劉振新 ， 邢　宇 ， 蔣　玲 ， 邵　晨

(鄭州輕工業(yè)學院 材料與化學工程學院 ， 河南 鄭州　450002)

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物理化學教學中運用相關工業(yè)實例的探討

劉振新 ， 邢宇 ， 蔣玲 ， 邵晨

(鄭州輕工業(yè)學院 材料與化學工程學院 ， 河南 鄭州450002)

摘要：為了使非常抽象的物理化學課堂具有吸引力，在教學中應探索新穎的教學方法。本文主要論述了運用相關工業(yè)實例的教學模式，探討了這種教學模式對物理化學教學的重要推動作用。將課堂教學與工業(yè)實例的運用結合起來，培養(yǎng)學生的學習主動性和學習興趣，保證教學效果和教學質量。

關鍵詞：物理化學 ； 工業(yè)實例 ； 探討

物理化學這門課使用了很多數(shù)學推導和物理概念的引申，雖然涉及到化學現(xiàn)象，但是側重于理論方面，是四大化學中最為艱深難懂的一門課。物理化學課程具有公式多、概念多，理論性強、系統(tǒng)性強、邏輯性強的特點[1，2]。因此，許多學生反應課程學習較難，產(chǎn)生畏懼情緒，尤為突出的是不知道如何在現(xiàn)實中使用物理化學課上學到的知識。如何克服學生的畏難情緒、激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的自學能力、提升物理化學課程的教學質量，就成為物理化學教師面臨并需要迫切解決的問題[3，4]。本文講述了在物理化學課堂教學中引入相關工業(yè)實例的探索與體會。

1在化學熱力學和化學平衡教學中的運用

熱力學(thermodynamics)主要是從能量轉化的觀點來研究物質的熱性質，它揭示了能量從一種形式轉換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律，總結了物質的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學理論?；瘜W平衡是指在宏觀條件一定的可逆反應中，化學反應正逆反應速率相等，反應物和生成物各組分濃度不再改變的狀態(tài)。根據(jù)勒夏特列原理，如一個已達平衡的系統(tǒng)被改變，該系統(tǒng)會隨之改變來抗衡該改變。舉例來說，熱力學涉及到化學平衡及相關計算，我們在課堂教學中可以舉出諸如煤化工當中水汽變換反應(water-gas shift reaction)的實例，讓學生通過查表計算吉布斯函數(shù)變并判斷該反應能否自發(fā)進行，讓學生通過查表計算得出該反應屬于放熱反應(exothermic reaction)，通過觀察反應方程式探明方程式兩邊反應物物質的量與產(chǎn)物物質的量之間的多寡對比，然后對于溫度的升或降、壓力的升或降、空速的升或降來判斷化學平衡的移動方向。

更進一步地，舉出諸如費托合成(Fischer-Tropsch synthesis)的實例，使學生知曉該反應主要是一氧化碳的加氫，使用鐵基催化劑的時候也會有水汽變換反應的發(fā)生，讓學生通過查表計算得出一氧化碳的加氫反應亦屬于放熱反應(exothermic reaction)，通過觀察一氧化碳加氫的反應方程式得出方程式兩邊反應物物質的量與產(chǎn)物物質的量之間的多寡對比，然后對于溫度的升或降、壓力的升或降、空速的升或降來判斷費托合成過程中一氧化碳加氫、水汽變換這兩個反應的化學平衡的移動方向以及產(chǎn)物分布的變化趨勢。在講解當中，適當穿插介紹一些以石油加工為基礎的石油化工、以天然氣加工為基礎的天然氣化工、以頁巖氣加工為基礎的頁巖氣化工，以及以煤炭間接液化和直接液化為基礎的煤化工，事實證明是非常受學生歡迎的。由于四大化學均術業(yè)有專攻，內容上各自成其體系，細處較多而綜覽較少，許多學生學了很多知識卻不知道有什么用，容易產(chǎn)生沮喪的情緒。因此，在物理化學這種最為抽象難懂的課堂上，穿插介紹工業(yè)概覽，引入工業(yè)實例并加以分析，不但可以活躍課堂，還能夠使學生們產(chǎn)生學習探索的興趣、激發(fā)分析理解的欲望。

