＊周欣 王茗倩 果崇申* 赵美玉 颜美 韩晓军

（1.哈尔滨工业大学化工与化学学院 黑龙江 150001 2.黑龙江建筑职业技术学院 公共教学部 黑龙江 150025）

我国高等教育要立足中华民族伟大复兴战略全局和世界百年未有之大变局，心怀“国之大者”，把握大势，敢于担当，善于作为，为服务国家富强、民族复兴、人民幸福贡献力量[1]。传播知识是大学最最重要的任务之一，并且希望学生能运用知识解决经济、社会、政治等方面的问题。“重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究，产生于学科交叉领域，大学在这两方面具有天然优势。要保持对基础研究的持续投入，鼓励自由探索，敢于质疑现有理论，勇于开拓新的方向”[1]。

哈工大化学专业旨在培养以化学理论基础扎实、具有创新精神、实践能力及国际视野的高素质化学专业人才。化学专业拥有一流的教学和科研条件，在人才培养方面注重培养学生掌握扎实的学科基础知识和解决实际问题的能力。主要科研方向凝练为：功能性纳米材料的设计合成及在环境、能源、生命领域的应用；绿色化学合成及催化；化学反应过程的理论模拟等。本专业方向注重培养学生掌握扎实的学科基础知识和解决工程实际问题的能力。

1.物理化学的教学现状

物理化学是现代生命科学、材料科学和环境科学发展的基础，在资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等方面也做出了卓越的贡献。哈工大化学系本科生专业主干课程就包括物理化学。随着科学的迅速发展和各门学科之间的相互渗透，物理化学与物理学、无机化学、有机化学之间存在着越来越多的相互重叠的新领域[2-3]。哈工大化工与化学学院遵循人才培养规律将本研课程打通，培养新工科理念下的学科交叉型高级专业人才，鼓励本科生选修学习研究生课程内容，如有趣的计算化学、DFT春季创新课程等。此外我校化学系在研究生阶段开设了量子化学、分子动力学模拟、统计热力学、群论、物理化学前沿、高等物化、密度泛函理论、计算化学等多门课程，为推动本研贯通，帮助学生深化理解物理化学知识，全面打通学生成长成才的通道。

物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门科学，它所担负的主要任务是探讨和解决下列几个方面的问题：（1）化学变化的方向和限度问题。（2）化学反应的速率、机理问题。（3）物质结构和性能之间的关系。三个方面的问题往往相互联系制约。物理化学课程内容有很多抽象的定理、公式，学生们往往很难真正理解掌握要义，更别说在科研和实际生活中加以应用。

接下来将用实例阐述计算化学课程对于帮助学生理解抽象物化知识的重要性。

2.课程实例

(1)时代背景

大学生应该拿什么来提升自己的“学力”？掌握扎实的基础知识无疑是一个最佳的途径。在科技发展日新月异的今天，应用领域里很多看似高深的技术在几年后就会被新的技术或工具取代。只有对基础知识深入理解才可以受用终身。此外，如果没有打下良好的基础，大学生们很难真正理解高深的应用技术[4-6]。

目前全世界处于病毒肆虐的特殊时期，病毒主要通过呼吸道飞沫传播，而口罩是阻碍病毒传播的有效防护用具，在高风险地区，病人、医生、甚至普通民众都普遍使用一次性医用口罩。中国航发航材院日前研发出石墨烯口罩（正在试验阶段，尚未市场化），性能优于普通熔喷布口罩，可能抗击肆虐的病毒，为人类提供更好的保护。

石墨烯口罩是在构成普通口罩的纺粘无纺布之间的关键过滤层中，创新应用了新型石墨烯聚丙烯熔喷布材料而形成的新型防护口罩。高品质的口罩之所以能有效阻隔病毒，最关键的材料是采用了熔喷无纺布[7]。这种熔喷无纺布由聚丙烯制造而成，是一种超细静电纤维，最大的特点是经过驻极处理后，会拥有静电吸附能力。呼吸的气流通过无纺布时，空气正常通过，而所有的粉尘和含毒飞沫，全部被静电吸附[7]。

石墨烯自2004年首次成功分离以来，以其蜂窝状的二维结构和广泛的有趣特性，一直受到材料科学家的深入研究[8-9]。石墨烯的结构虽然简单，但性质和功能却不简单，因而在硕士研究生期间，学生们有极大的概率接触石墨烯类材料。接下来将以石墨烯上吸附气体的实例为载体，展开本研课程一体化教学助力理解物理化学课程难点的探究。

(2)本研课程打通

物理化学涉及多个学科领域，教学时应注意知识点之间的衔接[10]。要理解新闻报道中石墨烯口罩的科学原理，必须深刻理解物理化学第十三章中固体表面的吸附知识。

学生们在无机化学和结构化学的学习中可以知道石墨烯中C原子采用sp2杂化轨道，彼此之间以σ单键连接在一起，每个碳原子周围形成3个σ单键，键角120°，每个碳原子还有一个2pz轨道，由一个2p电子占据，这些2pz轨道都垂直于sp2杂化轨道的平面，且互相平行，形成大Π键[11]。结构决定性质，那么石墨烯的这种结构如何使得它有那么多神奇的性质呢？这就需要联系到物理化学下册的知识。

