“做中学”探究式教学模式研究

杨喜平 卢明霞 曹晓雨

[摘 要]在物理化学单组分系统的相平衡的讲授中，采用“做中学”探究式教学方法。首先制订“做中学”探究式教学的目标，然后明确采用的教法与学法，最后提出具体的“做中学”探究式教学的策略。给出具体实验数据，引导学生绘制相图，分析数据，探讨结论，并且补充介绍水的三相点的测定，其间对学生进行科学方法教育，取得了非常好的教学效果。

[关键词]做中学;探究式教学;单组分系统;相平衡

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）10-0105-03

科学教育改革实验项目“做中学”，给学生提供了开放的空间，让学生自己去发现问题，自己动手去做，在做中学习，在做中掌握知识本领，使学生有机会亲自探索科学奥秘。在教师和学生共同组成的学习环境中，应让学生亲历科学探究的过程。探究既是科学学习的目的，又是科学学习的方式，在探究式科学教育中，需要把“让学生建立新的科学概念（想法）”与“学生探究能力、科学态度的培养”结合起来考虑[1]。在高等教育的物理化学课程教学中开展“做中学”科学探究式教学[2]，教师可将科学知识汇聚到一个适宜学生探究的、与科学概念有关的问题上，引导学生进行探究。本文将单组分系统的相平衡的讲授置于师生互动、生生互动的环境中，由学生主动进行探究，边做边学，取得了非常好的教学效果。

一、依据“做中学”理念，制订三维教学目标

相平衡是南京大学出版社出版的《物理化学》第5版教材第五章的内容，它是热力学三大定律在多组分多相系统中的应用[3]。单组分系统的相平衡是相平衡中最基础的内容。教材是以水为例来介绍单组分系统的相平衡的。为了便于学生理解和掌握水的相图，备课过程中笔者充分挖掘教材的内涵和外延，授课过程中适当调整教学策略[4]，创造性地进行教学设计，并补充水的相平衡数据表和水的三相点的测定过程和方法，同时引导学生边做边学，有效开展探究性学习。依据“做中学”理念，笔者制订了以下的三维教学目标。

（1）知识与技能目标：掌握单组分系统平衡相图的绘制方法，能够根据实验数据绘制简单的相图;掌握单组分系统水的相图;熟练掌握相图中点、线、面的物理意义;能运用克拉佩龙方程解释三条线的斜率;理解水的三相点与冰点的区别。

（2）过程与方法目标： 课堂内学习与课堂外探究讨论相结合，精心设计教学环节和课外拓展性作业，激发学生的学习兴趣，促进学生积极主动地学习;通过补充介绍水的三相点的测定过程和方法，对学生进行科学方法教育。

（3）情感态度与价值观目标：将课内与课外相结合，培养学生理论联系实际的意识;通过介绍水的三相点的测定过程和方法，让学生了解在热力学温标的确定中中国科学家的贡献[5-6]，对学生进行科学方法教育，培养学生的探索意识和思维能力。

二、精心设计教法与学法

教学充分体现以教师为主导、学生为主体，具体的教法与学法如下：①目标导学：列出导学提纲，给出明确的学习要求;②自主发现：依据导学提纲，学生边做边学，化解难点;③对比法：水的相图中三条线的斜率的比较（有正负之分，产生正负的原因）;水的三相点与冰点的比较（表现为温度不同、压力不同，其原因在于系统不同：水的三相点对应的是严格的纯组分系统，而水的冰点是指水被空气饱和形成的稀溶液）;水的相图与二氧化碳的相图的比较（水的相图中三条线的斜率两正一负，而二氧化碳的相图中三条线的斜率均为正值;二氧化碳的临界点温度比水的低，只有364.2 K，临界点温度压力也比水的低，所以在实际操作中常用二氧化碳超临界流体作为萃取剂）;④合作讨论：思考与讨论相关题目，完成综合实践作业;⑤理论联系实际解释冬天下雪、夏天下雨及二氧化碳钢瓶充气等现象和解决生产实际问题。

三、“做中学”探究式教学的具体策略

（一）创设情境，导入新课

从常见的自然现象和生产实际入手，提出问题：为什么夏天遇到冷空气会下雨甚至会下冰雹？而冬天往往遇冷空气会下雪？在室温（13 ℃）下，用二氧化碳高压钢瓶制取干冰应采用钢瓶倒立打开阀门的方法还是采用钢瓶正立打开阀门的方法？由此引入单组分系统相平衡问题的研究。

（二）依据目标导学，层层引导，学习新知

1.相图概说

用图解的方法研究由一种或多种物质构成的相平衡系统的性质（如沸点、熔点、蒸汽压、溶解度等）与条件（如温度、压力及组成等）的函数关系，这种关系的图叫作相平衡状态图，简称相图。教师展示图片，引导学生总结出表示相平衡状态的三种方法（本次课三种方法贯穿整个课堂）：①实验数据的表格法;②由实验数据作图的图解法;③能表达实验数据的方程式的解析法。

