物理化學課堂教學興趣培養研究

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物理化學是高等院校部分專業必修的一門重要的基礎課程，物理化學教學質量的高低直接影響到后續課程化工熱力學、化學動力學、表面化學、催化化學、化工原理等許多專業知識的學習，而且物理化學在培養創新能力方面具有其他課程無法替代的作用。擁有良好物理化學素養的大學畢業生，將更善于適應以后紛繁多變的工作環境，更容易在工作中釋放自己的科學潛能。但該課程理論概念抽象、公式條件眾多、原理多、知識的邏輯性強、關聯性強，“化學靈魂”的美譽并不能激發出學生長久的學習熱情，初學者往往會產生這門課難學的畏難情緒?！芭d趣是最好的老師”，因此如何教好物理化學這門課程，使學生將枯燥的學科知識化為新奇有趣的知識體系進行學習是每一位物理化學教師應該思考和探討的問題。物理化學教師如何使教學引起學生興趣，從而培養興趣、激發興趣，進而提高學生學習過程中的求趣能力是興趣教育的關鍵。筆者根據多年物理化學教學的經驗，簡述一下在興趣教育方面的體會。

1將抽象概念、理論通過貼切、簡單易懂的示例進行講解

物理化學的任務是把化學領域中各種現象聯系起來，對其中的一般規律予以更深刻、更本質的探討，其中的一些重要理論、概念或規律比較抽象，學生難于理解。通過將抽象概念和理論與學生熟悉的背景知識相聯系，使學生易于理解和接受。

如真實氣體的節流膨脹是熱力學部分的一個難點，在講這部分內容時，可以設問“人工降雨中有沒有節流膨脹？”“高壓氫氣瓶泄露為什么可能會引起爆炸事故？”“電冰箱是怎樣實現制冷的？”。然后通過講解總結出實現該過程必須滿足的3個要點：系統突然發生變化、流過阻礙、壓力減小，它們分別對應絕熱、節流、膨脹。然后再回答以上問題：人工降雨時充當新相種子的CO2固體小顆粒就是把液態CO2通過高壓瓶的針形閥放出實現節流膨脹，噴灑出小顆粒的干冰；若高壓氫氣瓶泄露，氫氣經節流膨脹后溫度升高，可能會引起爆炸事故[1]；電冰箱制冷循環中的第三步絕熱節流膨脹是制冷劑過冷液體通過毛細管狹窄的通路時，由于管路的阻滯作用，節流降壓、降溫。這樣就使原來干巴巴的教學過程變得生動有趣。

再比如化學勢這個概念是熱力學中的一個非常重要的概念，在相平衡、化學平衡中都有重要應用，但這個概念比較抽象。在講這個概念時，可以設問：“水為什么總是從高處流向低處？”學生一定會回答因為高處的水勢能高，這時抓住時機引入化學勢的概念，強調化學勢類似于物理學中的勢能，勢能越高的物體越不穩定，同樣化學勢越高的相和物質越不穩定，因此一種物質會從化學勢高的相自發向化學勢低的相轉移、化學反應總是自發地向∑vBμB＜0的方向進行，使學生對化學勢有個初步了解。這時可以繼續設問“常溫常壓下的水和水蒸氣，哪一個化學勢更高？如果是100℃，常壓下呢？為什么？”“密閉的鐘罩內有A、B兩杯液體，A杯內是純水，B杯內是蔗糖水，那么經過足夠長的時間兩杯液面有什么變化”，進一步加深學生對概念的理解。

在講熱力學第二定律的開爾文說法時，提到第二類永動機，第二類永動機是從單一熱源吸熱完全轉化為功而不引起其他變化的機器。這個概念學生感到抽象，難以理解，但如果加上這個解釋，學生就感到容易理解了：假如人類能造出第二類永動機，帶有這種機器的輪船就可以從海洋這個單一熱源中源源不斷地汲取熱量推動輪船前進而不引起任何變化(海洋是一個巨大的能源庫，有人曾經估算過，只要使地球上海水的溫度下降0.01℃，汲取的熱量夠全世界的機器運轉1500年[1])。那么今天行駛的輪船就不必再攜帶任何的燃料和動力。實際上正常熱機必須工作于高、低溫兩個熱源之間，無法找到與海洋這個高溫熱源相匹配的低溫熱源是這種機器根本不可能存在的原因。

