“做中學”探究式教學模式研究

楊喜平 盧明霞 曹曉雨

[摘 要]在物理化學單組分系統的相平衡的講授中，采用“做中學”探究式教學方法。首先制訂“做中學”探究式教學的目標，然后明確采用的教法與學法，最后提出具體的“做中學”探究式教學的策略。給出具體實驗數據，引導學生繪制相圖，分析數據，探討結論，并且補充介紹水的三相點的測定，其間對學生進行科學方法教育，取得了非常好的教學效果。

[關鍵詞]做中學;探究式教學;單組分系統;相平衡

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）10-0105-03

科學教育改革實驗項目“做中學”，給學生提供了開放的空間，讓學生自己去發現問題，自己動手去做，在做中學習，在做中掌握知識本領，使學生有機會親自探索科學奧秘。在教師和學生共同組成的學習環境中，應讓學生親歷科學探究的過程。探究既是科學學習的目的，又是科學學習的方式，在探究式科學教育中，需要把“讓學生建立新的科學概念（想法）”與“學生探究能力、科學態度的培養”結合起來考慮[1]。在高等教育的物理化學課程教學中開展“做中學”科學探究式教學[2]，教師可將科學知識匯聚到一個適宜學生探究的、與科學概念有關的問題上，引導學生進行探究。本文將單組分系統的相平衡的講授置于師生互動、生生互動的環境中，由學生主動進行探究，邊做邊學，取得了非常好的教學效果。

一、依據“做中學”理念，制訂三維教學目標

相平衡是南京大學出版社出版的《物理化學》第5版教材第五章的內容，它是熱力學三大定律在多組分多相系統中的應用[3]。單組分系統的相平衡是相平衡中最基礎的內容。教材是以水為例來介紹單組分系統的相平衡的。為了便于學生理解和掌握水的相圖，備課過程中筆者充分挖掘教材的內涵和外延，授課過程中適當調整教學策略[4]，創造性地進行教學設計，并補充水的相平衡數據表和水的三相點的測定過程和方法，同時引導學生邊做邊學，有效開展探究性學習。依據“做中學”理念，筆者制訂了以下的三維教學目標。

（1）知識與技能目標：掌握單組分系統平衡相圖的繪制方法，能夠根據實驗數據繪制簡單的相圖;掌握單組分系統水的相圖;熟練掌握相圖中點、線、面的物理意義;能運用克拉佩龍方程解釋三條線的斜率;理解水的三相點與冰點的區別。

（2）過程與方法目標： 課堂內學習與課堂外探究討論相結合，精心設計教學環節和課外拓展性作業，激發學生的學習興趣，促進學生積極主動地學習;通過補充介紹水的三相點的測定過程和方法，對學生進行科學方法教育。

（3）情感態度與價值觀目標：將課內與課外相結合，培養學生理論聯系實際的意識;通過介紹水的三相點的測定過程和方法，讓學生了解在熱力學溫標的確定中中國科學家的貢獻[5-6]，對學生進行科學方法教育，培養學生的探索意識和思維能力。

二、精心設計教法與學法

教學充分體現以教師為主導、學生為主體，具體的教法與學法如下：①目標導學：列出導學提綱，給出明確的學習要求;②自主發現：依據導學提綱，學生邊做邊學，化解難點;③對比法：水的相圖中三條線的斜率的比較（有正負之分，產生正負的原因）;水的三相點與冰點的比較（表現為溫度不同、壓力不同，其原因在于系統不同：水的三相點對應的是嚴格的純組分系統，而水的冰點是指水被空氣飽和形成的稀溶液）;水的相圖與二氧化碳的相圖的比較（水的相圖中三條線的斜率兩正一負，而二氧化碳的相圖中三條線的斜率均為正值;二氧化碳的臨界點溫度比水的低，只有364.2 K，臨界點溫度壓力也比水的低，所以在實際操作中常用二氧化碳超臨界流體作為萃取劑）;④合作討論：思考與討論相關題目，完成綜合實踐作業;⑤理論聯系實際解釋冬天下雪、夏天下雨及二氧化碳鋼瓶充氣等現象和解決生產實際問題。

三、“做中學”探究式教學的具體策略

（一）創設情境，導入新課

從常見的自然現象和生產實際入手，提出問題：為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至會下冰雹？而冬天往往遇冷空氣會下雪？在室溫（13 ℃）下，用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應采用鋼瓶倒立打開閥門的方法還是采用鋼瓶正立打開閥門的方法？由此引入單組分系統相平衡問題的研究。

（二）依據目標導學，層層引導，學習新知

1.相圖概說

用圖解的方法研究由一種或多種物質構成的相平衡系統的性質（如沸點、熔點、蒸汽壓、溶解度等）與條件（如溫度、壓力及組成等）的函數關系，這種關系的圖叫作相平衡狀態圖，簡稱相圖。教師展示圖片，引導學生總結出表示相平衡狀態的三種方法（本次課三種方法貫穿整個課堂）：①實驗數據的表格法;②由實驗數據作圖的圖解法;③能表達實驗數據的方程式的解析法。

