淺談環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)《物理化學(xué)》教學(xué)的幾點(diǎn)建議*

夏 瑜，徐東耀，何緒文，王春榮

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程院，北京 100083)

《物理化學(xué)》是應(yīng)用物理學(xué)的原理與方法來(lái)解釋化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)過(guò)程的一門(mén)科學(xué)，是化學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)。對(duì)于環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的本科生而言，《物理化學(xué)》能為理解污染控制技術(shù)和從事相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)和方法支持，是一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。對(duì)授課教師而言，《物理化學(xué)》是一門(mén)理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)抽象的基礎(chǔ)課課程[2]，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，如何保證良好的教學(xué)效果是一大挑戰(zhàn)。作者作為環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)《物理化學(xué)》的授課教師，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在此提出關(guān)于《物理化學(xué)》的3點(diǎn)教學(xué)建議。

1 注重學(xué)生知識(shí)體系的建立，理清各知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系及邏輯關(guān)系

《物理化學(xué)》是一門(mén)理論性很強(qiáng)的學(xué)科，公式多且有適用條件，學(xué)生容易混淆。死記硬背需耗費(fèi)學(xué)生大量的精力，且效果不佳。在《物理化學(xué)》的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該系統(tǒng)地、循序漸進(jìn)地講授基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)解釋清楚各知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系及邏輯關(guān)系，幫助學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)，令其做到胸中有全局。

例如，在課程緒論中，可以向?qū)W生概括性地介紹《物理化學(xué)》課程內(nèi)容安排及各章之間的關(guān)系。作者選用天津大學(xué)出版社的《物理化學(xué)》(第2版)(肖衍繁，李文斌編著)作為課程教材[3]，該書(shū)比較適合作為工科學(xué)生的教材，其內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)略，但重點(diǎn)突出。教材內(nèi)容包括經(jīng)典物理化學(xué)的核心——化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)。作者結(jié)合其他書(shū)籍的編排順序?qū)滩恼鹿?jié)內(nèi)容的順序進(jìn)行了一定調(diào)整。在講述書(shū)中的各章內(nèi)容及關(guān)系時(shí)，可以這樣介紹：第一章要學(xué)習(xí)的內(nèi)容是“氣體”。氣體是三態(tài)中最簡(jiǎn)單的狀態(tài)，為熱力學(xué)研究提供了最方便的體系。后續(xù)章節(jié)很多都是以氣體作為討論對(duì)象或者先討論氣體再過(guò)渡到其他體相；隨后，介紹第二章、第三章的內(nèi)容分別為熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，這是《物理化學(xué)》課程的重點(diǎn)，也是后續(xù)章節(jié)的理論基礎(chǔ)；而第四章多組分系統(tǒng)熱力學(xué)，是在前面章節(jié)中研究的組成不變的單相系統(tǒng)中引入組分這一變量，將研究對(duì)象擴(kuò)大到多組分系統(tǒng)，進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算；而后面的第五～八章內(nèi)容即是將前面章節(jié)所講授的熱力學(xué)原理應(yīng)用于相平衡系統(tǒng)、化學(xué)平衡系統(tǒng)、電化學(xué)、表面現(xiàn)象中，來(lái)解釋這些在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及人們生活中常見(jiàn)的化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)過(guò)程。第九章“化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)”介紹的則是化學(xué)動(dòng)力學(xué)方面的理論知識(shí)。第十章“膠體”是物理化學(xué)的一個(gè)重要分支，所研究的主要對(duì)象是高度分散的多相系統(tǒng)。通過(guò)這樣概括性的介紹，學(xué)生在課程開(kāi)始之時(shí)就能建立起課程知識(shí)體系的框架，明晰學(xué)習(xí)主線(xiàn)，并在后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)中逐步豐富知識(shí)體系的內(nèi)容。

