大學(xué)工程化學(xué)課程的教學(xué)實踐

周祖新 王根禮

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化工系 上海200233)

大學(xué)工程化學(xué)課程的教學(xué)實踐

周祖新 王根禮

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化工系 上海200233)

介紹非化學(xué)化工類專業(yè)工程化學(xué)教學(xué)中的一些方法。在學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，學(xué)時較少的情況下，通過與中學(xué)化學(xué)知識的銜接，簡化理論，注重應(yīng)用實例剖析來提高學(xué)生的綜合化學(xué)知識。

我校與全國大部分應(yīng)用技術(shù)型高校一樣，辦學(xué)宗旨是培養(yǎng)一線工程師，其特點不僅是專業(yè)應(yīng)用知識強，而且相關(guān)知識面寬，要求在某些領(lǐng)域能獨當(dāng)一面。我們在對往屆工科專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)畢業(yè)生的跟蹤回訪中，發(fā)現(xiàn)化工知識的缺陷對他們的工作造成一定困難，故在工科各專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)開設(shè)了工程化學(xué)課程，以彌補學(xué)生化工知識的缺陷。但由于課時數(shù)較少(共32課時)，學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，對工程化學(xué)的教學(xué)帶來了一些困難。針對這一問題我們采取了一些方法，使教學(xué)工作得到較滿意的結(jié)果。

1 注意與中學(xué)所學(xué)化學(xué)知識的銜接

現(xiàn)在全國較多地區(qū)的高考實行的是3+X方式，即理工科考生只考語文、數(shù)學(xué)、英語3門和物理、化學(xué)、生物中任選一門，工科專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)的新生幾乎沒有選考化學(xué)的，他們從高中二年級起就已放棄了化學(xué)的學(xué)習(xí)，化學(xué)基礎(chǔ)較薄弱。如果照教材上的內(nèi)容按部就班地進行教學(xué)，則大部分學(xué)生無法達到教學(xué)要求。我們通過降低教學(xué)起點，適當(dāng)補充中學(xué)化學(xué)的內(nèi)容，使學(xué)生逐步適應(yīng)工程化學(xué)的學(xué)習(xí)。

1.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論上的銜接

在講授原子結(jié)構(gòu)時，先講原子核結(jié)構(gòu)，隨后引出質(zhì)子、中子、質(zhì)量數(shù)、同位素、原子序數(shù)等中學(xué)應(yīng)學(xué)的概念;然后講決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的要素——核外電子，核外電子的分層排布，亞層，同一亞層中不同伸展方向，再引入大學(xué)化學(xué)的原子軌道即每個不同伸展方向的電子云，電子在原子軌道上的排布原則和元素周期律。對于從量子力學(xué)、薛定諤方程引進原子軌道的內(nèi)容只作了解，學(xué)生只需知道幾個量子數(shù)與電子層、亞層及伸展的對應(yīng)關(guān)系即可。

在講授化學(xué)鍵時，從中學(xué)化學(xué)用電子式表示NaCl的形成，引出離子鍵形成條件及特點，指出其本質(zhì)還是正負(fù)電荷的靜電作用。由共價鍵鍵合的兩原子電負(fù)性相差較小，有時甚至是相同的原子，它們之間的相互靜電吸引作用較難說明，可解釋為兩鍵合原子的單電子軌道重疊后，兩原子間軌道重疊部分負(fù)電荷密度增加，幾乎形成負(fù)電荷重心，由此負(fù)電荷重心吸引兩帶正電荷的原子核，從而形成穩(wěn)定的分子。從電子云重疊得越多則分子越穩(wěn)定來解釋共價鍵的方向性及分子幾何構(gòu)型。

在講授晶體結(jié)構(gòu)時，從CO2和SiO2物理性質(zhì)的巨大差異引入，使學(xué)生清楚只有分子晶體是由平常意義上的分子形成，其余晶體都是微粒間彼此通過化學(xué)鍵作用形成的巨大分子，故性質(zhì)上有巨大差異。

1.2 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡內(nèi)容的銜接

先從常見事例得出濃度和化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系，如鼓入空氣使燃燒反應(yīng)更劇烈，關(guān)閉鼓風(fēng)裝置使燃燒減弱甚至停止等事例寫出質(zhì)量作用定律;從加熱使化學(xué)反應(yīng)速率加快的事實寫出阿倫尼烏斯公式(不要求掌握，但要從公式中知道溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系)，再簡單地用碰撞理論加以解釋。

