物理化學課程教學中如何設(shè)置情境問題

林潔麗，李杰森，劉弋潞

（佛山科學技術(shù)學院，環(huán)境與化學工程學院，廣東 佛山 528000）

《物理化學》課程屬于高校理工科的基礎(chǔ)課范疇，介于專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程之間，其教學需要注重基本知識和基本能力的培養(yǎng)，為后繼課程的教學打下堅實的理論基礎(chǔ)。物理化學是四大化學的靈魂［1］。我們課題組對該課程提出了以學生為本的教學模式［2］和熏陶式主動型教學模式［3］，能夠較大程度提高課堂學習和教學效率。物理化學關(guān)注物理量與化學反應(yīng)規(guī)律的關(guān)系，通過對系統(tǒng)物理性質(zhì)的研究探索化學變化的規(guī)律，所以在學習時特別要注意掌握公式的物理意義和使用條件，但該課程不僅跨學科多、理論性強、公式多且內(nèi)容枯燥復雜，導致公式的物理意義和使用條件非常容易被學生混淆，因此我們以相變過程為例介紹如何掌握熱力學公式的適用條件，使學生更好理解可逆過程的特點［4］。在加強教學實踐學時的高校改革進程中［3］，物理化學因?qū)W時受限、教學進度變快，易造成學生聽懂不會做的局面，在解題過程常遇到思維受阻的現(xiàn)象［5］。最近我們提出新的教學理念［6］，以熱力學定律公式的應(yīng)用為例介紹了創(chuàng)造情境、提出問題、等待頓悟的三步曲的教學改革，教學效果是令人滿意的，不僅提高學習積極性和解題覺悟能力，而且激發(fā)培養(yǎng)了學生的創(chuàng)造性思維能力。本文結(jié)合這些教學理念以化學平衡為例介紹如何有效地設(shè)置情境問題，使學生更好地掌握相關(guān)知識。

1 設(shè)置問題遵守的原則

物理化學是一門兩多 （概念多和公式多）和三強 （理論性強、系統(tǒng)性強和邏輯性強）的學科，其中公式的應(yīng)用條件既嚴格又比較抽象，是使學生普遍感到困難較大的一門課程。加之在向應(yīng)用型大學轉(zhuǎn)型過程中，課程體系又壓縮了其理論教學比重。例如我?；ゎ惾瞬排囵B(yǎng)計劃中物理化學的教學只有64學時。有限的教學學時與廣泛的教學內(nèi)容形成矛盾。教學內(nèi)容包括化學熱力學、多組分系統(tǒng)、化學平衡、相平衡、電化學、化學動力學、界面化學和膠體化學等。所以教學過程注重 “三基”教學（包括基礎(chǔ)知識、基本理論、基本技能，化學平衡章節(jié)只有6學時，其 “三基”如表1所示），重點把 “三基”內(nèi)容講清楚，適當介紹原理公式在相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用，弱化公式、定理和理論推導證明的教學。即便如此，我們也是斷不能采納填鴨式教學，而是采取創(chuàng)造情境、提出問題、等待頓悟的三步曲的教學思路。這其中，問題的提出是最關(guān)鍵的，不僅要貼合情境還要吸引學生完成對知識的頓悟，而且還不能因復雜而占用過多時間。具體要求是：學生先遇到問題，再通過課堂聽課或者自學來直接感知基礎(chǔ)知識和基本理論，然后通過解決設(shè)置的問題和完成習題作業(yè)來體驗基本技能，實現(xiàn)頓悟，最后達到既能清晰闡明知識結(jié)構(gòu)又能梳理知識結(jié)構(gòu)的目標。在他們學習過程我們需要不斷給予提示情境內(nèi)容，安排好學習解決問題的進度，舉例說明相關(guān)的因素。

