淺析關(guān)于物理化學(xué)課程基本內(nèi)容教學(xué)改革的建議論文
隨著科學(xué)的發(fā)展，物理化學(xué)在教學(xué)內(nèi)容方面的改革，不僅在于不斷地將物理化學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)實踐檢驗正確的重要規(guī)律和理論納入教學(xué)內(nèi)容、將已經(jīng)過時的內(nèi)容剔除出去，也在于不斷將已有的基礎(chǔ)理論進(jìn)行修正和完善，以及將不同知識模塊間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行疏通，以達(dá)到在有限的物理化學(xué)教學(xué)時間內(nèi)，更有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。已有一些典型教材，都不同程度地對此進(jìn)行了努力，并為物理化學(xué)的教學(xué)改革做出了貢獻(xiàn)。筆者認(rèn)為，以下幾個方面，應(yīng)成為今后物理化學(xué)教學(xué)改革的重要方向。
1適度擴展物理化學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，使教學(xué)適應(yīng)科學(xué)發(fā)展
物理化學(xué)教學(xué)應(yīng)擴展的主要內(nèi)容，首先在于能源、環(huán)境和材料科學(xué)三大領(lǐng)域。這是因為，近幾十年來這三大研究領(lǐng)域的發(fā)展最為突出，且適用于本科生物理化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容，應(yīng)為物理化學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容。這意味著物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的擴展，應(yīng)首先考慮這些研究領(lǐng)域的重要科學(xué)理論和科學(xué)規(guī)律。只要它們已被科學(xué)研究者廣泛接受，或多次被實踐檢驗為正確，就應(yīng)優(yōu)先成為物理化學(xué)科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)(即物理化學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)核)，應(yīng)被及時納入本科生的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容。實際上，已有很多這樣的內(nèi)容早應(yīng)列入本科生的物理化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，但迄今為止很少出現(xiàn)在物理化學(xué)的教科書中。就化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)而言，即可列舉下列內(nèi)容。
1.1光化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)
光化學(xué)反應(yīng)，即在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。近年來光化學(xué)反應(yīng)已成為處理環(huán)境污染物(特別是水中有機污染物)的重要方法。與人類生活休戚相關(guān)的光化學(xué)反應(yīng)莫過于以6CO2(g)+6H2O(1)hvC6H12O6(aq)+6O2(g)表述的光合反應(yīng)。與熱化學(xué)反應(yīng)(或稱為暗化學(xué)反應(yīng))不同，光化學(xué)反應(yīng)并不遵守前者的平衡規(guī)律。仍以該反應(yīng)為例，作為熱化學(xué)反應(yīng)，C6H12O6(aq)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O(1)自發(fā)發(fā)生，但在光照條件下反應(yīng)發(fā)生的方向則剛好相反。這里需要指出的是，上述反應(yīng)在葉片中進(jìn)行的方向與葉綠素并無關(guān)系。這是因為，后者不過是起了催化作用而已，同樣有葉綠素存在，有光照與無光照則決定了反應(yīng)發(fā)生的方向不同(且不說催化劑不影響反應(yīng)的平衡位置)。眾所周知，該光化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)，分分秒秒都在人類的身邊或人體內(nèi)發(fā)生，而我們迄今為止還很少把光化學(xué)反應(yīng)的平衡規(guī)律引入本科教材。當(dāng)然，利用光化學(xué)反應(yīng)平衡的日常生活用品幾十年前也已問世。例如，自動適應(yīng)環(huán)境光強的墨鏡。當(dāng)有強光直射時，鏡片內(nèi)的AgBr分解，反應(yīng)2AgBrhv2Ag+Br2的平衡強烈地向生成Ag的方向移動，使墨鏡自動變黑。而當(dāng)光線較弱時，反應(yīng)平衡則向相反的方向移動，使墨鏡的黑度隨之變?nèi)�。顯然，該墨鏡的創(chuàng)新設(shè)計來自于巧妙地利用了光化學(xué)反應(yīng)的平衡規(guī)律。無疑，根據(jù)前面的討論，光化學(xué)反應(yīng)的平衡規(guī)律已經(jīng)成為了物理化學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)核內(nèi)容。
