《物理化學(xué)》課堂教學(xué)改革與實(shí)踐

孫元元，李國輝，南旭瑩

（海南師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，海南 ?？?571158）

“物理化學(xué)”這一術(shù)語最早由羅蒙諾索夫于1752年在圣彼得堡大學(xué)的一堂課程上首次提出，而后1887年德國化學(xué)家Ostwald和荷蘭化學(xué)家Van′t Hoff創(chuàng)刊《物理化學(xué)雜志》，標(biāo)志著物理化學(xué)作為一門學(xué)科正式形成。物理化學(xué)以化學(xué)現(xiàn)象和體系為研究對(duì)象，采用物理學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探索、歸納和研究化學(xué)的基本規(guī)律和理論，構(gòu)成化學(xué)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。通過物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，能夠很好地鍛煉學(xué)生的理解力、觀察力、邏輯思維和創(chuàng)新力。然而物理化學(xué)作為四大化學(xué)之一，具有內(nèi)容抽象、公式繁多、邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得物理化學(xué)成為本科階段較難的課程[1]。因此，如何提高物理化學(xué)的課堂教學(xué)效果，使物理化學(xué)的概念、理論和公式不再枯燥乏味，讓學(xué)生輕松又全面地掌握相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，變得格外重要。近3年，筆者在物理化學(xué)的課堂教學(xué)中進(jìn)行了一些嘗試，取得了不錯(cuò)的效果。

1 重視知識(shí)體系架構(gòu)的建設(shè)

通過對(duì)物理化學(xué)課堂的觀察，發(fā)現(xiàn)學(xué)生們都能意識(shí)到這門課程的重要性，且在課程學(xué)習(xí)初期保持著極大的熱情。但是隨著課程內(nèi)容的深入，知識(shí)點(diǎn)的增多，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情逐漸消退，甚至部分同學(xué)干脆放棄。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)海南師范大學(xué)2017級(jí)化學(xué)專業(yè)3班60名學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查（圖1），45%的同學(xué)認(rèn)為建立章節(jié)內(nèi)和章節(jié)間知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)最為困難。這說明學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中無法厘清各章節(jié)之間內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，更多的是碎片化的學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)過程中，須注重章節(jié)之間的聯(lián)系，通過知識(shí)點(diǎn)的連接，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生把所學(xué)的內(nèi)容構(gòu)建成思維導(dǎo)圖，納入到學(xué)科知識(shí)體系中，幫助學(xué)生建立較完整的知識(shí)框架，不要迷失在盲目的理論公式推導(dǎo)中[2]。下面以熱力學(xué)部分為例介紹下建立知識(shí)體系的方法。

圖1 物理化學(xué)學(xué)習(xí)困難的原因調(diào)查Figure 1 Investigation on the reasons of difficulties in physical chemistry learning

首先引入物理化學(xué)的四大基本理論模塊（圖2）[3]，讓學(xué)生了解熱力學(xué)的知識(shí)在物理化學(xué)中和其他知識(shí)模塊之間的關(guān)系；其次，建立熱力學(xué)部分章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)。

圖2 物理化學(xué)的四大模塊（本科階段以熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)為主）[3]Figure 2 Four modules of physical chemistry(undergraduate mainly learn thermodynamics and kinetics)

教師在第一節(jié)課將這學(xué)期所學(xué)內(nèi)容以思維導(dǎo)圖的形式向同學(xué)們介紹章節(jié)之間的聯(lián)系。以宏觀熱力學(xué)部分為例，簡(jiǎn)單介紹如何建立熱力學(xué)知識(shí)框架圖（圖3）。

圖3 化學(xué)熱力學(xué)部分的簡(jiǎn)化知識(shí)架構(gòu)圖Figure 3 Simplified knowledge architecture diagram of chemical thermodynamics

