工科物理化學中相圖教學經驗談

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(內蒙古科技大學 化學與化工學院，內蒙古 包頭 014010)

相平衡是物理化學課程中的一個重要部分，在工科的物理化學教學過程中占有重要的地位。如化工專業的分離過程、冶金專業中的冶煉、加工及熱處理過程等都與相平衡內容關系密切，作為歷年物理化學考研真題中必考內容也說明了相平衡的重要性。相平衡主要分為相律和相圖兩部分，相律是對狀態的討論，前期有熱力學內容做基礎還是比較好理解；相圖內容涉及到新的概念、在討論相圖中點、線、面關系時要理解過程的內涵、相圖的多樣性和杠桿規則的應用，這些是學生學習過程的難點。通過多年的教學過程積累提煉，我們總結了一些教學經驗。

1 搭建知識框架

首先，新內容一定包含新的概念，我們通過思維導圖[1]、知識點總結指導學生讀相圖要“四步走”：橫縱坐標是什么？點線面是什么？相圖中作垂線或水平線發生了什么變化過程？怎樣在兩相平衡區使用“杠桿規則”？同時要強調相圖是建立在實驗的基礎上，是對實驗數據的歸納總結。該知識點總結要通過“記憶-理解-記憶”的過程來熟悉掌握，這種思路也貫穿整個物理化學課程體系。

2 多媒體授課、實驗和實習的多重應用

因為前期講熱力學是不強調具體過程的，當討論相圖來歷時必然要理解系統組成、溫度或壓力隨時間變化發生引起相的變化過程，這個跳躍是眾多學生不能熟練掌握相圖最重要的原因，也是教學難點。

在傳統的教學中，教師一般會借助簡單的二維相圖來指導學生，學生不能有效理解繪圖原理，感覺過程很枯燥，注意力難以集中，最終導致他們對復雜的二維視圖往往一愁莫展，難以記憶，也常常弄不清楚其中變化的原理，很快就喪失了繼續學習的興趣，更談不上深入探討。我們利用多媒體和網絡技術進行教學最突出之處是熱分析法繪制相圖，用動畫表達和解釋“四步走”的邏輯性，可達到簡單、清晰、形象、生動的效果，使相圖形象化，教師容易講解，學生容易接受，充分地將教與學的兩個方面統一起來，最大限度地調動學生學習積極性和主動性[2]。

通過實驗操作可以加深學生對知識點的理解，但是各種因素導致理論教材和實驗教材內容脫節，我們通過教研探討，使之內容相互呼應。實驗側重驗證和操作，在教學過程注意結合實驗原理展開討論，如在討論單組份相圖時，可以加入鐵的p-T 相圖，解釋為什么通過成分和工藝控制常溫下可得到γ-Fe，通過講解工業生產實例增強學生識別單組分相圖的能力，為后期深入學習鐵碳合金相圖打基礎，并建立了物理化學相圖知識與學生專業之間的聯系，解決學生“我們不是化學專業為什么學物理化學？”的困惑[3]。討論二組分氣液平衡相圖時，通過實驗繪制環己烷-無水乙醇二組分氣液平衡相圖使學生理解T-x相圖和p-x相圖的來歷，加深對點、線、面內涵的認識，并解釋常用的乙醇試劑有95%和無水乙醇兩種是因為乙醇和水常壓下有最低共沸點，導致提純只能得到95%的乙醇，要得到無水乙醇,就必須加入某些物質,破壞這種平衡,才能餾出95%以上的酒精。在實驗室中制備無水酒精時,是在95.57%酒精中加入生石灰(CaO)加熱回流,生成不揮發的氫氧化鈣來除去水分,然后再蒸餾得99.5%的無水酒精。如果還要去掉殘留的少量水,可以加入金屬鎂來處理,可得近似100%乙醇,叫做絕對酒精。工業上使用強酸性陽離子交換樹脂(具有極性基團,能強烈吸水)來制取無水酒精。通過講解使學生深入理解二元氣液平衡相圖的繪圖方法和特點。

在有條件的學院可以開展相關實習，化工專業的學生在參觀精餾塔設備、閃蒸過程時能生動理解接受氣液相圖的特點并了解理論和實際生產的部分區別，生物類專業學生通過在實驗室觀摩學習超臨界萃取設備加深對單組份相圖的認識[4]。冶金類專業在工廠實習時通過解釋固液平衡相圖來調整實驗條件控制產物數據等。

3 講解代表性例題

物理化學課程的特點是知識點、理論公式較多，必須通過大量練習來熟悉、理解和掌握具體內容。相平衡中主要任務是學會讀典型相圖的特點，這是本章難點，主要原因是沒有強化記憶和深刻理解；相平衡主要計算有兩類：相律和杠桿規則，多年考試情況統計，學生在杠桿規則應用上失分較多，究其原因，大部分同學不會讀相圖，還有一部分同學對杠桿規則物理意義不明確。以上兩部分可以通過講解具有代表性例題來強化記憶，通過“四步走”方法來鍛煉邏輯記憶，形成自己的記憶方式，最終明確相圖的內涵。

總之，相圖內容歸于熱力學，但其知識點相對獨立導致教學困難，要對癥下藥，通過各種方法使學生盡快接受并掌握應用相圖內容，進一步提高自學能力，達到高等教育要求。