物理化學(xué)課程化學(xué)熱力學(xué)模塊的教學(xué)策略探討

莫云燕　盧文貫　付志平　焦琳娟　王小兵

［摘 要］化學(xué)熱力學(xué)是物理化學(xué)課程的重要內(nèi)容，為其他模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)以及后續(xù)很多專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)。然而，該部分內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、知識點(diǎn)多、公式繁雜且限制條件多等突出特點(diǎn)，給剛開始進(jìn)行物理化學(xué)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生帶來較大阻礙，也成為教師教學(xué)上的難點(diǎn)。因此，文章緊密結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，提出化學(xué)熱力學(xué)模塊的教學(xué)策略，包括教學(xué)內(nèi)容的選擇優(yōu)化，教學(xué)方法的思考以及考核方式的完善等，旨在進(jìn)一步提升物理化學(xué)課程的教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］物理化學(xué)；化學(xué)熱力學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)探討

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0088-04

物理化學(xué)是化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程以及食品科學(xué)與工程等相關(guān)專業(yè)的必修課程，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)及應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)。在物理化學(xué)課程中，化學(xué)熱力學(xué)是其中十分重要的模塊，一般作為該課程的入門內(nèi)容進(jìn)行講述，它包含了化學(xué)熱力學(xué)第一定律，熱力學(xué)第二定律以及熱力學(xué)第三定律的基本內(nèi)容，主要是為了解決化學(xué)變化過程及相關(guān)物理變化過程中的能量轉(zhuǎn)化，過程自發(fā)的方向以及限度的問題。該模塊內(nèi)容既是物理化學(xué)其他教學(xué)模塊例如電化學(xué)、膠體與界面化學(xué)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容的基礎(chǔ)，也為后續(xù)其他專業(yè)課程提供了理論基礎(chǔ)[1]。因此，化學(xué)熱力學(xué)模塊教學(xué)質(zhì)量的高低，將直接影響到物理化學(xué)其他模塊甚至其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量。然而，很多學(xué)生在面對理論性強(qiáng)、概念多、數(shù)學(xué)公式復(fù)雜的化學(xué)熱力學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容時(shí)會感到非常吃力，對一些知識點(diǎn)理解不到位，無法完全消化，有時(shí)不得不依靠死記硬背一些基本定律或公式來應(yīng)付課程考核。對此，筆者根據(jù)多年的物理化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對化學(xué)熱力學(xué)這一模塊的教學(xué)提出了幾點(diǎn)教學(xué)策略，以供同仁參考。

一、化學(xué)熱力學(xué)模塊的基礎(chǔ)作用

化學(xué)熱力學(xué)模塊主要探討化學(xué)變化過程以及相關(guān)物理變化過程中能量轉(zhuǎn)變所遵循的規(guī)律，其目的在于判斷化學(xué)反應(yīng)或者其他變化過程例如相變過程、理想氣體的P，V，T變化過程自發(fā)進(jìn)行的方向以及限度，從而為物理化學(xué)課程后續(xù)知識例如化學(xué)平衡、相平衡、電化學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及表面化學(xué)等提供鋪墊，其貫穿于物理化學(xué)整個(gè)課程教學(xué)的始終。此外，化學(xué)熱力學(xué)也為后續(xù)的學(xué)科專業(yè)課提供了理論基礎(chǔ)。以韶關(guān)學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)為例，該專業(yè)所開設(shè)的后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程，如環(huán)境化學(xué)、環(huán)境工程原理等課程在多處滲透了化學(xué)熱力學(xué)的知識。例如，在環(huán)境化學(xué)專業(yè)課程中，“水環(huán)境化學(xué)”章節(jié)中氧在水中的溶解度、氧化還原電位E和電子活度pE的關(guān)系、天然水的pE-pH圖等知識點(diǎn)均涉及化學(xué)熱力學(xué)的知識[2]。這在環(huán)境工程原理這一門專業(yè)課程中表現(xiàn)更為突出，其中包含的化學(xué)熱力學(xué)知識點(diǎn)主要有：“質(zhì)量衡算與能量衡算”章節(jié)的熱量衡算方程、封閉系統(tǒng)的熱量衡算以及開放系統(tǒng)的熱量衡算；“熱量傳遞”章節(jié)的傅立葉定律、熱傳導(dǎo)、牛頓冷卻定律、對流傳熱速率以及間壁傳熱過程的計(jì)算；“吸收”這一章節(jié)的氣液平衡和亨利定律、化學(xué)吸收的平衡關(guān)系以及化學(xué)吸收的傳質(zhì)速率等[3]。因此，對于化學(xué)熱力學(xué)模塊的教學(xué)，必須重視其在物理化學(xué)中的基礎(chǔ)地位，應(yīng)當(dāng)作為物理化學(xué)中的核心內(nèi)容來進(jìn)行講解。