首先，熱力學(xué)部分主要有三個(gè)模塊，分別是熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律。從熱力學(xué)第一定律出發(fā)，推理得到熱力學(xué)能這一狀態(tài)函數(shù)，功和熱為體系和環(huán)境之間能量傳遞僅有的兩種方式，從而得到熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而可以通過計(jì)算密閉系統(tǒng)變化過程中的功和熱來研究系統(tǒng)的能量變化；依據(jù)系統(tǒng)的宏觀可測(cè)性質(zhì)和自發(fā)過程中的能量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)功熱轉(zhuǎn)換的不可逆性，功熱轉(zhuǎn)換有方向性，功可以全部轉(zhuǎn)換為熱，而熱不能全部轉(zhuǎn)換為功而不引起其他變化，從而為研究熱力學(xué)第二定律指出了方向。為了解決熱轉(zhuǎn)化為功的限度問題，從卡諾循環(huán)到卡諾定理再到任意可逆循環(huán)，可知任意可逆循環(huán)過程的熱溫商之和為零，從而得到新的狀態(tài)函數(shù)熵S[4]；結(jié)合卡諾定理，可推知任意不可逆循環(huán)熱溫商之和小于零，從而推導(dǎo)出熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以此來判斷系統(tǒng)變化的方向和限度，方向?yàn)殪卦龃蟮姆较颍薅葹殪刈優(yōu)榱?。結(jié)合熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律得到聯(lián)合表達(dá)式，并在定溫、定容和不做其他功的條件下演變?yōu)楹ツ坊羝澓瘮?shù)判據(jù)，定溫、定壓和不做其他功的條件下演變?yōu)榧妓购瘮?shù)判據(jù)。以上討論的是單組分系統(tǒng)，在多組分系統(tǒng)中通過引入偏摩爾量的概念，由偏摩爾吉布斯函數(shù)得到化學(xué)勢(shì)，并在定溫定壓下可用化學(xué)勢(shì)來判斷系統(tǒng)變化的方向，即物質(zhì)轉(zhuǎn)移的方向?yàn)閺幕瘜W(xué)勢(shì)高的相向化學(xué)勢(shì)低的相轉(zhuǎn)移，限度為各個(gè)相中物質(zhì)的化學(xué)勢(shì)相等。根據(jù)這一原理在化學(xué)平衡中的應(yīng)用進(jìn)一步推導(dǎo)出平衡常數(shù)，來解決化學(xué)平衡的方向和限度問題；根據(jù)這一結(jié)論在多相平衡中的應(yīng)用，多相平衡系統(tǒng)所遵守的共同規(guī)律-相律得以證明，并利用相律來分析單組分、雙組分和三組分相圖，這就是整個(gè)熱力學(xué)部分所講的主要內(nèi)容。章節(jié)內(nèi)和章節(jié)間在內(nèi)容上由簡(jiǎn)入難，由淺入深，層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣[5]。只有在課程開始時(shí)將整個(gè)知識(shí)框架提出來，授課過程中時(shí)時(shí)提醒所學(xué)知識(shí)點(diǎn)在知識(shí)框架的位置，才能讓學(xué)生避免“只在此山中，云深不知處”的處境，達(dá)到融會(huì)貫通的效果。

2 增加交互式教學(xué)

因涉及大量物理概念和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，課堂上學(xué)生容易出現(xiàn)玩手機(jī)、注意力不集中等問題[6]。因此，課堂上需要加強(qiáng)與學(xué)生互動(dòng)，來實(shí)時(shí)了解學(xué)生掌握知識(shí)的情況，盡量保持學(xué)生的思維跟著老師的思路走，讓老師的定位從教向?qū)мD(zhuǎn)變，讓學(xué)生真正變被動(dòng)接受為主動(dòng)思考。課堂上主要進(jìn)行知識(shí)結(jié)構(gòu)梳理和對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行講解，以互動(dòng)式教學(xué)為主的授課方式勢(shì)必?cái)D壓傳統(tǒng)方式的授課時(shí)間，因此通過布置課前作業(yè)督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)并提前準(zhǔn)備討論話題，在課上進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)間聯(lián)系的構(gòu)建和重難點(diǎn)解析與交互式討論。

課堂上和課后進(jìn)行交互式教學(xué)的實(shí)施過程主要有以下三種方式：

（1）課堂結(jié)束后給出案例，下次課上大家討論對(duì)案例里所包含的知識(shí)點(diǎn)和原理的理解；

（2）校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上主題討論，師生針對(duì)一個(gè)主題討論；

（3）微信平臺(tái)建立專門的物理化學(xué)學(xué)習(xí)群，圍繞大家存在的問題，展開討論。

通過這一計(jì)劃的實(shí)施，使得課堂學(xué)習(xí)的效果大大提高，學(xué)生更加積極地參與到課堂教學(xué)中，學(xué)習(xí)氛圍大幅改善，學(xué)生對(duì)這種課堂模式比較認(rèn)同（圖4）。

圖4 學(xué)生對(duì)交互式學(xué)習(xí)效果的反饋Figure 4 Students'feedback on the effects of reciprocal teaching

3 增加案例式教學(xué)

增加案例式教學(xué)可以讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)到物理化學(xué)的應(yīng)用。例如，化學(xué)勢(shì)學(xué)習(xí)時(shí)，結(jié)合部分互溶現(xiàn)象，為什么物質(zhì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移并達(dá)到一定濃度穩(wěn)定存在；化學(xué)平衡結(jié)合生產(chǎn)中可逆反應(yīng)的產(chǎn)率；相圖結(jié)合合金的生產(chǎn)工藝如何選擇；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合合成氨反應(yīng)如何選擇催化劑和反應(yīng)溫度[7-8]；這樣既可以增加學(xué)生對(duì)物理化學(xué)的興趣，并且將枯燥的理論變得有載體，不再虛無縹緲，又可以加深對(duì)物理化學(xué)理論知識(shí)的理解。

