物理化学课程中化学反应动力学教学改革研究

＊张健康

（西北工业大学生命学院 生物与催化交叉研究中心 陕西 710072）

1.引言

物理化学是化学、化工、材料、能源、生物、医学等专业本科生的基础必修或选修课程[1-5]。该课程是借助物理和数学的相关知识，探索化学反应过程中变化规律的一门重要课程[1-5]。同时，该课程涉及的知识面较广，如物理学知识（如热力学第一到第三定律、典型的热、功、熵等概念）、数学知识（微积分知识）、材料学知识、光/电化学知识等。因此，从知识面涉及层次上讲，物理化学又是一门典型的多学科交叉课程。通过介绍化学反应热力学、化学反应动力学、催化剂及催化化学、电化学、光化学等内容，从热力学和动力学的角度探究化学反应变化的基本规律。学习好物理化学的相关知识，不仅可以提升学生的理论知识高度，并且有助于其运用相关知识解决科学研究和生活生产中的相关问题。

化学反应动力学是物理化学课程的重要组成部分，而工业上大约90%的化学反应都是在催化剂的存在下才能够有效的进行。因此，老师系统的讲授、学生有效的掌握催化化学动力学相关知识尤为必要。该部分课程推导公式偏多且有点晦涩难懂，上课时稍不注意学生就可能跟不上老师的思路。基于我们教学团队多年的教学经验总结，针对教学过程中发现的问题，我们提出相关的教学改革模式，重点从以下方面入手：增加简单反应的反应级数及活化能的测定实验并增加相应的实验课时，以增强学生对知识点的掌握及运用能力；在教学课堂上，有机融合相关趣味且富有教育性的催化反应动力学故事，以增加学生的学习兴趣。

2.化学反应动力学部分在教学中存在的问题

化学反应动力学部分课程公式偏多，具有一定的抽象性，且需要用到高等数学的微积分等知识，学生稍不留神就有可能跟不上老师的思路，进而产生乏味甚至摆烂的心里。加之现在很多老师采用多媒体教学，如果学生不注重笔记的话很容易跟不上节奏。通过课后作业练习确实可加深对反应级数、活化能等重要知识点的掌握，但要深入理解这些重要知识点并加以运用单靠这些习题是远远不够的，因为有些学生在一定程度上是为了完成作业或考试而做题，没有进行深入的思考，当然对这些知识点的深刻掌握及灵活运用也就无从谈起。另外，很多学生尚未走进实验室，对习题中涉及的实验仪器如色谱、紫外-可见吸收光谱等仪器的原理及使用也并不熟悉。因此，在讲授反应速率常数、反应级数及活化能测定的过程中，学生就觉得这些知识很抽象甚至乏味。尤其是当前各个高校都非常注重大学生创新创业能力的培养，强调增强学生的动手能力及运用所学知识解决实际问题的能力，因此在该部分增加相关动力学实验尤为必要。

3.教学方式及方法改革

首先，让学生了解这部分内容的重要性，可以说该部分是物理化学课程的核心，端正学习态度尤为重要。学习好该部分知识，对于学生今后的深造（考研）或从事科研或相关专业工作是非常有帮助的。再者，从教学方法、方式上进行改革也是非常必要的。适当的课堂导入并积极鼓励学生参与课堂可增强学生的归属感，激发学生兴趣；同时，采用多种教学方式有机结合、引用经典或最新的科研实例、恰当讲好化学反应动力学故事可加强学生对知识点的掌握及对科研的兴趣。

(1)改进教学方法，鼓励学生参与

传统教学板书法毫无疑问是经典的，但也存在板书耗时、板面有限的弊端。例如，教师在推导公式的过程中，会花费大量的时间，但如果将公式的推导过程在PPT上展示可节省公式推导的时间，教师可将节省的时间用于解释公式推导的原理及其应用场景等。此时多媒体教学的优势就很明显了。但重要的公式及其结论以板书的形式展现有助于学生对重要知识点的掌握。因此，采用多媒体和传统板书相结合的教学方式无疑是非常必要的。

