物理化学课程化学热力学模块的教学策略探讨

莫云燕　卢文贯　付志平　焦琳娟　王小兵

［摘 要］化学热力学是物理化学课程的重要内容，为其他模块内容的学习以及后续很多专业课程的学习提供了理论基础。然而，该部分内容具有理论性强、知识点多、公式繁杂且限制条件多等突出特点，给刚开始进行物理化学课程学习的学生带来较大阻碍，也成为教师教学上的难点。因此，文章紧密结合化学热力学教学内容的特点，提出化学热力学模块的教学策略，包括教学内容的选择优化，教学方法的思考以及考核方式的完善等，旨在进一步提升物理化学课程的教学效果。

［关键词］物理化学；化学热力学；教学方法；教学探讨

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）02-0088-04

物理化学是化学、应用化学、环境工程以及食品科学与工程等相关专业的必修课程，为后续相关专业知识的学习及应用提供了重要的理论基础。在物理化学课程中，化学热力学是其中十分重要的模块，一般作为该课程的入门内容进行讲述，它包含了化学热力学第一定律，热力学第二定律以及热力学第三定律的基本内容，主要是为了解决化学变化过程及相关物理变化过程中的能量转化，过程自发的方向以及限度的问题。该模块内容既是物理化學其他教学模块例如电化学、胶体与界面化学、化学动力学等内容的基础，也为后续其他专业课程提供了理论基础[1]。因此，化学热力学模块教学质量的高低，将直接影响到物理化学其他模块甚至其他后续课程的学习质量。然而，很多学生在面对理论性强、概念多、数学公式复杂的化学热力学学习内容时会感到非常吃力，对一些知识点理解不到位，无法完全消化，有时不得不依靠死记硬背一些基本定律或公式来应付课程考核。对此，笔者根据多年的物理化学教学经验，针对化学热力学这一模块的教学提出了几点教学策略，以供同仁参考。

一、化学热力学模块的基础作用

化学热力学模块主要探讨化学变化过程以及相关物理变化过程中能量转变所遵循的规律，其目的在于判断化学反应或者其他变化过程例如相变过程、理想气体的P，V，T变化过程自发进行的方向以及限度，从而为物理化学课程后续知识例如化学平衡、相平衡、电化学、动力学以及表面化学等提供铺垫，其贯穿于物理化学整个课程教学的始终。此外，化学热力学也为后续的学科专业课提供了理论基础。以韶关学院环境工程专业为例，该专业所开设的后续相关专业课程，如环境化学、环境工程原理等课程在多处渗透了化学热力学的知识。例如，在环境化学专业课程中，“水环境化学”章节中氧在水中的溶解度、氧化还原电位E和电子活度pE的关系、天然水的pE-pH图等知识点均涉及化学热力学的知识[2]。这在环境工程原理这一门专业课程中表现更为突出，其中包含的化学热力学知识点主要有：“质量衡算与能量衡算”章节的热量衡算方程、封闭系统的热量衡算以及开放系统的热量衡算；“热量传递”章节的傅立叶定律、热传导、牛顿冷却定律、对流传热速率以及间壁传热过程的计算；“吸收”这一章节的气液平衡和亨利定律、化学吸收的平衡关系以及化学吸收的传质速率等[3]。因此，对于化学热力学模块的教学，必须重视其在物理化学中的基础地位，应当作为物理化学中的核心内容来进行讲解。

二、化学热力学模块的特点

化学热力学模块体系复杂，知识点多，且表现出高度的理论化，主要体现在以下几个方面。

第一，基本概念多。例如系统、环境、热力学平衡态、状态函数、绝热过程、准静态过程、可逆过程、功、热、热容、焓（H）、焓变（△H）、熵（S）、熵变（△S）、偏摩尔量及化学势、相数、物种数、组分数、自由度等。

