楊喜平 盧明霞 曹曉雨

[摘 要]在物理化學(xué)單組分系統(tǒng)的相平衡的講授中，采用“做中學(xué)”探究式教學(xué)方法。首先制訂“做中學(xué)”探究式教學(xué)的目標(biāo)，然后明確采用的教法與學(xué)法，最后提出具體的“做中學(xué)”探究式教學(xué)的策略。給出具體實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生繪制相圖，分析數(shù)據(jù)，探討結(jié)論，并且補充介紹水的三相點的測定，其間對學(xué)生進行科學(xué)方法教育，取得了非常好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]做中學(xué);探究式教學(xué);單組分系統(tǒng);相平衡

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0105-03

科學(xué)教育改革實驗項目“做中學(xué)”，給學(xué)生提供了開放的空間，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問題，自己動手去做，在做中學(xué)習(xí)，在做中掌握知識本領(lǐng)，使學(xué)生有機會親自探索科學(xué)奧秘。在教師和學(xué)生共同組成的學(xué)習(xí)環(huán)境中，應(yīng)讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的過程。探究既是科學(xué)學(xué)習(xí)的目的，又是科學(xué)學(xué)習(xí)的方式，在探究式科學(xué)教育中，需要把“讓學(xué)生建立新的科學(xué)概念（想法）”與“學(xué)生探究能力、科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)”結(jié)合起來考慮[1]。在高等教育的物理化學(xué)課程教學(xué)中開展“做中學(xué)”科學(xué)探究式教學(xué)[2]，教師可將科學(xué)知識匯聚到一個適宜學(xué)生探究的、與科學(xué)概念有關(guān)的問題上，引導(dǎo)學(xué)生進行探究。本文將單組分系統(tǒng)的相平衡的講授置于師生互動、生生互動的環(huán)境中，由學(xué)生主動進行探究，邊做邊學(xué)，取得了非常好的教學(xué)效果。

一、依據(jù)“做中學(xué)”理念，制訂三維教學(xué)目標(biāo)

相平衡是南京大學(xué)出版社出版的《物理化學(xué)》第5版教材第五章的內(nèi)容，它是熱力學(xué)三大定律在多組分多相系統(tǒng)中的應(yīng)用[3]。單組分系統(tǒng)的相平衡是相平衡中最基礎(chǔ)的內(nèi)容。教材是以水為例來介紹單組分系統(tǒng)的相平衡的。為了便于學(xué)生理解和掌握水的相圖，備課過程中筆者充分挖掘教材的內(nèi)涵和外延，授課過程中適當(dāng)調(diào)整教學(xué)策略[4]，創(chuàng)造性地進行教學(xué)設(shè)計，并補充水的相平衡數(shù)據(jù)表和水的三相點的測定過程和方法，同時引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，有效開展探究性學(xué)習(xí)。依據(jù)“做中學(xué)”理念，筆者制訂了以下的三維教學(xué)目標(biāo)。

（1）知識與技能目標(biāo)：掌握單組分系統(tǒng)平衡相圖的繪制方法，能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制簡單的相圖;掌握單組分系統(tǒng)水的相圖;熟練掌握相圖中點、線、面的物理意義;能運用克拉佩龍方程解釋三條線的斜率;理解水的三相點與冰點的區(qū)別。

（2）過程與方法目標(biāo)： 課堂內(nèi)學(xué)習(xí)與課堂外探究討論相結(jié)合，精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和課外拓展性作業(yè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí);通過補充介紹水的三相點的測定過程和方法，對學(xué)生進行科學(xué)方法教育。

（3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：將課內(nèi)與課外相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識;通過介紹水的三相點的測定過程和方法，讓學(xué)生了解在熱力學(xué)溫標(biāo)的確定中中國科學(xué)家的貢獻[5-6]，對學(xué)生進行科學(xué)方法教育，培養(yǎng)學(xué)生的探索意識和思維能力。

