工科物理化学中相图教学经验谈

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(内蒙古科技大学 化学与化工学院，内蒙古 包头 014010)

相平衡是物理化学课程中的一个重要部分，在工科的物理化学教学过程中占有重要的地位。如化工专业的分离过程、冶金专业中的冶炼、加工及热处理过程等都与相平衡内容关系密切，作为历年物理化学考研真题中必考内容也说明了相平衡的重要性。相平衡主要分为相律和相图两部分，相律是对状态的讨论，前期有热力学内容做基础还是比较好理解；相图内容涉及到新的概念、在讨论相图中点、线、面关系时要理解过程的内涵、相图的多样性和杠杆规则的应用，这些是学生学习过程的难点。通过多年的教学过程积累提炼，我们总结了一些教学经验。

1 搭建知识框架

首先，新内容一定包含新的概念，我们通过思维导图[1]、知识点总结指导学生读相图要“四步走”：横纵坐标是什么？点线面是什么？相图中作垂线或水平线发生了什么变化过程？怎样在两相平衡区使用“杠杆规则”？同时要强调相图是建立在实验的基础上，是对实验数据的归纳总结。该知识点总结要通过“记忆-理解-记忆”的过程来熟悉掌握，这种思路也贯穿整个物理化学课程体系。

2 多媒体授课、实验和实习的多重应用

因为前期讲热力学是不强调具体过程的，当讨论相图来历时必然要理解系统组成、温度或压力随时间变化发生引起相的变化过程，这个跳跃是众多学生不能熟练掌握相图最重要的原因，也是教学难点。

在传统的教学中，教师一般会借助简单的二维相图来指导学生，学生不能有效理解绘图原理，感觉过程很枯燥，注意力难以集中，最终导致他们对复杂的二维视图往往一愁莫展，难以记忆，也常常弄不清楚其中变化的原理，很快就丧失了继续学习的兴趣，更谈不上深入探讨。我们利用多媒体和网络技术进行教学最突出之处是热分析法绘制相图，用动画表达和解释“四步走”的逻辑性，可达到简单、清晰、形象、生动的效果，使相图形象化，教师容易讲解，学生容易接受，充分地将教与学的两个方面统一起来，最大限度地调动学生学习积极性和主动性[2]。

通过实验操作可以加深学生对知识点的理解，但是各种因素导致理论教材和实验教材内容脱节，我们通过教研探讨，使之内容相互呼应。实验侧重验证和操作，在教学过程注意结合实验原理展开讨论，如在讨论单组份相图时，可以加入铁的p-T 相图，解释为什么通过成分和工艺控制常温下可得到γ-Fe，通过讲解工业生产实例增强学生识别单组分相图的能力，为后期深入学习铁碳合金相图打基础，并建立了物理化学相图知识与学生专业之间的联系，解决学生“我们不是化学专业为什么学物理化学？”的困惑[3]。讨论二组分气液平衡相图时，通过实验绘制环己烷-无水乙醇二组分气液平衡相图使学生理解T-x相图和p-x相图的来历，加深对点、线、面内涵的认识，并解释常用的乙醇试剂有95%和无水乙醇两种是因为乙醇和水常压下有最低共沸点，导致提纯只能得到95%的乙醇，要得到无水乙醇,就必须加入某些物质,破坏这种平衡,才能馏出95%以上的酒精。在实验室中制备无水酒精时,是在95.57%酒精中加入生石灰(CaO)加热回流,生成不挥发的氢氧化钙来除去水分,然后再蒸馏得99.5%的无水酒精。如果还要去掉残留的少量水,可以加入金属镁来处理,可得近似100%乙醇,叫做绝对酒精。工业上使用强酸性阳离子交换树脂(具有极性基团,能强烈吸水)来制取无水酒精。通过讲解使学生深入理解二元气液平衡相图的绘图方法和特点。

在有条件的学院可以开展相关实习，化工专业的学生在参观精馏塔设备、闪蒸过程时能生动理解接受气液相图的特点并了解理论和实际生产的部分区别，生物类专业学生通过在实验室观摩学习超临界萃取设备加深对单组份相图的认识[4]。冶金类专业在工厂实习时通过解释固液平衡相图来调整实验条件控制产物数据等。

3 讲解代表性例题

物理化学课程的特点是知识点、理论公式较多，必须通过大量练习来熟悉、理解和掌握具体内容。相平衡中主要任务是学会读典型相图的特点，这是本章难点，主要原因是没有强化记忆和深刻理解；相平衡主要计算有两类：相律和杠杆规则，多年考试情况统计，学生在杠杆规则应用上失分较多，究其原因，大部分同学不会读相图，还有一部分同学对杠杆规则物理意义不明确。以上两部分可以通过讲解具有代表性例题来强化记忆，通过“四步走”方法来锻炼逻辑记忆，形成自己的记忆方式，最终明确相图的内涵。

总之，相图内容归于热力学，但其知识点相对独立导致教学困难，要对症下药，通过各种方法使学生尽快接受并掌握应用相图内容，进一步提高自学能力，达到高等教育要求。