王新平（大連理工大學化學學院，遼寧大連116024）

·教學研究與改革·

關于物理化學課程基本內容教學改革的建議

王新平*
（大連理工大學化學學院，遼寧大連116024）

對物理化學教學改革提出以下4條建議：（1）教學內容要適應科學發(fā)展；（2）內容構架要以解決科學問題為主線；（3）教學要注重溝通知識模塊間的科學聯(lián)系；（4）明確指出各知識模塊的科學應用。

科學發(fā)展；內容構架；模塊間的聯(lián)系；科學應用

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隨著科學的發(fā)展，物理化學在教學內容方面的改革，不僅在于不斷地將物理化學領域中經實踐檢驗正確的重要規(guī)律和理論納入教學內容、將已經過時的內容剔除出去，也在于不斷將已有的基礎理論進行修正和完善，以及將不同知識模塊間的內在聯(lián)系進行疏通，以達到在有限的物理化學教學時間內，更有效地培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的目的。已有一些典型教材［1－5］，都不同程度地對此進行了努力，并為物理化學的教學改革做出了貢獻。筆者認為，以下幾個方面，應成為今后物理化學教學改革的重要方向。

1　適度擴展物理化學基礎內容，使教學適應科學發(fā)展

物理化學教學應擴展的主要內容，首先在于能源、環(huán)境和材料科學三大領域。這是因為，近幾十年來這三大研究領域的發(fā)展最為突出，且適用于本科生物理化學教學的內容，應為物理化學的基礎內容。這意味著物理化學教學內容的擴展，應首先考慮這些研究領域的重要科學理論和科學規(guī)律。如圖1所示，只要它們已被科學研究者廣泛接受，或多次被實踐檢驗為正確，就應優(yōu)先成為物理化學科學發(fā)展的基礎（即物理化學的基礎內核），應被及時納入本科生的物理化學教學內容。實際上，已有很多這樣的內容早應列入本科生的物理化學教學內容，但迄今為止很少出現(xiàn)在物理化學的教科書中。就化學反應熱力學而言，即可列舉下列內容。

圖1　本科生物理化學教學基本內容與科學前沿的關系

1.1光化學反應熱力學

光化學反應，即在光的作用下進行的化學反應。近年來光化學反應已成為處理環(huán)境污染物（特別是水中有機污染物）的重要方法。與人類生活休戚相關的光化學反應莫過于以6CO2（g）+6H2O（1）表述的光合反應。與熱化學反應（或稱為暗化學反應）不同，光化學反應并不遵守前者的平衡規(guī)律。仍以該反應為例，作為熱化學反應，C6H12O6（aq）+6O2（g）→6CO2（g）+6H2O（1）自發(fā)發(fā)生，但在光照條件下反應發(fā)生的方向則剛好相反。這里需要指出的是，上述反應在葉片中進行的方向與葉綠素并無關系。這是因為，后者不過是起了催化作用而已，同樣有葉綠素存在，有光照與無光照則決定了反應發(fā)生的方向不同（且不說催化劑不影響反應的平衡位置）。眾所周知，該光化學反應和熱化學反應，分分秒秒都在人類的身邊或人體內發(fā)生，而我們迄今為止還很少把光化學反應的平衡規(guī)律引入本科教材。當然，利用光化學反應平衡的日常生活用品幾十年前也已問世。例如，自動適應環(huán)境光強的墨鏡。當有強光直射時，鏡片內的AgBr分解，反應2AgBr— →—hv2Ag+Br2的平衡強烈地向生成Ag的方向移動，使墨鏡自動變黑。而當光線較弱時，反應平衡則向相反的方向移動，使墨鏡的黑度隨之變弱。顯然，該墨鏡的創(chuàng)新設計來自于巧妙地利用了光化學反應的平衡規(guī)律。無疑，根據(jù)前面的討論，光化學反應的平衡規(guī)律已經成為了物理化學的基礎內核內容。

1.2有大表面固體材料參與的化學反應熱力學

對于大表面的固體材料，包括納米材料（納米粒子、納米線、納米管和納米膜）和多孔材料。由于其存在較大的界面能，這些材料在熱力學性質上便與常規(guī)低表面同種物質的固體存在著一定的不同。

在定溫（T）、定壓（p）下，大表面固體材料與常規(guī)低表面同種物質相比，其摩爾吉布斯函數(shù)多出了σAs，m（其中σ為該固體物質在溫度T、壓力p下的界面能，As，m為每摩爾該大表面固體材料的表面積）：

