物理化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用相關(guān)工業(yè)實(shí)例的探討

劉振新 ， 邢　宇 ， 蔣　玲 ， 邵　晨

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 ， 河南 鄭州　450002)

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物理化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用相關(guān)工業(yè)實(shí)例的探討

劉振新 ， 邢宇 ， 蔣玲 ， 邵晨

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 ， 河南 鄭州450002)

摘要：為了使非常抽象的物理化學(xué)課堂具有吸引力，在教學(xué)中應(yīng)探索新穎的教學(xué)方法。本文主要論述了運(yùn)用相關(guān)工業(yè)實(shí)例的教學(xué)模式，探討了這種教學(xué)模式對物理化學(xué)教學(xué)的重要推動(dòng)作用。將課堂教學(xué)與工業(yè)實(shí)例的運(yùn)用結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，保證教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué) ； 工業(yè)實(shí)例 ； 探討

物理化學(xué)這門課使用了很多數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理概念的引申，雖然涉及到化學(xué)現(xiàn)象，但是側(cè)重于理論方面，是四大化學(xué)中最為艱深難懂的一門課。物理化學(xué)課程具有公式多、概念多，理論性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)[1，2]。因此，許多學(xué)生反應(yīng)課程學(xué)習(xí)較難，產(chǎn)生畏懼情緒，尤為突出的是不知道如何在現(xiàn)實(shí)中使用物理化學(xué)課上學(xué)到的知識。如何克服學(xué)生的畏難情緒、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、提升物理化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量，就成為物理化學(xué)教師面臨并需要迫切解決的問題[3，4]。本文講述了在物理化學(xué)課堂教學(xué)中引入相關(guān)工業(yè)實(shí)例的探索與體會(huì)。

1在化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)平衡教學(xué)中的運(yùn)用

熱力學(xué)(thermodynamics)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律，總結(jié)了物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論?；瘜W(xué)平衡是指在宏觀條件一定的可逆反應(yīng)中，化學(xué)反應(yīng)正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物和生成物各組分濃度不再改變的狀態(tài)。根據(jù)勒夏特列原理，如一個(gè)已達(dá)平衡的系統(tǒng)被改變，該系統(tǒng)會(huì)隨之改變來抗衡該改變。舉例來說，熱力學(xué)涉及到化學(xué)平衡及相關(guān)計(jì)算，我們在課堂教學(xué)中可以舉出諸如煤化工當(dāng)中水汽變換反應(yīng)(water-gas shift reaction)的實(shí)例，讓學(xué)生通過查表計(jì)算吉布斯函數(shù)變并判斷該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，讓學(xué)生通過查表計(jì)算得出該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)(exothermic reaction)，通過觀察反應(yīng)方程式探明方程式兩邊反應(yīng)物物質(zhì)的量與產(chǎn)物物質(zhì)的量之間的多寡對比，然后對于溫度的升或降、壓力的升或降、空速的升或降來判斷化學(xué)平衡的移動(dòng)方向。

更進(jìn)一步地，舉出諸如費(fèi)托合成(Fischer-Tropsch synthesis)的實(shí)例，使學(xué)生知曉該反應(yīng)主要是一氧化碳的加氫，使用鐵基催化劑的時(shí)候也會(huì)有水汽變換反應(yīng)的發(fā)生，讓學(xué)生通過查表計(jì)算得出一氧化碳的加氫反應(yīng)亦屬于放熱反應(yīng)(exothermic reaction)，通過觀察一氧化碳加氫的反應(yīng)方程式得出方程式兩邊反應(yīng)物物質(zhì)的量與產(chǎn)物物質(zhì)的量之間的多寡對比，然后對于溫度的升或降、壓力的升或降、空速的升或降來判斷費(fèi)托合成過程中一氧化碳加氫、水汽變換這兩個(gè)反應(yīng)的化學(xué)平衡的移動(dòng)方向以及產(chǎn)物分布的變化趨勢。在講解當(dāng)中，適當(dāng)穿插介紹一些以石油加工為基礎(chǔ)的石油化工、以天然氣加工為基礎(chǔ)的天然氣化工、以頁巖氣加工為基礎(chǔ)的頁巖氣化工，以及以煤炭間接液化和直接液化為基礎(chǔ)的煤化工，事實(shí)證明是非常受學(xué)生歡迎的。由于四大化學(xué)均術(shù)業(yè)有專攻，內(nèi)容上各自成其體系，細(xì)處較多而綜覽較少，許多學(xué)生學(xué)了很多知識卻不知道有什么用，容易產(chǎn)生沮喪的情緒。因此，在物理化學(xué)這種最為抽象難懂的課堂上，穿插介紹工業(yè)概覽，引入工業(yè)實(shí)例并加以分析，不但可以活躍課堂，還能夠使學(xué)生們產(chǎn)生學(xué)習(xí)探索的興趣、激發(fā)分析理解的欲望。

