(上饒師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001)

教學(xué)策略是以某個(gè)構(gòu)成教學(xué)活動(dòng)的主要因素為中心，形成策略的框架，將其他與之有關(guān)的要素依附在這個(gè)中心上，形成了一類較完整的教學(xué)策略，據(jù)此將教學(xué)策略分為內(nèi)容型、方法型、方式型和任務(wù)型等四種類型[1]。研究教學(xué)策略的一個(gè)重要目的是提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)教學(xué)最優(yōu)化。教學(xué)最優(yōu)化即要求以最少的時(shí)間取得最佳的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)特定的教學(xué)目標(biāo)[2-3]。內(nèi)容型教學(xué)策略是以教學(xué)內(nèi)容為中心，在分析和處理教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)成其策略的框架[4]。目前探索出兩條策略：結(jié)構(gòu)化策略和問題化策略。結(jié)構(gòu)化策略主要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的結(jié)構(gòu)，主張?jiān)诮虒W(xué)內(nèi)容上削枝強(qiáng)干，構(gòu)建簡潔明了的知識(shí)體系。結(jié)構(gòu)化策略在安排教學(xué)內(nèi)容方面一般可分為直線式、分支平行式、螺旋式和綜合式等。

物理化學(xué)是一門重要的理論基礎(chǔ)課，具有理論性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)、公式多、概念多的特點(diǎn)[5]，現(xiàn)以熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容為教學(xué)目標(biāo)，制定出以知識(shí)體系為主線的內(nèi)容型教學(xué)策略框架，來降低熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)難度，提高課堂教學(xué)的效率。

1 直線式策略研究

由表1得到，自發(fā)變化的共同特征是不可逆性，經(jīng)過討論，學(xué)生加深了對(duì)自發(fā)過程的理解，同時(shí)引出了熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。

采用直線式策略來研究熱力學(xué)第二定律的知識(shí)體系，下面用思維導(dǎo)圖的形式把知識(shí)框架展示出來[7]，如圖1所示。圖1給出了熱力學(xué)第二定律的知識(shí)體系，教師沿著思維導(dǎo)圖的順序逐步講授，本章的內(nèi)容就能被順理成章、連貫地講解了，并將各部分的知識(shí)點(diǎn)標(biāo)識(shí)出來，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的掌握，提高學(xué)習(xí)效率。

表1 判斷一個(gè)自發(fā)過程是否可逆的教學(xué)策略

2 分支平行式策略研究

物理化學(xué)的難點(diǎn)之一是在不同的狀態(tài)變化中，比如有簡單狀態(tài)變化，相變化，化學(xué)變化等，狀態(tài)函數(shù)的計(jì)算公式是不一樣的，采用分支平行式策略來研究系統(tǒng)的熵變，構(gòu)成熵變計(jì)算的知識(shí)框架。已知系統(tǒng)的熵變等于可逆過程的熱溫商，公式如下：

(1)

(2)

式中R代表可逆過程。

2.1 簡單狀態(tài)變化

① 一定量的理想氣體等溫可逆變化，系統(tǒng)的熵變?yōu)椋?△U=0，QR=-Wmax

(3)

② 一定量理想氣體p，V，T均發(fā)生變化，由于一步無法計(jì)算，需分兩步求解。設(shè)系統(tǒng)由始態(tài)A(p1，V1，T1)可逆變化到終態(tài)B(p2，V2，T2)。

圖1 熱力學(xué)第二定律的知識(shí)體系

途徑(Ⅰ)：在T1時(shí)等溫可逆膨脹到V2，再等容、變溫可逆至B，系統(tǒng)的熵變公式為

(4)

途徑(Ⅱ)：在T1時(shí)等溫可逆膨脹到p2，再等壓、變溫可逆至B，系統(tǒng)的熵變?yōu)?/p>

(5)

顯然，△SⅠ和△SⅡ的值是相等的。

2.2 相變化

① 可逆相變，一般在等溫、等壓下進(jìn)行，由于：QR=Qp= △H

(6)

② 不可逆相變，由于：QR≠△H

△S的計(jì)算必須設(shè)計(jì)一條包括有可逆相變步驟在內(nèi)的可逆途徑，此時(shí)可逆途徑的熱溫商才是不可逆過程的熵變。

2.3 熱傳導(dǎo)：可分為等溫?zé)醾鲗?dǎo)和變溫?zé)醾鲗?dǎo)[8]

① 等溫?zé)醾鲗?dǎo)是從高溫?zé)嵩?Th)到低溫?zé)嵩?Tc)之間的熱傳導(dǎo)過程，若從高溫?zé)嵩次盏臒釣镼，則該過程的熵變?yōu)椋?/p>

(7)

