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摘 要：从材料专业视角重新审视了经典的物理化学课程。将材料专业知识体系的特征贯穿于物理化学课程，以弱化该课程的化学化工属性，突出材料属性；结合认知方法改造，对教材结构做出调整，为建设名副其实的材料物理化学课程奠定理论基础。
关键词：材料专业；物理化学；知识体系；认知方法
物理化学是材料专业的主干课程，很多高校将其列为研究生入学考试课程，由此可见物理化学对材料专业的重要性。但是，从材料专业培养计划的演化历程看，物理化学的入选并非是严格按照科学方式的，它更多地源于老一辈材料学家的经验、印象。一分为二地讲，这种经验的课程遴选方式有其内在的合理性，特别是对材料这一新兴专业（学科），经验保证了物理化学对材料专业的有用性，这一点已经为材料专业几十年的发展所证实；但是，有用性仅仅是众多课程评价维度中的一维，从材料专业人才培养的现状与未来看，还应该站在更高、更全面的角度审视物理化学课程。
本文将从知识体系与认知方法的双重角度，对现行的物理化学课程重新审视，以建设更加适合材料专业的物理化学课程，即名副其实的“材料物理化学”课程。
一、知识体系构建
知识体系是课程的根本，从知识体系审视物理化学课程是首要任务。知识体系的审视分为微观视角与宏观视角。
1．微观视角
从学科来源看，物理化学是“四大化学”之一，属于化学化工学科。因此，物理化学课程通常都是由化学/化工学院开设。这一课程制度给材料专业的物理化学带来以下问题：
首先，现行物理化学的研究对象以气体为主，但材料专业应重点研究凝聚态，特别是固态。从专业的角度讲，以气体为主要研究对象的物理化学，是符合化学化工类专业实际需求的，因此是合理的；但是，从材料专业的角度看，研究对象的差异足以使知识结构发生改变。例如，凝聚态概念的广泛使用及气态概念的适当弱化，就会使热容理论的重点发生转移，使原本很复杂的标准态概念变得极为简洁，使相图理论集中在凝聚态（从而简化相图，因为凝聚态通常不考虑压力，这将极大地方便相图分析），使占据较大篇幅的逸度概念弱化，而活度的相对地位上升。这些变化总体上将简化公式众多的传统物理化学，使材料物理化学教学过程的重点更加突出。
其次，现行物理化学侧重化学反应，而材料专业更应该重视相变过程。例如，物理化学中将化学反应单独列为一章，且动力学理论基本是化学反应的动力学，而不是相变动力学。大家知道，自然界中的物质变化过程主要分为pVT过程、相变和化学反应三个层次，pVT过程也可以称为非相变、非化学反应过程。现行物理化学在讲述热力学原理时，主要针对pVT过程，这种做法是正确的，因为它符合从简单到复杂的认识规律。但是，在化学反应和相变这两个过程的取舍中，材料物理化学就应该侧重相变过程，甚至把相变单独设为一章。从知识体系看，相变恰恰是处于中间层次的变化过程，它所造成的变化程度大于pVT过程而小于化学反应。换言之，相变是介于pVT变化与化学反应的桥梁，是认识层次从低到高不可或缺的中间环节。
2．宏观视角
一门课程的知识体系仅从课程内部审视是不够的，还要将其放在培养计划的整体框架中，以便考查课程间的知识衔接与协调，正确处理知识重复问题与知识层次问题，使一门课程成为整体知识结构的有机组成部分，而不是相互独立的。在我们编写的材料物理化学教材中，从以下三个方面对此进行了考虑：
首先，对先修的大学物理要高度关注，以避免有些知识（如热力学第一定律、理想气体平衡过程、卡诺循环等）的简单重复。现在有一种倾向，就是把课程的知识体系搞得尽可能完备，担心少了某些知识会造成知识体系的不完整。这种做法从课程内部来看无可厚非，但从不同课程构成的体系着眼，却是不利于学生学习的。因为简单的知识重复会造成学生的反感，影响学习的积极性。