再如，在講授熱力學(xué)第二定律這一章時(shí)，先介紹并強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)熱力學(xué)第二定律的目的為判斷過(guò)程發(fā)生的方向和限度。這里的過(guò)程通常指的是自發(fā)過(guò)程。接著，層層遞進(jìn)，向?qū)W生講解：解決過(guò)程方向和限度的判斷問(wèn)題，首先從研究自發(fā)過(guò)程的特征入手，從而導(dǎo)出熱力學(xué)第二定律的文字表述，指出熱不能無(wú)條件地全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ瑥睦碚撋辖鉀Q了過(guò)程發(fā)生可能與否的判斷問(wèn)題；為討論熱轉(zhuǎn)換為功的最高限度問(wèn)題，從研究理想熱機(jī)的效率入手，從而導(dǎo)出卡諾(Carnot)定理；將卡諾定理推廣到任意可逆循環(huán)過(guò)程，進(jìn)一步推導(dǎo)出熵的定義；將卡諾定理應(yīng)用于一般過(guò)程，則得到克勞修斯(Clausius)不等式。至此，成功將熱力學(xué)第二定律轉(zhuǎn)換為了數(shù)學(xué)語(yǔ)言，可用于定量地判斷隔離系統(tǒng)中過(guò)程是否自發(fā)；為進(jìn)一步方便熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用，導(dǎo)出工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的恒溫恒壓、恒溫恒容系統(tǒng)中自發(fā)過(guò)程的判據(jù)，即吉布斯(Gibbs)公式與亥母霍茲(Helmholtz)公式。在此過(guò)程中，涉及到的知識(shí)點(diǎn)和公式眾多，但是它們?nèi)菄@判斷過(guò)程的方向和限度這一主題展開(kāi)。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生始終緊記這一主線(xiàn)，并向?qū)W生解釋清楚這些知識(shí)點(diǎn)、公式的關(guān)聯(lián)性和層層遞進(jìn)關(guān)系，使學(xué)生真正理解和掌握這些公式意義及應(yīng)用，從而建立科學(xué)、系統(tǒng)的課程知識(shí)體系，不迷失在眾多知識(shí)點(diǎn)和公式中。

2 結(jié)合環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)引申，深化學(xué)生對(duì)課程的理解掌握

《物理化學(xué)》理論知識(shí)點(diǎn)多，且較為抽象，容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。為了引起環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的興趣、深入其對(duì)《物理化學(xué)》知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，并啟蒙和加深學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)，在講授課程知識(shí)點(diǎn)之余，可選擇性地對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行引申，介紹其在環(huán)境工程領(lǐng)域污染控制技術(shù)中的應(yīng)用。在此，作者列舉一些典型例子。

熱力學(xué)第二定律的知識(shí)可以為理解環(huán)境工程領(lǐng)域內(nèi)新化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的可能性提供理論基礎(chǔ)。學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能變，運(yùn)用吉布斯函數(shù)判據(jù)從理論上判斷或分析在污染控制過(guò)程中該反應(yīng)發(fā)生的可能性(恒溫恒壓條件下)，從而排除不科學(xué)的污染控制手段或理解基于此反應(yīng)的新型污染控制技術(shù)的原理。

表面(界面)現(xiàn)象中的知識(shí)點(diǎn)為學(xué)生理解氣浮、吸附等污染控制技術(shù)的原理提供理論基礎(chǔ)。其中，氣浮是常被用于去除污水中的固體懸浮物、油脂和各種膠狀物的一項(xiàng)技術(shù)。其具體過(guò)程是：利用高度分散的微小氣泡作為載體，使廢水中的污染物上粘附于氣泡上，隨氣泡一起上浮到表面，形成泡沫，即氣、水、顆粒(油)的三相混合體，通過(guò)收集氣泡或浮渣來(lái)實(shí)現(xiàn)固液或液液分離。要想理解清楚氣浮技術(shù)的原理就需要運(yùn)用《物理化學(xué)》中知識(shí)點(diǎn)。根據(jù)熱力學(xué)理論，懸浮物附著于氣泡這一過(guò)程需要遵循表面吉布斯函數(shù)減小至最小的規(guī)律。教師可以給學(xué)生畫(huà)出氣泡、水、顆粒物(污染物)的表面張力示意圖，得出此過(guò)程中單位面積上的吉布斯函數(shù)變化量△G 為 σ水氣(COSθ-1)，需要小于0，且越小越易實(shí)現(xiàn)氣浮。因此，不難理解憎水性顆粒(接觸角θ> 90°)表面容易附著氣泡，因而可用氣浮法。親水性顆粒用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥品處理后可以轉(zhuǎn)為憎水性再用氣浮法。通過(guò)這樣的講解，既能以實(shí)際例子加深學(xué)生對(duì)表面張力及表面自由能的理解，又能介紹環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)常用到的污水處理技術(shù)——?dú)飧?，從而提升教學(xué)效果；此外，吸附也是污染控制中常用的技術(shù)方法之一。表面現(xiàn)象的知識(shí)能夠幫助學(xué)生很好地理解固體表面的吸附現(xiàn)象，并掌握典型等溫吸附曲線(xiàn)弗羅因德利希(Freundlish)和朗繆爾(Langmuir)曲線(xiàn)的特征，為學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課和從事吸附劑等方面的研究打下很好的基礎(chǔ)。在講解這一部分時(shí)，教師可以向?qū)W生介紹污染控制領(lǐng)域中常用的吸附劑有哪些，如活性炭、樹(shù)脂等，解釋其用途包括去除色度、吸附水中重金屬等污染物等，并強(qiáng)調(diào)吸附熱力學(xué)是環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)新型吸附劑研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，引起本專(zhuān)業(yè)同學(xué)對(duì)《物理化學(xué)》相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)的重視。

