《大學(xué)化學(xué)》教學(xué)中應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐*

錢建剛，崔志民，朱 英

(北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京 100191)

《大學(xué)化學(xué)》課程是我校實(shí)行大類招生后工科試驗(yàn)類(航空航天類)本科生進(jìn)入大學(xué)后所接觸到的一門基礎(chǔ)課程，是工科大類非化學(xué)類專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的平臺(tái)[1]。傳統(tǒng)的直接講授法能讓學(xué)生直接和快速地掌握知識(shí)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是學(xué)生處于被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)，學(xué)生主觀能動(dòng)性沒有得到發(fā)揮，掌握的知識(shí)也易遺忘，而且學(xué)生的能力和思維沒有得到鍛煉。大學(xué)教育除了傳授知識(shí)以外，更重要是的要培養(yǎng)學(xué)生的各種能力和科學(xué)思維，以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高層次、創(chuàng)新型人才的需求[2]。

早在兩千多年前教育家孔子就提出“不憤不啟，不悱不發(fā)”的啟發(fā)式教學(xué)思想[3]。在啟發(fā)式教學(xué)中，教師作為學(xué)習(xí)的啟發(fā)者、引導(dǎo)者，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體[4]。從廣義上來(lái)說(shuō)，啟發(fā)式教學(xué)不僅可以活躍課堂氣氛，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)思考的積極性和主動(dòng)性，讓學(xué)生在思考、辯論、總結(jié)過(guò)程中掌握知識(shí)、突破難點(diǎn),也能夠?qū)處熃虒W(xué)活動(dòng)的各個(gè)步驟進(jìn)行啟發(fā)，從而使“教”和“學(xué)”兩個(gè)方面同時(shí)受益[5]。在教學(xué)過(guò)程中教師按照課本上的知識(shí)點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式的提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論與思考，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，也學(xué)會(huì)了從多個(gè)角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，最終使問(wèn)題得到解決[6-7]。

基于這樣的教育理念，本文在《大學(xué)化學(xué)》教學(xué)過(guò)程中以反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”的計(jì)算為實(shí)例，闡述啟發(fā)式教學(xué)方法在《大學(xué)化學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用。

1 啟發(fā)式教學(xué)過(guò)程

“焓”是《大學(xué)化學(xué)》課程中化學(xué)熱力學(xué)一個(gè)很重要的函數(shù)概念，由于沒有明確的物理意義，因此對(duì)于剛進(jìn)入大學(xué)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)理解它就比較困難?！办省睕]有明確的物理意義，那為什么還要引進(jìn)這個(gè)函數(shù)概念呢？引進(jìn)這個(gè)“焓”函數(shù)概念，完全是為了實(shí)用的需要。有了“焓”這個(gè)函數(shù)概念，在處理熱化學(xué)問(wèn)題時(shí)就方便多了。雖然體系的“焓”的絕對(duì)值目前還無(wú)法知道，但在一定條件下可以從體系和環(huán)境之間的熱量的傳遞來(lái)衡量體系的“焓”的變化值。即在只做體積功的條件下，體系在等壓過(guò)程中所吸收的熱量全部用于使“焓”增加[8]。如果能通過(guò)理論計(jì)算得到某“反應(yīng)的焓變”，也就能從理論上知道該反應(yīng)所吸收或放出的熱量，而反應(yīng)的熱量變化值具有重要的實(shí)用價(jià)值。那么，某個(gè)反應(yīng)的“焓變”又是如何來(lái)通過(guò)理論計(jì)算得到的呢？

如果根據(jù)教材中這種寫法來(lái)進(jìn)行直接講授的話，好處是簡(jiǎn)單，不足是學(xué)生無(wú)法真正理解為什么要定義 “標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的概念？以及物質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”和反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”之間的關(guān)系。

作者在講授這部分內(nèi)容時(shí)，有別于教材的寫法，而是采用了通過(guò)一個(gè)具體反應(yīng)的實(shí)例來(lái)講授反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”的計(jì)算過(guò)程，在講授反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”計(jì)算過(guò)程中巧妙引入“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的概念，在整個(gè)講授過(guò)程中，采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生步步思考，最終學(xué)到為何要定義“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的概念？它的科學(xué)價(jià)值何在？物質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”和反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”之間的關(guān)系？

SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)

為例來(lái)講授如何來(lái)求解該反應(yīng)在298.15 K時(shí)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”。

第一步啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行大膽設(shè)想，如果反應(yīng)物可以從理論上分解為由穩(wěn)定單質(zhì)組成 (之所以要規(guī)定分解產(chǎn)物為穩(wěn)定單質(zhì)，是因?yàn)檫@樣能確保分解反應(yīng)是惟一的；為什么要將反應(yīng)物分解后面再來(lái)說(shuō)明)，如上述反應(yīng)物之一的SO2(g) 可以從理論上分解為由穩(wěn)定單質(zhì)S (正交)和O2(g)組成

SO2(g)=S (正交)+O2(g)

(1)

同樣，反應(yīng)物之二的NO2(g) 也可從理論上分解為由穩(wěn)定單質(zhì)N2(g)和O2(g)組成

NO2(g)=1/2N2(g)+O2(g)

(2)

那么，經(jīng)過(guò)這樣的大膽設(shè)想后，原來(lái)的反應(yīng)物[SO2(g)+NO2(g)]就可轉(zhuǎn)化(分解)為由穩(wěn)定單質(zhì)[S (正交)+O2(g)+1/2N2(g)+O2(g)]組成。

第二步將由穩(wěn)定單質(zhì)組成的分解產(chǎn)物進(jìn)行重新組合，由[S(正交)+O2(g)+1/2N2(g)+O2(g)]重新組合成[S (正交)+ 3/2O2(g)+1/2N2(g)+ 1/2O2(g)]，此組合過(guò)程沒有發(fā)生化學(xué)變化，也就沒有焓變。

第三步再次啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行大膽設(shè)想，如果由穩(wěn)定單質(zhì)組成的分解產(chǎn)物可以從理論上化合為生成物，如將分解產(chǎn)物[S(正交)+3/2O2(g)]化合為SO3(g)，分解產(chǎn)物[1/2N2(g)+ 1/2O2(g)]化合為NO (g)。

S(正交)+3/2O2(g)=SO3(g)

(3)

1/2N2(g)+ 1/2O2(g)=NO(g)

(4)

那么，通過(guò)這樣大膽設(shè)想后，原來(lái)由反應(yīng)物直接反應(yīng)為生成物的反應(yīng)就可以轉(zhuǎn)化為由反應(yīng)物先分解為中間產(chǎn)物(即穩(wěn)定單質(zhì))，再由中間產(chǎn)物化合為生成物的過(guò)程。

反應(yīng)中的反應(yīng)物或生成物都涉及到化合物分解為單質(zhì)反應(yīng)或者單質(zhì)化合的反應(yīng)，把反應(yīng)中所有的反應(yīng)物或生成物“串”起來(lái)的是穩(wěn)定單質(zhì)。經(jīng)過(guò)兩步大膽設(shè)想后的結(jié)果是：千變?nèi)f化的化學(xué)反應(yīng)(數(shù)量是無(wú)限的)便可歸結(jié)于同一類化合物分解為穩(wěn)定單質(zhì)或者穩(wěn)定單質(zhì)化合的化學(xué)反應(yīng)(數(shù)量是有限的)，把數(shù)量無(wú)限的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為數(shù)量有限的化學(xué)反應(yīng)的大膽設(shè)想過(guò)程是具有開創(chuàng)性意義的，這也就回答了為什么要將反應(yīng)物分解為穩(wěn)定單質(zhì)的本質(zhì)原因。

反應(yīng)物[SO2(g)+NO2(g)]可看作為始態(tài)，生成物[SO3(g)+NO (g)]可看作為終態(tài)。由于焓H是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值大小僅與始、終態(tài)有關(guān)，而與變化的途徑無(wú)關(guān)，因此經(jīng)過(guò)前面三步的轉(zhuǎn)化，結(jié)合蓋斯定律，再假設(shè)所有反應(yīng)均在標(biāo)準(zhǔn)條件和298.15 K時(shí)進(jìn)行，則總反應(yīng)[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”就等于反應(yīng)(1)、反應(yīng)(2)、反應(yīng)(3)和反應(yīng)(4) 四個(gè)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”之和，即：