下面以表面張力為例，來說明案例式教學(xué)的實(shí)施過程。表面張力看不見摸不著，又和表面能數(shù)值相同，容易混淆，怎么讓學(xué)生清晰地感受到表面張力的存在，理解表面張力的方向和衡量表面張力的大小呢？

在上課前給學(xué)生以下案例，并查閱案例相關(guān)資料：

1、為什么看似已經(jīng)滿了水杯可以持續(xù)投入硬幣而水不會(huì)溢出來？

2、為什么面粉廠容易爆炸？

3、為什么會(huì)有過熱現(xiàn)象？

4、沸石防暴沸的原理是什么？

課上結(jié)合交互式教學(xué)，展開討論。討論第一個(gè)案例時(shí)，當(dāng)學(xué)生提出有力的存在時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考，力作用在哪里，方向如何？投硬幣時(shí)表面變大，在力的方向上表面有移動(dòng)，會(huì)有什么變化，如果這個(gè)能量大到一定程度會(huì)發(fā)生什么？通過循循善導(dǎo)，一步一步讓學(xué)生明確表面張力的定義、位置和方向，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)表面能。同樣的方法對(duì)案例三和案例四進(jìn)行引導(dǎo)討論，學(xué)習(xí)彎曲液面附加壓力和飽和蒸氣壓的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而完成課堂教學(xué)任務(wù)。

每個(gè)章節(jié)開始之前，對(duì)這個(gè)章節(jié)能解決的現(xiàn)實(shí)中的問題多問幾個(gè)為什么？讓學(xué)生帶著問題去思考，面對(duì)生活中各種現(xiàn)象去思考，自己到物理化學(xué)中去尋找答案，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣，也就達(dá)到了提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

4 增加故事性教學(xué)

物理化學(xué)中大量以人名命名的物理量和公式，如吉布斯函數(shù)、蓋斯定律、范霍夫等溫方程、克勞修斯-克拉佩龍方程、奧斯特沃德稀釋定律等等[9]。每一個(gè)公式背后都是科學(xué)家智慧的結(jié)晶，也往往伴隨一些有趣的軼事。通過在授課過程中加入這個(gè)公式的來龍去脈和科學(xué)家的人物生平，不僅加深學(xué)生對(duì)公式的理解，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，還可以利用科學(xué)家的高貴品格給學(xué)生進(jìn)行思想教育，達(dá)到一箭雙雕的目的。同時(shí)物理化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)立和發(fā)展都離不開這些偉人的嘔心瀝血，通過對(duì)他們的介紹，也能讓學(xué)生理解物理化學(xué)的發(fā)展歷史，增強(qiáng)對(duì)物理化學(xué)整個(gè)學(xué)科的認(rèn)識(shí)和理解。

5 重視師范生自我展現(xiàn)

物理化學(xué)因其公式繁多且限用條件各異，邏輯推理嚴(yán)格，被認(rèn)為是化學(xué)系最難的課程。因此必須進(jìn)行習(xí)題練習(xí)，加深理解[10]。通過學(xué)生自己投票選出經(jīng)典例題，并進(jìn)行分組討論和自我展現(xiàn)，不僅可以提高學(xué)習(xí)效率，還可以提高師范生的板書能力和授課水平。習(xí)題課主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

環(huán)節(jié)1：習(xí)題課前讓學(xué)生在上一章的基礎(chǔ)上完善本章的思維導(dǎo)圖，形成相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)系統(tǒng)，并對(duì)本章需要講解的習(xí)題進(jìn)行投票，選出大家迫切需要精講的習(xí)題，并根據(jù)習(xí)題的數(shù)量進(jìn)行分組討論；

環(huán)節(jié)2：習(xí)題課上各組選派代表講解習(xí)題，講解重點(diǎn)為所涉及知識(shí)點(diǎn)、考點(diǎn)和解題思路，教師起引導(dǎo)課堂、補(bǔ)充講解典型解題思路的角色，并和大家一起針對(duì)自我展現(xiàn)環(huán)節(jié)中理解偏頗的地方進(jìn)行討論；

環(huán)節(jié)3：習(xí)題課后進(jìn)行本章重難點(diǎn)梳理。

6 總結(jié)

將以上幾種方式引入課堂中后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)引入的故事非常感興趣，結(jié)合案例教學(xué)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)真聽講的時(shí)間大大延長(zhǎng)，同時(shí)穿插提問討論等互動(dòng)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生舊知識(shí)和新理論的結(jié)合，融會(huì)貫通，課堂交流氣氛活躍，深受學(xué)生喜愛。通過改革，學(xué)生課堂的參與度學(xué)習(xí)熱情和效率明顯提高。同時(shí)我們?nèi)孕杓哟髥柧碚{(diào)查的頻率，做好師生溝通，達(dá)到適時(shí)改進(jìn)和時(shí)時(shí)反饋的效果。