表1 化學平衡章節(jié)的 “三基”要求

2 設(shè)置情境問題的分類

物理化學是從研究化學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手再探索化學變化中具有普遍性的基本規(guī)律，目的是運用物理學的理論和方法對化學現(xiàn)象做出理論和定量的探討。所以學習中設(shè)置的情境問題根據(jù)來源可以分為生活中案例、實驗課程中問題、教材習題和例題。例如，在介紹多組分系統(tǒng)的化學勢概念前可以設(shè)置 “在北方，冬天為什么在路上撒鹽”的生活問題，該問題也是多組分系統(tǒng)依數(shù)性的應(yīng)用；學習界面化學章節(jié)時，設(shè)置 “農(nóng)民為什么要鋤地”這樣一個典型的生活案例，引出表面張力的應(yīng)用。根據(jù)情境內(nèi)容和學習目標，問題可以分為：引出概念問題、應(yīng)用條件問題、綜合應(yīng)用問題。如在相平衡章節(jié)介紹重要概念焓和相變焓前可以讓先學生解答 “某溫度的水和冰混合后的溫度”［6］的問題。

3 設(shè)置情境問題的舉例

3.1 引出概念問題

化學平衡是用反應(yīng)吉布斯函數(shù)值是否為零判斷，平衡移動是借助反應(yīng)的等溫方程式以及平衡常數(shù)的計算來判斷反應(yīng)吉布斯函數(shù)的變化。化學熱力學章節(jié)介紹了吉布斯函數(shù)概念，本章重要概念是摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)和標準平衡常數(shù)。教學思路包括情境、問題、頓悟，問題拋出前需提供一定的情境，即判據(jù)：對化學反應(yīng)系統(tǒng)（其中B表示物質(zhì)成分，νB表示化學計量系數(shù)），屬于多組分系統(tǒng)，各物質(zhì)的化學勢μB滿足 （1）時，系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)。

我們設(shè)置的問題是：我們?yōu)槭裁茨軌虺燥栵?？這也屬于典型的生活案例問題。

我們的食物基本從農(nóng)作物而來，農(nóng)作物需要肥料。氨可以制成氮肥，也可以作成化工原料，這問題轉(zhuǎn)變?yōu)榛卮穑喊蹦芊裼傻獨夂蜌錃夂铣桑?/p>

由附錄九得到常溫標準態(tài)下各物質(zhì)N2()g、H2()g、NH3（g）的摩爾生成吉布斯函數(shù)值分別是0、0、-16.45kJ·mol-1，所以：

這樣就不但回答了問題 （因為有合成氨的反應(yīng)），而且引出了標準摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)的概念。第二個概念是標準平衡常數(shù)。我們該設(shè)置什么問題呢？反應(yīng) （2）能發(fā)生，但是反應(yīng)程度如何呢？用什么物理量衡量？

3.2 標準平衡常數(shù)的應(yīng)用條件問題

已知反應(yīng)ZnS(s)+H2(g) ＝Zn( s)+H2S(g)在1000K下的標準摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)［7］

則當壓力為常壓p0的H2()g通過加熱為1000K的ZnS()s時，H2S()g的分壓為多少？

根據(jù)提供的情境內(nèi)容可以得出該反應(yīng)不能向右進行，不會生成H2S()g。如果H2S()g氣壓為0，則根據(jù)體系的標準平衡常數(shù)K?表達式：

K?應(yīng)該等于0，這顯然不合理。因此我們要回歸到標準平衡常數(shù)K?的定義式：

更科學的做法是把式 （3）代進式 （5）得到K?＝2.242×10-6。假設(shè)平衡時H2S()g氣壓為pH2S，則H2()g氣壓為pH2＝ （p0-pH2S），再代進式 （4-2）得到：

這樣就說明了標準平衡常數(shù)的定義式 （5）和常用計算式 （4-1）的區(qū)別，并且總結(jié)：標準平衡常數(shù)是特征常數(shù)，與反應(yīng)本性、溫度相關(guān)，而與濃度、壓力無關(guān)；可以延伸到這樣的常識 “根據(jù)標準平衡常數(shù)的大小可以判斷反應(yīng)進行的完全程度”：

當K?≥107時，反應(yīng)完全進行；當K?≤10-7時，反應(yīng)幾乎不可能發(fā)生；當10-7≤K?≤10-7時，可以通過改變條件來促進反應(yīng)進行。對于3.1節(jié)內(nèi)容的式 （2）合成氨反應(yīng)的標準平衡常數(shù)為6.636，屬于第三種情形，需要改變條件促進氨的合成，常見的就是高溫高壓和添加催化劑，章節(jié)后面內(nèi)容介紹升溫可以提高標準平衡常數(shù)。