二、精心設(shè)計教法與學(xué)法

教學(xué)充分體現(xiàn)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，具體的教法與學(xué)法如下：①目標(biāo)導(dǎo)學(xué)：列出導(dǎo)學(xué)提綱，給出明確的學(xué)習(xí)要求;②自主發(fā)現(xiàn)：依據(jù)導(dǎo)學(xué)提綱，學(xué)生邊做邊學(xué)，化解難點;③對比法：水的相圖中三條線的斜率的比較（有正負(fù)之分，產(chǎn)生正負(fù)的原因）;水的三相點與冰點的比較（表現(xiàn)為溫度不同、壓力不同，其原因在于系統(tǒng)不同：水的三相點對應(yīng)的是嚴(yán)格的純組分系統(tǒng)，而水的冰點是指水被空氣飽和形成的稀溶液）;水的相圖與二氧化碳的相圖的比較（水的相圖中三條線的斜率兩正一負(fù)，而二氧化碳的相圖中三條線的斜率均為正值;二氧化碳的臨界點溫度比水的低，只有364.2 K，臨界點溫度壓力也比水的低，所以在實際操作中常用二氧化碳超臨界流體作為萃取劑）;④合作討論：思考與討論相關(guān)題目，完成綜合實踐作業(yè);⑤理論聯(lián)系實際解釋冬天下雪、夏天下雨及二氧化碳鋼瓶充氣等現(xiàn)象和解決生產(chǎn)實際問題。

三、“做中學(xué)”探究式教學(xué)的具體策略

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

從常見的自然現(xiàn)象和生產(chǎn)實際入手，提出問題：為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至?xí)卤?？而冬天往往遇冷空氣會下雪？在室溫?3 ℃）下，用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應(yīng)采用鋼瓶倒立打開閥門的方法還是采用鋼瓶正立打開閥門的方法？由此引入單組分系統(tǒng)相平衡問題的研究。

（二）依據(jù)目標(biāo)導(dǎo)學(xué)，層層引導(dǎo)，學(xué)習(xí)新知

1.相圖概說

用圖解的方法研究由一種或多種物質(zhì)構(gòu)成的相平衡系統(tǒng)的性質(zhì)（如沸點、熔點、蒸汽壓、溶解度等）與條件（如溫度、壓力及組成等）的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系的圖叫作相平衡狀態(tài)圖，簡稱相圖。教師展示圖片，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出表示相平衡狀態(tài)的三種方法（本次課三種方法貫穿整個課堂）：①實驗數(shù)據(jù)的表格法;②由實驗數(shù)據(jù)作圖的圖解法;③能表達實驗數(shù)據(jù)的方程式的解析法。

2.目標(biāo)導(dǎo)學(xué)

上次課把不同溫度下水的相平衡數(shù)據(jù)[7]表（見表1）和導(dǎo)學(xué)提綱進行展示并分發(fā)給學(xué)生，明確要求學(xué)生首先根據(jù)表中所列數(shù)據(jù)用坐標(biāo)紙繪制水的相圖，仔細(xì)觀察圖形特征，思考圖中的點、線、面的物理意義;然后依照導(dǎo)學(xué)提綱所列步驟，結(jié)合繪圖過程分析畫出的三條線的物理意義，嘗試運用相律分析相圖;最后聯(lián)系生活生產(chǎn)實際，對比相圖，說說自己的發(fā)現(xiàn)，并給出合理解釋。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)所列項目猶如一個小的科研課題，在實施目標(biāo)導(dǎo)學(xué)所列項目的過程中，讓學(xué)生自己動手去做，去發(fā)現(xiàn)問題，親歷科學(xué)探究的過程，真正實現(xiàn)“做中學(xué)”。目標(biāo)導(dǎo)學(xué)項目的完成，能使學(xué)生較深刻地感悟相圖的來龍去脈，在以后遇到其他類型的相圖時，能夠舉一反三、觸類旁通。

3.層層引導(dǎo)，領(lǐng)悟新知

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合導(dǎo)學(xué)提綱，總結(jié)運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟：（1）確定相圖的類型，畫出相圖;（2）分析相圖中點、線、面的物理意義（靜態(tài)分析）;（3）明確相圖中可變條件和系統(tǒng)狀態(tài)變化之間的關(guān)系（動態(tài)分析）; （4）靈活應(yīng)用相圖。

以水的相圖（如圖1）為例來學(xué)習(xí)運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟，學(xué)習(xí)識圖的一般方法。根據(jù)導(dǎo)學(xué)提綱，結(jié)合繪圖經(jīng)過突出“我的四大發(fā)現(xiàn)”，層層引導(dǎo)，學(xué)習(xí)新知。（1）AO線能不能往上無限延伸？（2）三條線的斜率為什么有正負(fù)之分？ （3）OD是AO的延長線，是虛線還是實線？（4） O點即三相點與冰點是不是一回事？由學(xué)生總結(jié)，補充、完善導(dǎo)學(xué)提綱，分析相圖中所出現(xiàn)的點、線、面的物理意義，給出結(jié)論并講解原因，特別指出氣液平衡曲線OA不能無限延長，它終止于臨界點A（647.4 K，2.2×107 Pa），在臨界點，液體和氣體的密度相等，氣態(tài)和液態(tài)之間的界面消失。在臨界點以上的區(qū)域是超臨界流體區(qū)，它呈現(xiàn)氣體狀態(tài)，但密度接近液體，有很好的流動性和傳遞性能，介電常數(shù)增大等，呈現(xiàn)出一系列特殊的性質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生用克拉佩龍方程或克-克方程解釋三條線的斜率的正負(fù)及其含義，比如冰水兩相平衡線的斜率為負(fù)，說明當(dāng)壓力增高時冰的熔點降低。