化學(xué)平衡知識可從平衡實驗數(shù)據(jù)著手，也可以從正逆反應(yīng)速率達到相等的情形著手，強調(diào)平衡時各物質(zhì)的濃度不再改變，此時各物質(zhì)濃度不是常數(shù)更不相等，各物質(zhì)平衡濃度可由平衡關(guān)系表達式聯(lián)系起來，并可進行相應(yīng)的計算。如計算平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率等。

1.3 酸堿平衡內(nèi)容的銜接

先分別用0.1mol·L－1氯化鈉溶液、醋酸溶液、酒精溶液的導(dǎo)電性演示實驗引出電解質(zhì)與非電解質(zhì)的概念，然后從分析導(dǎo)電強弱的原因來引出強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的概念;再進一步導(dǎo)出解離常數(shù)、解離度等概念;最后根據(jù)平衡移動原理引入同離子效應(yīng)、緩沖溶液、鹽類水解等概念及應(yīng)用。

2 簡化理論

由于工程化學(xué)課時數(shù)少，且沒有后續(xù)的相關(guān)課程，許多理論引入時，不一定要有嚴(yán)格的證明或推導(dǎo)，只需結(jié)論和相關(guān)的事實支持即可。

如講授到濃度與反應(yīng)速率關(guān)系時，不必用很多時間講基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)，只需講濃度增加反應(yīng)速率增加，隨即寫出速率方程式，但濃度指數(shù)項不一定是方程式中反應(yīng)物前的系數(shù)，而以x、y表示，強調(diào)具體數(shù)據(jù)由實驗確定，由于化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，一般只以總反應(yīng)方程式表示。

在講授平衡移動時，強調(diào)溫度不變時平衡常數(shù)不變，各物質(zhì)濃度相關(guān)，反應(yīng)物之間的濃度有一種此消彼漲的關(guān)系，故可通過多加入成本較低的反應(yīng)物使較高成本的反應(yīng)物轉(zhuǎn)變完全，以節(jié)約成本，如水煤氣制氫氣時加入過量水蒸氣使CO反應(yīng)完全。但反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度間是此消彼補的關(guān)系，故可通過移走產(chǎn)物使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提高，如合成氨反應(yīng)中不斷移走氨使平衡不斷右移。

在電化學(xué)基礎(chǔ)這一章，不講氧化還原方程式配平以及電極電勢形成的雙電層理論，而是簡單地講不同材料得失電子能力不同，故不同電對的半電池間存在電勢差;對由于電化學(xué)腐蝕而引起的各種后果和電化學(xué)防腐方法可多講一些，如船舶在幾個部位放上鋅塊或鎂塊的犧牲陽極保護法，地下或水下金屬設(shè)施的外加電源保護法。還可以引入電化學(xué)加工的方法，如電化學(xué)拋光、模具的電化學(xué)修復(fù)、電解加工等實用工藝。

3 精選內(nèi)容

工科包括很多專業(yè)，對于化學(xué)知識需求的重點不盡相同，除基礎(chǔ)理論外，我們根據(jù)不同專業(yè)的特點，選擇不同內(nèi)容進行講授。

對于機電專業(yè)，在材料與化學(xué)這一章中，突出介紹金屬和合金材料的性能及應(yīng)用;金屬的表面處理，如發(fā)藍(lán)、磷化處理，表面的除銹、防銹、拋光及光亮處理;還增加了機械潤滑油方面的內(nèi)容，如潤滑油的作用、組成、選用潤滑油的一般原則等。

對于土木工程專業(yè)，增加有關(guān)建材方面的化學(xué)知識，如水泥的組成、制備工藝及硬化原理，混凝土腐蝕機理和防腐方法，涂料的組成及成膜原理，現(xiàn)代節(jié)能建材的原理等。

