物理化學課程化學熱力學模塊的教學策略探討

莫云燕　盧文貫　付志平　焦琳娟　王小兵

［摘 要］化學熱力學是物理化學課程的重要內容，為其他模塊內容的學習以及后續很多專業課程的學習提供了理論基礎。然而，該部分內容具有理論性強、知識點多、公式繁雜且限制條件多等突出特點，給剛開始進行物理化學課程學習的學生帶來較大阻礙，也成為教師教學上的難點。因此，文章緊密結合化學熱力學教學內容的特點，提出化學熱力學模塊的教學策略，包括教學內容的選擇優化，教學方法的思考以及考核方式的完善等，旨在進一步提升物理化學課程的教學效果。

［關鍵詞］物理化學；化學熱力學；教學方法；教學探討

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0088-04

物理化學是化學、應用化學、環境工程以及食品科學與工程等相關專業的必修課程，為后續相關專業知識的學習及應用提供了重要的理論基礎。在物理化學課程中，化學熱力學是其中十分重要的模塊，一般作為該課程的入門內容進行講述，它包含了化學熱力學第一定律，熱力學第二定律以及熱力學第三定律的基本內容，主要是為了解決化學變化過程及相關物理變化過程中的能量轉化，過程自發的方向以及限度的問題。該模塊內容既是物理化學其他教學模塊例如電化學、膠體與界面化學、化學動力學等內容的基礎，也為后續其他專業課程提供了理論基礎[1]。因此，化學熱力學模塊教學質量的高低，將直接影響到物理化學其他模塊甚至其他后續課程的學習質量。然而，很多學生在面對理論性強、概念多、數學公式復雜的化學熱力學學習內容時會感到非常吃力，對一些知識點理解不到位，無法完全消化，有時不得不依靠死記硬背一些基本定律或公式來應付課程考核。對此，筆者根據多年的物理化學教學經驗，針對化學熱力學這一模塊的教學提出了幾點教學策略，以供同仁參考。

一、化學熱力學模塊的基礎作用

化學熱力學模塊主要探討化學變化過程以及相關物理變化過程中能量轉變所遵循的規律，其目的在于判斷化學反應或者其他變化過程例如相變過程、理想氣體的P，V，T變化過程自發進行的方向以及限度，從而為物理化學課程后續知識例如化學平衡、相平衡、電化學、動力學以及表面化學等提供鋪墊，其貫穿于物理化學整個課程教學的始終。此外，化學熱力學也為后續的學科專業課提供了理論基礎。以韶關學院環境工程專業為例，該專業所開設的后續相關專業課程，如環境化學、環境工程原理等課程在多處滲透了化學熱力學的知識。例如，在環境化學專業課程中，“水環境化學”章節中氧在水中的溶解度、氧化還原電位E和電子活度pE的關系、天然水的pE-pH圖等知識點均涉及化學熱力學的知識[2]。這在環境工程原理這一門專業課程中表現更為突出，其中包含的化學熱力學知識點主要有：“質量衡算與能量衡算”章節的熱量衡算方程、封閉系統的熱量衡算以及開放系統的熱量衡算；“熱量傳遞”章節的傅立葉定律、熱傳導、牛頓冷卻定律、對流傳熱速率以及間壁傳熱過程的計算；“吸收”這一章節的氣液平衡和亨利定律、化學吸收的平衡關系以及化學吸收的傳質速率等[3]。因此，對于化學熱力學模塊的教學，必須重視其在物理化學中的基礎地位，應當作為物理化學中的核心內容來進行講解。

二、化學熱力學模塊的特點

化學熱力學模塊體系復雜，知識點多，且表現出高度的理論化，主要體現在以下幾個方面。

第一，基本概念多。例如系統、環境、熱力學平衡態、狀態函數、絕熱過程、準靜態過程、可逆過程、功、熱、熱容、焓（H）、焓變（△H）、熵（S）、熵變（△S）、偏摩爾量及化學勢、相數、物種數、組分數、自由度等。

