因材施教理念下的“物理化學實驗”設(shè)計
——以“過氧化氫分解反應(yīng)”為例*

劉志凌

(山西師范大學 化學與材料科學學院，山西 太原 030031)

“物理化學實驗”是物理化學理論課程不可或缺的實踐、補充、拓展環(huán)節(jié)。山西師范大學的物理化學實驗課程同時面向校本部的化學、材料化學、食品科學與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)和二校區(qū)山西師范大學現(xiàn)代文理學院獨立學院的化學、生物科學和食品科學與工程等專業(yè)開設(shè)。基于學校多元化招生生源的背景[1]，堅持因材施教的原則，進行物理化學實驗設(shè)計。本文選取化學動力學實驗之一——過氧化氫分解反應(yīng)實驗設(shè)計為例，淺淡物理化學實驗教學中的因材施教。

1 物理化學實驗因材施教的必要性

“物理化學實驗”課程是物理化理論課程的重要延伸，它利用光、電、熱、磁等物理手段與技術(shù)，研究物質(zhì)的物理性質(zhì)及其與化學變化之間的關(guān)系，涵蓋了化學熱力學基礎(chǔ)、電化學、化學動力學基礎(chǔ)、表面化學和結(jié)構(gòu)化學等相關(guān)理論和實驗操作。這些物理化學知識結(jié)構(gòu)的學習要求學生要有一定的理論基礎(chǔ)，先修諸如“無機化學”等課程。我們學校的“物理化學實驗”課程是同時面向校本部化學、材料化學、食品科學與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)和二校區(qū)山西師范大學現(xiàn)代文理學院獨立學院化學、生物科學和食品科學與工程等專業(yè)開設(shè)。不同專業(yè)的學生生源結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜多元化，其學習能力和知識基礎(chǔ)也彼此不同。例如，校本部的化學專業(yè)是按一本批次招生，學生的化學、物理、數(shù)學基礎(chǔ)相對牢固；材料化學、食品科學與工程、食品質(zhì)量與安全等專業(yè)是按老二本批次錄取的，不同專業(yè)學生的錄取分數(shù)各不相同，學生層次參差不齊；作為獨立學院的二校區(qū)，其化學、生物科學和食品科學與工程等專業(yè)按老三本批次招生的，部分學生是?？粕究疲瑢W生的素質(zhì)參差不齊，學習和認知能力都存在差異性，化學基礎(chǔ)不是非常勞固。此外，人才培養(yǎng)方案因?qū)I(yè)不同而各不相同，教學安排也一樣有區(qū)別?；瘜W和材料化學專業(yè)的先修課程如“無機化學”、“分析化學”、“有機化學”、“物理化學”的講授系統(tǒng)、完整，其中“無機化學”、“有機化學”和“物理化學”是兩學期授課，所以這幾個專業(yè)的物理化學實驗課程開設(shè)在二年級的下學期和三年級的上學期。其它專業(yè)的“無機化學”、“分析化學”、“有機化學”等基礎(chǔ)知識授課相對淺顯，其中無機化學和分析化學合并成一門“無機及分析化學”課程，與“有機化學”一起安排在大一上學期，而“物理化學”理論課程安排在大一下學期，課時十分有限。先修課程不同的教學安排也一定程度上造成了不同學院、不同專業(yè)的學生個體差異。

面對不同的授課對象因材施教，是全方位解決多元化生源、分層教學、差異教學的必然趨勢[2]。掌握不同學生的理論知識水平和學習需求，針對性的物理化學實驗項目設(shè)計，有助于鼓舞學生積極參與實驗的自學性，提高學生靈活運用知識的技能，增強學生發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題的能力。物理化學實驗涵蓋的實驗項目較多，涉及的原理和方法各不相同，實驗設(shè)計自然要求也各不相同。過氧化氫的分解是一個經(jīng)典的化學反應(yīng)，是學生中學時代就已經(jīng)接觸學習的內(nèi)容[3]。研究過氧化氫的催化分解反應(yīng)對提高其利用、改善催化活性等具有非常重要的意義。本文以過氧化氫的分解為例，闡述因材施教原則下，由淺入深，由簡單到綜合，分層次設(shè)計為驗證性實驗、定量實驗、綜合實驗，以適應(yīng)不同專業(yè)特點的學生，不同的教學課時安排[4]。

2 過氧化氫分解反應(yīng)之實驗設(shè)計

2.1 驗證性實驗

室溫時，沒有催化劑存在時過氧化氫分解反應(yīng)進行得很慢，但加入催化劑后會加速分解。這涉及物理化學中催化劑的作用，外界條件對化學反應(yīng)變化的影響等知識，據(jù)此可以將此反應(yīng)設(shè)計成一個驗證性實驗，觀察催化劑的作用，驗證反應(yīng)速率變化的規(guī)律，適合化學基礎(chǔ)相對薄弱的學生，如非化學類專業(yè)的學生，主要是二校區(qū)非化學類專業(yè)的學生，化學基礎(chǔ)薄弱，教學要求主要是了解化學反應(yīng)動力學的基本原理。

過氧化氫分解釋放出氧氣，通過排水法可以測量釋放其體積，其中體積的改變定性地反映了反應(yīng)速率的變化。基于此，可以設(shè)計實驗裝置用于演示過氧化氫的分解動力學。如圖1所示。

