渡層次。研究某一介觀層次的特性，仍然有實(shí)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)、理論這三種方法。理論方法主要采用平衡態(tài)和非平衡態(tài)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，相應(yīng)進(jìn)入了下一個(gè)層次，即從更低的介觀層次到該介觀層次的過渡層次。

第三要善用類比。類比永遠(yuǎn)不會(huì)完美，卻幾乎常常有用。物理學(xué)是一個(gè)由于類比而興旺的領(lǐng)域，例如，基于借自超導(dǎo)的概念，我們可以至少部分理解超流的氦。物理化學(xué)中類比于由理想氣體到實(shí)際氣體，在研究混合物時(shí)，我們由理想混合物到實(shí)際混合物。

上面提到的耦合傳遞，可以和耦合反應(yīng)進(jìn)行類比。又如密度泛函理論DFT，則是以密度分布p(r)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的位能函數(shù)ε(r)為基本變量構(gòu)筑泛函。變分原理則等價(jià)于最概然分布原理或熵最大原理。

當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)是：從微觀到宏觀的過渡層次；傳遞速率；進(jìn)展。

要加強(qiáng)教學(xué)資源建設(shè)，包括教材、系列參考書、電子教材、網(wǎng)站建設(shè)等。

四、教學(xué)方法

量子力學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用范文第5篇

一、物理化學(xué)課程在課程體系中的地位

物理化學(xué)在兩階段工科化學(xué)(化工類)課程體系中處于樞紐地位。第一階段由化學(xué)原理(基礎(chǔ)物理化學(xué))、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等課程組成?；瘜W(xué)原理作為理論教學(xué)內(nèi)容,在對中學(xué)化學(xué)知識(shí)總結(jié)提煉上升到理性認(rèn)識(shí)高度的基礎(chǔ)上,對后繼無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)作為應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容提供理論基礎(chǔ)。第二階段由物理化學(xué)加后繼專業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程、選修課程組成。物理化學(xué)作為理論教學(xué)內(nèi)容,既將先前所學(xué)無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等知識(shí)從理性上加以認(rèn)識(shí)提高,又為后繼課程提供理論基礎(chǔ)。[2]在專業(yè)教育的范疇內(nèi),物理化學(xué)是工科,尤其是化工、冶金、輕工等各專業(yè)必備的化學(xué)理論基礎(chǔ),它銜接基礎(chǔ)理論和相關(guān)的專業(yè)課程,是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。

二、物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容

物理化學(xué)提供應(yīng)用于所有化學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的基本概念和原理,嚴(yán)格和詳細(xì)地闡釋化學(xué)中普適的核心概念,以數(shù)學(xué)模型提供定量的預(yù)測。因此,物理化學(xué)是分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)課程,以及其他相關(guān)前沿課題的概念的理論基礎(chǔ)?？傮w而言,物理化學(xué)理論課程可能涉及的教學(xué)內(nèi)容如下:[3]

1.熱力學(xué)與平衡

標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)(焓、熵、吉氏函數(shù)等)及其應(yīng)用。熵的微觀解釋?；瘜W(xué)勢在化學(xué)和相平衡中的應(yīng)用。非理想系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、活度、德拜-休克爾極限公式。吉布斯相律、相平衡、相圖。電化學(xué)池的熱力學(xué)。

2.氣體分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說

麥克斯韋-玻耳茲曼分布。碰撞頻率、隙流速度。能量均分定律、熱容。傳遞過程、擴(kuò)散系數(shù)、黏度。

3.化學(xué)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)速率的微分和積分表達(dá)式。弛豫過程。微觀可逆性。反應(yīng)機(jī)理與速率方程。穩(wěn)定態(tài)近似。碰撞理論、絕對速率理論、過渡狀態(tài)理論。同位素效應(yīng)。分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)含分子束、反應(yīng)軌跡和激光。

4.量子力學(xué)

薛定諤方程的假定和導(dǎo)出。算符和矩陣元素。勢箱中的粒子。簡諧振子。剛性轉(zhuǎn)子、角動(dòng)量。氫原子、類氫離子波函數(shù)。自旋、保里原理。近似方法。氦原子。氫分子離子、氫分子、雙原子分子。LCAO方法。計(jì)算化學(xué)。量子化學(xué)應(yīng)用。

