輔助物理化學(xué)授課的形象圖解方法*

嚴志宇，王巧敏，孫　冰

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧　大連　116026)

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輔助物理化學(xué)授課的形象圖解方法*

嚴志宇，王巧敏，孫冰

(大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連116026)

介紹了物理化學(xué)授課中如何借助形象的圖形圖像來提高教學(xué)效果，主要采用擬人、比喻、類比等手段。所介紹的形象圖解法涉及并應(yīng)用于化學(xué)熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)和界面化學(xué)等章節(jié)，這可幫助學(xué)生在理性思維中增強感性思維，更好地吸收知識，并體會物理化學(xué)在內(nèi)容上的生動性和內(nèi)涵上的深刻性。

物理化學(xué)；形象圖解；授課

理工科凡是涉及數(shù)學(xué)計算、公式推導(dǎo)的，都因其大量的符號語言、數(shù)學(xué)語言作為載體，使得書本知識遠離客觀實物，而顯得晦澀、枯燥，物理化學(xué)課程尤其如此。物理化學(xué)是研究化學(xué)學(xué)科中的原理和方法，研究化學(xué)體系行為最一般規(guī)律的學(xué)科，是化學(xué)類、化工類、材料類、環(huán)境類學(xué)生所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是學(xué)好后續(xù)專業(yè)課的必要準備。由于其具有與數(shù)學(xué)、物理等科目聯(lián)系性強，數(shù)理推導(dǎo)多，公式繁雜等特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理化學(xué)課程時感到知識跨度較大，理論性強，對該門課程的學(xué)習(xí)都有不同程度的畏難情緒，甚至將其喻為“天書”[1-3]。因此，沒有好的教學(xué)和學(xué)習(xí)方法，教師和學(xué)生都難體會物理化學(xué)深刻的內(nèi)涵及其范疇延伸性極強的價值。

針對提高物理化學(xué)教學(xué)效果的嘗試和研究中，許多老師已經(jīng)提出寶貴的建議[4-6]，本文就形象圖解方法輔助物理化學(xué)授課做一詳細介紹。圖解是以圖的表現(xiàn)方法為一個主題所作的說明，可客觀、生動地表達理論、公式或推演過程。圖形可以幫助理論及公式恢復(fù)到物質(zhì)本身所具有的豐富多彩的、生動活潑的特性上。在大家致力于將最新教學(xué)手段淋漓盡致地發(fā)揮到物理化學(xué)授課中時，不應(yīng)忘了真正教學(xué)改進的本質(zhì)還是在思想啟發(fā)上和知識傳授的方法上，其中借助圖形來改進教學(xué)是值得教學(xué)第一線的老師多花精力來完成的。在此，本人主要介紹用形象的圖形輔助物理化學(xué)內(nèi)容的傳授，其中采用了擬人、比喻、類比等方法進行圖解，希望起到拋磚引玉的作用。

1　擬人化圖示

圖1　物理化學(xué)概述中的擬人法示意圖

面對晦澀的知識，用擬人化是再合適不過了，而且也最能提起學(xué)生興趣。例如，在第一節(jié)課介紹物理化學(xué)時，圖1中的卡通式圖片一定會讓學(xué)生印象深刻。

在介紹界面分子受力不均時，可以把界面分子比擬為不斷被拉扯的小人兒，問學(xué)生你是表面分子，怎么辦？讓學(xué)生自己體會一下做界面分子的感覺(見圖2)，自己尋求削弱這種受力不均勻性的方法，從而加深界面效應(yīng)產(chǎn)生原因的印象。