圖1 實驗演示裝置

首先將一定量的過氧化氫溶液放入錐形瓶中，開口用接有玻璃管的橡膠塞密封，玻璃管連接至一個倒扣在水槽中內(nèi)充滿水的量筒。實驗開始時，稱量一定量的二氧化錳粉末倒入錐形瓶中并迅速用手搖動，或用電磁攪拌器攪拌，產(chǎn)生的氧氣將量筒的水排擠出來。觀察體積變化趨勢，可以定性地驗證分解反應(yīng)速率的變化。同時安排一個對照實驗，保持其它條件不變，體系不添加催化劑，對比觀察排水體積的變化，可以驗證催化劑加速反應(yīng)的作用。此外，通過水浴加熱錐形瓶加快反應(yīng)速率，亦可以驗證溫度調(diào)節(jié)反應(yīng)速率的作用。反應(yīng)完全后將催化劑分離、干燥、稱重，可以驗證催化劑的質(zhì)量在反應(yīng)前后是否不變。如果每隔一定時間讀取量筒氣體的體積，亦可改造成半定量實驗，按照下述定量實驗的數(shù)據(jù)處理方法，求算此反應(yīng)的速率常數(shù)。進一步的，測量不同溫度下反應(yīng)的速率常數(shù)，亦可求算反應(yīng)的活化能。雖然數(shù)值與下述定量實驗的結(jié)果有偏差，但數(shù)量級大致相同。通過驗證性實驗，讓學生對化學動力學的原理，催化劑和化學反應(yīng)的特點有著基本的認識。

2.2 定量實驗

結(jié)合物理化學理論知識，將雙氧水分解反應(yīng)設(shè)計為定量實驗，可以根據(jù)學生的層次，由淺入深地設(shè)計如下兩種定量測定實驗。

1)反應(yīng)速率常數(shù)k的測定

圖2 定量實驗裝置

與演示實驗裝置最大的區(qū)別是改用量氣管測量氣體體積的變化。檢測完裝置氣密性之后，用移液管移取一定量的過氧化氫溶液放入燒瓶或茄形瓶中，貼壁輕輕放入磁攪拌子。把稱量好的二氧化錳粉末加入瓶中，迅速塞緊膠塞，啟動電磁攪拌器立刻開始計時。隨著反應(yīng)的進行，慢慢地移動水準瓶，實現(xiàn)量氣管和水準瓶的液面共平面，每隔一定時間(如2 min)讀取量氣管內(nèi)液面所對應(yīng)的刻度一次，得到任一反應(yīng)時間t所對應(yīng)的氧氣體積Vt，重復(fù)至 30 min 為止。記錄下量氣管的溫度和當時的大氣壓。相同溫度下重復(fù)操作三次，得到三組Vt。

此類實驗適合于一校區(qū)非化學類學生，他們?nèi)雽W時的基本功底相對好一些，但先修課程相對精減，可以鍛煉學生文獻調(diào)研、數(shù)據(jù)處理和實驗報告撰寫的能力。

2)反應(yīng)活化能Ea的測定

基于上述的定量實驗裝置，稍作改進，可以進一步測量反應(yīng)的活化能。將上述裝置的燒瓶改為恒溫反應(yīng)器。利用超級恒溫槽搭建恒溫反應(yīng)器，設(shè)定一個水浴的溫度T1，按上述的步驟操作一遍，記錄數(shù)據(jù)。然后改變水浴溫度為T2，重新操作一遍，記錄數(shù)據(jù)。如此依次采集多個溫度下的數(shù)據(jù)，分別按照反應(yīng)速率測定的方法處理數(shù)據(jù)，可以得到不同溫度下所對應(yīng)的反應(yīng)速率k。最后以lnk對1/T作圖，由直線的斜率即可求得反應(yīng)的活化能Ea。

此類改進的實驗適用于二校區(qū)化學類的專業(yè)。二校區(qū)的化學專業(yè)的學生，接受過系統(tǒng)的“無機化學”、“分析化學”和“有機化學”等先修課程的培訓，通過該定量實驗，可以幫助學生掌握物理化學實驗的基本原理，實驗中驗證及運用理論。

2.3 綜合性實驗

綜合設(shè)計實驗，即涉及了物理化學的原理知識，又涵蓋了分析化學的常用實驗操作。學生查閱資料，設(shè)計思路，可以考察和鍛煉學生的綜合應(yīng)用知識能力、綜合動手操作能力。此類實驗適合一校區(qū)化學類專業(yè)的學生。一校區(qū)化學類專業(yè)的學生系統(tǒng)地學習了“無機化學”、“分析化學”和“有機化學”基礎(chǔ)知識，對其中的基本原理、基本操作都掌握的較好，將過氧化氫分解反應(yīng)設(shè)計成綜合性實驗，有利于綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

針對招生生源的差異性、專業(yè)的差異性和培養(yǎng)目標的差異性，遵循因材施教的理念，充分尊重學生的個體差異性，進行分層次地設(shè)計物理化學實驗項目，以雙氧水分解實驗為例，可以由淺入深地依次設(shè)計為驗證性實驗、定量實驗和綜合性實驗，以適用不同層次的學生。這一方面可以引導(dǎo)學生實驗操作的積極性，另一方面鍛煉學生自主學習的能力，符合學生個性化學習需求，有利于多層次的人才培養(yǎng)模式。