2將物理化學與現實生活聯系起來，培養學生學習的興趣

恰當地將教學內容與一些學生遇到過的熟悉的生活實例聯系起來，遵循“提出生活中的實例（問題）——引入講授新內容——讓學生猜答案——給出答案”的思路，當學生最終恍然大悟時，會深感學以致用的無限樂趣，從而激發濃厚的學習興趣，保證課堂教學效果。為簡便起見，下面僅列出問題與答案要點。

植物為什么具有一定的抗旱性和耐寒性？冬季建筑施工中，為了保證施工質量，常在澆注混凝土時加入少量鹽類，其主要作用是什么？冰凍后的水果放入涼水中浸泡一段時間，發現水果表皮結了一層薄冰，而內層果肉卻解凍了，為什么？為什么我們輸液時用的生理鹽水是0.9%、葡萄糖水5%？濃度高了或低了行不行？海洋中的動物能不能在淡水中生活？鹽堿地的農作物長勢不良，甚至枯萎，其主要原因是什么？——稀溶液依數性知識，沸點升高、凝固點降低、等滲溶液、低滲溶液和高滲溶液。

為什么在高山上做飯有時做不熟，而用高壓鍋很快可做熟？——克-克方程，壓力越大，沸點越高。

鐵表面上鍍鋅、鉻或涂油漆、塑料等的作用是什么？——防腐，涂保護層。

為什么冰箱里的食物保鮮時間長？——阿倫尼烏斯方程，溫度越低，食物腐敗時間越長。

為什么不同藥品的貯存期不同？如何確定？怎樣延長藥品有效期？——因為不同藥品分解反應的反應級數n和反應速率常數k不同，根據n和k可計算出藥品在常溫下分解10%所需的時間即為“貯存期”[2]。降低溫度可延長有效期。

洗衣粉為什么在溫水中去污能力更強？發酵粉發面時為什么用溫水和面面發得更快？

——酶在溫水中催化活性最高。

自由水滴、氣泡為什么是球形？為什么小水珠碰在一起有合并成大水珠、粉末有結塊的趨勢？——表面能越小越穩定。

人工降雨的原理是什么？在春天光滑的墻壁和粗糙的墻壁哪個更容易回潮？農民為什么要鋤地？僅只為除雜草嗎？——開爾文公式，粉末狀干冰或AgI晶種作為凝結核心，降低水蒸氣的過飽和度。粗糙的墻壁更容易回潮，不只為除雜草，粗糙的墻壁和鋤地時切斷的毛細管利于使大氣中的水蒸氣在其中凝聚，使墻壁回潮和增加土壤水分，毛細凝聚現象。

雨衣、雨傘材料為什么能防雨？制作原理是什么？——增大接觸角，使雨水呈球狀滾落；制作時，在布上刷涂層或添加材料來減小氣固界面張力。

表面活性劑的洗滌去污原理是什么？——增加潤濕，起泡、增白、占領清潔表面。

表面活性劑的起泡原理是什么？——增加液體薄膜的強度。

最重要的交通信號為何設置為紅色？為什么天空是藍色的而朝陽和夕陽是火紅的？——瑞利光散射公式，藍紫色光散射強，紅色光散射弱。

為什么在大江大河入?？谔帟纬扇侵?？鹵水點豆腐的原理是什么？明礬為什么能凈水？——溶膠聚沉，電解質的聚沉，溶膠相互聚沉。

墨水中為什么要加入阿拉伯膠？為什么在制作冰淇淋的時候要加入明膠?——高分子對溶膠的保護作用。

食物保鮮需要的低溫浴怎樣選擇？——水-鹽相圖，根據需要的溫度選擇鹽類。

電動車用的電池一般是什么電池？它的電動勢是多少？具備什么條件可以成為可逆電池？用什么方法可以測出它的電動勢？怎樣根據它的電動勢求出電池反應的平衡常數？實際使用時，電池的端電壓和可逆電池的電動勢大小一樣嗎？為什么？溫度升高或降低，電池的電動勢是否改變？——鉛酸電池，約2.0V，可逆電池須滿足的3個條件，對消法，E=RTzFlnK，電池的端電壓小于電動勢，因為兩極存在極化現象。溫度改變，電動勢也改變，電動勢的溫度系數可通過實驗求得。

