时间:2022-03-13 02:37:36
开篇:写作不仅是一种记录,更是一种创造,它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感,将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇量子化学论文,希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友,陪伴您不断探索和进步。
论文摘要:将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律,这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。
量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科,经过化学家们的努力,量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展,在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前,量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域,取得了丰富的理论成果,并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。
一、在材料科学中的应用
(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
经过约200多年的努力,化学进入现代时期。总结起来说现代化学有五大特点和两个发展方向。
五大特点是
(1)化学家对物质的认识和研究,从宏观向微观深入。20世纪以来,化学家已用实验打开原子大门,深入地了解原子内部的情况,并且用量子理论探讨原子内的电子排布、能量变化等。就是对复杂的化学反应来说,也可以测量反应机理,了解反应过渡态的情况以及分子、原子间能量的交换。
(2)从定性和半定量化向高度定量化深入。虽然近代化学也曾广泛地使用各种定量化工具,但是还只能说停留在定性和半定量化水平。本世纪60年代后,电子计算机大规模地引进化学领域,用它来计算分子结构已取得巨大的成功。如今任何化学论文如无详尽的定量数据就难以发表,发表了也难取得公认。而且如今化学实验的精密度愈来愈高,几乎所有仪器都是定量化的,有的还用电子计算机来控制。
(3)对物质的研究从静态向动态伸展。近代化学对物质的研究基本上停留在静态的水平或从静态出发,推出一些动态情况。例如,从热力学定律出发,通过状态函数的变化,从始态及终态情况推断反应变化中一些可能情况。现代化学已摆脱这种间接研究推理,而采用直接的方法去了解或描述动态情况,特别是激光技术、同位素技术、微微秒技术、分子束技术在现代化学里的大规模应用。化学家目前已能了解皮秒内微粒运动的情况,反应中化学键的断裂以及能量交换等情况。特别值得一提的是有关动态薛定谔方程的研究,一旦成功它将会为动态研究开辟光辉前景。
(4)由描述向推理或设计深化。近代化学几乎全凭经验,主要通过实验来了解和阐述物质。虽然也有一些理论如溶液理论、结构理论等可以指示研究方向,但总体来说近代化学基本上是描述性的。原来化学中四大学科(无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)彼此存在很大独立性。然而现代化学已打破传统的界限,化学不仅自身各学科相互渗透,而且跟物理、生物、数学、医学等学科相互交融和渗透。特别是近年量子化学的发展,已渗透到各学科,使化学摆脱历史传统,可以预先预测和推理,然后用实验来验证或合成。例如,当今许多高难度的合成工作都事先根据理论设计,然后决定合成路线。著名的维生素B12的合成工作就是一个典范,它标志着化学已从描述向设计飞跃。
(5)向研究分子群深入。近代化学对化学的研究通常只停留在一个或几个分子间的作用。即所谓0级、1级、2级、3级反应,对多分子的反应是无能为力的。但是近代化学远远不能满足实际需要了,特别是研究生物体内的化学反应,就要研究多个分子甚至一大群分子间的反应了。例如,一个活细胞内往往需要几十种酶作催化剂,同时催化许多化学反应。因此研究分子群关系,已成为现代化学的一个特点。
