物理化學(xué)課程中化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革研究

＊張健康

（西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院 生物與催化交叉研究中心 陜西 710072）

1.引言

物理化學(xué)是化學(xué)、化工、材料、能源、生物、醫(yī)學(xué)等專業(yè)本科生的基礎(chǔ)必修或選修課程[1-5]。該課程是借助物理和數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，探索化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中變化規(guī)律的一門重要課程[1-5]。同時(shí)，該課程涉及的知識(shí)面較廣，如物理學(xué)知識(shí)（如熱力學(xué)第一到第三定律、典型的熱、功、熵等概念）、數(shù)學(xué)知識(shí)（微積分知識(shí)）、材料學(xué)知識(shí)、光/電化學(xué)知識(shí)等。因此，從知識(shí)面涉及層次上講，物理化學(xué)又是一門典型的多學(xué)科交叉課程。通過(guò)介紹化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化劑及催化化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)等內(nèi)容，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度探究化學(xué)反應(yīng)變化的基本規(guī)律。學(xué)習(xí)好物理化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，不僅可以提升學(xué)生的理論知識(shí)高度，并且有助于其運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決科學(xué)研究和生活生產(chǎn)中的相關(guān)問(wèn)題。

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是物理化學(xué)課程的重要組成部分，而工業(yè)上大約90%的化學(xué)反應(yīng)都是在催化劑的存在下才能夠有效的進(jìn)行。因此，老師系統(tǒng)的講授、學(xué)生有效的掌握催化化學(xué)動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)尤為必要。該部分課程推導(dǎo)公式偏多且有點(diǎn)晦澀難懂，上課時(shí)稍不注意學(xué)生就可能跟不上老師的思路。基于我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，我們提出相關(guān)的教學(xué)改革模式，重點(diǎn)從以下方面入手：增加簡(jiǎn)單反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)及活化能的測(cè)定實(shí)驗(yàn)并增加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握及運(yùn)用能力；在教學(xué)課堂上，有機(jī)融合相關(guān)趣味且富有教育性的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)故事，以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)部分在教學(xué)中存在的問(wèn)題

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)部分課程公式偏多，具有一定的抽象性，且需要用到高等數(shù)學(xué)的微積分等知識(shí)，學(xué)生稍不留神就有可能跟不上老師的思路，進(jìn)而產(chǎn)生乏味甚至擺爛的心里。加之現(xiàn)在很多老師采用多媒體教學(xué)，如果學(xué)生不注重筆記的話很容易跟不上節(jié)奏。通過(guò)課后作業(yè)練習(xí)確實(shí)可加深對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)、活化能等重要知識(shí)點(diǎn)的掌握，但要深入理解這些重要知識(shí)點(diǎn)并加以運(yùn)用單靠這些習(xí)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橛行W(xué)生在一定程度上是為了完成作業(yè)或考試而做題，沒(méi)有進(jìn)行深入的思考，當(dāng)然對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)的深刻掌握及靈活運(yùn)用也就無(wú)從談起。另外，很多學(xué)生尚未走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)習(xí)題中涉及的實(shí)驗(yàn)儀器如色譜、紫外-可見吸收光譜等儀器的原理及使用也并不熟悉。因此，在講授反應(yīng)速率常數(shù)、反應(yīng)級(jí)數(shù)及活化能測(cè)定的過(guò)程中，學(xué)生就覺得這些知識(shí)很抽象甚至乏味。尤其是當(dāng)前各個(gè)高校都非常注重大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，因此在該部分增加相關(guān)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)尤為必要。

