(上饒師范學院 化學與環(huán)境科學學院,江西 上饒 334001)
教學策略是以某個構(gòu)成教學活動的主要因素為中心,形成策略的框架,將其他與之有關(guān)的要素依附在這個中心上,形成了一類較完整的教學策略,據(jù)此將教學策略分為內(nèi)容型、方法型、方式型和任務(wù)型等四種類型[1]。研究教學策略的一個重要目的是提高教學效率和教學質(zhì)量,實現(xiàn)教學最優(yōu)化。教學最優(yōu)化即要求以最少的時間取得最佳的教學效果,實現(xiàn)特定的教學目標[2-3]。內(nèi)容型教學策略是以教學內(nèi)容為中心,在分析和處理教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上,構(gòu)成其策略的框架[4]。目前探索出兩條策略:結(jié)構(gòu)化策略和問題化策略。結(jié)構(gòu)化策略主要強調(diào)知識的結(jié)構(gòu),主張在教學內(nèi)容上削枝強干,構(gòu)建簡潔明了的知識體系。結(jié)構(gòu)化策略在安排教學內(nèi)容方面一般可分為直線式、分支平行式、螺旋式和綜合式等。
物理化學是一門重要的理論基礎(chǔ)課,具有理論性強、邏輯性強、系統(tǒng)性強、公式多、概念多的特點[5],現(xiàn)以熱力學第二定律的內(nèi)容為教學目標,制定出以知識體系為主線的內(nèi)容型教學策略框架,來降低熱力學第二定律的學習難度,提高課堂教學的效率。
由表1得到,自發(fā)變化的共同特征是不可逆性,經(jīng)過討論,學生加深了對自發(fā)過程的理解,同時引出了熱力學第二定律的內(nèi)容。
采用直線式策略來研究熱力學第二定律的知識體系,下面用思維導(dǎo)圖的形式把知識框架展示出來[7],如圖1所示。圖1給出了熱力學第二定律的知識體系,教師沿著思維導(dǎo)圖的順序逐步講授,本章的內(nèi)容就能被順理成章、連貫地講解了,并將各部分的知識點標識出來,加深學生對知識體系的掌握,提高學習效率。
表1 判斷一個自發(fā)過程是否可逆的教學策略
物理化學的難點之一是在不同的狀態(tài)變化中,比如有簡單狀態(tài)變化,相變化,化學變化等,狀態(tài)函數(shù)的計算公式是不一樣的,采用分支平行式策略來研究系統(tǒng)的熵變,構(gòu)成熵變計算的知識框架。已知系統(tǒng)的熵變等于可逆過程的熱溫商,公式如下:
(1)
(2)
式中R代表可逆過程。
① 一定量的理想氣體等溫可逆變化,系統(tǒng)的熵變?yōu)椋?△U=0,QR=-Wmax
(3)
② 一定量理想氣體p,V,T均發(fā)生變化,由于一步無法計算,需分兩步求解。設(shè)系統(tǒng)由始態(tài)A(p1,V1,T1)可逆變化到終態(tài)B(p2,V2,T2)。
圖1 熱力學第二定律的知識體系
途徑(Ⅰ):在T1時等溫可逆膨脹到V2,再等容、變溫可逆至B,系統(tǒng)的熵變公式為
(4)
途徑(Ⅱ):在T1時等溫可逆膨脹到p2,再等壓、變溫可逆至B,系統(tǒng)的熵變?yōu)?/p>
(5)
顯然,△SⅠ和△SⅡ的值是相等的。
① 可逆相變,一般在等溫、等壓下進行,由于:QR=Qp= △H
(6)
② 不可逆相變,由于:QR≠△H
△S的計算必須設(shè)計一條包括有可逆相變步驟在內(nèi)的可逆途徑,此時可逆途徑的熱溫商才是不可逆過程的熵變。
① 等溫熱傳導(dǎo)是從高溫熱源(Th)到低溫熱源(Tc)之間的熱傳導(dǎo)過程,若從高溫熱源吸收的熱為Q,則該過程的熵變?yōu)椋?/p>
(7)
② 變溫熱傳導(dǎo)是兩個物體(設(shè)為A和B),其溫度分別為TA和TB,兩物體相接觸,達到熱平衡的過程。先求終態(tài)溫度(T)為:
上式中CA和CB分別為兩物體的熱容,系統(tǒng)的總熵變?yōu)椋?/p>
(8)
注意:若熱傳導(dǎo)過程中有相變,就不能直接套用公式(8)。
(9)
若化學反應(yīng)是在標準壓力pθ和溫度為298.15 K時進行,則化學反應(yīng)過程的熵變計算為
(10)
如果在壓力為pθ時,要計算任意溫度下化學反應(yīng)的熵變,則
(11)
采用分支平行式策略研究系統(tǒng)的熵變,構(gòu)成了熵變計算的知識框架。學生在學習時,就不會看到題目不知如何下手,不知用哪個公式計算熵變,即掌握了熵變計算的知識體系。
熱力學包括熱力學第一定律和熱力學第二定律,分別解決能量的相互轉(zhuǎn)換、判斷過程的方向和限度等問題,所涉及的一般是計算2個過程量[功(W)和熱(Q)],5個狀態(tài)函數(shù)[熱力學能(U)、焓(H)、熵(S)、Helmholtz自由能(A)和Gibbs自由能(G)]的改變值。對于不同的過程,這7個量的計算公式不一樣。無非體積的封閉系統(tǒng),采用比較法,列出計算公式,螺旋式地擴展和加深物理化學的知識體系,如表2所示。
表2給出了一些基本過程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的計算,得出在不同的過程和不同的外界條件下,這7個量的不同計算公式。采用螺旋式策略研究,讓學生可以一目了然地進行比較和掌握經(jīng)典熱力學知識體系。
表2 一些基本過程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的計算
綜合式策略研究是對上述幾個方式的綜合,也是對知識體系的運用和掌握。物理化學的熱力學部分除了一些基本過程外,還有更復(fù)雜的過程,需要學生加以理解和分析。例如將1 mol苯C6H6(l)在正常沸點353 K和101.3 kPa壓力下,向真空蒸發(fā)為同溫、同壓的蒸氣,已知在該條件下,苯的摩爾氣化焓為△vapHm=30.77 kJ·mol-1,設(shè)氣體為理想氣體,并忽略液體的體積。試求該過程的熱(Q)?
學生解題思路為:因為始態(tài)和終態(tài)的溫度和壓力相等,所以
Q=△H=n△vapHm=1 mol×30.77 kJ·mol-1= 30.77 kJ
問題是: 根據(jù)熱力學第一定律,△U=Q+W
而 △U=△H-△(pV)= △H-p(Vg-Vl)≈△H-nRT
= 30.77 kJ -1 mol×8.314 J·K-1·mol-1×353 K×10-3= 27.84 kJ
Q= △U= 27.84 kJ
計算出的Q不相等,為什么?應(yīng)該如何分析此類問題?
學生解題思路錯的原因是:(1)概念沒理解透徹,系統(tǒng)始態(tài)和終態(tài)的壓力相等,就錯誤認為是等壓過程。由于p外=0,此過程不是等壓過程,Q≠△H,而是Q= △U;(2)此為相變過程,不是簡單的p、V、T變化過程。綜合式策略研究是對知識體系掌握的提升,發(fā)揮了學生的主觀能動性,自覺地找出錯誤并學會分析原因,鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力。
結(jié)構(gòu)化策略所包含的這幾種方式,在研究教學策略時是相輔相成、相得益彰的,對物理化學其他章節(jié)內(nèi)容的學習也同樣適用。學生掌握了物理化學的知識體系,可以舉一反三,掌握更多、更廣的知識。這既提高了教學質(zhì)量,實現(xiàn)了教學的最優(yōu)化,為培養(yǎng)具有創(chuàng)新、有科研能力的人才打下基礎(chǔ),也使學生的綜合素質(zhì)大大地提高。