现代化学的发展方向,一是化学向分子设计方向前进。分子设计就是说化学家像建筑师造房子那样设计好再建造。由于电子计算机、各种能谱技术、微微秒技术、激光技术、同位素技术等在化学上的应用,使分子设计逐渐趋向现实。上面说过的著名有机合成大师伍德沃德合成难度极大的维生素B12,就是按他创立的前沿轨道理论出发,计算后设计出最佳合成路线和原料配比,一举成功并传为佳话。目前全世界每年合成几千种抗癌药,大都是先设计好合成路线,而后进入生产的。
现代化学第二个发展方向是向分子群研究进军。在自然界中生物的活动常常同时发生几十个甚至几百个化学反应,才能使生物体生命延续。就是完成一项简单工作也必须是多个分子同时工作才能实现。例如,根瘤菌体内的固氮酶,就有两种蛋白质分子,一种是含铁的,另一种是含钼的,这两种分子必须同时工作才能把氮气固定下来。目前化学家已合成主要生命基础物质,并引进酶技术、仿生技术、膜技术等,使研究分子群的情况成为可能。这也是为揭开生命秘密做好基础工作。
总之,现代化学的特点决定现代化学的发展方向,反过来现代化学的发展方向也决定现代化学的五大特点,它们是相辅而成、相得益彰的。
徐仲榆自诩的“第三个春天”从这里起步。
“人家不要了,我捡回来不是蛮好的”
一位体魄健康的长者,一辆破旧的单车,一副永远在路上思考的模样。这就是徐仲榆在路上给人的第一印象。
徐仲榆创业的“工棚”――湖南大学新型碳科学研究所也和他一样质朴,不注重外表。研究所总共约有600平方米,主车间约百十平方米,里边堆满了自制的机床。在它的一角,用几张桌子拼成简易的多用途车间会议室,接洽谈判、给学生授课、师生交流都在这里进行。西墙上一幅国画《不老松》是一名工友之作,下边有一块大黑板,用来记载实验数据。
徐仲榆的办公室设在一个复式结构的“阁楼”上,沿主车间东墙南侧一架窄窄的铁梯拾梯而上便到了――中间几张桌子拼一块儿,旁边不知是哪踅摸来的一个小书架,上下两层都是书,相当简陋。紧邻主车间西墙北侧,是一间狭长的阅览室,几张桌子凑到一块就是一个大展台,自北向南依次摆放着各种荣誉证书、优秀论文指导教师奖杯、博士生论文、硕士生论文、本科生论文、历年科研鉴定、各类碳科学刊物、实验材料等。再往里是几间小房子,每间不过十几平方米,多是实验室。几张老式电脑桌,每张中间立块玻璃就是实验台。
实验室里除去做实验用的仪器设备外,里边坐的、用的,都是些老掉牙的电器家具,包括旧空调、旧器具和那些杂七杂八的桌子、椅子、立柜……在徐仲榆眼里都是宝贝,他把它们从学校的各个角落捡来,修缮后再用,其中有百十个被丢弃的干燥器,差不多得值万把块钱,也被他搜罗来,都派上了用场。
“人家不要了,我捡回来不是蛮好的?”徐仲榆对研究所的设备颇为满意。
“恢复搞业务,60岁起是我的第三个春天”
13年前,徐仲榆从湖南大学常务副校长的位子上下来时,已年届六十。至此,从他做系主任算起,已经连续搞了10年行政。再往前,他教过物质结构及固体物性、量子力学、量子化学、物质结构、表面化学、复合材料等课程;再前,他教过英语、俄语、数学、物理、化学,做过载波、测量,搞过选矿理论与应用研究,并且取得了显著成果。
“60岁,人家退休,我开始恢复搞业务。”13年前,他说自己人生的第三个春天该是时候了。
徐仲榆的第一个春天是在刚解放时,那时他是一个非常激进的热血青年,至今他还清晰地记得当时参加全上海200万人街头游行的壮观场面。
徐仲榆的第二个春天就是粉碎“”以后全中国知识分子的春天。
徐仲榆的第三个春天,是从这“工棚”――湖南大学新型碳科学研究所开始的。
“工棚”的前身是金防(金属腐蚀防腐)电镀车间,由于年久失修,早已破烂不堪,徐仲榆卸任副校长之际,决定利用这地方开办湖南大学新型碳材料研究所,瞄准世界碳材料领域开创自己的又一春,把耽误的时间补回来。
徐仲榆踌躇满志地找到“金防”管事的,用自己的经费换来了早已破烂的车间。接着,他又争取到了创业的合法身份――湖南大学新型碳材料研究所。有了牌子,有了公章,在他来看,这就够了。剩下的一切都要靠自己。
今天的徐仲榆回忆起往日从工棚起步的艰难,连用了三个排比,“这就是从一个荒草丛生的地方,从一个灰尘堆满的地方,从一个狼籍到处的地方,变成了今天这样。”
没有开办费,他从自己课题经费中拿,没有帮手,他用自己课题经费雇了一个退休职工…… 天下无难事,只怕只有心。在徐仲榆等的努力下,研究所终于像模像样地办起来了。