Gm，大表面－Gm，常規(guī)=σAs，m（1）

現(xiàn)以可查到界面能數(shù)據(jù)的MgO（s）、W（s）為例進行說明。在298 K，MgO（s）與空氣界面的界面能為1.2 J·m－2，W（s）與空氣界面的界面能為2.9 J·m－2［6］。如果它們的比表面積達到200 m2·g－1，則對于MgO（s）和W（s）而言，該大表面的固體材料與相應常規(guī)低表面同種物質相比，其摩爾吉布斯函數(shù)的高出值ΔGm分別為：

ΔGm（MgO，s）=σAs，m=1.2×40.3×200 J·mol－1=9.7 kJ·mol－1

ΔGm（W，s）=σAs，m=2.9×183.85×200 J·mol－1=106.6 kJ·mol－1

眾所周知，一般的化學反應，其摩爾吉布斯函數(shù)變的絕對值在幾到幾百kJ·mol－1之間。這就是說，有大表面固體材料參與的化學反應，依據(jù)其界面能數(shù)據(jù)及其比表面積的大小，不僅其平衡常數(shù)會與常規(guī)低表面同種物質固體參與的相應反應有一定差別，甚至其自發(fā)方向都有可能與常規(guī)低表面同種物質固體參與的相應反應剛好相反。

2　教學內容的構架應以解決實際問題為主線

下面就以化學熱力學的教學為例進行討論。為此，列出了一些簡單的水利問題，以便與物理化學問題相比較。

2.1簡單的水利問題

A1.讓水從一個指定位置“流”到另一個指定位置，是否需要電功？

如果從高處流到低處，不需要電功，可自發(fā)進行；反之，則需要電功（如開泵）。

A2.在哪里建水電站，流動1 m3的水，才可獲得更大的電能？最多可獲得多少電能？

水的自發(fā)流動，是水位差驅動的，在水位差更大的地方建水電站，才可獲得更大的電能；可獲得的最多電能等于流過水的勢能。

A3.讓水從一個低處的指定位置“流”到某高處的指定位置，實現(xiàn)該過程至少需要多少電能？至少需要的電能為流過水的勢能。

2.2物理化學問題

B1.怎樣判斷一個過程（例如化學過程）是否自發(fā)發(fā)生？

B2.利用什么樣的過程才可獲得更多的電能（或光能）？最多從中可獲得多少電能（或光能）？

B3.讓一個非自發(fā)過程實際發(fā)生，最少需要多少電能（或光能）？

顯然，對于一個學過化學熱力學的本科生而言，準確回答B(yǎng)1－B3的問題，是其最基本的能力。此外，準確計算過程的熱效應和自發(fā)過程的限度，也是學過化學熱力學的本科生必須掌握的能力。這樣，通過化學熱力學教學，起碼應使學生具備以下6個能力：①準確計算過程的熱效應；②確定在指定的條件下過程是否自發(fā)；③判斷在確定的條件下，自發(fā)過程的限度；④形成必要的理論推導能力；⑤能夠利用一個確定的自發(fā)過程，判斷最多能夠獲得多大非體積功；⑥判斷要實現(xiàn)一個非自發(fā)過程，最少需要輸入多大非體積功。

當然，要通過化學熱力學教學使學生具備解決這些問題的能力，就必須將相應教學內容進行合理的構架。圖2給出了我們建議的化學熱力學教學構架，其中還包括了電化學中的熱力學（虛線箭頭部分）。

因此，在物理化學教學中不僅要確保能力①－④的達到，也要注重能力⑤和⑥的形成。

圖2　化學熱力學基本內容構架圖示

3　溝通知識模塊間的科學聯(lián)系，促進知識的系統(tǒng)化

作為本科生學習的物理化學基礎內容，即物理化學基礎內核部分，各知識模塊之間均存在著科學本質的聯(lián)系（如圖1所示，存在縱橫的通道）。學生學習物理化學知識應達到系統(tǒng)化，“融會貫通”。否則，學生憑借獨立的和非常局限的知識點，往往難以實現(xiàn)創(chuàng)新思維。

要促進學生物理化學知識的系統(tǒng)化，在教學中就必須深入挖掘各基礎知識模塊間的通道。現(xiàn)以化學動力學為例進行說明。

催化劑能加快反應速率，在于其使反應速率常數(shù)變大。在通常情況下，反應速率常數(shù)符合阿倫尼烏斯方程：對于通常的固相催化劑，其組分根據(jù)在催化劑中的作用可分為主催化劑、助催化劑（電子型助劑和結構型助劑）及載體。因此，其上述3種組分必然應與表述速率常數(shù)k的阿倫尼烏斯方程有關。

