淺談環(huán)境工程專業(yè)《物理化學》教學的幾點建議*

夏 瑜，徐東耀，何緒文，王春榮

(中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程院，北京 100083)

《物理化學》是應用物理學的原理與方法來解釋化學現象和化學過程的一門科學，是化學學科的理論基礎。對于環(huán)境工程專業(yè)的本科生而言，《物理化學》能為理解污染控制技術和從事相關研究提供理論基礎和方法支持，是一門非常重要的專業(yè)基礎課[1]。對授課教師而言，《物理化學》是一門理論性強、知識點抽象的基礎課課程[2]，學生學習難度大，如何保證良好的教學效果是一大挑戰(zhàn)。作者作為環(huán)境工程專業(yè)《物理化學》的授課教師，結合自身的教學實踐經驗，在此提出關于《物理化學》的3點教學建議。

1 注重學生知識體系的建立，理清各知識點間的聯系及邏輯關系

《物理化學》是一門理論性很強的學科，公式多且有適用條件，學生容易混淆。死記硬背需耗費學生大量的精力，且效果不佳。在《物理化學》的教學過程中，教師應該系統地、循序漸進地講授基礎知識點，同時解釋清楚各知識點間的聯系及邏輯關系，幫助學生理清知識脈絡，令其做到胸中有全局。

例如，在課程緒論中，可以向學生概括性地介紹《物理化學》課程內容安排及各章之間的關系。作者選用天津大學出版社的《物理化學》(第2版)(肖衍繁，李文斌編著)作為課程教材[3]，該書比較適合作為工科學生的教材，其內容相對簡略，但重點突出。教材內容包括經典物理化學的核心——化學熱力學和化學動力學。作者結合其他書籍的編排順序對教材章節(jié)內容的順序進行了一定調整。在講述書中的各章內容及關系時，可以這樣介紹：第一章要學習的內容是“氣體”。氣體是三態(tài)中最簡單的狀態(tài)，為熱力學研究提供了最方便的體系。后續(xù)章節(jié)很多都是以氣體作為討論對象或者先討論氣體再過渡到其他體相；隨后，介紹第二章、第三章的內容分別為熱力學第一定律和熱力學第二定律，這是《物理化學》課程的重點，也是后續(xù)章節(jié)的理論基礎；而第四章多組分系統熱力學，是在前面章節(jié)中研究的組成不變的單相系統中引入組分這一變量，將研究對象擴大到多組分系統，進行熱力學計算；而后面的第五～八章內容即是將前面章節(jié)所講授的熱力學原理應用于相平衡系統、化學平衡系統、電化學、表面現象中，來解釋這些在工業(yè)生產、科學研究及人們生活中常見的化學現象和化學過程。第九章“化學動力學基礎”介紹的則是化學動力學方面的理論知識。第十章“膠體”是物理化學的一個重要分支，所研究的主要對象是高度分散的多相系統。通過這樣概括性的介紹，學生在課程開始之時就能建立起課程知識體系的框架，明晰學習主線，并在后續(xù)章節(jié)的學習中逐步豐富知識體系的內容。

再如，在講授熱力學第二定律這一章時，先介紹并強調學習熱力學第二定律的目的為判斷過程發(fā)生的方向和限度。這里的過程通常指的是自發(fā)過程。接著，層層遞進，向學生講解：解決過程方向和限度的判斷問題，首先從研究自發(fā)過程的特征入手，從而導出熱力學第二定律的文字表述，指出熱不能無條件地全部轉變?yōu)楣Γ瑥睦碚撋辖鉀Q了過程發(fā)生可能與否的判斷問題；為討論熱轉換為功的最高限度問題，從研究理想熱機的效率入手，從而導出卡諾(Carnot)定理；將卡諾定理推廣到任意可逆循環(huán)過程，進一步推導出熵的定義；將卡諾定理應用于一般過程，則得到克勞修斯(Clausius)不等式。至此，成功將熱力學第二定律轉換為了數學語言，可用于定量地判斷隔離系統中過程是否自發(fā)；為進一步方便熱力學第二定律的應用，導出工業(yè)生產中經常出現的恒溫恒壓、恒溫恒容系統中自發(fā)過程的判據，即吉布斯(Gibbs)公式與亥母霍茲(Helmholtz)公式。在此過程中，涉及到的知識點和公式眾多，但是它們全是圍繞判斷過程的方向和限度這一主題展開。教師應引導學生始終緊記這一主線，并向學生解釋清楚這些知識點、公式的關聯性和層層遞進關系，使學生真正理解和掌握這些公式意義及應用，從而建立科學、系統的課程知識體系，不迷失在眾多知識點和公式中。

2 結合環(huán)境工程專業(yè)的特點進行知識點引申，深化學生對課程的理解掌握

《物理化學》理論知識點多，且較為抽象，容易讓學生產生畏難情緒。為了引起環(huán)境工程專業(yè)學生的興趣、深入其對《物理化學》知識點的認識，并啟蒙和加深學生對本專業(yè)的認識，在講授課程知識點之余，可選擇性地對知識點進行引申，介紹其在環(huán)境工程領域污染控制技術中的應用。在此，作者列舉一些典型例子。

熱力學第二定律的知識可以為理解環(huán)境工程領域內新化學反應發(fā)生的可能性提供理論基礎。學生可以通過計算化學反應的吉布斯自由能變，運用吉布斯函數判據從理論上判斷或分析在污染控制過程中該反應發(fā)生的可能性(恒溫恒壓條件下)，從而排除不科學的污染控制手段或理解基于此反應的新型污染控制技術的原理。