从更高层次看，大学的天职是探究高深学问，这是美国教育哲学家布鲁贝克的基本思想。但是，现在的理工科课程往往聚焦于公式、热衷于计算、侧重于记忆，使得大学高深学问的核心价值被弱化。学问之所以成为学问，关键在于问，在于学习之后的思考，而且是深入、持续的思考。而现行理工科教学把计算结果作为教学的终点，是有悖大学教育精神的。
其次，要通过材料物理化学深入认识高等数学的思想与方法。现行物理化学往往工具性地使用多元函数等高等数学知识。而材料物理化学应该承担跨课程的更高层次任务，即促使学生加深对数学知识的认识。物理化学知识本身，为这种深入认识提供了绝佳的对象。例如，多元函数的偏导数理论，可以在物理化学中得到充分的应用，使学生透过偏导数的数学形式看到物理本质；再如，全微分概念在物理化学中有非常明确的对象，即状态函数，状态函数具有全微分的所有数学性质。因此，将全微分理论与物理化学的状态函数概念结合，能进一步深化认识，加强对数学理论的理解。
最后，应该积极借鉴数理哲学知识，使一批基础概念的引入更加自然。例如，状态函数理论起源于德国哲学家弗雷格的数理哲学理论，这一哲学流派试图将文字符号化，进而数学化。弗雷格用文字替换函数中的自变量，从而为状态函数概念奠定了基础；又如，标准态是物理化学的重要概念，但很少有人意识到它是测量的基础，而测量通常属于原始概念，因此不再进一步解释。事实上，所有的测量都离不开比较，而比较涉及参比的标准问题，也就是标准态问题。逻辑上，人们一定选择客观的、自身保持不变的事物作为比较标准，如长度、时间等物理量都是这样比较而来的。对于物理化学中的温度概念，也有比较及参比对象的状态问题，这才有冰点概念，进而规定0℃，因为0℃是冰水混合物得以长期维持的温度，它既客观又稳定，因此可以作为稳定的标准态。不难看出，比较、标准、客观、稳定等都属于哲学范畴，如果不从哲学的层次给予分析，物理化学中很多基本概念很难深入认识和理解。因此，从哲学的高度认识与理解它们，并用来指导物理化学的教学，是大有裨益的。
通过以上分析不难看出，材料物理化学的知识体系应该侧重材料专业。同时，在课程间知识衔接、数理知识的深化认识、哲学概念借鉴等更高的层面上，也应该做积极的探索，以适应材料专业的发展。 二、认知方法改造
前面的讨论主要集中在知识体系上，比知识体系更高的层次是认知方法，它们之间恰恰是“鱼与渔”的关系。下面从四个方面介绍材料物理化学课程的认知方法改造。
1．改变从一般到特殊的大一统顺序
现行物理化学遵循从一般到特殊的知识展开逻辑，这一点从系统、环境、状态函数、内能，特别是熵概念上，体现得非常充分。在教材中，都是先介绍这些概念的一般定义，然后举例说明，或用例题给予进一步的解释。表面上看，这种认知方式无可厚非；但从认知理论看，有些情况下就会产生问题。根据认知理论，概念是有不同类别的，像焓、吉布斯自由能、化学势等，属于非原始概念，即它们是通过一些更为基本的概念定义而来的。对于这类概念，遵循从一般到特殊的认知规律，先给出普遍定义再做出具体的解释与说明，是完全合理的；而前面提到的系统、环境、状态函数、内能、熵等，则是原始概念，原始概念的认识有着另外的规律，那就是借助感性，而非完全的理性与逻辑。
因此，对一些原始概念，应该改变传统的从一般到特殊的认知方式，强化感性认识，通过大量的感性体验来逐步建立相关概念，最后给出定义。需要特别指出的是，如果按照上述理论，物理化学中熵概念的介绍方式必须做出重大调整，即首先通过丰富多彩的与熵有关的事实，极力强化对于熵的感性认识，然后给出熵的一般定义。但是，国内物理化学教材几乎无一例外地通过逻辑推理的方式演绎出熵概念，这是熵概念教学效果较差的原因之一，而熵是物理化学中最重要的新概念。
