因材施教理念下的“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)
——以“過氧化氫分解反應(yīng)”為例*

劉志凌

(山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030031)

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”是物理化學(xué)理論課程不可或缺的實(shí)踐、補(bǔ)充、拓展環(huán)節(jié)。山西師范大學(xué)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程同時(shí)面向校本部的化學(xué)、材料化學(xué)、食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)和二校區(qū)山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院獨(dú)立學(xué)院的化學(xué)、生物科學(xué)和食品科學(xué)與工程等專業(yè)開設(shè)?；趯W(xué)校多元化招生生源的背景[1]，堅(jiān)持因材施教的原則，進(jìn)行物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文選取化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)之一——過氧化氫分解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，淺淡物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的因材施教。

1 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)因材施教的必要性

“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程是物理化理論課程的重要延伸，它利用光、電、熱、磁等物理手段與技術(shù)，研究物質(zhì)的物理性質(zhì)及其與化學(xué)變化之間的關(guān)系，涵蓋了化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)、電化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、表面化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)操作。這些物理化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)要求學(xué)生要有一定的理論基礎(chǔ)，先修諸如“無機(jī)化學(xué)”等課程。我們學(xué)校的“物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程是同時(shí)面向校本部化學(xué)、材料化學(xué)、食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)和二校區(qū)山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院獨(dú)立學(xué)院化學(xué)、生物科學(xué)和食品科學(xué)與工程等專業(yè)開設(shè)。不同專業(yè)的學(xué)生生源結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜多元化，其學(xué)習(xí)能力和知識(shí)基礎(chǔ)也彼此不同。例如，校本部的化學(xué)專業(yè)是按一本批次招生，學(xué)生的化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)牢固；材料化學(xué)、食品科學(xué)與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)是按老二本批次錄取的，不同專業(yè)學(xué)生的錄取分?jǐn)?shù)各不相同，學(xué)生層次參差不齊；作為獨(dú)立學(xué)院的二校區(qū)，其化學(xué)、生物科學(xué)和食品科學(xué)與工程等專業(yè)按老三本批次招生的，部分學(xué)生是?？粕究?，學(xué)生的素質(zhì)參差不齊，學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力都存在差異性，化學(xué)基礎(chǔ)不是非常勞固。此外，人才培養(yǎng)方案因?qū)I(yè)不同而各不相同，教學(xué)安排也一樣有區(qū)別。化學(xué)和材料化學(xué)專業(yè)的先修課程如“無機(jī)化學(xué)”、“分析化學(xué)”、“有機(jī)化學(xué)”、“物理化學(xué)”的講授系統(tǒng)、完整，其中“無機(jī)化學(xué)”、“有機(jī)化學(xué)”和“物理化學(xué)”是兩學(xué)期授課，所以這幾個(gè)專業(yè)的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)在二年級(jí)的下學(xué)期和三年級(jí)的上學(xué)期。其它專業(yè)的“無機(jī)化學(xué)”、“分析化學(xué)”、“有機(jī)化學(xué)”等基礎(chǔ)知識(shí)授課相對(duì)淺顯，其中無機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)合并成一門“無機(jī)及分析化學(xué)”課程，與“有機(jī)化學(xué)”一起安排在大一上學(xué)期，而“物理化學(xué)”理論課程安排在大一下學(xué)期，課時(shí)十分有限。先修課程不同的教學(xué)安排也一定程度上造成了不同學(xué)院、不同專業(yè)的學(xué)生個(gè)體差異。

面對(duì)不同的授課對(duì)象因材施教，是全方位解決多元化生源、分層教學(xué)、差異教學(xué)的必然趨勢(shì)[2]。掌握不同學(xué)生的理論知識(shí)水平和學(xué)習(xí)需求，針對(duì)性的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，有助于鼓舞學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)的自學(xué)性，提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的技能，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題的能力。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)涵蓋的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，涉及的原理和方法各不相同，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)自然要求也各不相同。過氧化氫的分解是一個(gè)經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)，是學(xué)生中學(xué)時(shí)代就已經(jīng)接觸學(xué)習(xí)的內(nèi)容[3]。研究過氧化氫的催化分解反應(yīng)對(duì)提高其利用、改善催化活性等具有非常重要的意義。本文以過氧化氫的分解為例，闡述因材施教原則下，由淺入深，由簡單到綜合，分層次設(shè)計(jì)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)，以適應(yīng)不同專業(yè)特點(diǎn)的學(xué)生，不同的教學(xué)課時(shí)安排[4]。

2 過氧化氫分解反應(yīng)之實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

室溫時(shí)，沒有催化劑存在時(shí)過氧化氫分解反應(yīng)進(jìn)行得很慢，但加入催化劑后會(huì)加速分解。這涉及物理化學(xué)中催化劑的作用，外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)變化的影響等知識(shí)，據(jù)此可以將此反應(yīng)設(shè)計(jì)成一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，觀察催化劑的作用，驗(yàn)證反應(yīng)速率變化的規(guī)律，適合化學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生，如非化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生，主要是二校區(qū)非化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生，化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，教學(xué)要求主要是了解化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理。

過氧化氫分解釋放出氧氣，通過排水法可以測(cè)量釋放其體積，其中體積的改變定性地反映了反應(yīng)速率的變化。基于此，可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置用于演示過氧化氫的分解動(dòng)力學(xué)。如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)演示裝置

