浅析关于物理化学课程基本内容教学改革的建议

浅析关于物理化学课程基本内容教学改

革的建议

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随着科学的发展，物理化学在教学内容方面的改革，不仅在于不断地将物理化学领域中经实践检验正确的重要规律和理论纳入教学内容、将已经过时的内容剔除出去，也在于不断将已有的基础理论进行修正和完善，以及将不同知识模块间的内在联系进行疏通，以达到在有限的物理化学教学时间内，更有效地培养学生创新能力的目的。已有一些典型教材，都不同程度地对此进行了努力，并为物理化学的教学改革做出了贡献。笔者认为，以下几个方面，应成为今后物理化学教学改革的重要方向。

1适度扩展物理化学基础内容，使教学适应科学发展

物理化学教学应扩展的主要内容，首先在于能源、环境和材料科学三大领域。这是因为，近几十年来这三大研究领域的发展最为突出，且适用于本科生物理化学教学的内容，应为物理化学的基础内容。这意味着物理化学教学内容的扩展，应首先考虑这些研究领

域的重要科学理论和科学规律。只要它们已被科学研究者广泛接受，或多次被实践检验为正确，就应优先成为物理化学科学发展的基础(即物理化学的基础内核)，应被及时纳入本科生的物理化学教学内容。实际上，已有很多这样的内容早应列入本科生的物理化学教学内容，但迄今为止很少出现在物理化学的教科书中。就化学反应热力学而言，即可列举下列内容。

光化学反应热力学

光化学反应，即在光的作用下进行的化学反应。近年来光化学反应已成为处理环境污染物(特别是水中有机污染物)的重要方法。与人类生活休戚相关的光化学反应莫过于以6CO2(g)+6H2O(1)¾¾¾hv®C6H12O6(aq)+6O2(g)表述的光合反应。与热化学反应(或称为暗化学反应)不同，光化学反应并不遵守前者的平衡规律。仍以该反应为例，作为热化学反应，C6H12O6(aq)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O(1)自发发生，但在光照条件下反应发生的方向则刚好相反。这里需要指出的是，上述反应在叶片中进行的方向与叶绿素并无关系。这是因为，后者不过是起了催化作用而已，同样有叶绿素存在，有光照与无光照则决定了反应发生的方向不同(且不说催化剂不影响反应的平衡位

置)。众所周知，该光化学反应和热化学反应，分分秒秒都在人类的身边或人体内发生，而我们迄今为止还很少把光化学反应的平衡规律引入本科教材。当然，利用光化学反应平衡的日常生活用品几十年前也已问世。例如，自动适应环境光强的墨镜。当有强光直射时，镜片内的AgBr分解，反应2AgBr¾¾¾hv®2Ag+Br2的平衡强烈地向生成Ag的方向移动，使墨镜自动变黑。而当光线较弱时，反应平衡则向相反的方向移动，使墨镜的黑度随之变弱。显然，该墨镜的创新设计来自于巧妙地利用了光化学反应的平衡规律。无疑，根据前面的讨论，光化学反应的平衡规律已经成为了物理化学的基础内核内容。

有大表面固体材料参与的化学反应热力学

对于大表面的固体材料，包括纳米材料(纳米粒子、纳米线、纳米管和纳米膜)和多孔材料。由于其存在较大的界面能，这些材料在热力学性质上便与常规低表面同种物质的固体存在着一定的不同。

在定温(T)、定压(p)下，大表面固体材料与常规低表面同种物质相比，其摩尔吉布斯函数多出了σAs,m(其中σ为该固体物质在温度T、压力p下的界面能，As,m为每摩尔该大表面固体材料的表面积)：Gm,大表面-Gm,常规=σAs,m(1)

现以可查到界面能数据的MgO(s)、W(s)为例进行说明。在298K，MgO(s)与空气界面的界面能为∙m-2，W(s)与空气界面的界面能为∙m-2。如果它们的比表面积达到200m2∙g-1，则对于MgO(s)和W(s)而言，该大表面的固体材料与相应常规低表面同种物质相比，其摩尔吉布斯函数的高出值ΔGm分别为：

ΔGm(MgO,s)=σAs,m=××200J∙mol-1=∙mol-1

ΔGm(W,s)=σAs,m=××200J∙mol-1=∙mol-1

众所周知，一般的化学反应，其摩尔吉布斯函数变的绝对值在几到几百kJ∙mol-1之间。这就是说，有大表面固体材料参与的化学反应，依据其界面能数据及其比表面积的大小，不仅其平衡常数会与常规低表面同种物质固体参与的相应反应有一定差别，甚至其自发方向都有可能与常规低表面同种物质固体参与的相应反应刚好相反。

2教学内容的构架应以解决实际问题为主线

下面就以化学热力学的教学为例进行讨论。为此，列出了一些简单的水利问题，以便与物理化学问题相比较。

简单的水利问题

A1.让水从一个指定位置“流”到另一个指定位置，是否需要电功?

如果从高处流到低处，不需要电功，可自发进行;反之，则需要电功(如开泵)。

A2.在哪里建水电站，流动1m3的水，才可获得更大的电能?最多可获得多少电能?

水的自发流动，是水位差驱动的，在水位差更大的地方建水电站，才可获得更大的电能;可获得的最多电能等于流过水的势能。

A3.让水从一个低处的指定位置“流”到某高处的指定位置，实现该过程至少需要多少电能?

至少需要的电能为流过水的势能。

物理化学问题

B1.怎样判断一个过程(例如化学过程)是否自发发生?

B2.利用什么样的过程才可获得更多的电能(或光能)?最多从中可获得多少电能(或光能)?

B3.让一个非自发过程实际发生，最少需要多少电能(或光能)?

显然，对于一个学过化学热力学的本科生而言，准确回答B1-B3的问题，是其最基本的能力。此外，准确计算过程的热效应和自发过程的限度，也是学过化学热力学的本科生必须掌握的能力。这样，通过化学热力学教学，起码应使学生具备以下6个能力：①

准确计算过程的热效应;②确定在指定的条件下过程是否自发;③判断在确定的条件下，自发过程的限度;

④形成必要的理论推导能力;⑤能够利用一个确定的自发过程，判断最多能够获得多大非体积功;⑥判断要实现一个非自发过程，最少需要输入多大非体积功。

当然，要通过化学热力学教学使学生具备解决这些问题的能力，就必须将相应教学内容进行合理的构架。其中还包括了电化学中的热力学(虚线箭头部分)。

因此，在物理化学教学中不仅要确保能力①-④的达到，也要注重能力⑤和⑥的形成。

3沟通知识模块间的科学联系，促进知识的系统化

作为本科生学习的物理化学基础内容，即物理化学基础内核部分，各知识模块之间均存在着科学本质的联系。学生学习物理化学知识应达到系统化，“融会贯通”。否则，学生凭借独立的和非常局限的知识点，往往难以实现创新思维。

要促进学生物理化学知识的系统化，在教学中就必须深入挖掘各基础知识模块间的通道。现以化学动力学为例进行说明。

催化剂能加快反应速率，在于其使反应速率常数变大。在通常情况下，反应速率常数符合阿伦尼乌斯