2．更加重视形象化与简约化
由于物理化学课程固有的抽象性，一些影响很大的物理化学教材都很重视概念的形象化，因为形象化符合人的认知方式。但是，物理化学中概念的形象化程度还不能满足学习要求，因为一些核心概念的教学还在采用抽象定义、数学公式、数值计算的模式，使得相关的概念、理论无法真正为学生所理解。根据我们的教学经验，内能、焓、熵、吉布斯函数、溶液、化学势、活化能等一批基本概念，都存在过于抽象的问题。因此，应该强化教学过程的形象化，多举例子，使这些概念更多地联系已经建立的概念，特别是生活常识。
现行物理化学的另一个问题是：体系过于庞杂，知识点众多，公式比比皆是。造成这种现象的原因是过分追求学科知识的完备性，殊不知书本上知识的完备不等于学生头脑中知识的完备。因此，必须设法简化知识，使教学进程保持一定的速度，而不是拘泥于细枝末节。从技术的角度看，可以借助前面提到的凝聚态概念，来简化热容、标准态等知识点，甚至可以淡化焓与亥姆霍兹函数，因为在这两个热力学函数中，都涉及pV项，而根据凝聚态特征，该项由于数值极小而可以忽略。这样一来，8大热力学基本函数就简化为6个，这会使教学重点更加突出，使学生的记忆负担减轻，从而有更多时间去深入探究那些对材料专业真正重要的概念。
3．概念的多角度阐释
概念作为学科的核心与基础，有着无与伦比的作用。在初学阶段，建立清晰的概念，深入理解概念，灵活应用概念，是教学的中心。但是，如何强化概念教学却是一个长期未能很好解决的问题。根据认知理论，概念的建立和形成与同一事物的不同角度认识有关。例如，化学势是物理化学的重要概念，但其引入过程基本是数学式的，结果使学生产生化学势不过是偏导数的错误认识。事实上，化学势是地地道道的物理概念，它源自物理学中势能概念，结合了化学组成的因素，从而形成这个新概念。因此，从物理角度学习化学势，就应该首先介绍物质的量对势能的影响，然后介绍组成变化带来的进一步影响（这就是化学势概念的核心）。按照这个思路，就会发现现行物理化学少了一个环节，即纯物质条件下化学势的物理意义，因为相关教材中只从数学的角度做了定义。事实上，稀溶液的依数性、固溶体、杠杆定律等概念也有类似问题。
4．例题习题作用的重新定位
对于物理化学课程，例题习题的重要性不言而喻。但是，例题习题的作用到底是什么？是简单展示与机械复习吗？是真正解决问题吗？这样深究下去，就会发现例题习题的作用还真是值得探讨的问题。根据认知理论，简单、机械的操作的价值并不大，它一方面乏味，另一方面耗费时间，其结果不过是强化了公式记忆与运算熟练，但对知识的深入理解并无太大的帮助。对于物理化学课程而言，学习的关键是理解，特别是针对基本概念的深入理解，以及理解基础上的广泛应用。因此，应该从深入理解与广泛应用的角度，重新审视例题习题的作用，使它们的作用不仅仅局限于记忆与运算，而是提升到更高的层次。例如，冰溶化成水的相变过程，等压热是容易计算的；但是，计算出了结果后，如何进一步分析数据，找出吸收的热量的内能存在形式及各种内能变化的比例关系，这些才是真正需要引导的方向。这方面的改革工作任重道远，一方面原因是由于学生长期受应试教育影响，习惯于机械做题；另一方面原因是教师本身也没有真正认识到例题习题的高层次价值，而把它们简单视为记忆与运算的工具。进一步讲，我们主张将例题习题搞成开放式的，而不是以计算结果为终点的封闭体系，使学生的思想在计算结果的基础上进一步延伸，去领略概念的深层次含义，或概念的广泛联系。
综上所述，尽管物理化学是非常经典的课程，但从材料专业的角度重新审视，其改革空间还很大。要站在经典物理化学的“巨人之肩”，通过认真反思与深入分析以及扎扎实实的教学实践，建设既有材料专业特色、又体现先进认知方法的新型材料物理化学课程。