2.目标导学

上次课把不同温度下水的相平衡数据[7]表（见表1）和导学提纲进行展示并分发给学生，明确要求学生首先根据表中所列数据用坐标纸绘制水的相图，仔细观察图形特征，思考图中的点、线、面的物理意义;然后依照导学提纲所列步骤，结合绘图过程分析画出的三条线的物理意义，尝试运用相律分析相图;最后联系生活生产实际，对比相图，说说自己的发现，并给出合理解释。目标导学所列项目犹如一个小的科研课题，在实施目标导学所列项目的过程中，让学生自己动手去做，去发现问题，亲历科学探究的过程，真正实现“做中学”。目标导学项目的完成，能使学生较深刻地感悟相图的来龙去脉，在以后遇到其他类型的相图时，能够举一反三、触类旁通。

3.层层引导，领悟新知

引导学生结合导学提纲，总结运用相图进行讨论和分析的一般原则和步骤：（1）确定相图的类型，画出相图;（2）分析相图中点、线、面的物理意义（静态分析）;（3）明确相图中可变条件和系统状态变化之间的关系（动态分析）; （4）灵活应用相图。

以水的相图（如图1）为例来学习运用相图进行讨论和分析的一般原则和步骤，学习识图的一般方法。根据导学提纲，结合绘图经过突出“我的四大发现”，层层引导，学习新知。（1）AO线能不能往上无限延伸？（2）三条线的斜率為什么有正负之分？ （3）OD是AO的延长线，是虚线还是实线？（4） O点即三相点与冰点是不是一回事？由学生总结，补充、完善导学提纲，分析相图中所出现的点、线、面的物理意义，给出结论并讲解原因，特别指出气液平衡曲线OA不能无限延长，它终止于临界点A（647.4 K，2.2×107 Pa），在临界点，液体和气体的密度相等，气态和液态之间的界面消失。在临界点以上的区域是超临界流体区，它呈现气体状态，但密度接近液体，有很好的流动性和传递性能，介电常数增大等，呈现出一系列特殊的性质。引导学生用克拉佩龙方程或克-克方程解释三条线的斜率的正负及其含义，比如冰水两相平衡线的斜率为负，说明当压力增高时冰的熔点降低。

（三）启迪导航，渗透方法教育和德育教育

先介绍水的相图中三条线的交点O称为三相点。一个点微不足道，但由此成就了一个伟大的物理化学家和促进了热力学温标的确定。自从1854年 Kelvin 提出用一个热力学温度值定义热力学温标后，人们几乎经过一个世纪的不懈努力，才幸运地找到了水的三相点温度值是定义热力学温标的最理想值，因为可由热力学证明，这个温度极为稳定。然而，准确测定这个温度是极其困难的，因为实验设计的难度是难以想象的。接着介绍物理化学宗师黄子卿，他于1934年精妙地设计了实验装置并且准确测定了水的三相点温度为0.00980±0.00005 ℃，并被国际普遍接受[5]。

补充介绍水的三相点瓶的设计原理和测定方法，对学生进行实验方法教育。在一个由优质玻璃制成的水的三相点瓶中，放入高纯度的水，将水加热并抽真空，然后将抽真空的口用火焰封死。此时，瓶中的水只有两相，即水和水蒸气，怎么获得第三相（冰）呢？将瓶倒过来，在温度计插管处加入冰和盐的混合物（可在温度计插管的周围结上一层冰），再改用水加入温度计插管中，冰层就与插管分开，形成悬于水中的环状冰套。于是出现三相共存，测定该点的温度即为水的三相点的温度。将三相点瓶放入有冰水混合物的容器中，冰套可以保持几个月不融化[6]。如此重要的数据不是经过高精尖的仪器测定的，而是利用普通的玻璃经过精妙的设计来完成的，由此启示学生不要抱怨环境不好，实验条件简陋，实验设备低级，应勇于开拓创新。同时再度指出一代宗师黄子卿先生是中国化学家的代表，他的爱国主义精神令人敬佩。日本全面侵华战争的前夕， 他表明立场：“我是中国人，要跟中国共命运。”并毅然回到祖国;解放战争期间，诺贝尔化学奖得主鲍林曾劝他把家人接过来，留在美国安心做研究，他说：“我的家在中国，我一定要回去。”等等。這样，潜移默化地向学生渗透了爱国主义教育、人文修养和职业道德等教育，从而塑造学生的人生观和价值观。