从那时开始,湖南大学新型碳材料研究所和徐仲榆研究成果不断涌现。其中,“高模量炭纤维连续长丝及新型纤维石墨化设备”获1995年湖南科技进步一等奖;“ZGJ―100―26X真空感应烧结炉”获1996年司法部科技进步一等奖;锂离子二次电池用炭负极材料的性能指标已超过国家同类产品的性能。
“搞出了成绩,外国人也会找你合作”
2004年4月13日,一位法国人下飞机,出机场,上高速,行色匆匆赶到徐仲榆的“工棚”――湖南大学新型碳科学研究所,他是来履行合约安装调试设备的。
这是徐仲榆的最新动作。他刚刚搞了一个名叫高温分析示范实验室的法中联合体,从法国引进了一套高温热分析仪。据他介绍,这种设备国外只有法国和德国两个国家有,我们国家只有沈阳金属研究所和湖南大学新型碳材料研究所各有1台。
这套设备的到来,表明徐仲榆和湖南大学新型碳材料研究所的研究成果和权威地位进一步得到国际同行的认可。
早在2002年10月,徐仲榆就因其成就被在北京召开的Carbon’02国际碳素会议推选为大会名誉主席,并代表中国作了大会报告。这次会上,他一人带去了5篇论文,让与会者惊讶不已。
2003年10月,经过极为严格的推选程序,他获得首届中国碳素杰出成就奖。徐仲榆的研究成果,不仅受到同行的肯定,也引起了一位搞热分析研究的法国专家的极大兴趣。这位法国专家向法国Setaram公司总部汇报后,受总部指派多次往返于法中之间与徐仲榆洽谈合作事宜,最终促成了高温分析实验室法中联合体在湖南大学新型碳材料研究所的诞生。
法国人的这套设备也叫综合热分析仪,最高使用温度只有2400度,比不上徐仲榆自己设计制造的最高使用温度可达3000度的炉子。虽然如此,它的作用仍不可小视。比如在进行基础理论研究时,通过一个热天平,可以称量出到达某个温度时,试样由于热分解失去的重量。而这一点恰是徐仲榆原有设备的不足。这套设备,为研究所攻克碳纤维加热中有关速度上的技术难点创造了条件。
徐仲榆是个谈判高手。综合热分析仪从法方最初要价人民币300万,一路猛跌到93万元,还外搭3个软件、7种易消耗件,可以派人到法国去培训,路费、学费全由法方负担等,中方只需回报一个条件,就是以实验室名义发表文章,给他们做招牌。
为官之道:领导就比群众多1
徐仲榆常说:“我本赤条条来,还将赤条条去,留下几个脚印,当回首往事的时候,脚印没歪,就足已了。”
他55岁就任当副校长时,就职演说只一句话:“在位时想想下位的时候。”含义有两层:第一,我本是老百姓,不要盛气凌人;第二,上台不为人,下台必受窘。他这么说也这么做,在那个位子上为官5年,管科研、工厂、设计院、资产,所有财物进出都有明细帐,一分不贪,一分不欠;所有房子、课题经费都给别人;妻子是有色冶金设计院的高级工程师,有一段时间单位效益不好,他当时分管设计院,不说是校领导,就是单凭教授、博导,把妻子调过来也不能说是过分要求,可是他恪守“五子登科我不沾”这条戒律,坚持没把妻子调过来。
徐仲榆想:“你要找我调爱人,我自己爱人没调来;你要找我要房子,我自己没有房子。这样腰板才挺得直,说话才有底气。”他家住房最宽绰时不过70来平方米。
“领导就比群众多1,群众是零;1减0等于1,但1非常重要,后边带的0越多,群众越多,带1个0是10,带两个0是100,带3个0是1000……倒过来,你躲到后边,那就成了0.1,0.01 ,0.001……”他这样形象生动地总结为官之道。
在徐仲榆看来,为官为学同样的道理。“工棚”里,冬天没有暖气,夏天没有冷气,他全然不顾。从官位上下来这么多年,他远离尘嚣,远离利禄,和学生们、工友们一起,一个猛子扎进“工棚”,寒来暑往,悉心钻研。
“他们是我的一千只手,一万只手”
徐仲榆的“工棚”还有个后花园。与“工棚”内不同,后花园是一派地道的田园风光,清新、恬静,还有几分幽香。园里有葡萄架和各种树木,玉兰树、黄杨木、罗汉松、雪松、桃树、枇杷树、石榴树、桂树、柚子树……树旁有绿地、花卉、水池、甬道,置身其中,好不惬意。最显眼的当属南墙上的一块碑刻《桃李园》,是他的工友之作。
徐仲榆的科研工作也有后花园――带学生。带的学生,既有本科生和硕士研究生,还有博士研究生。他带他们一起做实验,给他们讲课,指导论文。他的阅览室、柜子里,有很多学生的毕业论文。学生毕业后,他就是用自己的经费把他们的论文,包括他们的考卷、笔记,一一整理,装订成册,然后编号、排序、归档。另外,在他这里还有各项科研成果鉴定材料、参加国际学术会议的材料,以及国内外有关的各种杂志等等。徐仲榆说,学生到了他这里,要读书有书,要做实验能做实验,要查文献有文献,他就是要给学生们提供最好的环境。