二、化學(xué)熱力學(xué)模塊的特點(diǎn)

化學(xué)熱力學(xué)模塊體系復(fù)雜，知識點(diǎn)多，且表現(xiàn)出高度的理論化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，基本概念多。例如系統(tǒng)、環(huán)境、熱力學(xué)平衡態(tài)、狀態(tài)函數(shù)、絕熱過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程、功、熱、熱容、焓（H）、焓變（△H）、熵（S）、熵變（△S）、偏摩爾量及化學(xué)勢、相數(shù)、物種數(shù)、組分?jǐn)?shù)、自由度等。

第二，基本定律多。例如熱力學(xué)三大基本定律、Kirchhoff定律、Hess定律、可逆過程的最大功原理、Carnot定理、熵增原理、熵判據(jù)、Gibbs自由能判據(jù)、Helmholtz自由能判據(jù)、自發(fā)過程與做功能力之間的關(guān)系、拉烏爾定律及亨利定律、Gibbs相律等。

第三，計(jì)算公式多。如熱力學(xué)第一定律表達(dá)式、Clausius不等式、△U、△H、△S、△G、△A、Q、W等熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算公式；多組分系統(tǒng)熱力學(xué)中偏摩爾量的定義式、偏摩爾量的集合公式、Gibss-Duhem方程等熱力學(xué)基本方程、Maxwell關(guān)系式、氣體及液體物質(zhì)的化學(xué)勢計(jì)算公式、稀溶液的依數(shù)性相關(guān)計(jì)算公式等。

第四，理論性強(qiáng)。不同于無機(jī)化學(xué)（尤其是無機(jī)化學(xué)中的元素化學(xué)模塊）以及有機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)課程呈現(xiàn)出高度的理論性，單純依靠記憶能夠理解、掌握的知識點(diǎn)非常少，對學(xué)生的抽象思維能力及獨(dú)立思考能力提出了更高的要求。這一點(diǎn)在化學(xué)熱力學(xué)模塊中可逆過程、熱力學(xué)第二定律和熵判據(jù)等知識點(diǎn)的教學(xué)中尤為突出。

由于化學(xué)熱力學(xué)模塊的上述特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很容易出現(xiàn)對基本定律、基本概念理解不清，死記硬背公式等現(xiàn)象，久而久之很可能出現(xiàn)學(xué)習(xí)倦怠的現(xiàn)象，無法很好地實(shí)現(xiàn)該門課程的教學(xué)目標(biāo)。針對這些問題，提出在化學(xué)熱力學(xué)模塊教學(xué)過程中的幾點(diǎn)建議。