在一個密閉絕熱的房間里放置一臺電冰箱,將冰箱門打開,并接通電源使其工作,過一段時間之后,室內的平均氣溫將如何變化?——升高。根據熱力學第一定律，Q=0，W>0，所以熱力學能升高，溫度升高。

因為北冰洋沒有可飲用的淡水，全是海水(海水中NaCl含量為2.5%)，所以愛斯基摩人需要到冰山上去取回冰來熔化，愛斯基摩人應在怎樣的環境溫度下取冰?——H2O-NaCl相圖，愛斯基摩人應在溫度為252~273K的季節取冰[3]。

3將物理化學與工農業生產聯系起來，提高學生學習的積極性和創造性

物理化學所具有的基礎性、理論性、先導性和綜合性的特點，使之成為工農業生產的一塊重要基石，在工農業生產中起著重要作用。恰當地將教學內容與工農業生產聯系起來，遵循“提出工農業生產中的實例（問題）——引入講授新內容——啟發學生總結答案——給出答案”，使學生對理論實質產生更深的認識，增長實踐經驗，避免理論與實踐脫節，既提高了學習興趣，又培養了學生的科學思維與解決問題能力。為簡便起見，下面僅列出問題與答案要點。

經典范例，同為碳元素，298K，標準壓力下，石墨能否轉變為金剛石？可以用幾個判據來判斷？如果不能，那么怎樣使石墨轉變成金剛石？轉變程度是多大？怎樣提高轉變速率？——不能，可以用熵判據和吉布斯自由能判據來判斷和計算，采用加壓的辦法（壓強大于1.5×109Pa）可使石墨轉變成金剛石，利用ΔrGm=-RTlnK,可求出K，加熱。

冬天，工業上用管道運送硫酸時為什么要稀釋？——形成穩定化合物相圖，純硫酸的熔點在283K左右，而與一水化合物的低共熔點在235K，所以在冬天用管道運送硫酸時應適當稀釋，防止硫酸凍結。

結晶法精制粗鹽的原理是什么？——水-鹽相圖，首先鹽的組成必須大于低共熔點時鹽的組成才能通過降溫得到鹽的晶體。

當乙醇含量低于95.57%時，能否通過精餾得到無水乙醇？怎樣才能得到？——雙液系最低恒沸點相圖，不能，先加入分子篩等吸水劑，使乙醇含量超過95.57%，再精餾可得無水乙醇。

工業上制備高純物質（如8個9以上的半導體材料）原理是什么？——固相完全互溶相圖，區域熔煉。

工農業生產中通過測量水的電導率來檢驗水的純度，依據是什么？——純水的電導率k=5.5×10-6S•m-1，普通蒸餾水的電導率是1×10-3S•m-1，重蒸餾水和去離子水的電導率均小于1×10-4S•m-1，所以只要測定水的電導率就可以知道水的純度是否符合要求。

電解α±=1的ZnSO4水溶液，在陰極上Zn2+和H+哪個優先被還原？——Zn2+優先被還原。極化電勢高的優先析出，因為氫有較大的超電勢，使得氫的極化電勢低于鋅。

化工廠的一些管道或容器為什么常連到外加直流電源的負極上？——防腐，陰極保護法。

為什么大量處理固體粉塵的工廠，必須高度重視防止粉塵爆炸？——表面能高不穩定。

化工生產中采用的噴霧干燥工藝的原理是什么？——開爾文公式，小液滴飽和蒸氣壓大。

農藥中加入少量潤濕劑的作用是什么？采油時為什么要加入潤濕劑？——增加潤濕，減小液固和氣液界面張力。

泡沫浮選為什么可以提高礦石品位？——降低潤濕，增大液固界面張力。

金屬陶瓷復合材料綜合性能的發揮取決于陶瓷與金屬之間的潤濕性能的大小。燒銀法，是指在陶瓷表面燒滲一層銀，由于銀的導電能力很強，抗氧化性能好，在銀面上可直接焊接金屬。若已知高溫下的各個表面張力，那么液態銀能否潤濕瓷件表面？[3]——用楊氏方程求接觸角。