5.光譜

光-物質(zhì)相互作用、偶極選律。線型分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。振動(dòng)光譜。光譜項(xiàng)。原子和分子的電子光譜。磁共振譜。拉曼光譜、多光子選律。激光。

6.統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)

系綜。配分函數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)。原子、剛性轉(zhuǎn)子、諧振子的配分函數(shù)。愛因斯坦晶體、德拜晶體。

7.跨學(xué)科的應(yīng)用

生物物理化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、藥學(xué)、大氣化學(xué)等。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生用物理化學(xué)原理聯(lián)系定量模型與觀察到的化學(xué)現(xiàn)象的能力,深化學(xué)生對模型定性假設(shè)和局限的理解,鍛煉他們采用模型定量預(yù)測化學(xué)現(xiàn)象的基本技能。

學(xué)生應(yīng)能記錄正確的測量值,估算原始數(shù)據(jù)的誤差。學(xué)生需要理解電子儀器的原理和使用方法,操作現(xiàn)代儀器測量物理性質(zhì)和化學(xué)變化,積累用這些儀器解決實(shí)驗(yàn)問題的經(jīng)驗(yàn)。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)含有結(jié)合若干實(shí)驗(yàn)方法和理論概念的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。適用于工科化學(xué)(化工類)課程體系的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大體如下:

1.熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)聯(lián)用測定無機(jī)鹽溶解熱。計(jì)算機(jī)聯(lián)用測定有機(jī)物燃燒熱。溫度滴定法測定弱酸離解熱。差熱分析。

2.相平衡化學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)

不同外壓下液體沸點(diǎn)的測定。環(huán)己烷-乙醇恒壓氣液平衡相圖繪制。液-固平衡相圖繪制。凝固點(diǎn)下降法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。沸點(diǎn)升高法測定物質(zhì)摩爾質(zhì)量。熱重分析。氨基甲酸銨分解平衡常數(shù)的測定。

3.表面化學(xué)實(shí)驗(yàn)

溶液表面張力測定。沉降法測定粒度分布。BET容量法測定固體比表面積。

4.化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

量氣法測定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率系數(shù)。蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率系數(shù)測定。酯皂化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。一氧化碳催化氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。甲酸液相氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式的建立。可燃?xì)?氧氣-氮?dú)馊当O限的測定。計(jì)算機(jī)聯(lián)用研究BZ化學(xué)振蕩反應(yīng)。

5.電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

強(qiáng)電解質(zhì)溶液無限稀釋摩爾電導(dǎo)的測定。離子遷移數(shù)測定。原電池反應(yīng)電動(dòng)勢及其溫度系數(shù)的測定。金屬鈍化曲線測定。

6.結(jié)構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

磁化率測定。分子介電常數(shù)和偶極矩的測定。

三、面向?qū)I(yè)的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

當(dāng)然,一個(gè)工科類專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)不可能也不必要包含上列的所有內(nèi)容。因此,各學(xué)科專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格,在已經(jīng)或即將公布的各學(xué)科專業(yè)的指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范中,制訂了包括物理化學(xué)在內(nèi)的化學(xué)課程教學(xué)基本內(nèi)容作為最低要求。如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的規(guī)范(研究型)中規(guī)定:物理化學(xué)可分為兩部分,物理化學(xué)(I)主要內(nèi)容為化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等,作為化工主干課的基礎(chǔ),應(yīng)注意與化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程的銜接和分界(一些內(nèi)容可在化工熱力學(xué)課程和化學(xué)反應(yīng)工程課程中展開,以加強(qiáng)工程背景);物理化學(xué)(II)主要內(nèi)容為溶液理論、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、量子力學(xué)等方面的概要以及近展等。各專業(yè)的物理化學(xué)教學(xué)基本內(nèi)容充分體現(xiàn)了本專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn),是在保障人才培養(yǎng)質(zhì)量的前提下,兼顧國內(nèi)各相關(guān)學(xué)校的教學(xué)條件提出的基本要求。因此,它體現(xiàn)的是該專業(yè)人才的知識(shí)體系的共性。由于各校的學(xué)科背景和教學(xué)條件的優(yōu)勢不同,要培養(yǎng)具有特色的專業(yè)人才,需要在教學(xué)中研究如何在滿足各專業(yè)的教學(xué)基本內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上開展物理化學(xué)教學(xué)。我們認(rèn)為在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)中應(yīng)堅(jiān)持貫徹下列原則,才能切實(shí)發(fā)揮物理化學(xué)這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程的作用。[4]