2在化學動力學教學中的運用

化學動力學(chemical kinetics)是研究化學反應過程的速率和反應機理的物理化學分支學科，它的研究對象是物質性質隨時間變化的非平衡的動態(tài)體系。舉例來說，化學動力學涉及到表觀活化能(apparent activation energy)，我們在課堂教學中可以舉出諸如費托合成的實例，依托文獻中的空速基礎數(shù)據(jù)，讓學生計算出一氧化碳的物質的量流量；依托文獻中的一氧化碳轉化率基礎數(shù)據(jù)，讓學生計算出一氧化碳的每秒轉化數(shù)量。然后，依托阿累尼烏斯方程式，讓學生在方程式兩端取自然對數(shù)，并整理成線性方程式，以一氧化碳每秒轉化數(shù)量的自然對數(shù)值為Y軸，以溫度的倒數(shù)為X軸，做出線性圖形，求出斜率后算出表觀活化能，并與文獻值相對照。

更進一步地，舉出費托合成的實例，讓學生依據(jù)催化劑重量、活性金屬含量、活性金屬平均晶粒尺寸等文獻中的基礎數(shù)據(jù)，以及查表得出單個活性金屬原子半徑的相關數(shù)據(jù)，計算出每個活性金屬原子上每秒轉化的一氧化碳分子個數(shù)(即轉換頻率)，該數(shù)據(jù)即可用來表示催化劑的活性高低以及反應速率的快慢。

3在電化學部分教學中的運用

電化學是研究電和化學反應相互關系的科學，是物理化學的重要組成部分。在實踐中電化學往往專門指“電池的科學”。舉例來說，電化學涉及到濃差電池(concentration cell)，我們在課堂教學中可以舉出諸如磷酸鐵鋰電池的工業(yè)實例，先讓學生們寫出充電過程中正極發(fā)生的變化和負極發(fā)生的變化，再讓學生們寫出放電過程中正極發(fā)生的變化和負極發(fā)生的變化；讓學生畫出電子的傳導過程和鋰離子的傳導過程；同時講述原本基本上屬于絕緣體的磷酸鐵鋰材料如何通過碳包覆這一簡單過程，獲得了較好的電子傳導性和較短的離子/電子傳導路徑；并讓學生根據(jù)磷酸鐵鋰的分子式計算出該正極材料的理論最大比容量(170 mAh/g)。

4在膠體學教學中的運用

物理化學的膠體學部分是研究膠體、大分子溶液及乳狀液等類分散體系和與界面現(xiàn)象相關聯(lián)的體系的性質及規(guī)律的一個學科分支。舉例來說，膠體學涉及到凝膠(gel)學，我們在課堂教學中可以舉出諸如明膠—凝膠法制備泡沫陶瓷的例子，讓學生了解如何利用明膠的升溫則溶解、降溫則凝膠的特性以及真空干燥技術來制備泡沫陶瓷材料。更進一步地，讓學生舉一反三，設計幾種凝膠體系，并推測所形成材料的特性。

5結語

綜上所述，為了克服學生的畏難情緒、激發(fā)學生的學習興趣，本文探索了在物理化學課堂教學中對相關工業(yè)實例的引入。在抽象難懂的物理化學課堂上，穿插介紹工業(yè)概覽，引入工業(yè)實例并加以分析，不但可以活躍課堂，還可以使學生產(chǎn)生學習探索的興趣、激發(fā)分析理解的欲望。這種教學模式的主要根源是以學生為主體。在這個教學過程中，學生的各方面素質得到了提高，能夠主動思考，為學生提供充分發(fā)展的空間，為社會培養(yǎng)能適應時代發(fā)展需要的人才。老師循循善誘，在課堂教學中合理運用這種教學模并不斷創(chuàng)新實踐，將對改善物理化學傳統(tǒng)教學模式的單一性，提高高校物理化學教學水平和教學質量起到積極的作用。

參考文獻：

[1]彭昌軍，史濟斌，胡軍，等.從充分發(fā)揮專業(yè)基礎課程作用的視角論物理化學課程的教學內容[J].化工高等教育，2012(1):12-14.

[2]宋利，李雷.淺分析物理化學中的“熱力學”[J].廣州化工，2012(12)：187-188.

[3]那立艷，張樹彪，華瑞年，等.精心設問活化物理化學課堂教學[J].化學世界，2009 (11)：703-705.

[4]劉振新，邢宇.物理化學教學模式新探索[J].廣東化工，2014，41(21)：270.

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作者簡介：劉振新(1974-)，女，講師，在讀博士，從事材料與化學研究與教學工作，電話：18538093652。

收稿日期：2015-03-22

中圖分類號：G642.41

文獻標識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)06-0062-02