（三）啟迪導(dǎo)航，滲透方法教育和德育教育

先介紹水的相圖中三條線的交點O稱為三相點。一個點微不足道，但由此成就了一個偉大的物理化學(xué)家和促進了熱力學(xué)溫標(biāo)的確定。自從1854年 Kelvin 提出用一個熱力學(xué)溫度值定義熱力學(xué)溫標(biāo)后，人們幾乎經(jīng)過一個世紀(jì)的不懈努力，才幸運地找到了水的三相點溫度值是定義熱力學(xué)溫標(biāo)的最理想值，因為可由熱力學(xué)證明，這個溫度極為穩(wěn)定。然而，準(zhǔn)確測定這個溫度是極其困難的，因為實驗設(shè)計的難度是難以想象的。接著介紹物理化學(xué)宗師黃子卿，他于1934年精妙地設(shè)計了實驗裝置并且準(zhǔn)確測定了水的三相點溫度為0.00980±0.00005 ℃，并被國際普遍接受[5]。

補充介紹水的三相點瓶的設(shè)計原理和測定方法，對學(xué)生進行實驗方法教育。在一個由優(yōu)質(zhì)玻璃制成的水的三相點瓶中，放入高純度的水，將水加熱并抽真空，然后將抽真空的口用火焰封死。此時，瓶中的水只有兩相，即水和水蒸氣，怎么獲得第三相（冰）呢？將瓶倒過來，在溫度計插管處加入冰和鹽的混合物（可在溫度計插管的周圍結(jié)上一層冰），再改用水加入溫度計插管中，冰層就與插管分開，形成懸于水中的環(huán)狀冰套。于是出現(xiàn)三相共存，測定該點的溫度即為水的三相點的溫度。將三相點瓶放入有冰水混合物的容器中，冰套可以保持幾個月不融化[6]。如此重要的數(shù)據(jù)不是經(jīng)過高精尖的儀器測定的，而是利用普通的玻璃經(jīng)過精妙的設(shè)計來完成的，由此啟示學(xué)生不要抱怨環(huán)境不好，實驗條件簡陋，實驗設(shè)備低級，應(yīng)勇于開拓創(chuàng)新。同時再度指出一代宗師黃子卿先生是中國化學(xué)家的代表，他的愛國主義精神令人敬佩。日本全面侵華戰(zhàn)爭的前夕， 他表明立場：“我是中國人，要跟中國共命運?！辈⒁闳换氐阶鎳?解放戰(zhàn)爭期間，諾貝爾化學(xué)獎得主鮑林曾勸他把家人接過來，留在美國安心做研究，他說：“我的家在中國，我一定要回去。”等等。這樣，潛移默化地向?qū)W生滲透了愛國主義教育、人文修養(yǎng)和職業(yè)道德等教育，從而塑造學(xué)生的人生觀和價值觀。

最后提出問題：為什么要抽真空？引導(dǎo)學(xué)生分析水的三相點與冰點的不同及其原因。

（四）總結(jié)要點，應(yīng)用知識

讓學(xué)生畫出水在通常條件下的相圖，解釋壓力增大時冰的熔點如何變化。思考與討論：為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至?xí)卤?，而冬天往往遇冷空氣會下雪?夏天水的蒸汽壓較大，當(dāng)環(huán)境（大氣）溫度降低時，系統(tǒng)（水蒸氣）點從相圖中的氣相區(qū)首先進入液相區(qū)，故水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水，即下雨;如果環(huán)境（大氣）溫度急劇降低，系統(tǒng)點由液相區(qū)進入固相區(qū)，液態(tài)水凝固，即雨滴變?yōu)楸?。而冬天水的蒸汽壓較小，當(dāng)環(huán)境（大氣）溫度降低后系統(tǒng)點由氣相區(qū)直接進入固相區(qū)，水蒸氣凝華為較松軟的固體冰即下雪。