三、化學(xué)熱力學(xué)模塊的教學(xué)策略

（一）對與先行課程重復(fù)的知識點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)處理

物理化學(xué)課程教學(xué)一般處在大學(xué)二年級或者三年級，不可避免地會與一些先行課之間存在著教學(xué)知識點(diǎn)的重復(fù)。以韶關(guān)學(xué)院食品科學(xué)與工程專業(yè)為例，后續(xù)的物理化學(xué)課程與大學(xué)一年級開設(shè)的無機(jī)及分析化學(xué)課程之間存在較多熱力學(xué)知識點(diǎn)的重復(fù)。而化學(xué)、環(huán)境工程等專業(yè)物理化學(xué)，與前期的無機(jī)化學(xué)課程熱力學(xué)模塊存在非常多的重復(fù)知識點(diǎn)，例如基本的熱力學(xué)概念、熱力學(xué)基本定律、熱力學(xué)函數(shù)的相關(guān)計(jì)算等。對于這一問題，相關(guān)作者已經(jīng)在《無機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)課程整合與優(yōu)化初步探討》一文中進(jìn)行了相關(guān)討論[4]。文中指出，對于該部分內(nèi)容的處理，既要照顧到學(xué)生的實(shí)際水平，又要避免簡單、機(jī)械的重復(fù)。對于基礎(chǔ)較好的班級，只略講簡單的內(nèi)容甚至讓學(xué)生自己復(fù)習(xí)無機(jī)化學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容，將更多的時(shí)間留給新知識點(diǎn)的講授與拓展；而對于基礎(chǔ)薄弱的班級，則最好集中復(fù)習(xí)，甚至重新講解重點(diǎn)、難點(diǎn)的地方，以避免后繼課程學(xué)習(xí)過程中的“消化不良”。

（二）強(qiáng)調(diào)對基本概念和基本定律的理解及對基本公式適用條件的掌握

基本概念、基本定律和基本公式是化學(xué)熱力學(xué)最重要的組成要素，只有牢固掌握基本概念和定律的內(nèi)容，深入理解公式的適用條件，才能正確地運(yùn)用其解決實(shí)際問題。在化學(xué)熱力學(xué)基本概念、基本定律的教學(xué)過程中，筆者認(rèn)為需要注重以下問題：

首先，強(qiáng)調(diào)概念和定律的科學(xué)性與完整性表達(dá)，對概念中的重要字眼進(jìn)行深入剖析。例如，對于等壓過程的描述，需著重強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境的壓力始終保持相等（p1=p2=pe=常數(shù)），而不只是系統(tǒng)初態(tài)和終態(tài)的壓力相等；對于“功”和“熱”這兩個(gè)概念的教學(xué)，必須重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用”；此外，在對熱力學(xué)第二定律用Kelvin、Clausius兩種表述方法的講述過程中，必須著重強(qiáng)調(diào)兩種表述的完整性，只有這樣該定律才具有實(shí)際意義。

其次，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在已有知識內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過舉例引導(dǎo)學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)的概念、定律等進(jìn)行分析歸納。例如，在“可逆過程”這一定義的講解過程中，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“理想氣體經(jīng)歷不同途徑時(shí)體積功W及熱量Q的計(jì)算及對比”讓學(xué)生自己歸納出“可逆過程系統(tǒng)對外做最大功”的結(jié)論。

再次，在進(jìn)行基本定律如熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、Kirchhoff定律、蓋斯定律等的相關(guān)教學(xué)時(shí)，強(qiáng)化定律來源的論述或者推導(dǎo)，而不是簡單闡述基本定律的內(nèi)容，避免給學(xué)生留下“為什么是這樣”的疑問。需要指出的是，熱力學(xué)第一、第二定律是經(jīng)驗(yàn)定律的特征，必須重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)。

最后，辨清熱力學(xué)變化過程，強(qiáng)調(diào)公式適用條件。熱力學(xué)中針對不同熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算公式非常多，在講述公式推導(dǎo)及運(yùn)用的時(shí)候，需要在辨明熱力學(xué)變化過程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上選擇相適應(yīng)的熱力學(xué)基本公式。筆者認(rèn)為，在化學(xué)熱力學(xué)過程分析上，可以先從大的方面判斷該過程是屬于簡單的物理變化過程（如氣體的P， V， T變化）、復(fù)雜的物理變化過程（例如相變過程等）還是化學(xué)變化過程，然后再具體分析該過程的特點(diǎn)。例如對于體積功的計(jì)算，可以首先判斷其是否為簡單的物理變化過程，再進(jìn)一步分析其是否為自由膨脹過程、等壓過程、等容過程、理想氣體的等溫可逆膨脹過程或者絕熱過程，進(jìn)而選擇對應(yīng)的體積功公式進(jìn)行計(jì)算。同樣，對于相變過程以及化學(xué)變化過程體積功的計(jì)算，也需要分析其具體的變化過程。

