遷移和具象的思維在“物理化學(xué)”教學(xué)改革中的探索

朱文君，閔建華，王小波，黃衛(wèi)東，盧小菊，左小華

(湖北理工學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北黃石435003)

0 引言

“物理化學(xué)”是在物理和化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科，是化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生必修的基礎(chǔ)課，主要研究化學(xué)體系的性質(zhì)和行為，建立化學(xué)體系中的特殊規(guī)律[1-2]?！拔锢砘瘜W(xué)”為學(xué)生進(jìn)入高年級(jí)學(xué)習(xí)化學(xué)化工專業(yè)理論提供了必要的儲(chǔ)備知識(shí)，也是其獨(dú)立自主地解決實(shí)際化學(xué)化工問(wèn)題所需的重要知識(shí)。目前，學(xué)生普遍認(rèn)為“物理化學(xué)”與其他專業(yè)課程聯(lián)系過(guò)緊，知識(shí)體系較龐大，理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果較差。因此，該課程在教學(xué)改革方面需要注重知識(shí)的遷移，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化工專業(yè)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。特別在當(dāng)前工程教育專業(yè)認(rèn)證的新形勢(shì)下，為提升教學(xué)效果、提高學(xué)生綜合能力，“物理化學(xué)”課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 “物理化學(xué)”課程教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題

“物理化學(xué)”主要是利用數(shù)學(xué)和物理的方法及原理來(lái)解決化學(xué)相關(guān)問(wèn)題，課程教學(xué)內(nèi)容包含大量的公式推理與理論模型[3-5]，具有邏輯性強(qiáng)、公式晦澀、概念抽象、學(xué)科交叉的特點(diǎn)。根據(jù)近3年該專業(yè)學(xué)生的學(xué)情反饋來(lái)看，“物理化學(xué)”課程教學(xué)中普遍存在以下問(wèn)題：①學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，難以做到自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立學(xué)習(xí)，不能發(fā)揮主觀能動(dòng)性；②在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大趨勢(shì)下，“物理化學(xué)”的理論課程教學(xué)學(xué)時(shí)也在相對(duì)縮減；③學(xué)生普遍只注重書(shū)本上的知識(shí)，忽略了其遷移和應(yīng)用，忽視了與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，沒(méi)有將理論與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行有效結(jié)合，學(xué)習(xí)效果差。

2 “物理化學(xué)”課程體系改革案例分析

針對(duì)“物理化學(xué)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，探索“物理化學(xué)”授課新方式，以遷移和具象的思維進(jìn)行“物理化學(xué)”課程教學(xué)改革，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)[6]和浸入式學(xué)習(xí)方式[7]提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

以二組分氣液平衡相圖與精餾塔相關(guān)知識(shí)講解為具體案例，將理論與不同實(shí)踐方式結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生采用浸入式學(xué)習(xí)方式，將抽象的問(wèn)題形象化、具體化、簡(jiǎn)單化，便于掌握和理解，并將其遷移到生產(chǎn)實(shí)踐或其他交叉學(xué)科，以達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。

2.1 理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，將知識(shí)遷移

以二組分氣液平衡相圖[8]與精餾塔相關(guān)知識(shí)[9]的遷移串講為例，將化工單元操作中的精餾塔方式與氣液平衡相圖相結(jié)合，講授具體案例。不同的精餾方式如圖1所示，不同精餾方式的二組分沸點(diǎn)-組成相圖如圖2所示。

圖2(a)中水平線與2條曲線的交點(diǎn)分別為液相點(diǎn)和氣相點(diǎn)，間歇式操作后餾出液的組成即為對(duì)應(yīng)氣相點(diǎn)的組成，明顯顯示為不純的組分。圖2(b)中每一條水平線代表一塊理論塔板，由拉烏爾定律可知，如沸點(diǎn)A>B[10]，則氣相中易揮發(fā)組分B的含量較高，精餾塔中氣相部分持續(xù)向塔頂上升，沸點(diǎn)低的組分增加。液相部分不斷向塔底下降。隨著理論塔板數(shù)的增加可將沸點(diǎn)不同的A，B兩組物質(zhì)完全分離。

當(dāng)回流比為1時(shí)，圖1(a)中精餾塔的氣相部分進(jìn)入全凝器，形成的餾出液與回流液的體積比為1∶1。2種回流條件下溶液的組成與溫度的關(guān)系如圖3所示，其中A，D點(diǎn)所在的曲線為氣相餾出液曲線；B，C點(diǎn)所在曲線為液相回流線；E點(diǎn)為CD的系統(tǒng)點(diǎn)。圖3中A點(diǎn)和B點(diǎn)的連線垂直于x軸，說(shuō)明A點(diǎn)和B點(diǎn)液相組成相同；B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱軸為回流液溫度t1。圖1(b)中精餾塔的氣相部分先經(jīng)過(guò)分凝器得到的氣相和液相的體積比為1∶1，氣相再進(jìn)入全凝器，因此圖1(a)與(b)中系統(tǒng)點(diǎn)一致且為圖3中CD線段的中點(diǎn)E(即A，B，E三點(diǎn)橫坐標(biāo)相同)，C點(diǎn)橫坐標(biāo)為回流液組成xl2，D點(diǎn)橫坐標(biāo)為餾出液組成xd2，E點(diǎn)為AB與CD垂直相交的交點(diǎn)且為CD中點(diǎn)，CD連線的縱軸對(duì)應(yīng)溫度為t2。從圖3中直觀對(duì)比得出xl2