圖2　界面分子受力不均現(xiàn)象的擬人示意圖

在電解液的導(dǎo)電性能的介紹中，用快遞公司的效率來比擬電解質(zhì)的導(dǎo)電性能(見圖3)是一個可推薦的方法。為了更公平地評價快遞公司的效率，需要從跑道規(guī)格、快遞人數(shù)、跑道障礙進行規(guī)范，進而細致到對每個快遞員進行評價。對電解液而言，則可以比擬為，從電導(dǎo)到電導(dǎo)率、摩爾電導(dǎo)率、無限稀薄的摩爾電導(dǎo)率，最后得到離子的無限稀薄摩爾電導(dǎo)率作為最客觀反映電解液電導(dǎo)性能的定量描述概念，這也讓學(xué)生體會出物理化學(xué)刨根問底的定量描述風(fēng)格，并掌握這種探索未知的方法。

圖3　描述電解液導(dǎo)電性能的概念推演過程

另外，以下內(nèi)容都可借助擬人圖來講解：反應(yīng)物分子和最低反應(yīng)途徑，可用學(xué)生及其郊游時登山的路徑來比喻，精力一般的大多數(shù)學(xué)生都會選擇的最易路徑；對催化劑和催化反應(yīng)的描述，可把催化劑比作導(dǎo)游，帶領(lǐng)反應(yīng)物走捷徑到達產(chǎn)物，自己又回到起點，重新為反應(yīng)物導(dǎo)游；講解熵增原理時，可把物質(zhì)比作內(nèi)心渴望自由的上課在座的學(xué)生；在講解偏摩爾量的時候，把純物質(zhì)比作獨處的學(xué)生，混合物比作身邊有同學(xué)、老師或家長的學(xué)生……所用的圖可以是照片或矢量圖，這里由于篇幅的原因就不附圖了。總之，擬人化圖示不但有助于把物質(zhì)的特性生動表示出來，還可讓學(xué)生在頭腦中扮演物質(zhì)的角色，身臨其境感受客觀世界運行的規(guī)律。

2　比喻法圖示

在電化學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)部分，公式DrGm=-zFEMF可看做連接熱力學(xué)和電化學(xué)系統(tǒng)的橋梁(見圖4)，范特霍夫方程通過這個橋梁可搖身一變，成為能斯特方程，簡單的橋梁圖案，一邊是范特霍夫方程，一邊是能斯特方程，能讓枯燥的推導(dǎo)生動起來。標準平衡常數(shù)、吉布斯函數(shù)定義式、吉布斯函數(shù)判據(jù)都通過這個橋梁，得到相應(yīng)的電化學(xué)熱力學(xué)公式。

圖4　電化學(xué)熱力學(xué)公式推導(dǎo)

在第一節(jié)物理化學(xué)課中介紹“始終態(tài)一定，不同途徑，但狀態(tài)函數(shù)改變卻一樣”時，盡管概念簡單，但作為剛學(xué)物理化學(xué)的學(xué)生，如果用生活化的比喻，輕松的“開場白”可以減輕其對物理化學(xué)的焦慮、增添學(xué)習(xí)興趣。如圖5所示，可用學(xué)生從家到學(xué)校這個過程并輔以圖形圖像來替代枯燥的狀態(tài)1狀態(tài)2這樣的稱述。

圖5　狀態(tài)函數(shù)和途徑函數(shù)的介紹

3　類比圖示

除了知識、方法的傳授，現(xiàn)代教學(xué)最好能引入人文元素，并啟發(fā)學(xué)生進行哲學(xué)思考。借助圖解，可以讓人文素質(zhì)教育和哲學(xué)思考的啟發(fā)不那么突兀和生硬。

如：在講解活度，即有效濃度，可給出學(xué)生做物化實驗時的照片，問學(xué)生：若幾個人一組，有效人數(shù)是多少？除了說明人和物質(zhì)一樣，之間有相互影響外，還暗示學(xué)生做事情時要注意團體效率。

又如：在講解分解電壓時，由于產(chǎn)生了反電動勢，電壓上升到一定閾值之前，電流幾乎不上升，此時可把電壓用努力程度替代，電流用成績替代(見圖6)，說明不超過一定閾值的努力，在物理化學(xué)的學(xué)習(xí)中是取得不了明顯的成績的，這正是物化學(xué)習(xí)的難度的體現(xiàn)。