[本文系南京理工大学教改资助项目“材料专业基础课概念－问题－探究教学模式研究”阶段性成果之一]
[责任编辑：余大品]
关键词：材料专业；物理化学；知识体系；认知方法
物理化学是材料专业的主干课程，很多高校将其列为研究生入学考试课程，由此可见物理化学对材料专业的重要性。但是，从材料专业培养计划的演化历程看，物理化学的入选并非是严格按照科学方式的，它更多地源于老一辈材料学家的经验、印象。一分为二地讲，这种经验的课程遴选方式有其内在的合理性，特别是对材料这一新兴专业（学科），经验保证了物理化学对材料专业的有用性，这一点已经为材料专业几十年的发展所证实；但是，有用性仅仅是众多课程评价维度中的一维，从材料专业人才培养的现状与未来看，还应该站在更高、更全面的角度审视物理化学课程。
本文将从知识体系与认知方法的双重角度，对现行的物理化学课程重新审视，以建设更加适合材料专业的物理化学课程，即名副其实的“材料物理化学”课程。
一、知识体系构建
知识体系是课程的根本，从知识体系审视物理化学课程是首要任务。知识体系的审视分为微观视角与宏观视角。
1．微观视角
从学科来源看，物理化学是“四大化学”之一，属于化学化工学科。因此，物理化学课程通常都是由化学/化工学院开设。这一课程制度给材料专业的物理化学带来以下问题：
首先，现行物理化学的研究对象以气体为主，但材料专业应重点研究凝聚态，特别是固态。从专业的角度讲，以气体为主要研究对象的物理化学，是符合化学化工类专业实际需求的，因此是合理的；但是，从材料专业的角度看，研究对象的差异足以使知识结构发生改变。例如，凝聚态概念的广泛使用及气态概念的适当弱化，就会使热容理论的重点发生转移，使原本很复杂的标准态概念变得极为简洁，使相图理论集中在凝聚态（从而简化相图，因为凝聚态通常不考虑压力，这将极大地方便相图分析），使占据较大篇幅的逸度概念弱化，而活度的相对地位上升。这些变化总体上将简化公式众多的传统物理化学，使材料物理化学教学过程的重点更加突出。
其次，现行物理化学侧重化学反应，而材料专业更应该重视相变过程。例如，物理化学中将化学反应单独列为一章，且动力学理论基本是化学反应的动力学，而不是相变动力学。大家知道，自然界中的物质变化过程主要分为pVT过程、相变和化学反应三个层次，pVT过程也可以称为非相变、非化学反应过程。现行物理化学在讲述热力学原理时，主要针对pVT过程，这种做法是正确的，因为它符合从简单到复杂的认识规律。但是，在化学反应和相变这两个过程的取舍中，材料物理化学就应该侧重相变过程，甚至把相变单独设为一章。从知识体系看，相变恰恰是处于中间层次的变化过程，它所造成的变化程度大于pVT过程而小于化学反应。换言之，相变是介于pVT变化与化学反应的桥梁，是认识层次从低到高不可或缺的中间环节。
2．宏观视角
一门课程的知识体系仅从课程内部审视是不够的，还要将其放在培养计划的整体框架中，以便考查课程间的知识衔接与协调，正确处理知识重复问题与知识层次问题，使一门课程成为整体知识结构的有机组成部分，而不是相互独立的。在我们编写的材料物理化学教材中，从以下三个方面对此进行了考虑：
首先，对先修的大学物理要高度关注，以避免有些知识（如热力学第一定律、理想气体平衡过程、卡诺循环等）的简单重复。现在有一种倾向，就是把课程的知识体系搞得尽可能完备，担心少了某些知识会造成知识体系的不完整。这种做法从课程内部来看无可厚非，但从不同课程构成的体系着眼，却是不利于学生学习的。因为简单的知识重复会造成学生的反感，影响学习的积极性。