第二，基本定律多。例如热力学三大基本定律、Kirchhoff定律、Hess定律、可逆过程的最大功原理、Carnot定理、熵增原理、熵判据、Gibbs自由能判据、Helmholtz自由能判据、自发过程与做功能力之间的关系、拉乌尔定律及亨利定律、Gibbs相律等。

第三，计算公式多。如热力学第一定律表达式、Clausius不等式、△U、△H、△S、△G、△A、Q、W等热力学函数的计算公式；多组分系统热力学中偏摩尔量的定义式、偏摩尔量的集合公式、Gibss-Duhem方程等热力学基本方程、Maxwell关系式、气体及液体物质的化学势计算公式、稀溶液的依数性相关计算公式等。

第四，理论性强。不同于无机化学（尤其是无机化学中的元素化学模块）以及有机化学，物理化学课程呈现出高度的理论性，单纯依靠记忆能够理解、掌握的知识点非常少，对学生的抽象思维能力及独立思考能力提出了更高的要求。这一点在化学热力学模块中可逆过程、热力学第二定律和熵判据等知识点的教学中尤为突出。

由于化学热力学模块的上述特点，学生在学习过程中很容易出现对基本定律、基本概念理解不清，死记硬背公式等现象，久而久之很可能出现学习倦怠的现象，无法很好地实现该门课程的教学目标。针对这些问题，提出在化学热力学模块教学过程中的几点建议。

三、化学热力学模块的教学策略

（一）对与先行课程重复的知识点进行适当处理

物理化学课程教学一般处在大学二年级或者三年级，不可避免地会与一些先行课之间存在着教学知识点的重复。以韶关学院食品科学与工程专业为例，后续的物理化学课程与大学一年级开设的无机及分析化学课程之间存在较多热力学知识点的重复。而化学、环境工程等专业物理化学，与前期的无机化学课程热力学模块存在非常多的重复知识点，例如基本的热力学概念、热力学基本定律、热力学函数的相关计算等。对于这一问题，相关作者已经在《无机化学和物理化学课程整合与优化初步探讨》一文中进行了相关讨论[4]。文中指出，对于该部分内容的处理，既要照顾到学生的实际水平，又要避免简单、机械的重复。对于基础较好的班级，只略讲简单的内容甚至让学生自己复习无机化学中的相关内容，将更多的时间留给新知识点的讲授与拓展；而对于基础薄弱的班级，则最好集中复习，甚至重新讲解重点、难点的地方，以避免后继课程学习过程中的“消化不良”。

（二）强调对基本概念和基本定律的理解及对基本公式适用条件的掌握

基本概念、基本定律和基本公式是化学热力学最重要的组成要素，只有牢固掌握基本概念和定律的内容，深入理解公式的适用条件，才能正确地运用其解决实际问题。在化学热力学基本概念、基本定律的教学过程中，笔者认为需要注重以下问题：

首先，强调概念和定律的科学性与完整性表达，对概念中的重要字眼进行深入剖析。例如，对于等压过程的描述，需着重强调系统与环境的压力始终保持相等（p1=p2=pe=常数），而不只是系统初态和终态的压力相等；对于“功”和“热”这两个概念的教学，必须重点强调“系统与环境之间的相互作用”；此外，在对热力学第二定律用Kelvin、Clausius两种表述方法的讲述过程中，必须着重强调两种表述的完整性，只有这样该定律才具有实际意义。

其次，充分发挥学生的自主学习能力，在已有知识内容的基础上，通过举例引导学生对化学热力学的概念、定律等进行分析归纳。例如，在“可逆过程”这一定义的讲解过程中，教师可以通过引导学生进行“理想气体经历不同途径时体积功W及热量Q的计算及对比”让学生自己归纳出“可逆过程系统对外做最大功”的结论。

再次，在进行基本定律如热力学第一定律、热力学第二定律、Kirchhoff定律、盖斯定律等的相关教学时，强化定律来源的论述或者推导，而不是简单阐述基本定律的内容，避免给学生留下“为什么是这样”的疑问。需要指出的是，热力学第一、第二定律是经验定律的特征，必须重点强调。

