《物理化学》课堂教学改革与实践

孙元元，李国辉，南旭莹

（海南师范大学 化学与化工学院，海南 海口 571158）

“物理化学”这一术语最早由罗蒙诺索夫于1752年在圣彼得堡大学的一堂课程上首次提出，而后1887年德国化学家Ostwald和荷兰化学家Van′t Hoff创刊《物理化学杂志》，标志着物理化学作为一门学科正式形成。物理化学以化学现象和体系为研究对象，采用物理学的理论与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。通过物理化学课程的学习，能够很好地锻炼学生的理解力、观察力、逻辑思维和创新力。然而物理化学作为四大化学之一，具有内容抽象、公式繁多、逻辑性强等特点，使得物理化学成为本科阶段较难的课程[1]。因此，如何提高物理化学的课堂教学效果，使物理化学的概念、理论和公式不再枯燥乏味，让学生轻松又全面地掌握相关知识，进而全面提高学生的综合素质，变得格外重要。近3年，笔者在物理化学的课堂教学中进行了一些尝试，取得了不错的效果。

1 重视知识体系架构的建设

通过对物理化学课堂的观察，发现学生们都能意识到这门课程的重要性，且在课程学习初期保持着极大的热情。但是随着课程内容的深入，知识点的增多，学生的学习热情逐渐消退，甚至部分同学干脆放弃。针对这一现象，对海南师范大学2017级化学专业3班60名学生的学习难点进行调查（图1），45%的同学认为建立章节内和章节间知识点之间的关联最为困难。这说明学生在学习的过程中无法厘清各章节之间内容的内在联系，更多的是碎片化的学习。教师在教学过程中，须注重章节之间的联系，通过知识点的连接，及时引导学生把所学的内容构建成思维导图，纳入到学科知识体系中，帮助学生建立较完整的知识框架，不要迷失在盲目的理论公式推导中[2]。下面以热力学部分为例介绍下建立知识体系的方法。

图1 物理化学学习困难的原因调查Figure 1 Investigation on the reasons of difficulties in physical chemistry learning

首先引入物理化学的四大基本理论模块（图2）[3]，让学生了解热力学的知识在物理化学中和其他知识模块之间的关系；其次，建立热力学部分章节之间的关联。

图2 物理化学的四大模块（本科阶段以热力学和动力学为主）[3]Figure 2 Four modules of physical chemistry(undergraduate mainly learn thermodynamics and kinetics)

教师在第一节课将这学期所学内容以思维导图的形式向同学们介绍章节之间的联系。以宏观热力学部分为例，简单介绍如何建立热力学知识框架图（图3）。

图3 化学热力学部分的简化知识架构图Figure 3 Simplified knowledge architecture diagram of chemical thermodynamics

首先，热力学部分主要有三个模块，分别是热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律。从热力学第一定律出发，推理得到热力学能这一状态函数，功和热为体系和环境之间能量传递仅有的两种方式，从而得到热力学第一定律的数学表达式，进而可以通过计算密闭系统变化过程中的功和热来研究系统的能量变化；依据系统的宏观可测性质和自发过程中的能量关系，发现功热转换的不可逆性，功热转换有方向性，功可以全部转换为热，而热不能全部转换为功而不引起其他变化，从而为研究热力学第二定律指出了方向。为了解决热转化为功的限度问题，从卡诺循环到卡诺定理再到任意可逆循环，可知任意可逆循环过程的热温商之和为零，从而得到新的状态函数熵S[4]；结合卡诺定理，可推知任意不可逆循环热温商之和小于零，从而推导出热力学第二定律的数学表达式，以此来判断系统变化的方向和限度，方向为熵增大的方向，限度为熵变为零。结合热力学第一定律和热力学第二定律得到联合表达式，并在定温、定容和不做其他功的条件下演变为亥姆霍兹函数判据，定温、定压和不做其他功的条件下演变为吉布斯函数判据。以上讨论的是单组分系统，在多组分系统中通过引入偏摩尔量的概念，由偏摩尔吉布斯函数得到化学势，并在定温定压下可用化学势来判断系统变化的方向，即物质转移的方向为从化学势高的相向化学势低的相转移，限度为各个相中物质的化学势相等。根据这一原理在化学平衡中的应用进一步推导出平衡常数，来解决化学平衡的方向和限度问题；根据这一结论在多相平衡中的应用，多相平衡系统所遵守的共同规律-相律得以证明，并利用相律来分析单组分、双组分和三组分相图，这就是整个热力学部分所讲的主要内容。章节内和章节间在内容上由简入难，由浅入深，层层递进，环环相扣[5]。只有在课程开始时将整个知识框架提出来，授课过程中时时提醒所学知识点在知识框架的位置，才能让学生避免“只在此山中，云深不知处”的处境，达到融会贯通的效果。