1.2有大表面固體材料參與的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)
對于大表面的固體材料，包括納米材料(納米粒子、納米線、納米管和納米膜)和多孔材料。由于其存在較大的界面能，這些材料在熱力學(xué)性質(zhì)上便與常規(guī)低表面同種物質(zhì)的固體存在著一定的不同。
在定溫(T)、定壓(p)下，大表面固體材料與常規(guī)低表面同種物質(zhì)相比，其摩爾吉布斯函數(shù)多出了σAs,m(其中σ為該固體物質(zhì)在溫度T、壓力p下的界面能，As,m為每摩爾該大表面固體材料的表面積)：
Gm,大表面-Gm,常規(guī)=σAs,m(1)
現(xiàn)以可查到界面能數(shù)據(jù)的MgO(s)、W(s)為例進(jìn)行說明。在298K，MgO(s)與空氣界面的'界面能為1.2J?m-2，W(s)與空氣界面的界面能為2.9J?m-2。如果它們的比表面積達(dá)到200m2?g-1，則對于MgO(s)和W(s)而言，該大表面的固體材料與相應(yīng)常規(guī)低表面同種物質(zhì)相比，其摩爾吉布斯函數(shù)的高出值ΔGm分別為：
ΔGm(MgO,s)=σAs,m=1.2×40.3×200J?mol-1=9.7kJ?mol-1
ΔGm(W,s)=σAs,m=2.9×183.85×200J?mol-1=106.6kJ?mol-1
眾所周知，一般的化學(xué)反應(yīng)，其摩爾吉布斯函數(shù)變的絕對值在幾到幾百kJ?mol-1之間。這就是說，有大表面固體材料參與的化學(xué)反應(yīng)，依據(jù)其界面能數(shù)據(jù)及其比表面積的大小，不僅其平衡常數(shù)會與常規(guī)低表面同種物質(zhì)固體參與的相應(yīng)反應(yīng)有一定差別，甚至其自發(fā)方向都有可能與常規(guī)低表面同種物質(zhì)固體參與的相應(yīng)反應(yīng)剛好相反。
2教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)架應(yīng)以解決實際問題為主線
下面就以化學(xué)熱力學(xué)的教學(xué)為例進(jìn)行討論。為此，列出了一些簡單的水利問題，以便與物理化學(xué)問題相比較。
2.1簡單的水利問題
A1.讓水從一個指定位置“流”到另一個指定位置，是否需要電功?
如果從高處流到低處，不需要電功，可自發(fā)進(jìn)行;反之，則需要電功(如開泵)。
A2.在哪里建水電站，流動1m3的水，才可獲得更大的電能?最多可獲得多少電能?
水的自發(fā)流動，是水位差驅(qū)動的，在水位差更大的地方建水電站，才可獲得更大的電能;可獲得的最多電能等于流過水的勢能。
A3.讓水從一個低處的指定位置“流”到某高處的指定位置，實現(xiàn)該過程至少需要多少電能?
至少需要的電能為流過水的勢能。
2.2物理化學(xué)問題
B1.怎樣判斷一個過程(例如化學(xué)過程)是否自發(fā)發(fā)生?
B2.利用什么樣的過程才可獲得更多的電能(或光能)?最多從中可獲得多少電能(或光能)?
B3.讓一個非自發(fā)過程實際發(fā)生，最少需要多少電能(或光能)?
顯然，對于一個學(xué)過化學(xué)熱力學(xué)的本科生而言，準(zhǔn)確回答B(yǎng)1-B3的問題，是其最基本的能力。此外，準(zhǔn)確計算過程的熱效應(yīng)和自發(fā)過程的限度，也是學(xué)過化學(xué)熱力學(xué)的本科生必須掌握的能力。這樣，通過化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)，起碼應(yīng)使學(xué)生具備以下6個能力：
�、贉�(zhǔn)確計算過程的熱效應(yīng);
�、诖_定在指定的條件下過程是否自發(fā);
③判斷在確定的條件下，自發(fā)過程的限度;
�、苄纬杀匾睦碚撏茖�(dǎo)能力;
�、菽軌蚶靡粋�確定的自發(fā)過程，判斷最多能夠獲得多大非體積功;
�、夼袛嘁獙崿F(xiàn)一個非自發(fā)過程，最少需要輸入多大非體積功。
當(dāng)然，要通過化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)使學(xué)生具備解決這些問題的能力，就必須將相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的構(gòu)架。其中還包括了電化學(xué)中的熱力學(xué)(虛線箭頭部分)。
因此，在物理化學(xué)教學(xué)中不僅要確保能力①-④的達(dá)到，也要注重能力⑤和⑥的形成。
3溝通知識模塊間的科學(xué)聯(lián)系，促進(jìn)知識的系統(tǒng)化
作為本科生學(xué)習(xí)的物理化學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即物理化學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)核部分，各知識模塊之間均存在著科學(xué)本質(zhì)的聯(lián)系。學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)知識應(yīng)達(dá)到系統(tǒng)化，“融會貫通”。否則，學(xué)生憑借獨立的和非常局限的知識點，往往難以實現(xiàn)創(chuàng)新思維。