(a) 裝有全混型冷凝器的精餾塔

(b) 裝有分凝器與全混型冷凝器精餾塔

(a) 間歇式精餾塔

(b) 采用理論塔板數(shù)的精餾塔

圖3 2種回流條件下溶液的組成與溫度的關(guān)系

此案例將雙液系平衡相圖與精餾塔的工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，做到了理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，既提高了學(xué)生CAD制圖能力又能使學(xué)生以浸入式學(xué)習(xí)方式理解了雙液系平衡中的氣液關(guān)系。如此將復(fù)雜抽象的問(wèn)題形象化，讓學(xué)生更通俗易懂地理解知識(shí)點(diǎn)，并能解決相應(yīng)的工程問(wèn)題。

此外，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了“廠中?！蹦Ｊ剑趯?shí)驗(yàn)室中模擬建立整套小型生產(chǎn)流水線，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中熟悉和體驗(yàn)化工生產(chǎn)過(guò)程之后，再進(jìn)一步參觀化工廠，了解理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)之間的關(guān)系。同時(shí)，教師向?qū)W生提出明確的問(wèn)題，學(xué)生在學(xué)習(xí)相圖和查找資料的基礎(chǔ)上，能根據(jù)化工生產(chǎn)過(guò)程中氣液組成進(jìn)行精餾塔的理論塔板數(shù)的計(jì)算，通過(guò)理論與工程設(shè)計(jì)的結(jié)合充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以達(dá)到消化和運(yùn)用知識(shí)的目的。

此外，授課過(guò)程中注意交叉學(xué)科案例的選擇，既要是核心的工程案例，同時(shí)又要起連接“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工原理”課程的橋梁作用。教學(xué)過(guò)程中要有的放矢，有選擇地傳授知識(shí)，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)內(nèi)容，注重教學(xué)方法和學(xué)生的主觀能動(dòng)性?？梢圆捎脮r(shí)下最流行的翻轉(zhuǎn)課堂、智慧課堂等新的教學(xué)模式，突出以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂上的主體地位。

2.2 理論與實(shí)踐相結(jié)合，將抽象的知識(shí)具體化

使教學(xué)與科研相聯(lián)系，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，將抽象的知識(shí)具體化。授課過(guò)程中將繁雜的公式理解過(guò)程與科研實(shí)踐結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)公式理解的同時(shí)，了解并熟悉相應(yīng)科研儀器的使用，提高學(xué)生科研興趣和能力。如在講到濕潤(rùn)與接觸角時(shí)，引入接觸角儀器的使用并做一些簡(jiǎn)單應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)接觸角概念的理解，同時(shí)提高學(xué)生動(dòng)手能力?？蒲兄惺褂玫慕佑|角測(cè)試儀能測(cè)量基底材料對(duì)水的潤(rùn)濕作用[11]，可選擇完全潤(rùn)濕、潤(rùn)濕、不能潤(rùn)濕3種基底材料測(cè)試其水接觸角。根據(jù)所拍攝材料的水接觸角照片，使學(xué)生理解潤(rùn)濕與接觸角的實(shí)際關(guān)系，γs-g-γl-s=γl-g，θ=0°，cosθ=1時(shí)，水對(duì)材料是完全潤(rùn)濕；γs-g-γl-s<γl-g，θ<90°，090°，cosθ<0時(shí)，基底是屬于憎水性材料，從而更好地理解Young氏潤(rùn)濕方程、液體潤(rùn)濕與固體基底材料之間的關(guān)系。

在講解界面、表面張力、表面活性劑、乳化、破乳等概念時(shí)，讓學(xué)生用乳化劑自制乳液了解表面活性劑乳化和乳液破乳的過(guò)程，學(xué)習(xí)測(cè)量和計(jì)算表面張力的方法。以十二烷基苯磺酸鈉為例，作為離子型表面活性劑，從有機(jī)化學(xué)角度研究其是由十二烷基苯經(jīng)由芳香烴的磺化反應(yīng)[12]生成十二烷基苯磺酸，再與氫氧化鈉反應(yīng)得到的產(chǎn)物。學(xué)生自己動(dòng)手將其應(yīng)用于簡(jiǎn)單丙烯酸聚合反應(yīng)，并觀察聚合反應(yīng)乳化過(guò)程，采用相同條件下電沉降的方法破乳，對(duì)比觀察乳液在粒徑和穩(wěn)定性方面的差異，使學(xué)生深入形象地學(xué)習(xí)理解相關(guān)概念。

以上運(yùn)用遷移和具象的思維將“物理化學(xué)”與工程實(shí)踐以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)將基礎(chǔ)知識(shí)遷移到工程問(wèn)題，使抽象問(wèn)題具象化，在鞏固學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的前提下進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，全方位培養(yǎng)學(xué)生的理論、實(shí)踐、科研以及工程各方面能力。

3 結(jié)論

“物理化學(xué)”是化工類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，其目的是為培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力打基礎(chǔ)。通過(guò)與“化學(xué)反應(yīng)工程”“化工原理”等關(guān)聯(lián)課程進(jìn)行遷移結(jié)合串講，在授課過(guò)程中將理論知識(shí)與實(shí)際工程問(wèn)題聯(lián)系，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力。另外，在教學(xué)過(guò)程中有的放矢，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)問(wèn)題，注重提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力，以滿足企業(yè)對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求。