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关于提高物理化学课堂教学效果的几点体会

作者:2017-01-07 15:38文章来源:未知
  本文对于在物理化学课堂教学中,如何激发学生学习兴趣,加强素质教育和培养创新意识,提高学生解决问题的能力,从而提高教学效果,谈谈笔者的一些做法和体会。
  1精心设问
  俗话说“授人以鱼不如授人以渔”,所以,我们在教学过程中始终坚持学习的目的在于激发学生如何去思考与创造,而不仅仅是学会推导一个公式,完成一种计算。物理化学教师可以设置一系列与课程内容有关的实际问题,引导学生通过深入分析、广泛讨论等方式来解决这些问题。这样可以激发学生的学习兴趣,促使学生主动学习,不仅使学生学到有关的基础知识,还有利于培养学生的科学思维能力、自学能力和运用所学知识解决问题的能力。下面通过一个实例对此进行说明。
  金刚石和石墨都是由碳元素构成的,但性质却很不同。金刚石非常坚硬,属稀缺资源,钻石就是由天然金刚石通过精细打磨制成。钻石有很多面,每个面都能反射光,这使钻石在光照下会璀璨夺目;而石墨层与层之间的结构却不紧密,容易相对滑动,石墨导电导热性很好,质地松软,属于廉价物品,常用作导电导热材料。
  问题设置如下:
  已知:C(石墨)→C(金刚石)ΔcHm/(kJ·mol-1)-393.51-395.40Sm/(J·mol-1·K-1)5.7402.377ρ/(kg·m-3)22603513
  根据热力学知识回答:(1)298K,标准压力下,廉价的石墨能否变成昂贵稀有的金刚石?(2)用加热或加压的方法能否使石墨变成金刚石?计算转变条件。
  解:
  (1)ΔrHm=-∑νBΔcHm=-393.51-(-395.40)=1.89(kJ·mol-1)
  ΔrSm=∑νBSm=2.377-5.740=-3.363(J·mol-1·K-1)
  ΔS环=-ΔHT环=-1.89×1000298=-6.34(J·mol-1·K-1)
  ΔS总=ΔS体+ΔS环=-3.363-6.34=-9.70(J·mol-1·K-1)<0
  所以,在298K及p下,石墨不能变成金刚石。
  (2)要想使石墨变成金刚石,在p下,应有:
  ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm≤0T≤1.89×1000-3.363=-562K
  由于无法达到如此低的温度,所以不能通过改变温度使石墨变成金刚石。即在298K时,至少需要1.53×109Pa高压才能使石墨变成金刚石。
  此问题可作如下延伸:除了熵判据外,还可以用哪个判据来判断?怎样提高转变速率?工业上怎样使石墨变成金刚石?
  还可以用吉布斯函数判据来判断。在298K定压下,有:
  ΔrGm=ΔrHm-TΔrSm=1.89×103-298×(-3.363)=2.89×103(kJ·mol-1)>0
  所以,在298K及p下,石墨不能变成金刚石。
  根据动力学知识,我们知道温度越高,反应速率越快,所以可通过升高温度来提高转变速率。由于石墨变成金刚石的反应是吸热反应,故升高温度有利于该反应进行。工业上正是通过高温高压的方法使石墨变成金刚石的。
  2类比法
  在课堂讲授中,应及时对知识进行总结,可以采用类比法,将一些相关重要内容放在一起总结、比较,找出规律,以便于学生掌握和复习。
  2.1公式类比
  比如相平衡热力学中的克-克方程:
  lnp2p1=ΔvapHmR(1T1-1T2)
  化学平衡热力学中的范特霍夫方程:
  lnKp(T2)Kp(T1)=ΔrHmR(1T1-1T2)
  化学动力学中的阿伦尼乌斯方程:
  lnk2k1=-EaR1T2-1T1()
  上述3个方程具有类似的形式。当讲授其中之一时可相应回顾另外两个,联系起来进行记忆,以便于掌握。仔细对比相平衡和化学平衡热力学中的克-克方程及范特霍夫方程,可以发现克-克方程其实可以看作是范特霍夫方程的特例,只不过这时反应物和生成物是一种物质,比如H2O(l)→H2O(g),设平衡时水蒸气的压力为p,则有:
  Kp=pp,Kp(T2)Kp(T1)=p2p1
  化学反应热相应地变成了蒸发热(升华热),这时克-克方程和范特霍夫方程是一致的。还可以设计综合习题来练习公式的应用,并加强记忆。比如:鸡蛋中主要成分卵白蛋白的热变作用为一级反应,Ea=85kJ·mol-1。在海平面的沸水中煮熟一个蛋需要10min,在海拔2213m高的山顶上的压力为0.774p,求在山顶上的沸水中煮熟一个蛋需多长时间?已知水的气化热为2.278kJ·g-1。在解该题时,同时要用到克-克方程和阿伦尼乌斯方程,解题思路是:用克-克方程求出水在2213m的高山上的沸点→用阿伦尼乌斯方程求出水在两个温度下的速率常数之比→利用一级反应动力学的特点,鸡蛋煮熟(反应程度相同)时,反应时间与速率常数成反比→求出在高山上煮蛋需要的时间。