要促進(jìn)學(xué)生物理化學(xué)知識的系統(tǒng)化，在教學(xué)中就必須深入挖掘各基礎(chǔ)知識模塊間的通道�，F(xiàn)以化學(xué)動力學(xué)為例進(jìn)行說明。
催化劑能加快反應(yīng)速率，在于其使反應(yīng)速率常數(shù)變大。在通常情況下，反應(yīng)速率常數(shù)符合阿倫尼烏斯方程：
k=k0exp(-EaRT)
對于通常的固相催化劑，其組分根據(jù)在催化劑中的作用可分為主催化劑、助催化劑(電子型助劑和結(jié)構(gòu)型助劑)及載體。因此，其上述3種組分必然應(yīng)與表述速率常數(shù)k的阿倫尼烏斯方程有關(guān)。
對于氣/固相或液/固相催化反應(yīng)，至少應(yīng)有一種反應(yīng)物的分子被催化劑表面的活性位(活性中心)吸附活化，從而降低反應(yīng)活化能，使反應(yīng)容易進(jìn)行。通過催化劑表面活性位的結(jié)構(gòu)、數(shù)目，可以將催化劑的不同組成、活化絡(luò)合物理論(催化劑活性是活化絡(luò)合物結(jié)構(gòu)的一部分)以及阿倫尼烏斯方程緊密聯(lián)系起來，催化劑活性的差異主要由于其活性位活性的不同以及催化劑活性位不同的數(shù)目。電子型助催化劑主要通過改變活性位的結(jié)構(gòu)而提高催化劑活性位的活性，即降低形成活化絡(luò)合物的能壘。結(jié)構(gòu)型助催化劑主要增加活性位的密度，催化劑的載體則主要增加催化劑的表面積。后二者的主要作用都是用來增加或保持催化劑表面活性位的數(shù)目�；钚晕坏臄�(shù)目的增加，會使阿倫尼烏斯方程的指前因子增大。
4明確指出各知識模塊的科學(xué)應(yīng)用
在本科教學(xué)中，教師不僅要傳授學(xué)生基礎(chǔ)知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生運用這些基礎(chǔ)知識認(rèn)識和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在教學(xué)中要較好地實現(xiàn)這些目標(biāo)，就必須做到學(xué)生對每個獨立知識模塊、知識模塊遞進(jìn)群的科學(xué)應(yīng)用形成清晰的認(rèn)識。
例如，克拉佩龍方程和克-克方程構(gòu)成了獨立的知識模塊。其基礎(chǔ)知識是克-克方程的3種形式(微分式、不定積分式和定積分式)�？梢哉J(rèn)為，克拉佩龍將熱力學(xué)基本方程應(yīng)用于純物質(zhì)以兩相共存的封閉系統(tǒng)而導(dǎo)出相應(yīng)方程，以及克勞修斯進(jìn)而將其升華為克-克方程的導(dǎo)出過程，均是啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識不可多得的載體。相應(yīng)基礎(chǔ)知識的科學(xué)應(yīng)用則是：
(1)利用克-克方程的定積分式，借助液體的常壓沸點和相變焓，獲取液體在所需溫度的飽和蒸氣壓;
(2)利用克-克方程的不定積分式，即通過多點作圖法，獲取液體(或升華性固體)的相變焓。既然在此討論知識模塊的科學(xué)應(yīng)用，那么就不妨給出用克-克方程的定積分式獲取相變焓這個不太科學(xué)的例子。雖然通過兩點數(shù)據(jù)也可由克-克方程的定積分式獲取相變焓，但由相應(yīng)方法求得焓變其誤差可能很大。
在化學(xué)熱力學(xué)中，一個最大的知識模塊遞進(jìn)群是，由熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(ΔfH?m(298.15K)，ΔcH?m(298.15K)，S?m(298.15K)，C?p,m(298.15K))計算獲取反應(yīng)在所需溫度(T)下的ΔrG?m(T)。由它再進(jìn)一步得到標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K?(T)、計算ΔrGm(T)以判斷定溫定壓下反應(yīng)的自發(fā)方向，預(yù)測反應(yīng)可能輸出的非體積功(電能、光能)或必須注入的非體積功。如果學(xué)生對該知識模塊遞進(jìn)群的科學(xué)應(yīng)用不夠清晰，則難以想象其除了應(yīng)付考試外，還具有利用該基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。
在化學(xué)動力學(xué)中也有同樣的例子。在化學(xué)動力學(xué)中有一個較大的知識模塊遞進(jìn)群是，由一個假定機理出發(fā)，利用元反應(yīng)的質(zhì)量作用定律和合理的近似方法(平衡近似法和穩(wěn)態(tài)近似法)，推導(dǎo)出相應(yīng)總包反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)。其科學(xué)應(yīng)用是，將該導(dǎo)出的總包反應(yīng)級數(shù)與實測總包反應(yīng)級數(shù)比較，借以對相應(yīng)假定機理的正確性進(jìn)行初步檢驗。在此可以設(shè)想，如果一個學(xué)生對該知識模塊遞進(jìn)群的上述科學(xué)應(yīng)用不清楚，那么即便他把推導(dǎo)過程和近似方法學(xué)得再熟，恐怕也只會應(yīng)付考試，而很難將其用于解決實際問題，更難于用之形成創(chuàng)新思維。
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