② 變溫?zé)醾鲗?dǎo)是兩個(gè)物體(設(shè)為A和B)，其溫度分別為TA和TB，兩物體相接觸，達(dá)到熱平衡的過程。先求終態(tài)溫度(T)為：

上式中CA和CB分別為兩物體的熱容，系統(tǒng)的總熵變?yōu)椋?/p>

(8)

注意：若熱傳導(dǎo)過程中有相變，就不能直接套用公式(8)。

2.4 不同理想氣體的等溫、等壓混合過程，并符合分體積定律，即每種氣體單獨(dú)存在的壓力和氣體的總壓力都相等，則混合過程的熵變?yōu)椋?/h3>

(9)

2.5 對(duì)于任意的化學(xué)反應(yīng)

若化學(xué)反應(yīng)是在標(biāo)準(zhǔn)壓力pθ和溫度為298.15 K時(shí)進(jìn)行，則化學(xué)反應(yīng)過程的熵變計(jì)算為

(10)

如果在壓力為pθ時(shí)，要計(jì)算任意溫度下化學(xué)反應(yīng)的熵變，則

(11)

采用分支平行式策略研究系統(tǒng)的熵變，構(gòu)成了熵變計(jì)算的知識(shí)框架。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，就不會(huì)看到題目不知如何下手，不知用哪個(gè)公式計(jì)算熵變，即掌握了熵變計(jì)算的知識(shí)體系。

3 螺旋式策略研究

熱力學(xué)包括熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，分別解決能量的相互轉(zhuǎn)換、判斷過程的方向和限度等問題，所涉及的一般是計(jì)算2個(gè)過程量[功(W)和熱(Q)]，5個(gè)狀態(tài)函數(shù)[熱力學(xué)能(U)、焓(H)、熵(S)、Helmholtz自由能(A)和Gibbs自由能(G)]的改變值。對(duì)于不同的過程，這7個(gè)量的計(jì)算公式不一樣。無非體積的封閉系統(tǒng)，采用比較法，列出計(jì)算公式，螺旋式地?cái)U(kuò)展和加深物理化學(xué)的知識(shí)體系，如表2所示。

表2給出了一些基本過程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的計(jì)算，得出在不同的過程和不同的外界條件下，這7個(gè)量的不同計(jì)算公式。采用螺旋式策略研究，讓學(xué)生可以一目了然地進(jìn)行比較和掌握經(jīng)典熱力學(xué)知識(shí)體系。

表2 一些基本過程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的計(jì)算

4 綜合式策略研究

綜合式策略研究是對(duì)上述幾個(gè)方式的綜合，也是對(duì)知識(shí)體系的運(yùn)用和掌握。物理化學(xué)的熱力學(xué)部分除了一些基本過程外，還有更復(fù)雜的過程，需要學(xué)生加以理解和分析。例如將1 mol苯C6H6(l)在正常沸點(diǎn)353 K和101.3 kPa壓力下，向真空蒸發(fā)為同溫、同壓的蒸氣，已知在該條件下，苯的摩爾氣化焓為△vapHm=30.77 kJ·mol-1，設(shè)氣體為理想氣體，并忽略液體的體積。試求該過程的熱(Q)?

學(xué)生解題思路為：因?yàn)槭紤B(tài)和終態(tài)的溫度和壓力相等，所以

Q=△H=n△vapHm=1 mol×30.77 kJ·mol-1= 30.77 kJ

問題是： 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，△U=Q+W

而 △U=△H-△(pV)= △H-p(Vg-Vl)≈△H-nRT

= 30.77 kJ -1 mol×8.314 J·K-1·mol-1×353 K×10-3= 27.84 kJ

Q= △U= 27.84 kJ

計(jì)算出的Q不相等，為什么？應(yīng)該如何分析此類問題？

學(xué)生解題思路錯(cuò)的原因是：(1)概念沒理解透徹，系統(tǒng)始態(tài)和終態(tài)的壓力相等，就錯(cuò)誤認(rèn)為是等壓過程。由于p外=0，此過程不是等壓過程，Q≠△H，而是Q= △U；(2)此為相變過程，不是簡單的p、V、T變化過程。綜合式策略研究是對(duì)知識(shí)體系掌握的提升，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，自覺地找出錯(cuò)誤并學(xué)會(huì)分析原因，鍛煉了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

結(jié)構(gòu)化策略所包含的這幾種方式，在研究教學(xué)策略時(shí)是相輔相成、相得益彰的，對(duì)物理化學(xué)其他章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)也同樣適用。學(xué)生掌握了物理化學(xué)的知識(shí)體系，可以舉一反三，掌握更多、更廣的知識(shí)。這既提高了教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的最優(yōu)化，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新、有科研能力的人才打下基礎(chǔ)，也使學(xué)生的綜合素質(zhì)大大地提高。