表面(界面)現象中的知識點為學生理解氣浮、吸附等污染控制技術的原理提供理論基礎。其中，氣浮是常被用于去除污水中的固體懸浮物、油脂和各種膠狀物的一項技術。其具體過程是：利用高度分散的微小氣泡作為載體，使廢水中的污染物上粘附于氣泡上，隨氣泡一起上浮到表面，形成泡沫，即氣、水、顆粒(油)的三相混合體，通過收集氣泡或浮渣來實現固液或液液分離。要想理解清楚氣浮技術的原理就需要運用《物理化學》中知識點。根據熱力學理論，懸浮物附著于氣泡這一過程需要遵循表面吉布斯函數減小至最小的規(guī)律。教師可以給學生畫出氣泡、水、顆粒物(污染物)的表面張力示意圖，得出此過程中單位面積上的吉布斯函數變化量△G 為 σ水氣(COSθ-1)，需要小于0，且越小越易實現氣浮。因此，不難理解憎水性顆粒(接觸角θ> 90°)表面容易附著氣泡，因而可用氣浮法。親水性顆粒用適當的化學藥品處理后可以轉為憎水性再用氣浮法。通過這樣的講解，既能以實際例子加深學生對表面張力及表面自由能的理解，又能介紹環(huán)境工程專業(yè)常用到的污水處理技術——氣浮，從而提升教學效果；此外，吸附也是污染控制中常用的技術方法之一。表面現象的知識能夠幫助學生很好地理解固體表面的吸附現象，并掌握典型等溫吸附曲線弗羅因德利希(Freundlish)和朗繆爾(Langmuir)曲線的特征，為學習后續(xù)專業(yè)課和從事吸附劑等方面的研究打下很好的基礎。在講解這一部分時，教師可以向學生介紹污染控制領域中常用的吸附劑有哪些，如活性炭、樹脂等，解釋其用途包括去除色度、吸附水中重金屬等污染物等，并強調吸附熱力學是環(huán)境領域內新型吸附劑研究的一項重要內容，引起本專業(yè)同學對《物理化學》相關課程知識點的重視。

電化學這一章所涉及到的基本概念、電解池和原電池的原理及原電池熱力學等知識，能為學生學習污染控制過程中用到的電化學技術和后續(xù)從事環(huán)保領域的電化學研究奠定基礎。教師在講授本章內容時，可以向學生介紹電化學技術在環(huán)境污染控制領域的相關研究及應用，如電滲析、電化學氧化、電化學還原、電絮凝、微生物燃料電池等都是污染控制領域常用的電化學技術方法，讓學生通過了解電化學的應用來深化對這一章的理解，也對環(huán)境工程這一專業(yè)建立進一步的認識。

化學動力學基礎的知識能夠為學生研究和理解環(huán)境科學領域的化學反應的機理和特征等提供方法支持。通過學習，學生能夠掌握零級、一級、二級等化學反應的特點，也能掌握對環(huán)境領域涉及到的化學反應進行動力學研究的步驟及方法。在教學過程中，教師可以強調化學動力學研究在環(huán)境工程專業(yè)科研領域的重要性，引起學生對這塊內容的重視和思考。

按照以上這樣的方法，選擇性地對課程知識點進行引申，既能夠深化學生對課程中相關知識點的理解，也能讓學生對即將學習的污染控制方面的專業(yè)理論課程建立初步認識。

3 綜合運用多種教學方式和作業(yè)形式，提升教學效果

《物理化學》知識點多而不易理解，教學過程中多種手段的靈活應用有助于加強課程內容生動性，提高學生的學習興趣，并能加強師生間的互動。例如，多媒體教學可以給學生展示豐富的素材，圖形并貌，幫助學生理解抽象的知識點[4]。而利用板書向學生展示重要公式的推導過程，可以加深學生對重要公式的理解[5]；此外，每節(jié)課使用板書羅列出重點，并及時對各章知識點及其聯系進行總結，可以幫助學生建立起各章節(jié)的知識體系，也加強學生的條理性和邏輯性。同時，借助新興的平臺如雨課堂，可以加強師生間的課堂互動[6-7]。例如，通過雨課堂讓同學進行隨堂測試、發(fā)送彈幕等，既可以檢查學生的出勤情況，又可以即時反饋學生的學習效果，有利于教師及時改進教學內容，是符合成果導向教育(OBE)模式的教學手段。

另一方面，布置形式多樣的作業(yè)也是提升教學效果的重要手段之一。習題練習是促進學生對物化知識點進行理解和掌握的必不可少的手段之一。學生只有通過自己解題，動腦思考，才會真正融會貫通，學以致用；此外，在結束各章的講解之時，教師也可以讓學生在課下對照本章知識點進行總結，并在課堂上抽取部分同學對自己總結的內容進行展示，提高學生的自主性和對知識點的歸納總結能力。

4 結 語

《物理化學》是環(huán)境工程專業(yè)學生重要的專業(yè)基礎課之一，為學生理解污染控制技術和從事相關研究提供了理論基礎和方法支持。在此，作者提出了3條教學建議：(1)注重幫助學生建立起正確的知識體系，在清楚地講授各知識點的同時，更應注意向學生解釋知識點間的聯系及邏輯關系；(2)啟蒙和加深學生對環(huán)境工程專業(yè)的認識，注重知識點的引申，介紹其在環(huán)境工程領域污染控制技術中的應用，讓學生結合專業(yè)特點來深化對《物理化學》知識點的理解；(3)借助多種形式的教學工具，如多媒體、板書、語課堂軟件等，保證清晰有效地教授各知識點，并及時收到學生學習效果的反饋。