物理化学课堂教学兴趣培养研究

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物理化学是高等院校部分专业必修的一门重要的基础课程，物理化学教学质量的高低直接影响到后续课程化工热力学、化学动力学、表面化学、催化化学、化工原理等许多专业知识的学习，而且物理化学在培养创新能力方面具有其他课程无法替代的作用。拥有良好物理化学素养的大学毕业生，将更善于适应以后纷繁多变的工作环境，更容易在工作中释放自己的科学潜能。但该课程理论概念抽象、公式条件众多、原理多、知识的逻辑性强、关联性强，“化学灵魂”的美誉并不能激发出学生长久的学习热情，初学者往往会产生这门课难学的畏难情绪。“兴趣是最好的老师”，因此如何教好物理化学这门课程，使学生将枯燥的学科知识化为新奇有趣的知识体系进行学习是每一位物理化学教师应该思考和探讨的问题。物理化学教师如何使教学引起学生兴趣，从而培养兴趣、激发兴趣，进而提高学生学习过程中的求趣能力是兴趣教育的关键。笔者根据多年物理化学教学的经验，简述一下在兴趣教育方面的体会。

1将抽象概念、理论通过贴切、简单易懂的示例进行讲解

物理化学的任务是把化学领域中各种现象联系起来，对其中的一般规律予以更深刻、更本质的探讨，其中的一些重要理论、概念或规律比较抽象，学生难于理解。通过将抽象概念和理论与学生熟悉的背景知识相联系，使学生易于理解和接受。

如真实气体的节流膨胀是热力学部分的一个难点，在讲这部分内容时，可以设问“人工降雨中有没有节流膨胀？”“高压氢气瓶泄露为什么可能会引起爆炸事故？”“电冰箱是怎样实现制冷的？”。然后通过讲解总结出实现该过程必须满足的3个要点：系统突然发生变化、流过阻碍、压力减小，它们分别对应绝热、节流、膨胀。然后再回答以上问题：人工降雨时充当新相种子的CO2固体小颗粒就是把液态CO2通过高压瓶的针形阀放出实现节流膨胀，喷洒出小颗粒的干冰；若高压氢气瓶泄露，氢气经节流膨胀后温度升高，可能会引起爆炸事故[1]；电冰箱制冷循环中的第三步绝热节流膨胀是制冷剂过冷液体通过毛细管狭窄的通路时，由于管路的阻滞作用，节流降压、降温。这样就使原来干巴巴的教学过程变得生动有趣。

再比如化学势这个概念是热力学中的一个非常重要的概念，在相平衡、化学平衡中都有重要应用，但这个概念比较抽象。在讲这个概念时，可以设问：“水为什么总是从高处流向低处？”学生一定会回答因为高处的水势能高，这时抓住时机引入化学势的概念，强调化学势类似于物理学中的势能，势能越高的物体越不稳定，同样化学势越高的相和物质越不稳定，因此一种物质会从化学势高的相自发向化学势低的相转移、化学反应总是自发地向∑vBμB＜0的方向进行，使学生对化学势有个初步了解。这时可以继续设问“常温常压下的水和水蒸气，哪一个化学势更高？如果是100℃，常压下呢？为什么？”“密闭的钟罩内有A、B两杯液体，A杯内是纯水，B杯内是蔗糖水，那么经过足够长的时间两杯液面有什么变化”，进一步加深学生对概念的理解。

在讲热力学第二定律的开尔文说法时，提到第二类永动机，第二类永动机是从单一热源吸热完全转化为功而不引起其他变化的机器。这个概念学生感到抽象，难以理解，但如果加上这个解释，学生就感到容易理解了：假如人类能造出第二类永动机，带有这种机器的轮船就可以从海洋这个单一热源中源源不断地汲取热量推动轮船前进而不引起任何变化(海洋是一个巨大的能源库，有人曾经估算过，只要使地球上海水的温度下降0.01℃，汲取的热量够全世界的机器运转1500年[1])。那么今天行驶的轮船就不必再携带任何的燃料和动力。实际上正常热机必须工作于高、低温两个热源之间，无法找到与海洋这个高温热源相匹配的低温热源是这种机器根本不可能存在的原因。