3.3 綜合應(yīng)用問題

化學平衡的主線是等溫方程式的應(yīng)用，延伸到真實氣體的反應(yīng)平衡移動問題和不同溫度下的平衡移動問題。

3.3.1 延伸到真實氣體的反應(yīng)問題

關(guān)于真實氣體的反應(yīng)，我們設(shè)置教材的習題為問題。在某溫度和某壓力下反應(yīng)達到平衡：

若壓力提高兩倍，則該反應(yīng)會向哪邊移動？

顯然是考查壓力對反應(yīng)體系的影響。根據(jù)化學反應(yīng)的等溫方程式：

計算升壓后ΔrGm的變化，若變?yōu)樾∮诹?，則反應(yīng)向右移動；反之向左移動。對該問題，我們提供的情境內(nèi)容除 （4-1）、（4-2）、（5）、（6）外還有用摩爾分數(shù)yB表示的經(jīng)驗平衡常數(shù)Ky：

根據(jù)情境內(nèi)容，因溫度不變，說明標準平衡常數(shù)K?也不變，同時不難發(fā)現(xiàn)由于該反應(yīng)的∑ νB=0，因此壓力發(fā)生變化時，不變的K?使得Ky也不變，意味著系統(tǒng)的氣體的組成不變，所以平衡不發(fā)生移動。

但是如果反應(yīng)氣體是真實氣體，那么式 （7）還成立嗎？成立，但不能直接用它判斷真實氣體的平衡移動，因為真實氣體的標準平衡常數(shù)K?＇表達式為：

與式 （4-1）比較，引入逸度因子φB后，真實氣體和理想氣體的標準平衡常數(shù)的關(guān)系為：

式 （9）的K?也是理想氣體的標準平衡常數(shù)，表達式中的物質(zhì)壓力對應(yīng)平衡狀態(tài)的值，溫度不變時，真實氣體的K?＇不變，因此當氣壓增大時，若Kφ＞1時，要求變小，即向反應(yīng)物方向移動；若Kφ=1時，不變，即平衡不移動；若Kφ＜1時，要求變大，即向生成物方向移動?；蛘甙?（9）代進 （7）得到：

由式 （10），溫度不變，總壓力變化下，當Kφ＞1時，Ky變小，即向反應(yīng)物方向移動；若Kφ=1時，Ky不變，即平衡不移動；若Kφ＜1時，Ky變大，即向生成物方向移動。結(jié)論與上面分析一致。

3.3.2 溫度對標準平衡常數(shù)的影響問題

不同溫度下的反應(yīng)平衡問題，我們選擇教材［7］的例題為設(shè)置的問題，即：

石灰石燒成生石灰的反應(yīng)為：

常溫T1常壓p1下，計算該反應(yīng)的摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)：＝130.40kJ·mol-1＞0，該條件下是不能發(fā)生反應(yīng)的。需要加熱提高溫度，使得該溫度下產(chǎn)生的CO2（g）的壓力達到環(huán)境壓力，這時石灰石快速分解。求該分解的溫度。

設(shè)置該問題前的情境內(nèi)容除了式 （4-1）、（5）、（6）外，還有范特霍夫方程：

由題意可求常溫下的K?，假設(shè)分解反應(yīng)的熱容變化為零，則可把標準摩爾反應(yīng)焓=178.32kJ·mol-1視為常數(shù)，對式 （11）進行定積分求解可以得到分解溫度T2與兩個不同溫度下的標準平衡常數(shù)的關(guān)系式：

T2＝1110K（837℃）

解答后，引導學生對本章相關(guān)知識內(nèi)容發(fā)生頓悟，歸納以下結(jié)論：溫度對標準平衡常數(shù)有顯著的影響，不僅能改變反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，還能改變反應(yīng)的方向。

4 結(jié)論

針對物理化學的課程特點和應(yīng)用性專業(yè)學時數(shù)相對較少的現(xiàn)實情況，在教學中充分利用問題的預設(shè)思路，引導學生學會整合教材知識點并靈活運用它們來解決化學問題。以化學平衡為例，通過生活案例、習題、例題，以引出概念為目的，以靈活應(yīng)用基本知識點為目標，讓學生掌握 “三基”內(nèi)容，頓悟解決化學平衡的物理化學基本知識點，提高解決實際問題的能力。