从更高层次看，大学的天职是探究高深学问，这是美国教育哲学家布鲁贝克的基本思想。但是，现在的理工科课程往往聚焦于公式、热衷于计算、侧重于记忆，使得大学高深学问的核心价值被弱化。学问之所以成为学问，关键在于问，在于学习之后的思考，而且是深入、持续的思考。而现行理工科教学把计算结果作为教学的终点，是有悖大学教育精神的。
其次，要通过材料物理化学深入认识高等数学的思想与方法。现行物理化学往往工具性地使用多元函数等高等数学知识。而材料物理化学应该承担跨课程的更高层次任务，即促使学生加深对数学知识的认识。物理化学知识本身，为这种深入认识提供了绝佳的对象。例如，多元函数的偏导数理论，可以在物理化学中得到充分的应用，使学生透过偏导数的数学形式看到物理本质；再如，全微分概念在物理化学中有非常明确的对象，即状态函数，状态函数具有全微分的所有数学性质。因此，将全微分理论与物理化学的状态函数概念结合，能进一步深化认识，加强对数学理论的理解。
最后，应该积极借鉴数理哲学知识，使一批基础概念的引入更加自然。例如，状态函数理论起源于德国哲学家弗雷格的数理哲学理论，这一哲学流派试图将文字符号化，进而数学化。弗雷格用文字替换函数中的自变量，从而为状态函数概念奠定了基础；又如，标准态是物理化学的重要概念，但很少有人意识到它是测量的基础，而测量通常属于原始概念，因此不再进一步解释。事实上，所有的测量都离不开比较，而比较涉及参比的标准问题，也就是标准态问题。逻辑上，人们一定选择客观的、自身保持不变的事物作为比较标准，如长度、时间等物理量都是这样比较而来的。对于物理化学中的温度概念，也有比较及参比对象的状态问题，这才有冰点概念，进而规定0℃，因为0℃是冰水混合物得以长期维持的温度，它既客观又稳定，因此可以作为稳定的标准态。不难看出，比较、标准、客观、稳定等都属于哲学范畴，如果不从哲学的层次给予分析，物理化学中很多基本概念很难深入认识和理解。因此，从哲学的高度认识与理解它们，并用来指导物理化学的教学，是大有裨益的。
通过以上分析不难看出，材料物理化学的知识体系应该侧重材料专业。同时，在课程间知识衔接、数理知识的深化认识、哲学概念借鉴等更高的层面上，也应该做积极的探索，以适应材料专业的发展。 二、认知方法改造
前面的讨论主要集中在知识体系上，比知识体系更高的层次是认知方法，它们之间恰恰是“鱼与渔”的关系。下面从四个方面介绍材料物理化学课程的认知方法改造。
1．改变从一般到特殊的大一统顺序
现行物理化学遵循从一般到特殊的知识展开逻辑，这一点从系统、环境、状态函数、内能，特别是熵概念上，体现得非常充分。在教材中，都是先介绍这些概念的一般定义，然后举例说明，或用例题给予进一步的解释。表面上看，这种认知方式无可厚非；但从认知理论看，有些情况下就会产生问题。根据认知理论，概念是有不同类别的，像焓、吉布斯自由能、化学势等，属于非原始概念，即它们是通过一些更为基本的概念定义而来的。对于这类概念，遵循从一般到特殊的认知规律，先给出普遍定义再做出具体的解释与说明，是完全合理的；而前面提到的系统、环境、状态函数、内能、熵等，则是原始概念，原始概念的认识有着另外的规律，那就是借助感性，而非完全的理性与逻辑。
因此，对一些原始概念，应该改变传统的从一般到特殊的认知方式，强化感性认识，通过大量的感性体验来逐步建立相关概念，最后给出定义。需要特别指出的是，如果按照上述理论，物理化学中熵概念的介绍方式必须做出重大调整，即首先通过丰富多彩的与熵有关的事实，极力强化对于熵的感性认识，然后给出熵的一般定义。但是，国内物理化学教材几乎无一例外地通过逻辑推理的方式演绎出熵概念，这是熵概念教学效果较差的原因之一，而熵是物理化学中最重要的新概念。
2．更加重视形象化与简约化