2将物理化学与现实生活联系起来，培养学生学习的兴趣

恰当地将教学内容与一些学生遇到过的熟悉的生活实例联系起来，遵循“提出生活中的实例（问题）——引入讲授新内容——让学生猜答案——给出答案”的思路，当学生最终恍然大悟时，会深感学以致用的无限乐趣，从而激发浓厚的学习兴趣，保证课堂教学效果。为简便起见，下面仅列出问题与答案要点。

植物为什么具有一定的抗旱性和耐寒性？冬季建筑施工中，为了保证施工质量，常在浇注混凝土时加入少量盐类，其主要作用是什么？冰冻后的水果放入凉水中浸泡一段时间，发现水果表皮结了一层薄冰，而内层果肉却解冻了，为什么？为什么我们输液时用的生理盐水是0.9%、葡萄糖水5%？浓度高了或低了行不行？海洋中的动物能不能在淡水中生活？盐碱地的农作物长势不良，甚至枯萎，其主要原因是什么？——稀溶液依数性知识，沸点升高、凝固点降低、等渗溶液、低渗溶液和高渗溶液。

为什么在高山上做饭有时做不熟，而用高压锅很快可做熟？——克-克方程，压力越大，沸点越高。

铁表面上镀锌、铬或涂油漆、塑料等的作用是什么？——防腐，涂保护层。

为什么冰箱里的食物保鲜时间长？——阿伦尼乌斯方程，温度越低，食物腐败时间越长。

为什么不同药品的贮存期不同？如何确定？怎样延长药品有效期？——因为不同药品分解反应的反应级数n和反应速率常数k不同，根据n和k可计算出药品在常温下分解10%所需的时间即为“贮存期”[2]。降低温度可延长有效期。

洗衣粉为什么在温水中去污能力更强？发酵粉发面时为什么用温水和面面发得更快？

——酶在温水中催化活性最高。

自由水滴、气泡为什么是球形？为什么小水珠碰在一起有合并成大水珠、粉末有结块的趋势？——表面能越小越稳定。

人工降雨的原理是什么？在春天光滑的墙壁和粗糙的墙壁哪个更容易回潮？农民为什么要锄地？仅只为除杂草吗？——开尔文公式，粉末状干冰或AgI晶种作为凝结核心，降低水蒸气的过饱和度。粗糙的墙壁更容易回潮，不只为除杂草，粗糙的墙壁和锄地时切断的毛细管利于使大气中的水蒸气在其中凝聚，使墙壁回潮和增加土壤水分，毛细凝聚现象。

雨衣、雨伞材料为什么能防雨？制作原理是什么？——增大接触角，使雨水呈球状滚落；制作时，在布上刷涂层或添加材料来减小气固界面张力。

表面活性剂的洗涤去污原理是什么？——增加润湿，起泡、增白、占领清洁表面。

表面活性剂的起泡原理是什么？——增加液体薄膜的强度。

最重要的交通信号为何设置为红色？为什么天空是蓝色的而朝阳和夕阳是火红的？——瑞利光散射公式，蓝紫色光散射强，红色光散射弱。

为什么在大江大河入海口处会形成三角洲？卤水点豆腐的原理是什么？明矾为什么能净水？——溶胶聚沉，电解质的聚沉，溶胶相互聚沉。

墨水中为什么要加入阿拉伯胶？为什么在制作冰淇淋的时候要加入明胶?——高分子对溶胶的保护作用。

食物保鲜需要的低温浴怎样选择？——水-盐相图，根据需要的温度选择盐类。

电动车用的电池一般是什么电池？它的电动势是多少？具备什么条件可以成为可逆电池？用什么方法可以测出它的电动势？怎样根据它的电动势求出电池反应的平衡常数？实际使用时，电池的端电压和可逆电池的电动势大小一样吗？为什么？温度升高或降低，电池的电动势是否改变？——铅酸电池，约2.0V，可逆电池须满足的3个条件，对消法，E=RTzFlnK，电池的端电压小于电动势，因为两极存在极化现象。温度改变，电动势也改变，电动势的温度系数可通过实验求得。

