PBL思維導圖法應用于化學動力學教學*

楊青林，劉克松，田東亮

(北京航空航天大學化學學院，北京 100191)

化學反應動力學是研究化學過程進行的速率和反應機理的物理化學分支學科。把熱力學的反應可能性變為現實性依據的是化學反應動力學。化學反應動力學是有關化學反應的基本原理方面重要的知識。如何使用有效的方法來實現讓學生真正掌握相關知識，是教師們經常思考的問題。思維導圖(Mind Mapping)可將文字形態的知識圖像化，使用各種圖形、符號、顏色及簡練文字等形象化的標識符把各級主題的關系表現出來，該教學法是個有效的教學方法，如將“思維導圖法”應用于大學化學[1-4]和物理化學[5-6]等學科的教學中。基于問題的學習(Problem-Based Learning，PBL)，又叫問題導向學習、問題式學習，是以問題為引導，學生為主體，教師為主導的教學方法，也是非常有效的教學法，如將“基于問題的學習法”應用于大學化學[7]和物理化學[8]等學科的教學實踐中。本文以大學化學反應動力學內容為例，介紹在思維導圖的框架下，借助問題牽引，使用“直入主題法”實現大學化學動力學課堂教學的有效引入和推進。

1 問題的創設

問題的創設是在本節課程內容思維導圖的框架下，我們使用“直入主題法”進行引入最重要方程式，也就是將本部分最重要的方程最先展示出來，而后對該方程式所涉及到的物理量和符號進行提問，以此方程來牽引次級方程或相關概念，分別剖析、逐層深入。

就本次課程最主要的內容就是動力學方程。第一個層次提問是對動力學方程進行提問；第二個層次提問是對動力學方程是中涉及到的物理量和符號等進一步進行提問；第三個層次，因需要對于物理量所帶來的二次方程等再進一步提問；因需要也可以有第四、第五或更多的層次的提問。

2 問題牽引的課堂教學

這部分內容主要涉及：反應速率，基元反應(簡單反應)，非基元反應(復合反應)，動力學方程(質量作用定律，基元反應的速率方程，反應速率方程，Guldberg -Waage方程)，反應速率常數(速率常數)，反應級數，分級數，一級反應，半衰期，一級反應特征，Arrhenius(阿侖尼烏斯)公式，指前因子，活化能，表觀活化能，氣體分子運動論，碰撞理論，過渡態理論，催化劑等。

課堂主要圍繞動力學方程這一重要公式，進行刨根問底式提問，互動與交流，中間穿插實例進行講解，強化公式和基本概念。

【問題1】：寫在黑板上的公式叫什么名字？方程式中的字母和符號分別表示什么？物理量的單位及符號是什么？每個物理量都有什么含義？如何求得？

給同學五秒時間思考，而后，請同學們回答，進行互動交流。問題逐一解答并漸次推進。

對于反應速率方程表達式，“v”表示反應速率，單位：mol·dm-3·s-1。“cA和cB”分別表示反應物A和反應物 B的濃度，常用單位：mol·dm-3；上角標“a和b”分別表示反應物A和反應物 B的分級數，表示反應速率與濃度有指數關系，其指數之和稱為反應級數：n=a+b，是量剛為1的量。“kc”表示濃度形式速率常數，還有以壓力形式表示的速率常數“kp”，二者關系為：kp=kc(RT)Δn。在同一溫度、催化劑等條件下，速率常數k是不隨反應物濃度而改變的定值。速率常數k的物理意義是各反應物濃度均為單位濃度時的反應速率，k的單位因(a+b)值不同而異，用k的單位可以判斷化學反應的級數，如一級反應的單位：s-1；二級反應的單位：mol-1·dm·s-1。速率常數主要與溫度和活化能有關，其定量關系式稱為重要的Arrhenius公式，后邊我們再進一步重點介紹。

再講解一級反應方程，其積分式為：lnc=-kt+lnc0，半衰期為：t1/2=ln2/k=0.693/k，一級反應的三個特征為：①ln{c}-t為直線，斜率=-k；②半衰期：t1/2=ln2/k=0.693/k，半衰期與反應物的初始濃度無關；③反應物消耗速率常數k的單位：s-1。

注意：動力學方程式是對基元反應的。影響反應速率的因素有：①反應物、產物的本性(組成及結構)；②反應物、產物的濃度、壓力；③反應體系的溫度；④催化劑作用；⑤其他物質的濃度；⑥光、電、磁等外場的作用；⑦反應器的材料及形狀等。

【問題2】：什么是基元反應？什么是非基元反應？

化學反應可以分為基元反應(元反應，簡單反應)和非基元反應(復合反應)。基元反應即一步完成的反應，是組成復合反應的基本單元。復合反應是由兩個或兩個以上基元反應構成的反應。反應機理(反應歷程)指明某復合反應有哪些基元反應組成。

代表性的復合反應就是鹵化氫氣體的形成，在形式上無差別，熱力學函數變化值的計算方法完全相同，但動力學差別很大。結合實例進行說明：氯化氫復合反應的級數為1.5級；溴化氫復合反應的級數為非冪形式；碘化氫復合反應的級數為2級。

說明：①質量作用定律只適用于基元反應，反應式的寫法具有唯一性；②不遵從質量作用定律的一定為非基元反應(復合反應)；③對于非基元反應，反應級數由實驗測定。基元反應也是由實驗驗證的；④分數級反應肯定是由多個基元反應組成的復合反應；④有些非基元反應形式上也滿足質量作用定律。

【問題3】：反應速率常數與什么有關？它們是怎樣的定量關系？

再舉例講解氣體分子運動論，碰撞理論，過渡態理論，催化劑等。

圖1 化學動力學的思維導圖Fig.1 The mind mapping of chemical reaction dynamics

3 課堂總結

課堂的總結使用PPT以思維導圖形式來展示，見圖1。化學反應速率由活化分子總數決定，活化分子總數=活化分子百分數×分子總數，其中活化分子百分數項影響因素有溫度及活化能；而分子總數項影響因素為濃度及氣體壓力。要想提高給定反應的反應速率，需要考慮三個主要影響因素。

使用思維導圖法，將每次課內容凝練為一個字母來做標識符，便于記憶，本次課高度概括為一個標識符“v”，其含義為反應的現實性。