由于物理化学课程固有的抽象性，一些影响很大的物理化学教材都很重视概念的形象化，因为形象化符合人的认知方式。但是，物理化学中概念的形象化程度还不能满足学习要求，因为一些核心概念的教学还在采用抽象定义、数学公式、数值计算的模式，使得相关的概念、理论无法真正为学生所理解。根据我们的教学经验，内能、焓、熵、吉布斯函数、溶液、化学势、活化能等一批基本概念，都存在过于抽象的问题。因此，应该强化教学过程的形象化，多举例子，使这些概念更多地联系已经建立的概念，特别是生活常识。
现行物理化学的另一个问题是：体系过于庞杂，知识点众多，公式比比皆是。造成这种现象的原因是过分追求学科知识的完备性，殊不知书本上知识的完备不等于学生头脑中知识的完备。因此，必须设法简化知识，使教学进程保持一定的速度，而不是拘泥于细枝末节。从技术的角度看，可以借助前面提到的凝聚态概念，来简化热容、标准态等知识点，甚至可以淡化焓与亥姆霍兹函数，因为在这两个热力学函数中，都涉及pV项，而根据凝聚态特征，该项由于数值极小而可以忽略。这样一来，8大热力学基本函数就简化为6个，这会使教学重点更加突出，使学生的记忆负担减轻，从而有更多时间去深入探究那些对材料专业真正重要的概念。
3．概念的多角度阐释
概念作为学科的核心与基础，有着无与伦比的作用。在初学阶段，建立清晰的概念，深入理解概念，灵活应用概念，是教学的中心。但是，如何强化概念教学却是一个长期未能很好解决的问题。根据认知理论，概念的建立和形成与同一事物的不同角度认识有关。例如，化学势是物理化学的重要概念，但其引入过程基本是数学式的，结果使学生产生化学势不过是偏导数的错误认识。事实上，化学势是地地道道的物理概念，它源自物理学中势能概念，结合了化学组成的因素，从而形成这个新概念。因此，从物理角度学习化学势，就应该首先介绍物质的量对势能的影响，然后介绍组成变化带来的进一步影响（这就是化学势概念的核心）。按照这个思路，就会发现现行物理化学少了一个环节，即纯物质条件下化学势的物理意义，因为相关教材中只从数学的角度做了定义。事实上，稀溶液的依数性、固溶体、杠杆定律等概念也有类似问题。
4．例题习题作用的重新定位
对于物理化学课程，例题习题的重要性不言而喻。但是，例题习题的作用到底是什么？是简单展示与机械复习吗？是真正解决问题吗？这样深究下去，就会发现例题习题的作用还真是值得探讨的问题。根据认知理论，简单、机械的操作的价值并不大，它一方面乏味，另一方面耗费时间，其结果不过是强化了公式记忆与运算熟练，但对知识的深入理解并无太大的帮助。对于物理化学课程而言，学习的关键是理解，特别是针对基本概念的深入理解，以及理解基础上的广泛应用。因此，应该从深入理解与广泛应用的角度，重新审视例题习题的作用，使它们的作用不仅仅局限于记忆与运算，而是提升到更高的层次。例如，冰溶化成水的相变过程，等压热是容易计算的；但是，计算出了结果后，如何进一步分析数据，找出吸收的热量的内能存在形式及各种内能变化的比例关系，这些才是真正需要引导的方向。这方面的改革工作任重道远，一方面原因是由于学生长期受应试教育影响，习惯于机械做题；另一方面原因是教师本身也没有真正认识到例题习题的高层次价值，而把它们简单视为记忆与运算的工具。进一步讲，我们主张将例题习题搞成开放式的，而不是以计算结果为终点的封闭体系，使学生的思想在计算结果的基础上进一步延伸，去领略概念的深层次含义，或概念的广泛联系。
综上所述，尽管物理化学是非常经典的课程，但从材料专业的角度重新审视，其改革空间还很大。要站在经典物理化学的“巨人之肩”，通过认真反思与深入分析以及扎扎实实的教学实践，建设既有材料专业特色、又体现先进认知方法的新型材料物理化学课程。
[本文系南京理工大学教改资助项目“材料专业基础课概念－问题－探究教学模式研究”阶段性成果之一]
[责任编辑：余大品]