最后，辨清热力学变化过程，强调公式适用条件。热力学中针对不同热力学函数的计算公式非常多，在讲述公式推导及运用的时候，需要在辨明热力学变化过程特点的基础上选择相适应的热力学基本公式。笔者认为，在化学热力學过程分析上，可以先从大的方面判断该过程是属于简单的物理变化过程（如气体的P， V， T变化）、复杂的物理变化过程（例如相变过程等）还是化学变化过程，然后再具体分析该过程的特点。例如对于体积功的计算，可以首先判断其是否为简单的物理变化过程，再进一步分析其是否为自由膨胀过程、等压过程、等容过程、理想气体的等温可逆膨胀过程或者绝热过程，进而选择对应的体积功公式进行计算。同样，对于相变过程以及化学变化过程体积功的计算，也需要分析其具体的变化过程。

（三）对基本概念、基本原理和基本公式进行对比和归纳

在化学热力学模块的教学中，一些基本概念、基本原理、基本公式在内容或者形式上十分相似，很容易导致学生在学习过程中认识模糊不清。因此，需要针对这些内容进行及时的比较和归纳，以加深学生对这些概念、原理的理解。例如，在学完几种过程方向与限度的判据之后，对熵判据、Gibbs自由能判据、Helmholtz自由能判据进行数学形式以及应用条件的对比；在讲述完熵变之后，对系统的熵、环境的熵、总熵、熵流、熵产生等概念进行对比；对等温可逆过程与绝热可逆过程的体积功的特点进行对比等。此外，对于△H、△S、△G等热力学函数的相关计算也可以进行对比总结。例如，最先涉及的△H的计算主要分为简单的P，V，T变化过程的焓变计算、相变焓的计算、化学反应系统中焓变计算三种类型，而相变、化学反应过程焓变的计算又涉及等温和非等温过程，那么在后继的△S、△G计算的教学过程中同样也涉及上述三种类型的计算，不同的是又分为可逆和不可逆过程条件下的计算。如此，通过深入地比较分析，找出异同点，加深学生对上述热力学基本函数的理解。

（四）利用思维导图构建清晰的知识框架

如前所述，化学热力学模块的基本概念、公式、定律非常多，随着学习的不断深入，学生越来越感到难以消化，且在有限的时间内很容易产生知识点间的混淆，导致很多时候产生“好像是学了该知识”等一知半解的现象。因此，在教学过程中，非常有必要对教授的知识进行梳理，强调各个知识环节之间的关系，构建清晰的知识框架图，使学生清楚认识到各章节之间、各知识点之间的联系，在学习过程中做到举一反三，互相迁移，融会贯通[5]。众所周知，思维导图形象有趣的信息、丰富的线条和鲜明的色彩能够激发学生学习动机和提高学生学习兴趣，同时其具有组织化与概括化的特点，便于学生总结与复习。这种知识结构体系的建构方法，使教师可以在上新课之前点明新知识点与旧知识点之间的关系，也可以在上复习课的时候引导学生构建整个知识模块的思维导图。笔者根据学院环境工程专业学生学习本课程的情况对热力学三大定律及相关知识点构建了思维导图片段（见图1）。笔者认为，对于化学热力学知识思维导图的构建，最好是通过学生学习后自主构建、教师启发引导、学生再次修改完成等多步骤来完成。对于知识框架的构建，应尽量在教学的过程中逐步添加完善，甚至是重构，最终在这部分内容完成后形成清晰的、完整的网络知识框架。

通过思维导图构建起清晰的知识框架，及时归纳、总结、对比，让学生时刻明白“我正在学什么”“我已经学了什么”“我即将学什么”。例如，在讲解完热力学第一定律表达式△U=Q+W后，由于前面已经涉及一些简单的体积功的计算，因而很自然地引出热量Q的相关计算这一内容，从而开始涉及热容、恒压热、恒容热、焓变等相关知识点的教学。