2.目標導學

上次課把不同溫度下水的相平衡數據[7]表（見表1）和導學提綱進行展示并分發給學生，明確要求學生首先根據表中所列數據用坐標紙繪制水的相圖，仔細觀察圖形特征，思考圖中的點、線、面的物理意義;然后依照導學提綱所列步驟，結合繪圖過程分析畫出的三條線的物理意義，嘗試運用相律分析相圖;最后聯系生活生產實際，對比相圖，說說自己的發現，并給出合理解釋。目標導學所列項目猶如一個小的科研課題，在實施目標導學所列項目的過程中，讓學生自己動手去做，去發現問題，親歷科學探究的過程，真正實現“做中學”。目標導學項目的完成，能使學生較深刻地感悟相圖的來龍去脈，在以后遇到其他類型的相圖時，能夠舉一反三、觸類旁通。

3.層層引導，領悟新知

引導學生結合導學提綱，總結運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟：（1）確定相圖的類型，畫出相圖;（2）分析相圖中點、線、面的物理意義（靜態分析）;（3）明確相圖中可變條件和系統狀態變化之間的關系（動態分析）; （4）靈活應用相圖。

以水的相圖（如圖1）為例來學習運用相圖進行討論和分析的一般原則和步驟，學習識圖的一般方法。根據導學提綱，結合繪圖經過突出“我的四大發現”，層層引導，學習新知。（1）AO線能不能往上無限延伸？（2）三條線的斜率為什么有正負之分？ （3）OD是AO的延長線，是虛線還是實線？（4） O點即三相點與冰點是不是一回事？由學生總結，補充、完善導學提綱，分析相圖中所出現的點、線、面的物理意義，給出結論并講解原因，特別指出氣液平衡曲線OA不能無限延長，它終止于臨界點A（647.4 K，2.2×107 Pa），在臨界點，液體和氣體的密度相等，氣態和液態之間的界面消失。在臨界點以上的區域是超臨界流體區，它呈現氣體狀態，但密度接近液體，有很好的流動性和傳遞性能，介電常數增大等，呈現出一系列特殊的性質。引導學生用克拉佩龍方程或克-克方程解釋三條線的斜率的正負及其含義，比如冰水兩相平衡線的斜率為負，說明當壓力增高時冰的熔點降低。

（三）啟迪導航，滲透方法教育和德育教育

先介紹水的相圖中三條線的交點O稱為三相點。一個點微不足道，但由此成就了一個偉大的物理化學家和促進了熱力學溫標的確定。自從1854年 Kelvin 提出用一個熱力學溫度值定義熱力學溫標后，人們幾乎經過一個世紀的不懈努力，才幸運地找到了水的三相點溫度值是定義熱力學溫標的最理想值，因為可由熱力學證明，這個溫度極為穩定。然而，準確測定這個溫度是極其困難的，因為實驗設計的難度是難以想象的。接著介紹物理化學宗師黃子卿，他于1934年精妙地設計了實驗裝置并且準確測定了水的三相點溫度為0.00980±0.00005 ℃，并被國際普遍接受[5]。

補充介紹水的三相點瓶的設計原理和測定方法，對學生進行實驗方法教育。在一個由優質玻璃制成的水的三相點瓶中，放入高純度的水，將水加熱并抽真空，然后將抽真空的口用火焰封死。此時，瓶中的水只有兩相，即水和水蒸氣，怎么獲得第三相（冰）呢？將瓶倒過來，在溫度計插管處加入冰和鹽的混合物（可在溫度計插管的周圍結上一層冰），再改用水加入溫度計插管中，冰層就與插管分開，形成懸于水中的環狀冰套。于是出現三相共存，測定該點的溫度即為水的三相點的溫度。將三相點瓶放入有冰水混合物的容器中，冰套可以保持幾個月不融化[6]。如此重要的數據不是經過高精尖的儀器測定的，而是利用普通的玻璃經過精妙的設計來完成的，由此啟示學生不要抱怨環境不好，實驗條件簡陋，實驗設備低級，應勇于開拓創新。同時再度指出一代宗師黃子卿先生是中國化學家的代表，他的愛國主義精神令人敬佩。日本全面侵華戰爭的前夕， 他表明立場：“我是中國人，要跟中國共命運。”并毅然回到祖國;解放戰爭期間，諾貝爾化學獎得主鮑林曾勸他把家人接過來，留在美國安心做研究，他說：“我的家在中國，我一定要回去。”等等。這樣，潛移默化地向學生滲透了愛國主義教育、人文修養和職業道德等教育，從而塑造學生的人生觀和價值觀。