首先將一定量的過氧化氫溶液放入錐形瓶中，開口用接有玻璃管的橡膠塞密封，玻璃管連接至一個(gè)倒扣在水槽中內(nèi)充滿水的量筒。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，稱量一定量的二氧化錳粉末倒入錐形瓶中并迅速用手搖動(dòng)，或用電磁攪拌器攪拌，產(chǎn)生的氧氣將量筒的水排擠出來。觀察體積變化趨勢(shì)，可以定性地驗(yàn)證分解反應(yīng)速率的變化。同時(shí)安排一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，保持其它條件不變，體系不添加催化劑，對(duì)比觀察排水體積的變化，可以驗(yàn)證催化劑加速反應(yīng)的作用。此外，通過水浴加熱錐形瓶加快反應(yīng)速率，亦可以驗(yàn)證溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)速率的作用。反應(yīng)完全后將催化劑分離、干燥、稱重，可以驗(yàn)證催化劑的質(zhì)量在反應(yīng)前后是否不變。如果每隔一定時(shí)間讀取量筒氣體的體積，亦可改造成半定量實(shí)驗(yàn)，按照下述定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法，求算此反應(yīng)的速率常數(shù)。進(jìn)一步的，測(cè)量不同溫度下反應(yīng)的速率常數(shù)，亦可求算反應(yīng)的活化能。雖然數(shù)值與下述定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有偏差，但數(shù)量級(jí)大致相同。通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的原理，催化劑和化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)有著基本的認(rèn)識(shí)。

2.2 定量實(shí)驗(yàn)

結(jié)合物理化學(xué)理論知識(shí)，將雙氧水分解反應(yīng)設(shè)計(jì)為定量實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)學(xué)生的層次，由淺入深地設(shè)計(jì)如下兩種定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

1)反應(yīng)速率常數(shù)k的測(cè)定

圖2 定量實(shí)驗(yàn)裝置

與演示實(shí)驗(yàn)裝置最大的區(qū)別是改用量氣管測(cè)量氣體體積的變化。檢測(cè)完裝置氣密性之后，用移液管移取一定量的過氧化氫溶液放入燒瓶或茄形瓶中，貼壁輕輕放入磁攪拌子。把稱量好的二氧化錳粉末加入瓶中，迅速塞緊膠塞，啟動(dòng)電磁攪拌器立刻開始計(jì)時(shí)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，慢慢地移動(dòng)水準(zhǔn)瓶，實(shí)現(xiàn)量氣管和水準(zhǔn)瓶的液面共平面，每隔一定時(shí)間(如2 min)讀取量氣管內(nèi)液面所對(duì)應(yīng)的刻度一次，得到任一反應(yīng)時(shí)間t所對(duì)應(yīng)的氧氣體積Vt，重復(fù)至 30 min 為止。記錄下量氣管的溫度和當(dāng)時(shí)的大氣壓。相同溫度下重復(fù)操作三次，得到三組Vt。

此類實(shí)驗(yàn)適合于一校區(qū)非化學(xué)類學(xué)生，他們?nèi)雽W(xué)時(shí)的基本功底相對(duì)好一些，但先修課程相對(duì)精減，可以鍛煉學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的能力。

2)反應(yīng)活化能Ea的測(cè)定

基于上述的定量實(shí)驗(yàn)裝置，稍作改進(jìn)，可以進(jìn)一步測(cè)量反應(yīng)的活化能。將上述裝置的燒瓶改為恒溫反應(yīng)器。利用超級(jí)恒溫槽搭建恒溫反應(yīng)器，設(shè)定一個(gè)水浴的溫度T1，按上述的步驟操作一遍，記錄數(shù)據(jù)。然后改變水浴溫度為T2，重新操作一遍，記錄數(shù)據(jù)。如此依次采集多個(gè)溫度下的數(shù)據(jù)，分別按照反應(yīng)速率測(cè)定的方法處理數(shù)據(jù)，可以得到不同溫度下所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率k。最后以lnk對(duì)1/T作圖，由直線的斜率即可求得反應(yīng)的活化能Ea。

此類改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)適用于二校區(qū)化學(xué)類的專業(yè)。二校區(qū)的化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，接受過系統(tǒng)的“無機(jī)化學(xué)”、“分析化學(xué)”和“有機(jī)化學(xué)”等先修課程的培訓(xùn)，通過該定量實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生掌握物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理，實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證及運(yùn)用理論。

2.3 綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，即涉及了物理化學(xué)的原理知識(shí)，又涵蓋了分析化學(xué)的常用實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生查閱資料，設(shè)計(jì)思路，可以考察和鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用知識(shí)能力、綜合動(dòng)手操作能力。此類實(shí)驗(yàn)適合一校區(qū)化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生。一校區(qū)化學(xué)類專業(yè)的學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了“無機(jī)化學(xué)”、“分析化學(xué)”和“有機(jī)化學(xué)”基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)其中的基本原理、基本操作都掌握的較好，將過氧化氫分解反應(yīng)設(shè)計(jì)成綜合性實(shí)驗(yàn)，有利于綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

針對(duì)招生生源的差異性、專業(yè)的差異性和培養(yǎng)目標(biāo)的差異性，遵循因材施教的理念，充分尊重學(xué)生的個(gè)體差異性，進(jìn)行分層次地設(shè)計(jì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以雙氧水分解實(shí)驗(yàn)為例，可以由淺入深地依次設(shè)計(jì)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，以適用不同層次的學(xué)生。這一方面可以引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的積極性，另一方面鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，符合學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，有利于多層次的人才培養(yǎng)模式。