圖6　分解電壓曲線類比為成績曲線的示意圖

4　其　他

除了上述結(jié)合授課內(nèi)容進行的形象化圖解以輔助物理化學(xué)教學(xué)外，還有純粹是為了生動化進行的點綴式以圖示意的方式，適當(dāng)添加教學(xué)樂趣有助于學(xué)生理解和記憶。

如，在相圖介紹中，可將固相部分互溶的固液圖比擬為有兩個大耳朵的兔子(圖7)，在介紹固相完全不互溶的相圖(其實是部分互溶相圖的特例)時，可動畫演示這個兔子臉逐漸變大最后成大方臉過程。在介紹有轉(zhuǎn)變溫度的固液相圖時，可將兔子耳朵耷拉下來將二相圖關(guān)聯(lián)起來。在原有的相圖中添加上兔子的臉，會增添不少樂趣。

圖7　熔點相圖之間的關(guān)聯(lián)

當(dāng)老師講課比學(xué)生自己看書內(nèi)容更生動形象、更富有情感、更深刻時，這個課才有價值。這也是圖解的意義。

5　結(jié)　語

在采用形象化的圖解輔助物理化學(xué)的教學(xué)中，用擬人的方法可幫助學(xué)生身處物質(zhì)世界，體會物質(zhì)所具有的性質(zhì)和所受的規(guī)律約束，能更有感觸地理解物理化學(xué)過程；用比喻法可使枯燥的概念變得可以想象；用類比的方法可將宏觀世界和微觀世界相關(guān)聯(lián)、將物質(zhì)世界和人類的行為和意識關(guān)聯(lián)，鍛煉學(xué)生發(fā)散思維，深刻理解理論內(nèi)涵。形象化的圖解可讓知識的結(jié)晶栩栩如生，不再冰冷，是知識傳授中增加快樂和提高效率的催化劑。

[1]黃玉代,劉瑞泉.“物理化學(xué)”教學(xué)方法改革探索[J].伊犁師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011(1): 52-54.

[2]李莉,張明波,張旭,等.《物理化學(xué)》課程教學(xué)創(chuàng)新初探[J].遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報, 2010,12(1): 217.

[3]聶龍輝,胡立新.關(guān)于物理化學(xué)課堂教學(xué)的思考[J]. 廣東化工, 2011,38(1): 235-236.

[4]劉道勝.問題式教學(xué)法在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育, 2010, 3: 99-101.

[5]李學(xué)峰, 趙艷茹.案例法在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué), 2012,27(5): 14-16.

[6]李一鳴,包木太,姬泓巍.開放式課堂教學(xué)在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報,2010, 30(8): 82-85.

Graphic Image Method of Auxiliary Physical Chemistry Teaching*

YANZhi-yu,WANGQiao-min,SUNBing

(College of Environmental Science and Engineering, Dalian Maritime University, Liaoning Dalian 116026, China)

How to improve teaching effect with the help of a graphic image method in physical chemistry teaching work was introduced, including means of personification, metaphor, analogy, etc. Graphic image methods described above were involved in and applied to the chemical thermodynamics, chemical kinetics, electrochemistry, interface chemistry and other chapters, which was not only conducive to students to enhance the perceptual thinking in the rational thinking, but also can help students understand and experience the vivid content and profound connotation on the basis of mastering physical chemistry knowledge points.

physical chemistry; graphic image method; teaching

大連海事大學(xué)本科課程體系改革項目“環(huán)境工程專業(yè)特色辦學(xué)的研究”的研究成果(0039011482)。

嚴志宇(1970-)，女，副教授，博士，主要從事高級氧化技術(shù)在水處理中的應(yīng)用及海上溢油風(fēng)化的研究。

G642.0

A

1001-9677(2016)02-0192-03