关于物理化学课程基本内容教学改革的建议

王新平（大连理工大学化学学院，辽宁大连116024）

·教学研究与改革·

关于物理化学课程基本内容教学改革的建议

王新平*
（大连理工大学化学学院，辽宁大连116024）

对物理化学教学改革提出以下4条建议：（1）教学内容要适应科学发展；（2）内容构架要以解决科学问题为主线；（3）教学要注重沟通知识模块间的科学联系；（4）明确指出各知识模块的科学应用。

科学发展；内容构架；模块间的联系；科学应用

www.dxhx.pku.edu.cn

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［1－5］，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。如图1所示，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。

图1　本科生物理化学教学基本内容与科学前沿的关系

1.1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）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2AgBr— →—hv2Ag+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。

1.2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298 K，MgO（s）与空气界面的界面能为1.2 J·m－2，W（s）与空气界面的界面能为2.9 J·m－2［6］。如果它们的比表面积达到200 m2·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=1.2×40.3×200 J·mol－1=9.7 kJ·mol－1

ΔGm（W，s）=σAs，m=2.9×183.85×200 J·mol－1=106.6 kJ·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。

2.1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1 m3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。

2.2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。图2给出了我们建议的化学热力学教学构架，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。

图2　化学热力学基本内容构架图示

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（如图1所示，存在纵横的通道）。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方程：对于通常的固相催化剂，其组分根据在催化剂中的作用可分为主催化剂、助催化剂（电子型助剂和结构型助剂）及载体。因此，其上述3种组分必然应与表述速率常数k的阿伦尼乌斯方程有关。

对于气/固相或液/固相催化反应，至少应有一种反应物的分子被催化剂表面的活性位（活性中心）吸附活化，从而降低反应活化能，使反应容易进行。通过催化剂表面活性位的结构、数目，可以将催化剂的不同组成、活化络合物理论（催化剂活性是活化络合物结构的一部分）以及阿伦尼乌斯方程紧密联系起来，催化剂活性的差异主要由于其活性位活性的不同以及催化剂活性位不同的数目。电子型助催化剂主要通过改变活性位的结构而提高催化剂活性位的活性，即降低形成活化络合物的能垒。结构型助催化剂主要增加活性位的密度，催化剂的载体则主要增加催化剂的表面积。后二者的主要作用都是用来增加或保持催化剂表面活性位的数目。活性位的数目的增加，会使阿伦尼乌斯方程的指前因子增大（图3）。

图3　以活性位为核心的催化剂结构与阿伦尼乌斯方程间的关联

4　明确指出各知识模块的科学应用

在本科教学中，教师不仅要传授学生基础知识，更重要的是培养学生运用这些基础知识认识和解决问题的能力，培养学生的创新意识和启发学生的创新思维。在教学中要较好地实现这些目标，就必须做到学生对每个独立知识模块、知识模块递进群的科学应用形成清晰的认识。

例如，克拉佩龙方程和克-克方程构成了独立的知识模块。其基础知识是克-克方程的3种形式（微分式、不定积分式和定积分式）。可以认为，克拉佩龙将热力学基本方程应用于纯物质以两相共存的封闭系统而导出相应方程，以及克劳修斯进而将其升华为克-克方程的导出过程，均是启发学生创新思维和创新意识不可多得的载体。相应基础知识的科学应用则是：（1）利用克-克方程的定积分式，借助液体的常压沸点和相变焓，获取液体在所需温度的饱和蒸气压；（2）利用克-克方程的不定积分式，即通过多点作图法，获取液体（或升华性固体）的相变焓。既然在此讨论知识模块的科学应用，那么就不妨给出用克-克方程的定积分式获取相变焓这个不太科学的例子。如图4所示，虽然通过两点（例如①和②）数据也可由克-克方程的定积分式获取相变焓，但由相应方法求得焓变其误差可能很大。

在化学动力学中也有同样的例子。在化学动力学中有一个较大的知识模块递进群是，由一个假定机理出发，利用元反应的质量作用定律和合理的近似方法（平衡近似法和稳态近似法），推导出相应总包反应的反应级数。其科学应用是，将该导出的总包反应级数与实测总包反应级数比较，借以对相应假定机理的正确性进行初步检验。在此可以设想，如果一个学生对该知识模块递进群的上述科学应用不清楚，那么即便他把推导过程和近似方法学得再熟，恐怕也只会应付考试，而很难将其用于解决实际问题，更难于用之形成创新思维。

图4　由克-克方程定积分式获取相变焓误差较大的原因

［1］胡英，吕瑞东，刘国杰，黑恩成.物理化学.第5版.北京:高等教育出版社，2007.

［2］李松林，周亚平，刘俊吉.物理化学.第5版.北京:高等教育出版社，2009.

［3］傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华.物理化学.第5版.北京:高等教育出版社，2006.

［4］韩德刚，高执棣，高盘良.物理化学.北京:高等教育出版社，2001.

［5］王新平，王旭珍，王新葵.基础物理化学.第1版.北京:高等教育出版社，2011.

［6］傅玉普，郝策.多媒体CAI物理化学.第5版.大连:大连理工大学出版社，2010:409.

Suggestions for the Physical Chemistry Course

WANG Xin-Ping*
（Department of Chemistry，Faculty of Chemical，Environmental and Biological Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning Province，P.R.China）

In order to improve the teaching performance in the course of physical chemistry，the following four suggestions were given in this paper：（1）advances in the physical chemistry research field should be incorporated in the course；（2）the course should be arranged in the way beneficial to increasing the ability of students for solving the practical scientific problems；（3）the connection between knowledges should be clearly summarized in the course；（4）what and how problems can be solved using the knowledges should be clearly known by the students after the course.

Advancement of science；Framework of the content；Connection between knowledges；Scientific application

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201509024

，Email:dllgwxp@dlut.edu.cn