以知识体系为主线的物理化学教学策略研究

(上饶师范学院 化学与环境科学学院，江西 上饶 334001)

教学策略是以某个构成教学活动的主要因素为中心，形成策略的框架，将其他与之有关的要素依附在这个中心上，形成了一类较完整的教学策略，据此将教学策略分为内容型、方法型、方式型和任务型等四种类型[1]。研究教学策略的一个重要目的是提高教学效率和教学质量，实现教学最优化。教学最优化即要求以最少的时间取得最佳的教学效果，实现特定的教学目标[2-3]。内容型教学策略是以教学内容为中心，在分析和处理教学内容的基础上，构成其策略的框架[4]。目前探索出两条策略：结构化策略和问题化策略。结构化策略主要强调知识的结构，主张在教学内容上削枝强干，构建简洁明了的知识体系。结构化策略在安排教学内容方面一般可分为直线式、分支平行式、螺旋式和综合式等。

物理化学是一门重要的理论基础课，具有理论性强、逻辑性强、系统性强、公式多、概念多的特点[5]，现以热力学第二定律的内容为教学目标，制定出以知识体系为主线的内容型教学策略框架，来降低热力学第二定律的学习难度，提高课堂教学的效率。

1 直线式策略研究

由表1得到，自发变化的共同特征是不可逆性，经过讨论，学生加深了对自发过程的理解，同时引出了热力学第二定律的内容。

采用直线式策略来研究热力学第二定律的知识体系，下面用思维导图的形式把知识框架展示出来[7]，如图1所示。图1给出了热力学第二定律的知识体系，教师沿着思维导图的顺序逐步讲授，本章的内容就能被顺理成章、连贯地讲解了，并将各部分的知识点标识出来，加深学生对知识体系的掌握，提高学习效率。

表1 判断一个自发过程是否可逆的教学策略

2 分支平行式策略研究

物理化学的难点之一是在不同的状态变化中，比如有简单状态变化，相变化，化学变化等，状态函数的计算公式是不一样的，采用分支平行式策略来研究系统的熵变，构成熵变计算的知识框架。已知系统的熵变等于可逆过程的热温商，公式如下：

(1)

(2)

式中R代表可逆过程。

2.1 简单状态变化

① 一定量的理想气体等温可逆变化，系统的熵变为： △U=0，QR=-Wmax

(3)

② 一定量理想气体p，V，T均发生变化，由于一步无法计算，需分两步求解。设系统由始态A(p1，V1，T1)可逆变化到终态B(p2，V2，T2)。

图1 热力学第二定律的知识体系

途径(Ⅰ)：在T1时等温可逆膨胀到V2，再等容、变温可逆至B，系统的熵变公式为

(4)

途径(Ⅱ)：在T1时等温可逆膨胀到p2，再等压、变温可逆至B，系统的熵变为

(5)

显然，△SⅠ和△SⅡ的值是相等的。

2.2 相变化

① 可逆相变，一般在等温、等压下进行，由于：QR=Qp= △H

(6)

② 不可逆相变，由于：QR≠△H

△S的计算必须设计一条包括有可逆相变步骤在内的可逆途径，此时可逆途径的热温商才是不可逆过程的熵变。

2.3 热传导：可分为等温热传导和变温热传导[8]

① 等温热传导是从高温热源(Th)到低温热源(Tc)之间的热传导过程，若从高温热源吸收的热为Q，则该过程的熵变为：

(7)

② 变温热传导是两个物体(设为A和B)，其温度分别为TA和TB，两物体相接触，达到热平衡的过程。先求终态温度(T)为：

上式中CA和CB分别为两物体的热容，系统的总熵变为：

(8)

注意：若热传导过程中有相变，就不能直接套用公式(8)。

2.4 不同理想气体的等温、等压混合过程，并符合分体积定律，即每种气体单独存在的压力和气体的总压力都相等，则混合过程的熵变为：

(9)

2.5 对于任意的化学反应

若化学反应是在标准压力pθ和温度为298.15 K时进行，则化学反应过程的熵变计算为

(10)

如果在压力为pθ时，要计算任意温度下化学反应的熵变，则

(11)

采用分支平行式策略研究系统的熵变，构成了熵变计算的知识框架。学生在学习时，就不会看到题目不知如何下手，不知用哪个公式计算熵变，即掌握了熵变计算的知识体系。

3 螺旋式策略研究

热力学包括热力学第一定律和热力学第二定律，分别解决能量的相互转换、判断过程的方向和限度等问题，所涉及的一般是计算2个过程量[功(W)和热(Q)]，5个状态函数[热力学能(U)、焓(H)、熵(S)、Helmholtz自由能(A)和Gibbs自由能(G)]的改变值。对于不同的过程，这7个量的计算公式不一样。无非体积的封闭系统，采用比较法，列出计算公式，螺旋式地扩展和加深物理化学的知识体系，如表2所示。

表2给出了一些基本过程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的计算，得出在不同的过程和不同的外界条件下，这7个量的不同计算公式。采用螺旋式策略研究，让学生可以一目了然地进行比较和掌握经典热力学知识体系。

表2 一些基本过程Q、W、△U、△H、△S、△A、△G的计算

4 综合式策略研究

综合式策略研究是对上述几个方式的综合，也是对知识体系的运用和掌握。物理化学的热力学部分除了一些基本过程外，还有更复杂的过程，需要学生加以理解和分析。例如将1 mol苯C6H6(l)在正常沸点353 K和101.3 kPa压力下，向真空蒸发为同温、同压的蒸气，已知在该条件下，苯的摩尔气化焓为△vapHm=30.77 kJ·mol-1，设气体为理想气体，并忽略液体的体积。试求该过程的热(Q)?

学生解题思路为：因为始态和终态的温度和压力相等，所以

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

问题是： 根据热力学第一定律，△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

计算出的Q不相等，为什么？应该如何分析此类问题？

学生解题思路错的原因是：(1)概念没理解透彻，系统始态和终态的压力相等，就错误认为是等压过程。由于p外=0，此过程不是等压过程，Q≠△H，而是Q= △U；(2)此为相变过程，不是简单的p、V、T变化过程。综合式策略研究是对知识体系掌握的提升，发挥了学生的主观能动性，自觉地找出错误并学会分析原因，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力。

结构化策略所包含的这几种方式，在研究教学策略时是相辅相成、相得益彰的，对物理化学其他章节内容的学习也同样适用。学生掌握了物理化学的知识体系，可以举一反三，掌握更多、更广的知识。这既提高了教学质量，实现了教学的最优化，为培养具有创新、有科研能力的人才打下基础，也使学生的综合素质大大地提高。