思维导图在物理化学课程中的应用探索

程桂青，于 青，王忠卫，刘 蕾，张如良，韩玉玺

(山东科技大学材料科学与工程学院，山东 青岛 266590)

物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化基本规律的一门科学[1]。作为化学学科的一个分支，物理化学是化学学科的理论基础，又称理论化学，其它学科的深入发展，离不开物理化学。物理化学的重要性不言而喻，然而，由于物理化学课程的特点，例如理论性强、概念抽象、公式繁多、公式具有适用条件[2-3]，因而，对物理化学课程的教学以及高效学习，需要采用合适的教学方法和学习方法。

思维导图是一种表达发散性思维的有效图形思维工具，具有简单、高效、实用性的特点[4-5]。它注重图文并重，可以把各级主题之间的关系用隶属和相关的层级图表示出来。基于物理化学课程的复杂性和逻辑性强的特点，利用思维导图，可以有效的提高学生对该课程知识体系的梳理和建立。

根据山东科技大学高分子材料与工程专业和材料化学专业培养目标以及课程特点，物理化学课程选用天津大学物理化学教研室编著的《物理化学(简明版)(第二版)》作为教材。下面首先利用思维导图对整个课程体系进行知识框架的搭建，然后以该教材的相平衡和界面现象章节为例，简述思维导图在物理化学课程教学中的应用。

1 利用思维导图搭建物理化学课程知识框架

物理化学的主要任务是探讨和解决以下三个方面的问题：(1)化学变化的方向和限度问题；(2)化学反应的速率和机理问题；(3)物质结构和性能之间的关系。前两部分分别对应化学热力学和化学动力学研究内容，其中热力学是物理化学课程的主要研究范畴，占据了大部分的授课学时。可分为热力学第一定律、热力学第二定律、以及热力学在多组分系统、化学平衡、相平衡、电化学、界面现象、胶体化学中的应用研究。动力学比热力学复杂得多，并且化学动力学还不成熟，许多领域尚有待开发，因此，大多数教材对其只进行简要的介绍。第三部分为结构化学部分，通常单独设课进行讲解，在本教材中未对其进行介绍。由于物理化学课程的特点，对其进行知识框架的搭建非常重要，有利于学生对课程的知识脉络进行全面认识。为此，首先利用思维导图构建物理化学课程的知识框架，如图1所示。

图1 利用思维导图搭建物理化学课程知识框架

2 思维导图在相平衡中的应用

如上所述，物理化学课程可以分为两大方向，一是热力学研究范畴，二是动力学研究范畴。其中，在教学过程中，热力学是教学的重点和难点。相平衡是热力学在化学领域中的重要应用，也是化学热力学的主要研究对象。相平衡主要研究一个相平衡系统的状态如何随着其组成、压力和温度等变量而变化。产品的溶解、蒸馏、分离、提纯涉及的理论基础就是相平衡原理，在冶金、采矿、地质等行业也需要使用相平衡知识，因此相平衡与实际生产生活息息相关[6]。

在相平衡章节中，主要涉及相律和相图的学习。相律是物理化学中最具普遍性的规律之一，它反映了平衡系统中相数、独立组分数和描述该平衡系统的变量数之间的关系，但其并未给出这些数目具体是哪些变量或相态。相图具有简单、直观的特点，然而，在相平衡的学习中涉及到许多类型的平衡体系，包括单组分系统和多组分系统，其中在本教材中多组分系统主要介绍了二组分系统，又可以分为气-液平衡相图和液-固平衡相图，其中，气-液平衡相图还可再细分为液态完全互溶(理想液态混合物、真实液态混合物)、液态部分互溶、液态完全不互溶体系；液-固平衡相图可分为固态不互溶(无化合物生成、生成稳定化合物、生成不稳定化合物)、固态完全互溶、固态部分互溶体系。由于在该部分涉及较多类型的相图，很多同学容易混淆和模糊不同系统的相图特点。因此，通过思维导图，建立该章节的知识框架，对其进行总结分析，有助于对比不同平衡系统的相图特点，帮助同学们理解和掌握各类相平衡系统的相图。为此，建立了图2的思维导图。

图2 思维导图应用于相平衡

3 思维导图在界面现象中的应用

水滴为什么是圆形而不是方形？昆虫为什么可以漂浮在水面上？水在毛细管中为什么会上升？这些都是实际生活中存在的现象，也是物理化学界面现象这一章节需要解决的问题。这说明了界面现象中的知识点与生活息息相关。自然界中的物质一般以气-液-固三种相态存在，界面即所有两相的接触面，一般将与气体接触的界面称为表面。在之前热力学的学习中，并未考虑界面效应，这是由于界面的质量和体积与体相相比可忽略不计，然而当物质高度分散，比表面积较大时，界面的作用会很明显。多孔材料，例如多孔硅胶、分子筛、活性炭等具有较高的比表面积，在吸附和催化等领域有着重要的应用，这也说明了学习界面化学知识，有助于培养学生对相关科研领域的研究兴趣，以及提升学生对相关工业技术的认识。整体来看，本章知识点具有系统性、实用性、以及科研活跃的特点。

在本章节的学习中，首先需要了解一些基本概念，例如表面与界面、比表面积、分散度，然后，掌握表面张力、表面功、表面吉布斯函数和表面自由能等重要概念。能够基于表面吉布斯函数公式，解释一些界面现象。随后，学习表面张力产生的第一个表面现象，即弯曲液面的附加压力，进而可以解释开始所提出的毛细管现象。最后，通过对固体表面、固-液界面、溶液表面分别进行介绍，完成本章的学习。因此，建立图3的思维导图。

图3 思维导图应用于界面现象

4 结 语

物理化学课程作为化学、材料专业的一门专业基础课，是很多院校的指定考研科目，对后续课程的学习也是至关重要，对生产生活中相关技术的指导也是不可或缺的。由于该课程理论性强、较抽象、以及知识体系的复杂性，因此，建立其知识框架有利于对该课程的理解和掌握。思维导图作为一种有效的工具，可以直观、清晰的将知识点联系起来，通过思维导图建立物理化学课程体系和各章节的知识框架，可以帮助学生掌握课程的重难点，并且有利于提高学生学习的主观能动性和积极性。