1.承前啟后,發(fā)揮樞紐作用。了解授課對象的先修和后繼課程與物理化學(xué)的聯(lián)系,深化化學(xué)原理課程中的物理化學(xué)理論,介紹其在后繼專業(yè)課程中的應(yīng)用,以開闊視野并兼顧系統(tǒng)性和趣味性。

2.少而精和博而通。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容要突出重點(diǎn),講深講透,體現(xiàn)學(xué)科框架;選擇介紹相關(guān)前沿的內(nèi)容以擴(kuò)大知識(shí)面。

3.提倡內(nèi)容側(cè)重的多樣化。針對不同專業(yè)時(shí)要不拘一格,倡導(dǎo)內(nèi)容側(cè)重的多樣化;即便面對同一專業(yè),內(nèi)容側(cè)重亦應(yīng)有寬松的選擇余地。

4.體現(xiàn)工科特色,強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和實(shí)踐性。引入研究型實(shí)踐項(xiàng)目,使學(xué)生加深對理論的理解,提高應(yīng)用水平。

四、建設(shè)物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的措施

華東理工大學(xué)物理化學(xué)教研室在國家精品課程和國家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)過程中,以提高專業(yè)人才的教育質(zhì)量為目標(biāo),采取了一系列措施,提高物理化學(xué)課程的教學(xué)水平和質(zhì)量,促進(jìn)相關(guān)專業(yè)的課程體系建設(shè)。

1.根據(jù)授課專業(yè)的先修、后繼課程,研讀相關(guān)教材,如化學(xué)工程與工藝專業(yè)的現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)、化工熱力學(xué)、化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程、化工過程分析與合成教材,了解其改革動(dòng)向和內(nèi)容變革,并且請有關(guān)學(xué)科的學(xué)術(shù)帶頭人做物理化學(xué)在學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用介紹的報(bào)告,提出教學(xué)內(nèi)容改革建議。這樣做的結(jié)果一方面可以避免教學(xué)內(nèi)容上不必要的重復(fù),另一方面可以合理地選擇教學(xué)內(nèi)容側(cè)重,實(shí)現(xiàn)化學(xué)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的合理銜接。

2.編寫教材和教學(xué)參考書,保障教學(xué)基本內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,介紹物理化學(xué)學(xué)科發(fā)展、在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用;介紹溶液模型、線性自由能關(guān)系等半經(jīng)驗(yàn)方法,以銜接后繼課程。近年來編寫或修訂出版了《物理化學(xué)參考》、《物理化學(xué)》(第五版)、《物理化學(xué)導(dǎo)讀》、《物理化學(xué)釋疑》、《物理化學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)指南》。開展教學(xué)研討,提高教師隊(duì)伍的學(xué)識(shí)水平和在教學(xué)中貫徹少而精、博而通教學(xué)思想的能力。

3.制作相關(guān)前沿課題和理論應(yīng)用實(shí)例,如“正、負(fù)離子混合表面活性劑雙水相系統(tǒng)及其微觀結(jié)構(gòu)”、“溫室氣體CO2的捕集和封存(CCS)技術(shù)”、“復(fù)雜材料的微相平衡和結(jié)構(gòu)演化的數(shù)學(xué)模擬”、“離子液體的合成、性質(zhì)和應(yīng)用”等教學(xué)素材,進(jìn)行教學(xué)資源的儲(chǔ)備。

4.由科學(xué)研究項(xiàng)目提煉研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn),如“界面上聚乳酸PLA膜的結(jié)構(gòu)特性研究”、“生物柴油中脂肪酸甲酯的GC-MS測定”、“MCM-41介孔氧化硅材料的合成和表征”等;形成各類研究性課題,如“生物柴油的制備及性能檢測”、“Gem-ini表面活性劑連接基團(tuán)對合成硅基介孔材料結(jié)構(gòu)的影響”等。