在一个密闭绝热的房间里放置一台电冰箱,将冰箱门打开,并接通电源使其工作,过一段时间之后,室内的平均气温将如何变化?——升高。根据热力学第一定律，Q=0，W>0，所以热力学能升高，温度升高。

因为北冰洋没有可饮用的淡水，全是海水(海水中NaCl含量为2.5%)，所以爱斯基摩人需要到冰山上去取回冰来熔化，爱斯基摩人应在怎样的环境温度下取冰?——H2O-NaCl相图，爱斯基摩人应在温度为252~273K的季节取冰[3]。

3将物理化学与工农业生产联系起来，提高学生学习的积极性和创造性

物理化学所具有的基础性、理论性、先导性和综合性的特点，使之成为工农业生产的一块重要基石，在工农业生产中起着重要作用。恰当地将教学内容与工农业生产联系起来，遵循“提出工农业生产中的实例（问题）——引入讲授新内容——启发学生总结答案——给出答案”，使学生对理论实质产生更深的认识，增长实践经验，避免理论与实践脱节，既提高了学习兴趣，又培养了学生的科学思维与解决问题能力。为简便起见，下面仅列出问题与答案要点。

经典范例，同为碳元素，298K，标准压力下，石墨能否转变为金刚石？可以用几个判据来判断？如果不能，那么怎样使石墨转变成金刚石？转变程度是多大？怎样提高转变速率？——不能，可以用熵判据和吉布斯自由能判据来判断和计算，采用加压的办法（压强大于1.5×109Pa）可使石墨转变成金刚石，利用ΔrGm=-RTlnK,可求出K，加热。

冬天，工业上用管道运送硫酸时为什么要稀释？——形成稳定化合物相图，纯硫酸的熔点在283K左右，而与一水化合物的低共熔点在235K，所以在冬天用管道运送硫酸时应适当稀释，防止硫酸冻结。

结晶法精制粗盐的原理是什么？——水-盐相图，首先盐的组成必须大于低共熔点时盐的组成才能通过降温得到盐的晶体。

当乙醇含量低于95.57%时，能否通过精馏得到无水乙醇？怎样才能得到？——双液系最低恒沸点相图，不能，先加入分子筛等吸水剂，使乙醇含量超过95.57%，再精馏可得无水乙醇。

工业上制备高纯物质（如8个9以上的半导体材料）原理是什么？——固相完全互溶相图，区域熔炼。

工农业生产中通过测量水的电导率来检验水的纯度，依据是什么？——纯水的电导率k=5.5×10-6S•m-1，普通蒸馏水的电导率是1×10-3S•m-1，重蒸馏水和去离子水的电导率均小于1×10-4S•m-1，所以只要测定水的电导率就可以知道水的纯度是否符合要求。

电解α±=1的ZnSO4水溶液，在阴极上Zn2+和H+哪个优先被还原？——Zn2+优先被还原。极化电势高的优先析出，因为氢有较大的超电势，使得氢的极化电势低于锌。

化工厂的一些管道或容器为什么常连到外加直流电源的负极上？——防腐，阴极保护法。

为什么大量处理固体粉尘的工厂，必须高度重视防止粉尘爆炸？——表面能高不稳定。

化工生产中采用的喷雾干燥工艺的原理是什么？——开尔文公式，小液滴饱和蒸气压大。

农药中加入少量润湿剂的作用是什么？采油时为什么要加入润湿剂？——增加润湿，减小液固和气液界面张力。

泡沫浮选为什么可以提高矿石品位？——降低润湿，增大液固界面张力。

金属陶瓷复合材料综合性能的发挥取决于陶瓷与金属之间的润湿性能的大小。烧银法，是指在陶瓷表面烧渗一层银，由于银的导电能力很强，抗氧化性能好，在银面上可直接焊接金属。若已知高温下的各个表面张力，那么液态银能否润湿瓷件表面？[3]——用杨氏方程求接触角。