最后提出問題：為什么要抽真空？引導學生分析水的三相點與冰點的不同及其原因。

（四）總結要點，應用知識

讓學生畫出水在通常條件下的相圖，解釋壓力增大時冰的熔點如何變化。思考與討論：為什么夏天遇到冷空氣會下雨甚至會下冰雹，而冬天往往遇冷空氣會下雪？ 夏天水的蒸汽壓較大，當環境（大氣）溫度降低時，系統（水蒸氣）點從相圖中的氣相區首先進入液相區，故水蒸氣凝結成液態水，即下雨;如果環境（大氣）溫度急劇降低，系統點由液相區進入固相區，液態水凝固，即雨滴變為冰雹。而冬天水的蒸汽壓較小，當環境（大氣）溫度降低后系統點由氣相區直接進入固相區，水蒸氣凝華為較松軟的固體冰即下雪。

知識的遷移：二氧化碳的相圖與水的相圖一樣嗎？簡單介紹二氧化碳的相圖（見圖2）。根據二氧化碳的相圖安排搶答與討論：

（1）二氧化碳空鋼瓶在工廠車間充氣時（車間溫度為13 ℃），當充氣壓力表到達一定數值后，就不再升高，而鋼瓶的總重量卻還在增加，原因是什么？

（2）（1）中所述現象在炎熱的夏季（平均室溫為33 ℃）會不會出現？

（3）在室溫（13 ℃）下，用二氧化碳高壓鋼瓶制取干冰應采用鋼瓶正立打開閥門的方法還是采用鋼瓶倒立打開閥門的方法？[8]

（五）拓展訓練，升華知識

自編例題：已知液態水在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.289 kPa和0.422 kPa，冰在-10 ℃和-5 ℃時的飽和蒸汽壓分別為0.260 kPa和0.414 kPa。（1）分別計算水的摩爾蒸發焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓;（2）計算水的三相點的溫度和壓力;（3）對計算結果的準確性進行評價。（綜合性很強的題目）

例題中的摩爾蒸發焓、摩爾升華焓和摩爾凝固焓的計算，由克-克方程可以順利進行;三相點的溫度和壓力可由任意兩條線的克-克方程組合聯立方程組求得，但是由本例題（從分發的數據表中截取的兩組數據）計算的結果與實際的三相點的溫度和壓力是不同的，應引導學生對結果的準確性進行評價。引導學生分析產生此差別的原因，不僅可以讓學生更加深刻地理解克拉佩龍方程和克-克方程在推導過程中引入的近似條件，還可以逐步培養學生深入思考和不斷探究的意識和習慣。

另外，要求學生課下上網查詢超臨界二氧化碳萃取技術的特點和優點以及超臨界二氧化碳萃取技術的應用，并撰寫小論文，教師安排時間讓學生進行匯報，然后給予綜合評價。

四、“做中學”探究式教學的反思

本次課以“做中學”科學探究模式開展教學，邊做邊學，目的是培養學生的科學探究能力、自主學習能力和獲取、加工和應用信息的能力;采用課內學習探究與課外合作討論相互結合的方式，引導學生學習探究的技能，并在學習的過程中逐漸建構知識體系;精心設計課外作業，充分調動學生自主學習的積極性;有意識地培養學生查閱資料的習慣和能力;舉辦作業交流，讓學生體會合作研究、交流學習的樂趣。實踐證明，這種“做中學”探究式教學是有效的。

在教學中通過補充介紹物理化學宗師黃子卿先生的貢獻及其崇高的精神境界、愛國情懷，將課程思政落實于課堂教學之中;介紹黃子卿先生設計的三相點測定儀，突出傳授獲取知識的思想和方法，培養學生的創新意識和科學品質，使學生具備扎實的基礎和潛在的發展能力，同時將知識點系統化，附之以素質和能力的培養內容，使知識傳授不再是教育教學的終極目標，而是素質和能力培養的有效載體。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 劉知新.化學教學論[M].4版.北京：高等教育出版社，2009：246-266.

[2] 楊喜平，張玉軍.物理化學的科學探究式教學研究[J].化學教育，2015（16）：15-17.

[3] 傅獻彩，沈文霞，姚天揚，等.物理化學[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：277-285.

[4] 楊喜平，張玉軍，閆向陽.淺談在教學過程中如何創造性地使用教材[J].職業時空，2011（6）：67-68.

[5] 黑恩成.以“少而精和博而通”的思想指引教學[J].化工高等教育，2010（2）：1-3.

[6] 劉國杰，黑恩成.物理化學導讀[M].北京：科學出版社，2008：148-155.

[7] 天津大學物理化學教研室.物理化學上冊[M].5版.北京：高等教育出版社，2009：232.

[8] 范崇正，杭瑚，蔣淮謂.物理化學：概念辨析·解題方法·應用實例[M].4版.北京：中國科學技術大學出版社，1999：19.

[責任編輯：黃春香]

[收稿時間]2020-05-27

[基金項目]河南省首批線下一流課程建設項目;河南工業大學第一批線下一流課程建設項目（201903）;河南工業大學教學研究項目“以學為中心的物理化學課程創新教學模式研究”（[2018]GJYJ-ZX23）;河南工業大學本科教育教學改革研究與實踐項目（[2019[GJYJ-2019036）。

[作者簡介] 楊喜平（1972-），女，河南鞏義市人，副教授，碩士，主要從事物理化學和結構化學的教學和研究。