传统课堂上，教师一味地讲授，学生不停地接受，这种模式很容易使学生产生疲倦的心里。重视课堂导入比如从某位化学科学家的重大发现开始，切入相关内容，可激发学生兴趣。改进教学方法，鼓励学生参与：开展小组调研与讨论，甚至课堂翻转。让学生调研相关文献，了解本领域的前沿动态，考察学生查阅、调研、阅读归纳文献的能力，就某一专题（催化剂的制备、反应级数和活化能的求算）开展讨论甚至演讲，加大对学生的平时学习表现考核力度及提高平时成绩的比例（因为传统的卷面考试不能更好地反应出学生对知识的掌握及应用程度，有些高分甚至是考前突击的结果）。此时，角色转变由学生变老师，学习过程由被动变主动，学生的心态和积极性是不一样的。在我们的课题翻转过程中，有些本科生对ppt制作及研究内容的解析程度不亚于研究生的水平，这也充分说明这一实践过程确实可调动学生的积极性。因此，改进教学方法，真正的使学生参与课堂会有意想不到的效果。

(2)课程内容与科研成果相结合

课程内容教学与教师的科研成果是相辅相成、相互促进的。在讲授课程基本内容的同时，引入经典或最新的相关研究成果，可启发学生的对课程学习及科研的兴趣；尤其是所讲授的实例是教师自己的成果，学生会由衷的敬佩老师，后面更有可能积极参与课程实验及并加入教师的科研团队。在课堂中讲授反应级数及反应的活化能（Ea）的测定时候，学生普遍感到比较抽象且晦涩。如果引入相应的科研案例，例如，以催化氨硼烷（Ammonia Borane，AB）水解制氢反应为案例（图1），探究相应催化剂对该反应的活化能及反应分级数，将会加深学生对知识点的理解和掌握。对于AB的水解制氢反应，选择合适的催化剂，在室温条件下即可实现对该反应的高效进行[6-12]。以典型的Pt基催化剂（碳纳米管负载的Pt及PtNi单/双金属催化剂，图2）为例，该催化剂对催化AB水解制氢具有优异的催化性能，室温条件下5min内即可实现H2的完全释放[6]。我们通过改变反应温度亦可得到不同温度下的反应速率；类似地，根据经典的阿累尼乌斯公式以lnk对1/T拟合作图（Origin等软件拟合），即可得到相应的斜率和截距，然后将所得斜率乘以R值即8.134J·mol-1·K-1即可得到相应活化能的数值。通过对比不同催化剂的Ea值，可从动力学上定量的比较不同催化剂的性能；相应地，截距就对应于指前因子的ln对数，即lnA；再结合其他表征数据综合分析来确定催化反应的机理。另外，通过改变AB的浓度来观测反应速率的变化，然后以lnk对ln[AB]作图，通过Origin等软件拟合可得到相应的直线方程及直线斜率等参数。此时，斜率所对应的数值就是对AB反应物的分级数（一般认为是接近于零级反应，亦即与AB的浓度几乎无关）。该反应装置简单（排水集气法）、安全且在室温条件下即可完成实验。因此，以此实验为案例，讲授完课堂知识，可适当增加实验环节（建议2个课时），以考察学生对知识点的掌握能力、运用能力及动手能力，并可增强学生对科研的兴趣。

图1 氨硼烷分子的结构式及其水解制氢的反应式

教师的科研和教学是相辅相成、相互促进的，在课堂上恰当引入教师的科研成果，不仅可以提升教师的成就感，也可使同学们加深对知识点的掌握，并了解相关领域最新的研究动态；若学生对教师的研究方向感兴趣，亦会可能加入教师的团队，进行“大学生创新创业训练计划项目”“互联网+大学生创新创业大赛”等项目或继续深造读研，这对于教师和学生都是互利双赢的。因此，教师将课程内容与科研成果相结合是一种切实可行的教学模式。

4.结语

物理化学是一门重要的基础且具有一定交叉性的课程。对诸多专业的学生来说学习好物理化学知识有助于培养学生的专业归属感和认同感，对其相关专业课的学习起到承上启下的作用。在化学反应动力学部分，通过恰当的课堂导入有趣且富有教育性的化学反应动力学故事，在适当教学环节设置小组讨论甚至课堂翻转，可增强学生的主人翁意识并提高其积极性；选择适当的反应（如催化氨硼烷水解制氢反应）并设计化学反应动力学实验，可增强学生对反应级数、活化能等重要知识点的理解与掌握能力，并可提高学生的实验动手能力。通过教学改革与实践，提高学生运用化学反应动力学知识分析问题、解决问题及创新实践能力，以取得良好的教书育人成效。