考古工作中怎樣根據動力學原理估算尸體的埋葬時間？——根據一級反應的動力學方程來計算。由于古尸上裹的布碎片中放射性14C的衰變是一級反應，利用衰變半衰期及其活性可以估算。

4將物理化學與其他化學課和實驗操作聯系起來，提高學生解決實際問題的能力

物理化學是從研究化學現象和物理現象之間的相互聯系入手，從而探求化學變化中具有普遍性的基本規律，所以我們可以利用物理化學原理來解決其他化學學科學習或化學實驗操作中遇到的問題。恰當地將教學內容與它們聯系起來，遵循“化學學習或實驗操作中的問題——引入講授新內容——給出答案”，可以培養學生的科學思維與解決問題能力，提高學習物理化學的積極性。為簡便起見，下面僅列出問題與答案要點。

為什么用二氧化錳和鹽酸反應制備氯氣時必須用濃鹽酸？——將二者反應設計成電池，電池的電動勢要大于零，根據能斯特公式可求出鹽酸必須是濃鹽酸。

如何用電化學法測定一些難溶鹽的溶度積或弱電解質的解離常數？——將沉淀溶解平衡或解離平衡反應設計成原電池，再根據E=RTzFlnK計算出K即可。

實驗室用蒸餾水洗滌容器為什么提倡少量多次？——分配定律。

分析化學中為什么常用含HCl20.24%的溶液作為標準溶液？——最高恒沸點相圖，最高恒沸點溫度為381.65K，含HCl20.24%。

堿性溶液中，氯氣能發生歧化反應，那么Br2能發生嗎？——能發生。計算Br2與其氧化態和還原態所構成的兩個電極的電勢差是否大于零。

蒸餾時為什么要加入沸石？——開爾文公式，過熱液體，防止暴沸。

分離操作中陳化的原理是什么?——開爾文公式，晶體顆粒越小溶解度越大。

實驗室玻璃儀器洗干凈的標準是什么？——蒸餾水對干凈的玻璃接觸角約為0°，水應完全潤濕玻璃儀器，均勻分布成膜，不掛水珠或成股流下。

實驗室的電子天平罩里為什么要放硅膠？——吸附空氣中的水蒸氣，氣固吸附。

5挖掘科學技術前沿中的物理化學知識，激發學生學習興趣和探索創新精神

我們的教育對象年輕，精力旺盛，好奇心強，易接受新事物。在教學中適當介紹本學科的最新成就及發展前景，可激發學生學習物理化學的興趣和探索創新精神，從而吸引學生的注意。

比如在講熱力學第二定律時，可以引入非平衡態熱力學知識，提出以下問題：生命體的熵怎么計算？熵與生命有何關系？一個正常的生命體可視為一個處于非平衡的開放系統，即是一個耗散結構。開放系統的總熵變為：dSdeS+diS，其中deS為系統與環境進行的物質、能量交換產生的熵流；diS為生命體內的所有不可逆過程(消化、吸收等過程)產生的熵變。對生命體這個開放體系，deS≠0，若有生命體從外界獲得負熵流(deS<0)，并且有獲得的負熵流大于生命體內部產生的熵變，即|deS|>diS時，則有生命體的熵變dS<0,這時系統的熵是減少的，因而系統的有序性增加，這時生命體充滿活力，生命體將進化與發展，這就是生命體的發育、生長過程。如果在一定時期內，生命體自身內部產生的熵變(diS)和生命體與外界交換物質、能量而產生的負熵(deS)恰好相等，那么系統的熵變dS=0，系統將維持一定的有序結構，生命有機體便處在穩態、成熟的階段。正常情況下機體是靠熱輻射、排泄廢物等方式向體外排出多余的熵的，當機體熱輻射受阻或排泄受阻時，都會導致熵流受阻而造成積熵從而形成“熵病”。如發燒和中暑就是典型的熵病，治療的原則從熱力學的角度看，就是“清除積熵”。當生命體的熵累積到最大時，整個生命機體呈現出高度無序性，處于高度混亂狀態，這就是生命的終止———死亡[4-5]。