  2.2模型的类比
  理想模型是人们在科学实验的基础上运用抽象思维的能力,撇开次要因素,纯化主要因素,建立起来的高度抽象的理想客体,建立这个理想客体的方法即理想模型法。理想模型法是物理化学中常用的研究方法,比如理想气体和理想液态混合物都是理想模型的表现形式。下面列表比较一下两个概念。
  可知,这两个模型的特征及化学势类似,性质相同。当讲授其中之一时可相应回顾另外一个,联系起来进行记忆,以便于掌握。实际上,这两个模型中的理想气体混合物可以看作是理想液态混合物的特例,所以它们具有相同的性质。
  2.3概念类比
  热力学的重要应用是计算化学反应的热效应和判断化学反应进行的方向。焓和吉布斯函数是两个重要的热力学函数,要计算这两个状态函数的改变量就需要知道一些基础热数据,如标准摩尔生成焓、标准摩尔燃烧焓和标准摩尔生成吉布斯函数,它们的共同点是数值都用相对零点数值法来确定,不同点有两个:(1)规定的零点不同,标准摩尔生成焓和标准摩尔生成吉布斯函数都规定在标准态下,热力学稳定相态的单质(反应物)ΔfHm=0,ΔfGm=0,而标准摩尔燃烧焓则规定在标准态下,完全氧化产物的ΔcHm=0;(2)标准摩尔生成焓和标准摩尔生成吉布斯函数的定义中都规定生成物的化学计量数等于1,而标准摩尔燃烧焓的定义中规定反应物的化学计量数等于1。这几个概念讲完后,可以及时进行对比、总结,以方便记忆。物理化学中类似的概念很多,比如偏摩尔量与化学势,原电池与电解池等。
  2.4判据类比
  热力学中判断一个过程自发进行的方向和限度有多个判据,比如熵判据、赫姆霍兹函数判据、吉布斯函数判据和化学势判据。讲完几个判据后,可以进行小结,比较它们的适用条件,使学生加深印象、方便应用。
  3引导学生总结
  由于物理化学课程知识点多,公式条件多,知识的逻辑性强、关联性强,因此,在学完一章后,学生可能会感觉一头雾水,做习题时不知该从何下手。我们的经验是,在开始讲授一章内容前,先列出本章的基本要求及重点、难点,内容讲授完毕后,让学生对本章内容进行总结,并画出本章的知识结构框图。这样学生就会对本章内容进行回顾、复习,寻找各个知识点的联系,下次上复习课时,教师对学生进行提问,然后进行点评。这样答对的学生更具有成就感,没有答对的学生也会有深刻的印象,通过知识结构框图加固了脑子里知识点间的联系,做习题时就不会无从下手。
  4简介学科新成就
  在教学中适当介绍本学科的最新成就及发展前景,将其与我们熟悉的背景知识联系起来,通过设问、讲解,可大大激发学生学习物理化学的兴趣。
  比如在讲热力学第二定律时,可以引入非平衡态热力学知识,简介耗散结构理论,提出以下问题:生命体的熵怎么计算?熵与生命有何关系?发烧和中暑与熵有何关系?从热力学角度看,怎样治疗发烧和中暑?再比如,在讲到润湿问题时,列举荷叶具有“出污泥而不染”的特性,即具有自清洁功能,为什么它具有这种功能呢?具有这种超疏水结构的产品能给我们带来什么好处?在讲临界点及二氧化碳相图时,介绍超临界流体的应用,设问怎样才能使人们日常使用的食用油和精油又放心香味又纯呢?随着生活水平的提高,我们有越来越多的衣服要干洗,但干洗剂却可能对人体健康造成一定程度的损害,怎样能使干洗后的衣服又干净又放心呢?在讲授胶体化学时,可先简介热门的纳米材料科学,设问怎样使防晒化妆品防晒时间长、对皮肤刺激性小呢?怎样使浴缸、墙壁、地板砖既光亮又具有抗菌除臭、防污自洁性能?怎样使衣服的布料夏天凉爽而冬天暖和呢?在讲电化学时,先简介燃料电池,设问有没有完全绿色、环保的电池?怎样使电池源源不断地对外放电,而且容量不受体积和质量的限制?它的工作原理是什么?通过上述事例,在教学中不断渗透前沿科学,不仅能使物理化学教学富有生命力、感染力与时代感,而且能增强学生对现代科研的向往,激发学生的学习兴趣和探索精神。
  总之,作为一名物理化学教师,要不断提高自身素质,积极挖掘课程资源,钻研教材;平时应注意搜集素材,在适当时候在课堂上引入生产生活实例或学科前沿,通过设问、类比等方法,运用生动的语言,激发学生学习兴趣,培养学生的创新意识和解决实际问题能力,提高课堂教学效果。
 

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