對于計算機專業(yè)的學(xué)生，增加半導(dǎo)體材料和智能材料的內(nèi)容。如晶體硅的制備，摻雜及性能，智能材料的原理等。

化學(xué)品的安全和消防知識對各個專業(yè)都是需要的，在沒有相關(guān)課時的情況下，我們專門用兩個學(xué)時講解危險化學(xué)品在儲藏、運輸、使用中的注意點，發(fā)生火災(zāi)或燃燒反應(yīng)的3個條件，滅火的4種方法，既普及了學(xué)生的消防知識，又增加了他們的消防觀念。

4 結(jié)合社會生活中的化學(xué)知識培養(yǎng)學(xué)生興趣

為了使學(xué)生了解化學(xué)在社會生活中的作用，增設(shè)了化學(xué)與社會生活一章，如化學(xué)與能源、環(huán)保，不僅增加了學(xué)生在能源、環(huán)保、綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展等方面的知識，也激發(fā)了大學(xué)生的社會責(zé)任感;當(dāng)講到化學(xué)與日常生活中衣、食、住、行相關(guān)的化學(xué)知識，如各種常用食物的成分、生理作用，各種不同藥物的治病機理，不同材料衣物的組成、保養(yǎng)方法，各種化妝品的成分、使用方法等時，學(xué)生興趣很高，深切地體會到化學(xué)知識對日常生活的影響以及化學(xué)知識的重要性。

5 在實驗中使學(xué)生化學(xué)知識和思維飛躍

為使學(xué)生加深對化學(xué)的理解，我們在極少的課時中開設(shè)了實驗課。由于實驗課時很少，我們對實驗進行了精心選擇。第一個實驗是由硫酸亞鐵銨制備三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀，該實驗包括了沉淀反應(yīng)、氧化-還原反應(yīng)、配位反應(yīng)等基本類型的化學(xué)反應(yīng)，涉及了溶解、加熱、提純、蒸發(fā)、過濾等基本操作，做完實驗后學(xué)生感覺化學(xué)不再神秘，不同物質(zhì)間經(jīng)過一些簡單操作可相互轉(zhuǎn)變，根據(jù)實驗課本中操作方法提示也能做其他實驗。第二個實驗是到校實驗中心觀看用現(xiàn)代分析儀器對樣品進行分離、分析。先用高效液相色譜對樣品分離，從記錄儀中的幾個峰，可知樣品中物質(zhì)的種類，對已分離的物質(zhì)分別收集后，再通過紅外光譜，質(zhì)譜，氫譜和碳譜等分析，最后確定樣品中的所有物質(zhì)。實驗雖然只是演示實驗，但學(xué)生通過觀看，可以體會到現(xiàn)在分析技術(shù)的先進，知道在以后工作中遇到需了解物質(zhì)成分時，能通過現(xiàn)代分析儀器來實現(xiàn)。

6 從化學(xué)網(wǎng)站引導(dǎo)學(xué)生獲得更多化學(xué)知識

每講授一章內(nèi)容，我們總是給學(xué)生介紹相關(guān)的化學(xué)網(wǎng)站，讓有興趣的學(xué)生通過化學(xué)網(wǎng)站學(xué)到更多的化學(xué)知識。有時我們還會布置一些在課堂上未講過的內(nèi)容作為作業(yè)，告訴學(xué)生在哪些網(wǎng)站可以查到，這樣，不僅使學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)到更多知識，更重要的是能通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)會解決問題的方法。

通過幾年的工程化學(xué)教學(xué)實踐，對教學(xué)內(nèi)容和方法不斷改進，達到了使工科學(xué)生科普性地了解化學(xué)在社會生活中的巨大作用，熟悉化學(xué)的基本知識和基本理論，能運用化學(xué)理論、觀點和方法解決工程中的實際問題的目的。另外，由于課程中有不少工程、工藝是教師也不熟悉的內(nèi)容，對于教師也是一個重新學(xué)習(xí)的過程，有助于提高教師的素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平。

［1］ 曲保中，朱炳林，周偉紅.新大學(xué)化學(xué).北京:科學(xué)出版社，2007

［2］ 萬紅敬，張敏，崔海平.大學(xué)化學(xué)，2007，22(3):15

［3］ 續(xù)京，李宏燕.石油化工應(yīng)用，2007，26(6):91

［4］ 李曉梅.雞西大學(xué)學(xué)報，2005，5(4):1

［5］ 王艷芝，黃梅莉.教學(xué)研究，2000，23(4):353