3.教學(xué)方式及方法改革

首先，讓學(xué)生了解這部分內(nèi)容的重要性，可以說(shuō)該部分是物理化學(xué)課程的核心，端正學(xué)習(xí)態(tài)度尤為重要。學(xué)習(xí)好該部分知識(shí)，對(duì)于學(xué)生今后的深造（考研）或從事科研或相關(guān)專業(yè)工作是非常有幫助的。再者，從教學(xué)方法、方式上進(jìn)行改革也是非常必要的。適當(dāng)?shù)恼n堂導(dǎo)入并積極鼓勵(lì)學(xué)生參與課堂可增強(qiáng)學(xué)生的歸屬感，激發(fā)學(xué)生興趣；同時(shí)，采用多種教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合、引用經(jīng)典或最新的科研實(shí)例、恰當(dāng)講好化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)故事可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握及對(duì)科研的興趣。

(1)改進(jìn)教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生參與

傳統(tǒng)教學(xué)板書法毫無(wú)疑問(wèn)是經(jīng)典的，但也存在板書耗時(shí)、板面有限的弊端。例如，教師在推導(dǎo)公式的過(guò)程中，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，但如果將公式的推導(dǎo)過(guò)程在PPT上展示可節(jié)省公式推導(dǎo)的時(shí)間，教師可將節(jié)省的時(shí)間用于解釋公式推導(dǎo)的原理及其應(yīng)用場(chǎng)景等。此時(shí)多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)就很明顯了。但重要的公式及其結(jié)論以板書的形式展現(xiàn)有助于學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的掌握。因此，采用多媒體和傳統(tǒng)板書相結(jié)合的教學(xué)方式無(wú)疑是非常必要的。

傳統(tǒng)課堂上，教師一味地講授，學(xué)生不停地接受，這種模式很容易使學(xué)生產(chǎn)生疲倦的心里。重視課堂導(dǎo)入比如從某位化學(xué)科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)開始，切入相關(guān)內(nèi)容，可激發(fā)學(xué)生興趣。改進(jìn)教學(xué)方法，鼓勵(lì)學(xué)生參與：開展小組調(diào)研與討論，甚至課堂翻轉(zhuǎn)。讓學(xué)生調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)，了解本領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)，考察學(xué)生查閱、調(diào)研、閱讀歸納文獻(xiàn)的能力，就某一專題（催化劑的制備、反應(yīng)級(jí)數(shù)和活化能的求算）開展討論甚至演講，加大對(duì)學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)表現(xiàn)考核力度及提高平時(shí)成績(jī)的比例（因?yàn)閭鹘y(tǒng)的卷面考試不能更好地反應(yīng)出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握及應(yīng)用程度，有些高分甚至是考前突擊的結(jié)果）。此時(shí)，角色轉(zhuǎn)變由學(xué)生變老師，學(xué)習(xí)過(guò)程由被動(dòng)變主動(dòng)，學(xué)生的心態(tài)和積極性是不一樣的。在我們的課題翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，有些本科生對(duì)ppt制作及研究?jī)?nèi)容的解析程度不亞于研究生的水平，這也充分說(shuō)明這一實(shí)踐過(guò)程確實(shí)可調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。因此，改進(jìn)教學(xué)方法，真正的使學(xué)生參與課堂會(huì)有意想不到的效果。