2在化學(xué)動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

化學(xué)動(dòng)力學(xué)(chemical kinetics)是研究化學(xué)反應(yīng)過程的速率和反應(yīng)機(jī)理的物理化學(xué)分支學(xué)科，它的研究對象是物質(zhì)性質(zhì)隨時(shí)間變化的非平衡的動(dòng)態(tài)體系。舉例來說，化學(xué)動(dòng)力學(xué)涉及到表觀活化能(apparent activation energy)，我們在課堂教學(xué)中可以舉出諸如費(fèi)托合成的實(shí)例，依托文獻(xiàn)中的空速基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生計(jì)算出一氧化碳的物質(zhì)的量流量；依托文獻(xiàn)中的一氧化碳轉(zhuǎn)化率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生計(jì)算出一氧化碳的每秒轉(zhuǎn)化數(shù)量。然后，依托阿累尼烏斯方程式，讓學(xué)生在方程式兩端取自然對數(shù)，并整理成線性方程式，以一氧化碳每秒轉(zhuǎn)化數(shù)量的自然對數(shù)值為Y軸，以溫度的倒數(shù)為X軸，做出線性圖形，求出斜率后算出表觀活化能，并與文獻(xiàn)值相對照。

更進(jìn)一步地，舉出費(fèi)托合成的實(shí)例，讓學(xué)生依據(jù)催化劑重量、活性金屬含量、活性金屬平均晶粒尺寸等文獻(xiàn)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及查表得出單個(gè)活性金屬原子半徑的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)活性金屬原子上每秒轉(zhuǎn)化的一氧化碳分子個(gè)數(shù)(即轉(zhuǎn)換頻率)，該數(shù)據(jù)即可用來表示催化劑的活性高低以及反應(yīng)速率的快慢。

3在電化學(xué)部分教學(xué)中的運(yùn)用

電化學(xué)是研究電和化學(xué)反應(yīng)相互關(guān)系的科學(xué)，是物理化學(xué)的重要組成部分。在實(shí)踐中電化學(xué)往往專門指“電池的科學(xué)”。舉例來說，電化學(xué)涉及到濃差電池(concentration cell)，我們在課堂教學(xué)中可以舉出諸如磷酸鐵鋰電池的工業(yè)實(shí)例，先讓學(xué)生們寫出充電過程中正極發(fā)生的變化和負(fù)極發(fā)生的變化，再讓學(xué)生們寫出放電過程中正極發(fā)生的變化和負(fù)極發(fā)生的變化；讓學(xué)生畫出電子的傳導(dǎo)過程和鋰離子的傳導(dǎo)過程；同時(shí)講述原本基本上屬于絕緣體的磷酸鐵鋰材料如何通過碳包覆這一簡單過程，獲得了較好的電子傳導(dǎo)性和較短的離子/電子傳導(dǎo)路徑；并讓學(xué)生根據(jù)磷酸鐵鋰的分子式計(jì)算出該正極材料的理論最大比容量(170 mAh/g)。

4在膠體學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

物理化學(xué)的膠體學(xué)部分是研究膠體、大分子溶液及乳狀液等類分散體系和與界面現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的體系的性質(zhì)及規(guī)律的一個(gè)學(xué)科分支。舉例來說，膠體學(xué)涉及到凝膠(gel)學(xué)，我們在課堂教學(xué)中可以舉出諸如明膠—凝膠法制備泡沫陶瓷的例子，讓學(xué)生了解如何利用明膠的升溫則溶解、降溫則凝膠的特性以及真空干燥技術(shù)來制備泡沫陶瓷材料。更進(jìn)一步地，讓學(xué)生舉一反三，設(shè)計(jì)幾種凝膠體系，并推測所形成材料的特性。

5結(jié)語

綜上所述，為了克服學(xué)生的畏難情緒、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本文探索了在物理化學(xué)課堂教學(xué)中對相關(guān)工業(yè)實(shí)例的引入。在抽象難懂的物理化學(xué)課堂上，穿插介紹工業(yè)概覽，引入工業(yè)實(shí)例并加以分析，不但可以活躍課堂，還可以使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)探索的興趣、激發(fā)分析理解的欲望。這種教學(xué)模式的主要根源是以學(xué)生為主體。在這個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生的各方面素質(zhì)得到了提高，能夠主動(dòng)思考，為學(xué)生提供充分發(fā)展的空間，為社會(huì)培養(yǎng)能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要的人才。老師循循善誘，在課堂教學(xué)中合理運(yùn)用這種教學(xué)模并不斷創(chuàng)新實(shí)踐，將對改善物理化學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)模式的單一性，提高高校物理化學(xué)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭昌軍，史濟(jì)斌，胡軍，等.從充分發(fā)揮專業(yè)基礎(chǔ)課程作用的視角論物理化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容[J].化工高等教育，2012(1):12-14.

[2]宋利，李雷.淺分析物理化學(xué)中的“熱力學(xué)”[J].廣州化工，2012(12)：187-188.

[3]那立艷，張樹彪，華瑞年，等.精心設(shè)問活化物理化學(xué)課堂教學(xué)[J].化學(xué)世界，2009 (11)：703-705.

[4]劉振新，邢宇.物理化學(xué)教學(xué)模式新探索[J].廣東化工，2014，41(21)：270.

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作者簡介：劉振新(1974-)，女，講師，在讀博士，從事材料與化學(xué)研究與教學(xué)工作，電話：18538093652。

收稿日期：2015-03-22

中圖分類號：G642.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)06-0062-02