“人是社会性的,有好影响也有坏影响。”徐仲榆认为,传道授业解惑,首要的在于传道。作为一个教育工作者,重要的是培养人,“我们不是为搞科研而搞科研,更重要的是通过科研培养一批人,使他们在科研中成长。”他说他之所以要把学生论文摆在荣誉桌前边,就是体现这个主导思想,他之所以有力量,就是因为“这批人已经是我的一千只手,一万只手了”。
“有心人天不负。”现在,他培养的博士生在美国的有16个,都是在国家一级的实验室。还有很多学生在国内教育、科研等部门以及碳素行业担任要职。眼下他还带着8名学生。
硕士研究生陈晗说:“徐仲榆导师让我受益终身,做事认真,要求严格,不能有半点马虎。有一次停电了,我却忘记关闭电源,结果烧坏了炉子,他很严厉地批评了我,话不多,却刻骨铭心。”
得意门生刘超说:“能来这里很幸运。徐仲榆导师不仅传授给我们知识,而且用行动教育我们做人。比如下雨了,他可以把伞让给学生。像这样细微的事情很多,常常让我们感动。”
【关键词】理科平台课 基础化学 课程体系
【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810(2014)10-0066-02
我国高校化学专业本科课程体系的基本框架形成于20世纪50年代,当时借鉴前苏联模式,以培养高级专门人才为目标,构建了四大化学课程体系,实验依附于理论课程,实施专业教育。近年来,随着高等教育的不断发展和教育改革的不断深入,对于大学化学教育提出了新的挑战。这些挑战包括:(1)社会需要创新型的人才,需要在快速变革下的社会里具有应变能力和高度竞争力的人才,国内大学的教育模式发生了显著变化;(2)社会价值观的多元化使得教育培养的目标开始多元化,从培养专门化学人才向培养具有化学背景的高素质人才过渡;(3)学生的自主意识逐渐增强,从被动接受转为主动选择。学生已经拥有更多选择课程、选择专业甚至选择院系的自由。
此外,课程结构不尽合理的矛盾也越来越突出。学科专业课程中,四大化学基础课比重大、学时多,内容重复严重,造成学时浪费,导致讲的内容用不上,要用的内容没有讲。同时课程结构和课程内容有交错重叠或衔接不紧密的现象,严重影响了课程结构整体功能的发挥和教学效果的提高。
在此情况下,国内一些实力较强的学校,纷纷开展教学改革,改变原有的本科教学思想和培养目标,在课程体系、教学内容和培养方法方面开展探索,建设适合大理科模式人才培养的基础化学课程新体系。改革的出发点都是以“加强基础、淡化专业、因材施教、分流培养”为办学方针,充分利用本校学科齐全的优势和良好的教学资源,实践本科阶段低年级通识和基础教育、高年级宽口径专业教育相结合的培养模式,突出基础、能力、素质三要素的全面发展,为研究生教育输送高素质、创新型生源;同时也为社会提供适应能力强的本科毕业生。这其中做得比较好的有北京大学、南京大学、南开大学、复旦大学等,而北京大学和南京大学的理科平台课设置方案又最具有代表性。
一 课程体系概况
北京大学首先在元培计划实验班中开设了理科平台课,而南京大学与此相对应的是理科强化班。这两个实验班均是在低年级实行通识教育和大学基础教育,在高年级实行宽口径的专业教育。一般是在第一学年设置大平台课程,学生在第一学年学习完毕后,在对自身特点、学校的学科状况、专业设置、培养目标以及其他情况有了进一步了解后,选择进一步学习的专业领域。第二学年按模块设置核心课程,学生可以选修数理类、化学生物类核心课程。从这一学年开始,无论是元培计划实验班还是理科强化班的学生,均开始按照各院系的教学计划进行选修课程的学习,但还归元培班或强化班管理。从第三学年开始,学生分流到各个院系,这一学年开设课程为各个专业的核心课程,第四学年为选修课程、科研训练课程和毕业论文阶段。由此可以看出,改革后课程体系建设的重心是第一学年的大平台课程。
二 课程体系的设计与安排