知識的遷移：二氧化碳的相圖與水的相圖一樣嗎？簡單介紹二氧化碳的相圖（見圖2）。根據(jù)二氧化碳的相圖安排搶答與討論：

（1）二氧化碳空鋼瓶在工廠車間充氣時（車間溫度為13 ℃），當(dāng)充氣壓力表到達一定數(shù)值后，就不再升高，而鋼瓶的總重量卻還在增加，原因是什么？

（2）（1）中所述現(xiàn)象在炎熱的夏季（平均室溫為33 ℃）會不會出現(xiàn)？

（3）在室溫（13 ℃）下，用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應(yīng)采用鋼瓶正立打開閥門的方法還是采用鋼瓶倒立打開閥門的方法？[8]

（五）拓展訓(xùn)練，升華知識

自編例題：已知液態(tài)水在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.289 kPa和0.422 kPa，冰在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.260 kPa和0.414 kPa。（1）分別計算水的摩爾蒸發(fā)焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓;（2）計算水的三相點的溫度和壓力;（3）對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性進行評價。（綜合性很強的題目）

例題中的摩爾蒸發(fā)焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓的計算，由克-克方程可以順利進行;三相點的溫度和壓力可由任意兩條線的克-克方程組合聯(lián)立方程組求得，但是由本例題（從分發(fā)的數(shù)據(jù)表中截取的兩組數(shù)據(jù)）計算的結(jié)果與實際的三相點的溫度和壓力是不同的，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果的準(zhǔn)確性進行評價。引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生此差別的原因，不僅可以讓學(xué)生更加深刻地理解克拉佩龍方程和克-克方程在推導(dǎo)過程中引入的近似條件，還可以逐步培養(yǎng)學(xué)生深入思考和不斷探究的意識和習(xí)慣。

另外，要求學(xué)生課下上網(wǎng)查詢超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的特點和優(yōu)點以及超臨界二氧化碳萃取技術(shù)的應(yīng)用，并撰寫小論文，教師安排時間讓學(xué)生進行匯報，然后給予綜合評價。

四、“做中學(xué)”探究式教學(xué)的反思

本次課以“做中學(xué)”科學(xué)探究模式開展教學(xué)，邊做邊學(xué)，目的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、自主學(xué)習(xí)能力和獲取、加工和應(yīng)用信息的能力;采用課內(nèi)學(xué)習(xí)探究與課外合作討論相互結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的技能，并在學(xué)習(xí)的過程中逐漸建構(gòu)知識體系;精心設(shè)計課外作業(yè)，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性;有意識地培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的習(xí)慣和能力;舉辦作業(yè)交流，讓學(xué)生體會合作研究、交流學(xué)習(xí)的樂趣。實踐證明，這種“做中學(xué)”探究式教學(xué)是有效的。

在教學(xué)中通過補充介紹物理化學(xué)宗師黃子卿先生的貢獻及其崇高的精神境界、愛國情懷，將課程思政落實于課堂教學(xué)之中;介紹黃子卿先生設(shè)計的三相點測定儀，突出傳授獲取知識的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)品質(zhì)，使學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)和潛在的發(fā)展能力，同時將知識點系統(tǒng)化，附之以素質(zhì)和能力的培養(yǎng)內(nèi)容，使知識傳授不再是教育教學(xué)的終極目標(biāo)，而是素質(zhì)和能力培養(yǎng)的有效載體。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉知新.化學(xué)教學(xué)論[M].4版.北京：高等教育出版社，2009：246-266.

[2] 楊喜平，張玉軍.物理化學(xué)的科學(xué)探究式教學(xué)研究[J].化學(xué)教育，2015（16）：15-17.

[3] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，等.物理化學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：277-285.

[4] 楊喜平，張玉軍，閆向陽.淺談在教學(xué)過程中如何創(chuàng)造性地使用教材[J].職業(yè)時空，2011（6）：67-68.

[5] 黑恩成.以“少而精和博而通”的思想指引教學(xué)[J].化工高等教育，2010（2）：1-3.

[6] 劉國杰，黑恩成.物理化學(xué)導(dǎo)讀[M].北京：科學(xué)出版社，2008：148-155.

[7] 天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)上冊[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：232.

[8] 范崇正，杭瑚，蔣淮謂.物理化學(xué)：概念辨析·解題方法·應(yīng)用實例[M].4版.北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999：19.

[責(zé)任編輯：黃春香]

[收稿時間]2020-05-27

[基金項目]河南省首批線下一流課程建設(shè)項目;河南工業(yè)大學(xué)第一批線下一流課程建設(shè)項目（201903）;河南工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項目“以學(xué)為中心的物理化學(xué)課程創(chuàng)新教學(xué)模式研究”（[2018]GJYJ-ZX23）;河南工業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究與實踐項目（[2019[GJYJ-2019036）。

[作者簡介] 楊喜平（1972-），女，河南鞏義市人，副教授，碩士，主要從事物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的教學(xué)和研究。