第二，基本定律多。例如熱力學三大基本定律、Kirchhoff定律、Hess定律、可逆過程的最大功原理、Carnot定理、熵增原理、熵判據、Gibbs自由能判據、Helmholtz自由能判據、自發過程與做功能力之間的關系、拉烏爾定律及亨利定律、Gibbs相律等。

第三，計算公式多。如熱力學第一定律表達式、Clausius不等式、△U、△H、△S、△G、△A、Q、W等熱力學函數的計算公式；多組分系統熱力學中偏摩爾量的定義式、偏摩爾量的集合公式、Gibss-Duhem方程等熱力學基本方程、Maxwell關系式、氣體及液體物質的化學勢計算公式、稀溶液的依數性相關計算公式等。

第四，理論性強。不同于無機化學（尤其是無機化學中的元素化學模塊）以及有機化學，物理化學課程呈現出高度的理論性，單純依靠記憶能夠理解、掌握的知識點非常少，對學生的抽象思維能力及獨立思考能力提出了更高的要求。這一點在化學熱力學模塊中可逆過程、熱力學第二定律和熵判據等知識點的教學中尤為突出。

由于化學熱力學模塊的上述特點，學生在學習過程中很容易出現對基本定律、基本概念理解不清，死記硬背公式等現象，久而久之很可能出現學習倦怠的現象，無法很好地實現該門課程的教學目標。針對這些問題，提出在化學熱力學模塊教學過程中的幾點建議。

三、化學熱力學模塊的教學策略

（一）對與先行課程重復的知識點進行適當處理

物理化學課程教學一般處在大學二年級或者三年級，不可避免地會與一些先行課之間存在著教學知識點的重復。以韶關學院食品科學與工程專業為例，后續的物理化學課程與大學一年級開設的無機及分析化學課程之間存在較多熱力學知識點的重復。而化學、環境工程等專業物理化學，與前期的無機化學課程熱力學模塊存在非常多的重復知識點，例如基本的熱力學概念、熱力學基本定律、熱力學函數的相關計算等。對于這一問題，相關作者已經在《無機化學和物理化學課程整合與優化初步探討》一文中進行了相關討論[4]。文中指出，對于該部分內容的處理，既要照顧到學生的實際水平，又要避免簡單、機械的重復。對于基礎較好的班級，只略講簡單的內容甚至讓學生自己復習無機化學中的相關內容，將更多的時間留給新知識點的講授與拓展；而對于基礎薄弱的班級，則最好集中復習，甚至重新講解重點、難點的地方，以避免后繼課程學習過程中的“消化不良”。

（二）強調對基本概念和基本定律的理解及對基本公式適用條件的掌握

基本概念、基本定律和基本公式是化學熱力學最重要的組成要素，只有牢固掌握基本概念和定律的內容，深入理解公式的適用條件，才能正確地運用其解決實際問題。在化學熱力學基本概念、基本定律的教學過程中，筆者認為需要注重以下問題：

首先，強調概念和定律的科學性與完整性表達，對概念中的重要字眼進行深入剖析。例如，對于等壓過程的描述，需著重強調系統與環境的壓力始終保持相等（p1=p2=pe=常數），而不只是系統初態和終態的壓力相等；對于“功”和“熱”這兩個概念的教學，必須重點強調“系統與環境之間的相互作用”；此外，在對熱力學第二定律用Kelvin、Clausius兩種表述方法的講述過程中，必須著重強調兩種表述的完整性，只有這樣該定律才具有實際意義。

其次，充分發揮學生的自主學習能力，在已有知識內容的基礎上，通過舉例引導學生對化學熱力學的概念、定律等進行分析歸納。例如，在“可逆過程”這一定義的講解過程中，教師可以通過引導學生進行“理想氣體經歷不同途徑時體積功W及熱量Q的計算及對比”讓學生自己歸納出“可逆過程系統對外做最大功”的結論。

再次，在進行基本定律如熱力學第一定律、熱力學第二定律、Kirchhoff定律、蓋斯定律等的相關教學時，強化定律來源的論述或者推導，而不是簡單闡述基本定律的內容，避免給學生留下“為什么是這樣”的疑問。需要指出的是，熱力學第一、第二定律是經驗定律的特征，必須重點強調。