（三）對基本概念、基本原理和基本公式進(jìn)行對比和歸納

在化學(xué)熱力學(xué)模塊的教學(xué)中，一些基本概念、基本原理、基本公式在內(nèi)容或者形式上十分相似，很容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)識模糊不清。因此，需要針對這些內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)的比較和歸納，以加深學(xué)生對這些概念、原理的理解。例如，在學(xué)完幾種過程方向與限度的判據(jù)之后，對熵判據(jù)、Gibbs自由能判據(jù)、Helmholtz自由能判據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)形式以及應(yīng)用條件的對比；在講述完熵變之后，對系統(tǒng)的熵、環(huán)境的熵、總熵、熵流、熵產(chǎn)生等概念進(jìn)行對比；對等溫可逆過程與絕熱可逆過程的體積功的特點(diǎn)進(jìn)行對比等。此外，對于△H、△S、△G等熱力學(xué)函數(shù)的相關(guān)計(jì)算也可以進(jìn)行對比總結(jié)。例如，最先涉及的△H的計(jì)算主要分為簡單的P，V，T變化過程的焓變計(jì)算、相變焓的計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中焓變計(jì)算三種類型，而相變、化學(xué)反應(yīng)過程焓變的計(jì)算又涉及等溫和非等溫過程，那么在后繼的△S、△G計(jì)算的教學(xué)過程中同樣也涉及上述三種類型的計(jì)算，不同的是又分為可逆和不可逆過程條件下的計(jì)算。如此，通過深入地比較分析，找出異同點(diǎn)，加深學(xué)生對上述熱力學(xué)基本函數(shù)的理解。

（四）利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建清晰的知識框架

如前所述，化學(xué)熱力學(xué)模塊的基本概念、公式、定律非常多，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生越來越感到難以消化，且在有限的時(shí)間內(nèi)很容易產(chǎn)生知識點(diǎn)間的混淆，導(dǎo)致很多時(shí)候產(chǎn)生“好像是學(xué)了該知識”等一知半解的現(xiàn)象。因此，在教學(xué)過程中，非常有必要對教授的知識進(jìn)行梳理，強(qiáng)調(diào)各個(gè)知識環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，構(gòu)建清晰的知識框架圖，使學(xué)生清楚認(rèn)識到各章節(jié)之間、各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，在學(xué)習(xí)過程中做到舉一反三，互相遷移，融會貫通[5]。眾所周知，思維導(dǎo)圖形象有趣的信息、豐富的線條和鮮明的色彩能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)其具有組織化與概括化的特點(diǎn)，便于學(xué)生總結(jié)與復(fù)習(xí)。這種知識結(jié)構(gòu)體系的建構(gòu)方法，使教師可以在上新課之前點(diǎn)明新知識點(diǎn)與舊知識點(diǎn)之間的關(guān)系，也可以在上復(fù)習(xí)課的時(shí)候引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建整個(gè)知識模塊的思維導(dǎo)圖。筆者根據(jù)學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的情況對熱力學(xué)三大定律及相關(guān)知識點(diǎn)構(gòu)建了思維導(dǎo)圖片段（見圖1）。筆者認(rèn)為，對于化學(xué)熱力學(xué)知識思維導(dǎo)圖的構(gòu)建，最好是通過學(xué)生學(xué)習(xí)后自主構(gòu)建、教師啟發(fā)引導(dǎo)、學(xué)生再次修改完成等多步驟來完成。對于知識框架的構(gòu)建，應(yīng)盡量在教學(xué)的過程中逐步添加完善，甚至是重構(gòu)，最終在這部分內(nèi)容完成后形成清晰的、完整的網(wǎng)絡(luò)知識框架。