在学习物化中固体表面的吸附时，可得知按照吸附质和吸附剂相互作用的性质，可以将固体表面吸附分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附过程不发生电子转移，吸附质分子依靠范德华力作用而吸附在吸附剂表面上，吸附无选择性，吸附热接近于气体液化热，吸附温度低，几乎不需要活化能，既可能是单分子层吸附又可能是多分子层吸附，吸附速度快且不稳定。化学吸附时，吸附质和吸附剂之间发生电子转移，吸附热接近化学键生成热，吸附需要相当高的活化能，吸附有选择性且很稳定，是单分子层吸附，随着温度升高吸附速度加快。对用于气相反应的固体催化剂，气相反应物分子在催化剂表面的吸附最好是中等强度的，吸附太弱达不到活化目的，吸附太强将永久占有活性位继而成为毒物[12]。

化学是一门以实验为基础的科学，实验课在本科及研究生的课程安排中必不可少，实验探究的直观性与科学性使得学生对所学知识有了形象认知，本科生的有机实验、无机实验等大多涉及制备合成、现象观察、实验操作规范及仪器原理的学习。然而，物理化学中的部分抽象难懂知识，在大学生的传统认知里是无法通过实验进行探究证实的，很多知识只是停留在理论层面，这可能是学生吸收物化知识的一大阻碍。将硕士研究生耳熟能详的理论计算知识，融入到本科物理化学教学中，或许有绝妙效果。

化学系的本科生可以选修神奇的计算化学、DFT创新性课程，这些课程富有特色的将理论知识和实践操作相结合，学生可以在密度泛函理论的基础上展开第一性原理计算体会原子级别的实验。防护口罩的主要作用就是隔离污染物，不同材质的隔离效果有所不同，石墨烯材料加入口罩中为什么会有神奇的功效呢？很大一部分学生就会自然将其联系到物理化学课程中物理吸附与化学吸附的知识点，在传统课堂上，学生对这部分知识只停留在字面的了解与认识，存在抽象难懂的问题。将计算化学课程内容渗透到本科教学中，这一问题或许可以得到圆满解决，学生首先可以采用专业建模软件Materials Studio进行石墨烯模型的构建，如图1所示，学生可以在软件中查看石墨烯各个角度的结构，查看原子之间的键长键角，对石墨烯的结构有更全面形象的认识。

图1 石墨烯超胞结构俯视图

对于物理吸附和化学吸附的区别，教师可引导学生尝试通过理论计算探究石墨烯对于常见气体分子如CO是物理吸附还是化学吸附。首先将建立好的石墨烯结构和CO分子分别进行优化，得到二者最稳定的能量，然后将CO分子放置在石墨烯上不同的位点进行优化，如图2中CO分子的初始放置方式可以是垂直于石墨烯表面或者是平行于石墨烯表面，CO分子的O端或者C端都有可能靠近石墨烯表面。在学习吸附知识时，学生知道物理吸附和化学吸附的一大区别就是是否有化学键生成，即吸附质与吸附剂的相互作用究竟是强还是弱。如图3根据吸附能计算结果和最稳定吸附模型中CO距离石墨烯的距离远近，可以初步粗略判断石墨烯对于CO的吸附较弱。

图2 CO分子在石墨烯上不同的吸附位点

图3 CO在石墨烯上最稳定的吸附状态

结构决定性质，为了更严谨考虑问题，探寻吸附气体前后，材料究竟有何变化，学生可以对吸附前后的材料模型进行电子结构的计算，最典型的就是态密度的计算，态密度表示单位能量范围内（E～E+ΔE）的电子数目，从态密度（DOS）图中可以得到很多信息，例如成键信息、价带宽度、导带宽度、每个轨道对于总的态密度的贡献等。态密度可以说是在第一性原理计算当中相当重要的概念之一，不论是对于光电催化材料、半导体材料、凝聚态物理，所有的分析都离不开DOS，本科生可以通过对简单的态密度分析对所学化学知识有更深层次的理解，多层次多角度探究证实这一微观级别的实验。如图4，吸附CO分子前后，石墨烯在费米能级附近的电子结构没有明显差别，说明石墨烯和CO分子的相互作用为较弱，结合之前吸附能计算结果和CO分子与石墨烯之间的距离，判断该吸附类型为较弱的物理吸附。

图4 a.石墨烯的态密度图；b.石墨烯上吸附CO之后的态密度图

综上实例所述，计算化学可以实现实验无法完成的操作过程，对知识点理解具有重要辅助作用。因此计算化学课程的开设有助于加深学生学习兴趣，培养学生发现问题、解决问题、验证结果的探究习惯。

3.总结

高校培养全面发展的高级人才的教育手段是做到教学、科研与社会实践三结合。大学物理化学课程中对具有基础性、引领性的问题进行深入挖掘；以实际问题为导向，做到理论与实践相结合。哈工大化工与化学学院本科期间开设物理化学实验、选修创新性课程，硕士期间在基础教学基础上融合科研知识，融汇贯通层层深化，课程合理配置，致力于培养学术与应用两条腿走路的人才,为实现中华民族伟大复兴中国梦贡献力量。