(2)課程內(nèi)容與科研成果相結(jié)合

課程內(nèi)容教學(xué)與教師的科研成果是相輔相成、相互促進(jìn)的。在講授課程基本內(nèi)容的同時(shí)，引入經(jīng)典或最新的相關(guān)研究成果，可啟發(fā)學(xué)生的對(duì)課程學(xué)習(xí)及科研的興趣；尤其是所講授的實(shí)例是教師自己的成果，學(xué)生會(huì)由衷的敬佩老師，后面更有可能積極參與課程實(shí)驗(yàn)及并加入教師的科研團(tuán)隊(duì)。在課堂中講授反應(yīng)級(jí)數(shù)及反應(yīng)的活化能（Ea）的測(cè)定時(shí)候，學(xué)生普遍感到比較抽象且晦澀。如果引入相應(yīng)的科研案例，例如，以催化氨硼烷（Ammonia Borane，AB）水解制氫反應(yīng)為案例（圖1），探究相應(yīng)催化劑對(duì)該反應(yīng)的活化能及反應(yīng)分級(jí)數(shù)，將會(huì)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。對(duì)于AB的水解制氫反應(yīng)，選擇合適的催化劑，在室溫條件下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該反應(yīng)的高效進(jìn)行[6-12]。以典型的Pt基催化劑（碳納米管負(fù)載的Pt及PtNi單/雙金屬催化劑，圖2）為例，該催化劑對(duì)催化AB水解制氫具有優(yōu)異的催化性能，室溫條件下5min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)H2的完全釋放[6]。我們通過(guò)改變反應(yīng)溫度亦可得到不同溫度下的反應(yīng)速率；類似地，根據(jù)經(jīng)典的阿累尼烏斯公式以lnk對(duì)1/T擬合作圖（Origin等軟件擬合），即可得到相應(yīng)的斜率和截距，然后將所得斜率乘以R值即8.134J·mol-1·K-1即可得到相應(yīng)活化能的數(shù)值。通過(guò)對(duì)比不同催化劑的Ea值，可從動(dòng)力學(xué)上定量的比較不同催化劑的性能；相應(yīng)地，截距就對(duì)應(yīng)于指前因子的ln對(duì)數(shù)，即lnA；再結(jié)合其他表征數(shù)據(jù)綜合分析來(lái)確定催化反應(yīng)的機(jī)理。另外，通過(guò)改變AB的濃度來(lái)觀測(cè)反應(yīng)速率的變化，然后以lnk對(duì)ln[AB]作圖，通過(guò)Origin等軟件擬合可得到相應(yīng)的直線方程及直線斜率等參數(shù)。此時(shí)，斜率所對(duì)應(yīng)的數(shù)值就是對(duì)AB反應(yīng)物的分級(jí)數(shù)（一般認(rèn)為是接近于零級(jí)反應(yīng)，亦即與AB的濃度幾乎無(wú)關(guān)）。該反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單（排水集氣法）、安全且在室溫條件下即可完成實(shí)驗(yàn)。因此，以此實(shí)驗(yàn)為案例，講授完課堂知識(shí)，可適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)（建議2個(gè)課時(shí)），以考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握能力、運(yùn)用能力及動(dòng)手能力，并可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研的興趣。

圖1 氨硼烷分子的結(jié)構(gòu)式及其水解制氫的反應(yīng)式

教師的科研和教學(xué)是相輔相成、相互促進(jìn)的，在課堂上恰當(dāng)引入教師的科研成果，不僅可以提升教師的成就感，也可使同學(xué)們加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，并了解相關(guān)領(lǐng)域最新的研究動(dòng)態(tài)；若學(xué)生對(duì)教師的研究方向感興趣，亦會(huì)可能加入教師的團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等項(xiàng)目或繼續(xù)深造讀研，這對(duì)于教師和學(xué)生都是互利雙贏的。因此，教師將課程內(nèi)容與科研成果相結(jié)合是一種切實(shí)可行的教學(xué)模式。

4.結(jié)語(yǔ)

物理化學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)且具有一定交叉性的課程。對(duì)諸多專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)學(xué)習(xí)好物理化學(xué)知識(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)歸屬感和認(rèn)同感，對(duì)其相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)起到承上啟下的作用。在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)部分，通過(guò)恰當(dāng)?shù)恼n堂導(dǎo)入有趣且富有教育性的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)故事，在適當(dāng)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置小組討論甚至課堂翻轉(zhuǎn)，可增強(qiáng)學(xué)生的主人翁意識(shí)并提高其積極性；選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)（如催化氨硼烷水解制氫反應(yīng)）并設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)、活化能等重要知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握能力，并可提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。通過(guò)教學(xué)改革與實(shí)踐，提高學(xué)生運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及創(chuàng)新實(shí)踐能力，以取得良好的教書育人成效。