此時(shí)拋出關(guān)鍵性的第三個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生進(jìn)行思考：反應(yīng)[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO (g)]的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”同樣也可以直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)獲得，啟發(fā)學(xué)生思考為什么要費(fèi)盡周折先通過(guò)測(cè)量反應(yīng)(1)、反應(yīng)(2)、反應(yīng)(3)和反應(yīng)(4)的四個(gè)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”然后再來(lái)計(jì)算呢？思考討論后得到：

(1)有了“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義或概念，就可以用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)量常見化合物(數(shù)量是有限)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”值，如上述例子中SO2(g)、NO2(g)、SO3(g)和NO(g)四種物質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”值。再根據(jù)常見化合物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”值就可以計(jì)算出千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)不同化學(xué)反應(yīng)(數(shù)量是無(wú)限)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值，如上述例子中反應(yīng)[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的常見化合物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”值相當(dāng)于用實(shí)驗(yàn)的方法制造出了“標(biāo)準(zhǔn)零件”，“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義相當(dāng)于是制造“標(biāo)準(zhǔn)零件”的標(biāo)準(zhǔn)，而化學(xué)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值相當(dāng)于“產(chǎn)品”，不同的“產(chǎn)品”即不同化學(xué)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值均可通過(guò)不同的“標(biāo)準(zhǔn)零件”即不同物質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”組裝而得，如“產(chǎn)品”即反應(yīng)[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值可分別由四個(gè)不同的“標(biāo)準(zhǔn)零件”即SO2(g)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”、NO2(g)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”、SO3(g)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”和NO(g)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”組裝而得。

(2)自然界時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)化學(xué)反應(yīng)，而且這些反應(yīng)的數(shù)量是無(wú)限的，沒必要也不可能對(duì)每個(gè)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值都通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)獲得，更何況有些反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”值是不可能直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量而獲得的，如反應(yīng)C (石墨)+1/2O2(g)=CO(g)。

(3)定義“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的科學(xué)價(jià)值就在于根據(jù)這個(gè)定義(“標(biāo)準(zhǔn)”)可用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)量 (“制造”) 獲得少量的(有限的)常見化合物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”(“標(biāo)準(zhǔn)零件”)，再由這些“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”(“標(biāo)準(zhǔn)零件”) 來(lái)計(jì)算 (“組裝”) 獲得大量的(無(wú)限的)化學(xué)反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”(“產(chǎn)品”)。在此過(guò)程中，測(cè)量(“制造”) 得到常見化合物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”(“標(biāo)準(zhǔn)零件”) 是首要任務(wù)，而要測(cè)量(“制造”) 常見化合物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”(“標(biāo)準(zhǔn)零件”) 所依據(jù)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義(“標(biāo)準(zhǔn)”) 是關(guān)鍵。

(4)在“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義中，穩(wěn)定單質(zhì)通常是指為選定溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)的最穩(wěn)定單質(zhì)。但有例外，磷雖然在熱力學(xué)上最穩(wěn)定單質(zhì)是紅磷，但在“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義中磷的穩(wěn)定單質(zhì)指的卻是白磷。因此，為了嚴(yán)謹(jǐn)把例外也包括進(jìn)來(lái)，在“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”的定義中，將“穩(wěn)定單質(zhì)”改為“指定單質(zhì)”。

(5)物質(zhì)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”和反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”兩者之間既有區(qū)別也有聯(lián)系。區(qū)別是：“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”指的是某種物質(zhì)的；而“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”指的是某個(gè)反應(yīng)的。聯(lián)系是：特定反應(yīng)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”就是特定反應(yīng)生成物的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”，如在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)[S(正交)+O2(g)=SO2(g)]的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”就是該反應(yīng)生成物SO2(g)的“標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓”。

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述采用啟發(fā)式教學(xué)方式對(duì)反應(yīng)“標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變”計(jì)算過(guò)程的講解，可以使學(xué)生從傳統(tǒng)的被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)參與到課堂教學(xué)過(guò)程中。讓學(xué)習(xí)由被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，既能體現(xiàn)“授之以魚”，又能體現(xiàn)“授之以漁”，有效提高了教學(xué)的質(zhì)量和教學(xué)的效果。