通過思維導(dǎo)圖構(gòu)建起清晰的知識框架，及時(shí)歸納、總結(jié)、對比，讓學(xué)生時(shí)刻明白“我正在學(xué)什么”“我已經(jīng)學(xué)了什么”“我即將學(xué)什么”。例如，在講解完熱力學(xué)第一定律表達(dá)式△U=Q+W后，由于前面已經(jīng)涉及一些簡單的體積功的計(jì)算，因而很自然地引出熱量Q的相關(guān)計(jì)算這一內(nèi)容，從而開始涉及熱容、恒壓熱、恒容熱、焓變等相關(guān)知識點(diǎn)的教學(xué)。

（五）適當(dāng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)或前沿?zé)狳c(diǎn)進(jìn)行講解

在化學(xué)熱力學(xué)課程教學(xué)的過程中，既要在課程標(biāo)準(zhǔn)的要求下針對教學(xué)目標(biāo)夯實(shí)理論基礎(chǔ)，也要適當(dāng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)或者前沿?zé)狳c(diǎn)知識進(jìn)行講解。其意義不僅僅在于加強(qiáng)學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的理解，還在于進(jìn)一步提高學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，讓學(xué)生體會到基礎(chǔ)學(xué)科、基礎(chǔ)理論知識的重要性，引導(dǎo)學(xué)生用最基本的理論知識一步步解決專業(yè)問題或者前沿?zé)狳c(diǎn)問題。以環(huán)境工程專業(yè)為例，吸附在環(huán)境相關(guān)專業(yè)課程以及前沿研究領(lǐng)域中一直是熱點(diǎn)的話題。在進(jìn)行化學(xué)熱力學(xué)中Gibbs公式（△G = △H－T△S）這一知識點(diǎn)的講解時(shí)，結(jié)合Gibbs公式對吸附過程吸附熱力學(xué)的分析，可以很好地理解溫度等因素對吸附去除效率的影響，通過△G、△S數(shù)值的分析可以很好地分析目標(biāo)污染物和吸附劑之間的表界面行為。例如，李穎華等人結(jié)合Gibbs公式就磷礦渣對Cd（II）的吸附熱力學(xué)行為進(jìn)行了分析[6]。ΔGθ 為負(fù)值說明吸附過程是自發(fā)的，隨著溫度升高，ΔGθ的絕對值增大，說明溫度的升高有利于吸附。ΔHθ 為正值表明吸附過程是吸熱的。這與溫度升高有利于吸附的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。ΔSθ 為正值表明吸附增加了溶液系統(tǒng)的自由度，Cd（II）比較容易吸附在磷礦渣的固體／溶液界面。白書立等人采用類似的方法對ZIF-8吸附廢水中羅丹明B熱力學(xué)行為進(jìn)行了分析[7]。此外，在進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)的過程中，依據(jù)熵判據(jù)、反應(yīng)進(jìn)行的限度等熱力學(xué)知識可以對廢棄物回收利用和防治污染的方案、設(shè)施和主要工藝提供科學(xué)依據(jù)[8]。

（六）完善考核方式，達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)

在考核過程中，不考核學(xué)生對化學(xué)熱力學(xué)公式的死記硬背，甚至在考試中提供部分公式，更多地考查學(xué)生是否明白公式的適用條件，以及應(yīng)用公式解決問題的能力。此外，考核內(nèi)容應(yīng)更具有針對性，與專業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合，增加綜合性題目的考核，注重學(xué)生將化學(xué)熱力學(xué)作為一種理論工具來分析和解決實(shí)際問題的能力。

四、總結(jié)

化學(xué)熱力學(xué)教學(xué)模塊具有自身突出的特點(diǎn)，在物理化學(xué)的課程教學(xué)過程中，應(yīng)緊密結(jié)合這些特點(diǎn)，突破在教學(xué)過程中遇到的壁壘，在教學(xué)實(shí)施前期結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)以及后續(xù)開設(shè)課程的內(nèi)容對化學(xué)熱力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行甄選和優(yōu)化；在教學(xué)過程中利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建清晰的知識框架，強(qiáng)調(diào)基本概念和基本定律的適用條件，并緊密結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行講解，在考核階段以培養(yǎng)學(xué)生利用化學(xué)熱力學(xué)公式或定律分析問題、解決問題的能力為主。

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［責(zé)任編輯：張 雷］