考古工作中怎样根据动力学原理估算尸体的埋葬时间？——根据一级反应的动力学方程来计算。由于古尸上裹的布碎片中放射性14C的衰变是一级反应，利用衰变半衰期及其活性可以估算。

4将物理化学与其他化学课和实验操作联系起来，提高学生解决实际问题的能力

物理化学是从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化中具有普遍性的基本规律，所以我们可以利用物理化学原理来解决其他化学学科学习或化学实验操作中遇到的问题。恰当地将教学内容与它们联系起来，遵循“化学学习或实验操作中的问题——引入讲授新内容——给出答案”，可以培养学生的科学思维与解决问题能力，提高学习物理化学的积极性。为简便起见，下面仅列出问题与答案要点。

为什么用二氧化锰和盐酸反应制备氯气时必须用浓盐酸？——将二者反应设计成电池，电池的电动势要大于零，根据能斯特公式可求出盐酸必须是浓盐酸。

如何用电化学法测定一些难溶盐的溶度积或弱电解质的解离常数？——将沉淀溶解平衡或解离平衡反应设计成原电池，再根据E=RTzFlnK计算出K即可。

实验室用蒸馏水洗涤容器为什么提倡少量多次？——分配定律。

分析化学中为什么常用含HCl20.24%的溶液作为标准溶液？——最高恒沸点相图，最高恒沸点温度为381.65K，含HCl20.24%。

碱性溶液中，氯气能发生歧化反应，那么Br2能发生吗？——能发生。计算Br2与其氧化态和还原态所构成的两个电极的电势差是否大于零。

蒸馏时为什么要加入沸石？——开尔文公式，过热液体，防止暴沸。

分离操作中陈化的原理是什么?——开尔文公式，晶体颗粒越小溶解度越大。

实验室玻璃仪器洗干净的标准是什么？——蒸馏水对干净的玻璃接触角约为0°，水应完全润湿玻璃仪器，均匀分布成膜，不挂水珠或成股流下。

实验室的电子天平罩里为什么要放硅胶？——吸附空气中的水蒸气，气固吸附。

5挖掘科学技术前沿中的物理化学知识，激发学生学习兴趣和探索创新精神

我们的教育对象年轻，精力旺盛，好奇心强，易接受新事物。在教学中适当介绍本学科的最新成就及发展前景，可激发学生学习物理化学的兴趣和探索创新精神，从而吸引学生的注意。

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，提出以下问题：生命体的熵怎么计算？熵与生命有何关系？一个正常的生命体可视为一个处于非平衡的开放系统，即是一个耗散结构。开放系统的总熵变为：dSdeS+diS，其中deS为系统与环境进行的物质、能量交换产生的熵流；diS为生命体内的所有不可逆过程(消化、吸收等过程)产生的熵变。对生命体这个开放体系，deS≠0，若有生命体从外界获得负熵流(deS<0)，并且有获得的负熵流大于生命体内部产生的熵变，即|deS|>diS时，则有生命体的熵变dS<0,这时系统的熵是减少的，因而系统的有序性增加，这时生命体充满活力，生命体将进化与发展，这就是生命体的发育、生长过程。如果在一定时期内，生命体自身内部产生的熵变(diS)和生命体与外界交换物质、能量而产生的负熵(deS)恰好相等，那么系统的熵变dS=0，系统将维持一定的有序结构，生命有机体便处在稳态、成熟的阶段。正常情况下机体是靠热辐射、排泄废物等方式向体外排出多余的熵的，当机体热辐射受阻或排泄受阻时，都会导致熵流受阻而造成积熵从而形成“熵病”。如发烧和中暑就是典型的熵病，治疗的原则从热力学的角度看，就是“清除积熵”。当生命体的熵累积到最大时，整个生命机体呈现出高度无序性，处于高度混乱状态，这就是生命的终止———死亡[4-5]。