對于氣/固相或液/固相催化反應，至少應有一種反應物的分子被催化劑表面的活性位（活性中心）吸附活化，從而降低反應活化能，使反應容易進行。通過催化劑表面活性位的結構、數(shù)目，可以將催化劑的不同組成、活化絡合物理論（催化劑活性是活化絡合物結構的一部分）以及阿倫尼烏斯方程緊密聯(lián)系起來，催化劑活性的差異主要由于其活性位活性的不同以及催化劑活性位不同的數(shù)目。電子型助催化劑主要通過改變活性位的結構而提高催化劑活性位的活性，即降低形成活化絡合物的能壘。結構型助催化劑主要增加活性位的密度，催化劑的載體則主要增加催化劑的表面積。后二者的主要作用都是用來增加或保持催化劑表面活性位的數(shù)目?；钚晕坏臄?shù)目的增加，會使阿倫尼烏斯方程的指前因子增大（圖3）。

圖3　以活性位為核心的催化劑結構與阿倫尼烏斯方程間的關聯(lián)

4　明確指出各知識模塊的科學應用

在本科教學中，教師不僅要傳授學生基礎知識，更重要的是培養(yǎng)學生運用這些基礎知識認識和解決問題的能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。在教學中要較好地實現(xiàn)這些目標，就必須做到學生對每個獨立知識模塊、知識模塊遞進群的科學應用形成清晰的認識。

例如，克拉佩龍方程和克-克方程構成了獨立的知識模塊。其基礎知識是克-克方程的3種形式（微分式、不定積分式和定積分式）?？梢哉J為，克拉佩龍將熱力學基本方程應用于純物質以兩相共存的封閉系統(tǒng)而導出相應方程，以及克勞修斯進而將其升華為克-克方程的導出過程，均是啟發(fā)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識不可多得的載體。相應基礎知識的科學應用則是：（1）利用克-克方程的定積分式，借助液體的常壓沸點和相變焓，獲取液體在所需溫度的飽和蒸氣壓；（2）利用克-克方程的不定積分式，即通過多點作圖法，獲取液體（或升華性固體）的相變焓。既然在此討論知識模塊的科學應用，那么就不妨給出用克-克方程的定積分式獲取相變焓這個不太科學的例子。如圖4所示，雖然通過兩點（例如①和②）數(shù)據(jù)也可由克-克方程的定積分式獲取相變焓，但由相應方法求得焓變其誤差可能很大。

在化學動力學中也有同樣的例子。在化學動力學中有一個較大的知識模塊遞進群是，由一個假定機理出發(fā)，利用元反應的質量作用定律和合理的近似方法（平衡近似法和穩(wěn)態(tài)近似法），推導出相應總包反應的反應級數(shù)。其科學應用是，將該導出的總包反應級數(shù)與實測總包反應級數(shù)比較，借以對相應假定機理的正確性進行初步檢驗。在此可以設想，如果一個學生對該知識模塊遞進群的上述科學應用不清楚，那么即便他把推導過程和近似方法學得再熟，恐怕也只會應付考試，而很難將其用于解決實際問題，更難于用之形成創(chuàng)新思維。

圖4　由克-克方程定積分式獲取相變焓誤差較大的原因

［1］胡英，呂瑞東，劉國杰，黑恩成.物理化學.第5版.北京:高等教育出版社，2007.

［2］李松林，周亞平，劉俊吉.物理化學.第5版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］傅獻彩，沈文霞，姚天揚，侯文華.物理化學.第5版.北京:高等教育出版社，2006.

［4］韓德剛，高執(zhí)棣，高盤良.物理化學.北京:高等教育出版社，2001.

［5］王新平，王旭珍，王新葵.基礎物理化學.第1版.北京:高等教育出版社，2011.

［6］傅玉普，郝策.多媒體CAI物理化學.第5版.大連:大連理工大學出版社，2010:409.

Suggestions for the Physical Chemistry Course

WANG Xin-Ping*
（Department of Chemistry，F(xiàn)aculty of Chemical，Environmental and Biological Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning Province，P.R.China）

In order to improve the teaching performance in the course of physical chemistry，the following four suggestions were given in this paper：（1）advances in the physical chemistry research field should be incorporated in the course；（2）the course should be arranged in the way beneficial to increasing the ability of students for solving the practical scientific problems；（3）the connection between knowledges should be clearly summarized in the course；（4）what and how problems can be solved using the knowledges should be clearly known by the students after the course.

Advancement of science；Framework of the content；Connection between knowledges；Scientific application

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201509024

，Email:dllgwxp@dlut.edu.cn