電化學(xué)這一章所涉及到的基本概念、電解池和原電池的原理及原電池?zé)崃W(xué)等知識(shí)，能為學(xué)生學(xué)習(xí)污染控制過(guò)程中用到的電化學(xué)技術(shù)和后續(xù)從事環(huán)保領(lǐng)域的電化學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。教師在講授本章內(nèi)容時(shí)，可以向?qū)W生介紹電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境污染控制領(lǐng)域的相關(guān)研究及應(yīng)用，如電滲析、電化學(xué)氧化、電化學(xué)還原、電絮凝、微生物燃料電池等都是污染控制領(lǐng)域常用的電化學(xué)技術(shù)方法，讓學(xué)生通過(guò)了解電化學(xué)的應(yīng)用來(lái)深化對(duì)這一章的理解，也對(duì)環(huán)境工程這一專(zhuān)業(yè)建立進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的知識(shí)能夠?yàn)閷W(xué)生研究和理解環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和特征等提供方法支持。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)等化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，也能掌握對(duì)環(huán)境領(lǐng)域涉及到的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的步驟及方法。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以強(qiáng)調(diào)化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)科研領(lǐng)域的重要性，引起學(xué)生對(duì)這塊內(nèi)容的重視和思考。

按照以上這樣的方法，選擇性地對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行引申，既能夠深化學(xué)生對(duì)課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，也能讓學(xué)生對(duì)即將學(xué)習(xí)的污染控制方面的專(zhuān)業(yè)理論課程建立初步認(rèn)識(shí)。

3 綜合運(yùn)用多種教學(xué)方式和作業(yè)形式，提升教學(xué)效果

《物理化學(xué)》知識(shí)點(diǎn)多而不易理解，教學(xué)過(guò)程中多種手段的靈活應(yīng)用有助于加強(qiáng)課程內(nèi)容生動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能加強(qiáng)師生間的互動(dòng)。例如，多媒體教學(xué)可以給學(xué)生展示豐富的素材，圖形并貌，幫助學(xué)生理解抽象的知識(shí)點(diǎn)[4]。而利用板書(shū)向?qū)W生展示重要公式的推導(dǎo)過(guò)程，可以加深學(xué)生對(duì)重要公式的理解[5]；此外，每節(jié)課使用板書(shū)羅列出重點(diǎn)，并及時(shí)對(duì)各章知識(shí)點(diǎn)及其聯(lián)系進(jìn)行總結(jié)，可以幫助學(xué)生建立起各章節(jié)的知識(shí)體系，也加強(qiáng)學(xué)生的條理性和邏輯性。同時(shí)，借助新興的平臺(tái)如雨課堂，可以加強(qiáng)師生間的課堂互動(dòng)[6-7]。例如，通過(guò)雨課堂讓同學(xué)進(jìn)行隨堂測(cè)試、發(fā)送彈幕等，既可以檢查學(xué)生的出勤情況，又可以即時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有利于教師及時(shí)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，是符合成果導(dǎo)向教育(OBE)模式的教學(xué)手段。

另一方面，布置形式多樣的作業(yè)也是提升教學(xué)效果的重要手段之一。習(xí)題練習(xí)是促進(jìn)學(xué)生對(duì)物化知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和掌握的必不可少的手段之一。學(xué)生只有通過(guò)自己解題，動(dòng)腦思考，才會(huì)真正融會(huì)貫通，學(xué)以致用；此外，在結(jié)束各章的講解之時(shí)，教師也可以讓學(xué)生在課下對(duì)照本章知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并在課堂上抽取部分同學(xué)對(duì)自己總結(jié)的內(nèi)容進(jìn)行展示，提高學(xué)生的自主性和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的歸納總結(jié)能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

《物理化學(xué)》是環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，為學(xué)生理解污染控制技術(shù)和從事相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)和方法支持。在此，作者提出了3條教學(xué)建議：(1)注重幫助學(xué)生建立起正確的知識(shí)體系，在清楚地講授各知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，更應(yīng)注意向?qū)W生解釋知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系及邏輯關(guān)系；(2)啟蒙和加深學(xué)生對(duì)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)，注重知識(shí)點(diǎn)的引申，介紹其在環(huán)境工程領(lǐng)域污染控制技術(shù)中的應(yīng)用，讓學(xué)生結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)來(lái)深化對(duì)《物理化學(xué)》知識(shí)點(diǎn)的理解；(3)借助多種形式的教學(xué)工具，如多媒體、板書(shū)、語(yǔ)課堂軟件等，保證清晰有效地教授各知識(shí)點(diǎn)，并及時(shí)收到學(xué)生學(xué)習(xí)效果的反饋。