（五）适当结合专业特点或前沿热点进行讲解

在化学热力学课程教学的过程中，既要在课程标准的要求下针对教学目标夯实理论基础，也要适当结合专业特点或者前沿热点知识进行讲解。其意义不仅仅在于加强学生对相关知识点的理解，还在于进一步提高学生的专业认知水平，培养学生的学科素养，让学生体会到基础学科、基础理论知识的重要性，引导学生用最基本的理论知识一步步解决专业问题或者前沿热点问题。以环境工程专业为例，吸附在环境相关专业课程以及前沿研究领域中一直是热点的话题。在进行化学热力学中Gibbs公式（△G = △H－T△S）这一知识点的讲解时，结合Gibbs公式对吸附过程吸附热力学的分析，可以很好地理解温度等因素对吸附去除效率的影响，通过△G、△S数值的分析可以很好地分析目标污染物和吸附剂之间的表界面行为。例如，李颖华等人结合Gibbs公式就磷矿渣对Cd（II）的吸附热力学行为进行了分析[6]。ΔGθ 为负值说明吸附过程是自发的，随着温度升高，ΔGθ的绝对值增大，说明温度的升高有利于吸附。ΔHθ 为正值表明吸附过程是吸热的。这与温度升高有利于吸附的实验结果一致。ΔSθ 为正值表明吸附增加了溶液系统的自由度，Cd（II）比较容易吸附在磷矿渣的固体／溶液界面。白书立等人采用类似的方法对ZIF-8吸附废水中罗丹明B热力学行为进行了分析[7]。此外，在进行环境影响评价的过程中，依据熵判据、反应进行的限度等热力学知识可以对废弃物回收利用和防治污染的方案、设施和主要工艺提供科学依据[8]。

（六）完善考核方式，达成培养目标

在考核过程中，不考核学生对化学热力学公式的死记硬背，甚至在考试中提供部分公式，更多地考查学生是否明白公式的适用条件，以及应用公式解决问题的能力。此外，考核内容应更具有针对性，与专业特点相结合，增加综合性题目的考核，注重学生将化学热力学作为一种理论工具来分析和解决实际问题的能力。

四、总结

化学热力学教学模块具有自身突出的特点，在物理化学的课程教学过程中，应紧密结合这些特点，突破在教学过程中遇到的壁垒，在教学实施前期结合专业特点以及后续开设课程的内容对化学热力学的教学内容进行甄选和优化；在教学过程中利用思维导图构建清晰的知识框架，强调基本概念和基本定律的适用条件，并紧密结合专业特点进行讲解，在考核阶段以培养学生利用化学热力学公式或定律分析问题、解决问题的能力为主。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 万洪文，詹正坤.物理化学[M].第2版.北京：高等教育出版社，2010.

[2］ 戴树桂.环境化学[M].第2版.北京：高等教育出版社，2006.

[3］ 胡洪营.环境工程原理[M].第3版.北京：高等教育出版社，2015.

[4］ 王小兵，卢文贯，任健敏.无机化学和物理化学课程整合与优化初步探讨：以环境工程专业为例[J].大学化学，2014，29（2）：23-25.

[5］ 宗丽娜，王向鹏，郑云香. 基于OBE理念的应用型本科高校物理化学课程考核模式的改革与实践[J]. 化学教育，2020，41（14）：14-19.

[6］ 李颖华，余瑞，王柳杨，等. 磷矿渣对水溶液中Cd（II）的吸附性能研究[J]. 三峡大学学报（自然科学版），2020，42（4）：106-112.

[7］ 白书立，陈凯，李换英，等. ZIF-8吸附罗丹明B模拟废水热力学和动力学研究[J]. 河南师范大学学报（自然科学版），2020，48（4）：73-77.

[8］ 龙庚. 化学热力学在环境影响评价中的应用[J].环境保护， 1997（1）：35.

［责任编辑：张 雷］