北京大学理科平台课中的化学课程为普通化学原理,课程开设对象为化学、生物、环境、地矿类专业方向的学生(数学、物理、信息、力学与工程专业方向的学生学学化学)。对于修化学专业方向的学生,随后开设的主干课程有定量分析、仪器分析、无机化学、有机化学、物理化学、结构化学及相关实验等。从课程内容上来讲,他们所开设的平台课普通化学原理类似于传统授课方式中的无机化学(上),但在内容处理上又与传统的无机化学(上)有较大的区别。普通化学原理教材为一册,包含的内容主要有六部分:(1)物态(气体、液体、溶液);(2)化学热力学初步;(3)化学动力学初步;(4)溶液化学(四大平衡);(5)物质结构(原子结构、分子结构、晶体结构和配合物);
(6)元素化学导论。
他们在课堂教学中减少了新概念比较少的四大平衡、溶液等部分内容,而把更多的时间放在对理解化学原理更为重要且学生感到比较困难的原理部分,如热力学、动力学和结构化学等。虽然这其中也列出了元素化学部分,但其课时数较少,仅仅是对元素化学进行简单的概况介绍,更为详细的内容放在了化学学院开设的后学的课程无机化学中。这样的课程设计真正体现了普通化学原理作为理科平台课的作用,因为对于非化学专业学生来说,过多地学习元素化学的知识没有多大必要。
南京大学理科平台课中的化学课程为“化学原理”,从字面意思可以看出,它们与北京大学一样,都是着重化学原理的讲授,但课程开设对象更广,包括数学、物理、天文、化学、生物、地质、地理、大气等专业方向的学生。后续的模块课程包括有机化学、有机化学实验(上)、谱学原理、物理化学实验(上)、仪器分析实验、生物化学为化生大类学生的必修课程。有机化学实验(下)和物理化学实验(下)为化学生物大类学生的选修课程。在通过大理科平台课程和化生模块课程后,专修化学方向的学生可以进一步修读材料与结构、结晶化学、高分子化学、高等无机化学和高等有机化学等化学专业核心课程以及其他化学类选修课程。交叉方向如生物物理方向等在通过平台课程后,根据需要可选修谱学原理、有机化学、生物化学、有机化学实验中的部分课程。
从南京大学的课程设计来看,他们对原有的化学课程进行了充分的整合和充实。新设计的化学原理内容丰富,包括原无机化学、分析化学(化学分析部分)和物理化学三门课程的主要内容,分上、下两册出版,具体内容包括:(1)物态(气体、液体、固体);(2)溶液化学(四大平衡)及定量分析化学;(3)热力学基础(包含统计热力学简介);(4)化学动力学;(5)物质结构(原子、分子、晶体和配合物结构);(6)元素化学。
由于化学原理涵盖的内容很多,因此不再开设后续课程无机化学。这样设计的主要优点有:(1)从基础化学教学的总体要求出发,删减了原三门课程中的重复部分和陈旧内容,融入了近现代化学的思想、内容和发展成就,增加了新的涉及学科前沿的内容。(2)该课程及教材的特色是注重全面系统地介绍化学学科的基本理论,使一年级学生对整个化学领域有全面的了解和认识,从而为进一步深入学习化学及其相关的知识打下良好的基础。(3)大大缩减学时(从原先的240学时减至140学时),为学生的主动性学习提供了时间保证。(4)配置有系列后续理论课程,如谱学原理、有机化学、生物化学、材料与结构等,构成了完整、全新的基础化学课程体系。
从两者的课程设计来看,南京大学的改革更彻底、更完善,课程体系中已经完全不见了无机化学和定量分析化学的踪影。这样的设计既有利也有弊,好处是大大缩减了学时,利于教授授课和学生自学,不利之处是这样的课程设计极大地增加了一年级学生的学习负担,对学生的知识接受能力要求较高。
三 实施效果
由上不难看出,通过理科平台课模式培养出来的学生将具有知识面宽、创新意识强、对交叉、边缘学科的适应性好的特征。学生有深厚的数理和化生基础、独特的知识结构,能够在不同学科方向之间作选择。如物理方向的学生可以在化学领域,特别具有向理论化学、量子化学等方向发展的潜力,在物理领域内也特别适合在凝聚态物理的某些方向发展;化学方向的学生也可以在物理、材料、生物、环境等学科发展,成为能适应边缘学科和很快进入学科前沿的人才。这样的学生将来走上科研道路后,与其他学生相比也将有更为出色的成就。据统计,南京大学强化班的学生在研究生阶段普遍都有高水平高质量的于国内外科技期刊。
总之,南京大学强化班的课程设计同北京大学元培班的课程设计相比,向前迈的步子更大,培养出来的学生知识面更宽。但这种模式的推行至少需要两个条件,一是学校的整体实力,二是学生的知识接受能力及智力水平,正因如此,这种理科平台课的人才培养模式在短期内还不能在更多的学校内实行。
参考文献
[1]教育部高等学校化学类专业教学指导分委员会.高等学校化学类专业指导性专业规范[M].北京:高等教育出版社,2011