2 增加交互式教学

因涉及大量物理概念和数学推导，课堂上学生容易出现玩手机、注意力不集中等问题[6]。因此，课堂上需要加强与学生互动，来实时了解学生掌握知识的情况，尽量保持学生的思维跟着老师的思路走，让老师的定位从教向导转变，让学生真正变被动接受为主动思考。课堂上主要进行知识结构梳理和对重难点进行讲解，以互动式教学为主的授课方式势必挤压传统方式的授课时间，因此通过布置课前作业督促学生做好课前预习并提前准备讨论话题，在课上进行知识点间联系的构建和重难点解析与交互式讨论。

课堂上和课后进行交互式教学的实施过程主要有以下三种方式：

（1）课堂结束后给出案例，下次课上大家讨论对案例里所包含的知识点和原理的理解；

（2）校内网络平台上主题讨论，师生针对一个主题讨论；

（3）微信平台建立专门的物理化学学习群，围绕大家存在的问题，展开讨论。

通过这一计划的实施，使得课堂学习的效果大大提高，学生更加积极地参与到课堂教学中，学习氛围大幅改善，学生对这种课堂模式比较认同（图4）。

图4 学生对交互式学习效果的反馈Figure 4 Students'feedback on the effects of reciprocal teaching

3 增加案例式教学

增加案例式教学可以让学生更好地认识到物理化学的应用。例如，化学势学习时，结合部分互溶现象，为什么物质会发生转移并达到一定浓度稳定存在；化学平衡结合生产中可逆反应的产率；相图结合合金的生产工艺如何选择；反应动力学结合合成氨反应如何选择催化剂和反应温度[7-8]；这样既可以增加学生对物理化学的兴趣，并且将枯燥的理论变得有载体，不再虚无缥缈，又可以加深对物理化学理论知识的理解。

下面以表面张力为例，来说明案例式教学的实施过程。表面张力看不见摸不着，又和表面能数值相同，容易混淆，怎么让学生清晰地感受到表面张力的存在，理解表面张力的方向和衡量表面张力的大小呢？

在上课前给学生以下案例，并查阅案例相关资料：

1、为什么看似已经满了水杯可以持续投入硬币而水不会溢出来？

2、为什么面粉厂容易爆炸？

3、为什么会有过热现象？

4、沸石防暴沸的原理是什么？

课上结合交互式教学，展开讨论。讨论第一个案例时，当学生提出有力的存在时，引导学生思考，力作用在哪里，方向如何？投硬币时表面变大，在力的方向上表面有移动，会有什么变化，如果这个能量大到一定程度会发生什么？通过循循善导，一步一步让学生明确表面张力的定义、位置和方向，引导学生认识表面能。同样的方法对案例三和案例四进行引导讨论，学习弯曲液面附加压力和饱和蒸气压的知识点，进而完成课堂教学任务。

每个章节开始之前，对这个章节能解决的现实中的问题多问几个为什么？让学生带着问题去思考，面对生活中各种现象去思考，自己到物理化学中去寻找答案，激发学生学习这门课程的兴趣，也就达到了提高教学质量的目的。

4 增加故事性教学

物理化学中大量以人名命名的物理量和公式，如吉布斯函数、盖斯定律、范霍夫等温方程、克劳修斯-克拉佩龙方程、奥斯特沃德稀释定律等等[9]。每一个公式背后都是科学家智慧的结晶，也往往伴随一些有趣的轶事。通过在授课过程中加入这个公式的来龙去脉和科学家的人物生平，不仅加深学生对公式的理解，启发学生的创新思维，还可以利用科学家的高贵品格给学生进行思想教育，达到一箭双雕的目的。同时物理化学学科的创立和发展都离不开这些伟人的呕心沥血，通过对他们的介绍，也能让学生理解物理化学的发展历史，增强对物理化学整个学科的认识和理解。

5 重视师范生自我展现

物理化学因其公式繁多且限用条件各异，逻辑推理严格，被认为是化学系最难的课程。因此必须进行习题练习，加深理解[10]。通过学生自己投票选出经典例题，并进行分组讨论和自我展现，不仅可以提高学习效率，还可以提高师范生的板书能力和授课水平。习题课主要有以下几个环节：

环节1：习题课前让学生在上一章的基础上完善本章的思维导图，形成相互关联的知识系统，并对本章需要讲解的习题进行投票，选出大家迫切需要精讲的习题，并根据习题的数量进行分组讨论；

环节2：习题课上各组选派代表讲解习题，讲解重点为所涉及知识点、考点和解题思路，教师起引导课堂、补充讲解典型解题思路的角色，并和大家一起针对自我展现环节中理解偏颇的地方进行讨论；

环节3：习题课后进行本章重难点梳理。

6 总结

将以上几种方式引入课堂中后，发现学生对引入的故事非常感兴趣，结合案例教学，发现学生认真听讲的时间大大延长，同时穿插提问讨论等互动环节，引导学生旧知识和新理论的结合，融会贯通，课堂交流气氛活跃，深受学生喜爱。通过改革，学生课堂的参与度学习热情和效率明显提高。同时我们仍需加大问卷调查的频率，做好师生沟通，达到适时改进和时时反馈的效果。