最后，辨清熱力學變化過程，強調公式適用條件。熱力學中針對不同熱力學函數的計算公式非常多，在講述公式推導及運用的時候，需要在辨明熱力學變化過程特點的基礎上選擇相適應的熱力學基本公式。筆者認為，在化學熱力學過程分析上，可以先從大的方面判斷該過程是屬于簡單的物理變化過程（如氣體的P， V， T變化）、復雜的物理變化過程（例如相變過程等）還是化學變化過程，然后再具體分析該過程的特點。例如對于體積功的計算，可以首先判斷其是否為簡單的物理變化過程，再進一步分析其是否為自由膨脹過程、等壓過程、等容過程、理想氣體的等溫可逆膨脹過程或者絕熱過程，進而選擇對應的體積功公式進行計算。同樣，對于相變過程以及化學變化過程體積功的計算，也需要分析其具體的變化過程。

（三）對基本概念、基本原理和基本公式進行對比和歸納

在化學熱力學模塊的教學中，一些基本概念、基本原理、基本公式在內容或者形式上十分相似，很容易導致學生在學習過程中認識模糊不清。因此，需要針對這些內容進行及時的比較和歸納，以加深學生對這些概念、原理的理解。例如，在學完幾種過程方向與限度的判據之后，對熵判據、Gibbs自由能判據、Helmholtz自由能判據進行數學形式以及應用條件的對比；在講述完熵變之后，對系統的熵、環境的熵、總熵、熵流、熵產生等概念進行對比；對等溫可逆過程與絕熱可逆過程的體積功的特點進行對比等。此外，對于△H、△S、△G等熱力學函數的相關計算也可以進行對比總結。例如，最先涉及的△H的計算主要分為簡單的P，V，T變化過程的焓變計算、相變焓的計算、化學反應系統中焓變計算三種類型，而相變、化學反應過程焓變的計算又涉及等溫和非等溫過程，那么在后繼的△S、△G計算的教學過程中同樣也涉及上述三種類型的計算，不同的是又分為可逆和不可逆過程條件下的計算。如此，通過深入地比較分析，找出異同點，加深學生對上述熱力學基本函數的理解。

（四）利用思維導圖構建清晰的知識框架

如前所述，化學熱力學模塊的基本概念、公式、定律非常多，隨著學習的不斷深入，學生越來越感到難以消化，且在有限的時間內很容易產生知識點間的混淆，導致很多時候產生“好像是學了該知識”等一知半解的現象。因此，在教學過程中，非常有必要對教授的知識進行梳理，強調各個知識環節之間的關系，構建清晰的知識框架圖，使學生清楚認識到各章節之間、各知識點之間的聯系，在學習過程中做到舉一反三，互相遷移，融會貫通[5]。眾所周知，思維導圖形象有趣的信息、豐富的線條和鮮明的色彩能夠激發學生學習動機和提高學生學習興趣，同時其具有組織化與概括化的特點，便于學生總結與復習。這種知識結構體系的建構方法，使教師可以在上新課之前點明新知識點與舊知識點之間的關系，也可以在上復習課的時候引導學生構建整個知識模塊的思維導圖。筆者根據學院環境工程專業學生學習本課程的情況對熱力學三大定律及相關知識點構建了思維導圖片段（見圖1）。筆者認為，對于化學熱力學知識思維導圖的構建，最好是通過學生學習后自主構建、教師啟發引導、學生再次修改完成等多步驟來完成。對于知識框架的構建，應盡量在教學的過程中逐步添加完善，甚至是重構，最終在這部分內容完成后形成清晰的、完整的網絡知識框架。

通過思維導圖構建起清晰的知識框架，及時歸納、總結、對比，讓學生時刻明白“我正在學什么”“我已經學了什么”“我即將學什么”。例如，在講解完熱力學第一定律表達式△U=Q+W后，由于前面已經涉及一些簡單的體積功的計算，因而很自然地引出熱量Q的相關計算這一內容，從而開始涉及熱容、恒壓熱、恒容熱、焓變等相關知識點的教學。