最后提出问题：为什么要抽真空？引导学生分析水的三相点与冰点的不同及其原因。

（四）总结要点，应用知识

让学生画出水在通常条件下的相图，解释压力增大时冰的熔点如何变化。思考与讨论：为什么夏天遇到冷空气会下雨甚至会下冰雹，而冬天往往遇冷空气会下雪？ 夏天水的蒸汽压较大，当环境（大气）温度降低时，系统（水蒸气）点从相图中的气相区首先进入液相区，故水蒸气凝结成液态水，即下雨;如果环境（大气）温度急剧降低，系统点由液相区进入固相区，液态水凝固，即雨滴变为冰雹。而冬天水的蒸汽压较小，当环境（大气）温度降低后系统点由气相区直接进入固相区，水蒸气凝华为较松软的固体冰即下雪。

知识的迁移：二氧化碳的相图与水的相图一样吗？简单介绍二氧化碳的相图（见图2）。根据二氧化碳的相图安排抢答与讨论：

（1）二氧化碳空钢瓶在工厂车间充气时（车间温度为13 ℃），当充气压力表到达一定数值后，就不再升高，而钢瓶的总重量却还在增加，原因是什么？

（2）（1）中所述现象在炎热的夏季（平均室温为33 ℃）会不会出现？

（3）在室温（13 ℃）下，用二氧化碳高压钢瓶制取干冰应采用钢瓶正立打开阀门的方法还是采用钢瓶倒立打开阀门的方法？[8]

（五）拓展训练，升华知识

自编例题：已知液态水在-10 ℃和-5 ℃时的饱和蒸汽压分别为0.289 kPa和0.422 kPa，冰在-10 ℃和-5 ℃时的饱和蒸汽压分别为0.260 kPa和0.414 kPa。（1）分别计算水的摩尔蒸发焓、摩尔升华焓和摩尔凝固焓;（2）计算水的三相点的温度和压力;（3）对计算结果的准确性进行评价。（综合性很强的题目）

例题中的摩尔蒸发焓、摩尔升华焓和摩尔凝固焓的计算，由克-克方程可以顺利进行;三相点的温度和压力可由任意两条线的克-克方程组合联立方程组求得，但是由本例题（从分发的数据表中截取的两组数据）计算的结果与实际的三相点的温度和压力是不同的，应引导学生对结果的准确性进行评价。引导学生分析产生此差别的原因，不仅可以让学生更加深刻地理解克拉佩龙方程和克-克方程在推导过程中引入的近似条件，还可以逐步培养学生深入思考和不断探究的意识和习惯。

另外，要求学生课下上网查询超临界二氧化碳萃取技术的特点和优点以及超临界二氧化碳萃取技术的应用，并撰写小论文，教师安排时间让学生进行汇报，然后给予综合评价。

四、“做中学”探究式教学的反思

本次课以“做中学”科学探究模式开展教学，边做边学，目的是培养学生的科学探究能力、自主学习能力和获取、加工和应用信息的能力;采用课内学习探究与课外合作讨论相互结合的方式，引导学生学习探究的技能，并在学习的过程中逐渐建构知识体系;精心设计课外作业，充分调动学生自主学习的积极性;有意识地培养学生查阅资料的习惯和能力;举办作业交流，让学生体会合作研究、交流学习的乐趣。实践证明，这种“做中学”探究式教学是有效的。

在教学中通过补充介绍物理化学宗师黄子卿先生的贡献及其崇高的精神境界、爱国情怀，将课程思政落实于课堂教学之中;介绍黄子卿先生设计的三相点测定仪，突出传授获取知识的思想和方法，培养学生的创新意识和科学品质，使学生具备扎实的基础和潜在的发展能力，同时将知识点系统化，附之以素质和能力的培养内容，使知识传授不再是教育教学的终极目标，而是素质和能力培养的有效载体。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 刘知新.化学教学论[M].4版.北京：高等教育出版社，2009：246-266.

[2] 杨喜平，张玉军.物理化学的科学探究式教学研究[J].化学教育，2015（16）：15-17.

[3] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：277-285.

[4] 杨喜平，张玉军，闫向阳.浅谈在教学过程中如何创造性地使用教材[J].职业时空，2011（6）：67-68.

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

[6] 刘国杰，黑恩成.物理化学导读[M].北京：科学出版社，2008：148-155.

[7] 天津大学物理化学教研室.物理化学上册[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：232.

[8] 范崇正，杭瑚，蒋淮谓.物理化学：概念辨析·解题方法·应用实例[M].4版.北京：中国科学技术大学出版社，1999：19.

[责任编辑：黄春香]

[收稿时间]2020-05-27

[基金项目]河南省首批线下一流课程建设项目;河南工业大学第一批线下一流课程建设项目（201903）;河南工业大学教学研究项目“以学为中心的物理化学课程创新教学模式研究”（[2018]GJYJ-ZX23）;河南工业大学本科教育教学改革研究与实践项目（[2019[GJYJ-2019036）。

[作者简介] 杨喜平（1972-），女，河南巩义市人，副教授，硕士，主要从事物理化学和结构化学的教学和研究。