（五）適當結合專業特點或前沿熱點進行講解

在化學熱力學課程教學的過程中，既要在課程標準的要求下針對教學目標夯實理論基礎，也要適當結合專業特點或者前沿熱點知識進行講解。其意義不僅僅在于加強學生對相關知識點的理解，還在于進一步提高學生的專業認知水平，培養學生的學科素養，讓學生體會到基礎學科、基礎理論知識的重要性，引導學生用最基本的理論知識一步步解決專業問題或者前沿熱點問題。以環境工程專業為例，吸附在環境相關專業課程以及前沿研究領域中一直是熱點的話題。在進行化學熱力學中Gibbs公式（△G = △H－T△S）這一知識點的講解時，結合Gibbs公式對吸附過程吸附熱力學的分析，可以很好地理解溫度等因素對吸附去除效率的影響，通過△G、△S數值的分析可以很好地分析目標污染物和吸附劑之間的表界面行為。例如，李穎華等人結合Gibbs公式就磷礦渣對Cd（II）的吸附熱力學行為進行了分析[6]。ΔGθ 為負值說明吸附過程是自發的，隨著溫度升高，ΔGθ的絕對值增大，說明溫度的升高有利于吸附。ΔHθ 為正值表明吸附過程是吸熱的。這與溫度升高有利于吸附的實驗結果一致。ΔSθ 為正值表明吸附增加了溶液系統的自由度，Cd（II）比較容易吸附在磷礦渣的固體／溶液界面。白書立等人采用類似的方法對ZIF-8吸附廢水中羅丹明B熱力學行為進行了分析[7]。此外，在進行環境影響評價的過程中，依據熵判據、反應進行的限度等熱力學知識可以對廢棄物回收利用和防治污染的方案、設施和主要工藝提供科學依據[8]。

（六）完善考核方式，達成培養目標

在考核過程中，不考核學生對化學熱力學公式的死記硬背，甚至在考試中提供部分公式，更多地考查學生是否明白公式的適用條件，以及應用公式解決問題的能力。此外，考核內容應更具有針對性，與專業特點相結合，增加綜合性題目的考核，注重學生將化學熱力學作為一種理論工具來分析和解決實際問題的能力。

四、總結

化學熱力學教學模塊具有自身突出的特點，在物理化學的課程教學過程中，應緊密結合這些特點，突破在教學過程中遇到的壁壘，在教學實施前期結合專業特點以及后續開設課程的內容對化學熱力學的教學內容進行甄選和優化；在教學過程中利用思維導圖構建清晰的知識框架，強調基本概念和基本定律的適用條件，并緊密結合專業特點進行講解，在考核階段以培養學生利用化學熱力學公式或定律分析問題、解決問題的能力為主。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 萬洪文，詹正坤.物理化學[M].第2版.北京：高等教育出版社，2010.

[2］ 戴樹桂.環境化學[M].第2版.北京：高等教育出版社，2006.

[3］ 胡洪營.環境工程原理[M].第3版.北京：高等教育出版社，2015.

[4］ 王小兵，盧文貫，任健敏.無機化學和物理化學課程整合與優化初步探討：以環境工程專業為例[J].大學化學，2014，29（2）：23-25.

[5］ 宗麗娜，王向鵬，鄭云香. 基于OBE理念的應用型本科高校物理化學課程考核模式的改革與實踐[J]. 化學教育，2020，41（14）：14-19.

[6］ 李穎華，余瑞，王柳楊，等. 磷礦渣對水溶液中Cd（II）的吸附性能研究[J]. 三峽大學學報（自然科學版），2020，42（4）：106-112.

[7］ 白書立，陳凱，李換英，等. ZIF-8吸附羅丹明B模擬廢水熱力學和動力學研究[J]. 河南師范大學學報（自然科學版），2020，48（4）：73-77.

[8］ 龍庚. 化學熱力學在環境影響評價中的應用[J].環境保護， 1997（1）：35.

［責任編輯：張 雷］