少數(shù)民族地區(qū)大學(xué)化學(xué)熱力學(xué)部分的教與學(xué)

燕 音，阿里木江·艾拜都拉，帕提曼·尼扎木丁

(1 喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844006；2 新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

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少數(shù)民族地區(qū)大學(xué)化學(xué)熱力學(xué)部分的教與學(xué)

燕 音1，阿里木江·艾拜都拉1，帕提曼·尼扎木丁2

(1 喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844006；2 新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

以喀什大學(xué)為例，從化學(xué)專業(yè)本科民、漢族學(xué)生學(xué)習(xí)《物理化學(xué)》課程過程中，化學(xué)熱力學(xué)部分的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題出發(fā)，分析問題產(chǎn)生的原因。針對存在的問題，在教學(xué)中結(jié)合學(xué)生生活中的實(shí)例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)采取模塊化教學(xué)，歸納整理了化學(xué)熱力學(xué)中理想氣體、相變和化學(xué)反應(yīng)各個(gè)過程適用的公式，便于教學(xué)過程中學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解，取得了一定的教學(xué)效果。

喀什大學(xué)；化學(xué)熱力學(xué)；理想氣體；相變；化學(xué)反應(yīng)；公式

物理化學(xué)作為四大化學(xué)之一，是高校諸多化學(xué)及相關(guān)專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它橫跨數(shù)、理、化三大學(xué)科，是化學(xué)和物理學(xué)的交叉邊緣學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的時(shí)候，既要學(xué)習(xí)涉及化工過程和開發(fā)新過程的必備知識(shí)，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)，又要學(xué)習(xí)分析、歸納、演繹、推理等科學(xué)方法，獲得數(shù)學(xué)運(yùn)算、圖解分析和實(shí)驗(yàn)操作的嚴(yán)格訓(xùn)練[1]。物理化學(xué)課程理論性強(qiáng)，概念抽象，公式多且有其特定的使用條件，教與學(xué)的難度都非常大?；瘜W(xué)熱力學(xué)是物理化學(xué)中最早發(fā)展起來的一個(gè)分支學(xué)科, 構(gòu)成物理化學(xué)的三大理論支柱之一[2]。目前，本科物理化學(xué)教材中化學(xué)熱力學(xué)部分所占比重較大，在歷年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對這部分知識(shí)的掌握并理想，究其原因，重要的一條是這部分內(nèi)容公式多、狀態(tài)多，并且各公式之間互相聯(lián)系十分類似，因而記憶時(shí)特別容易混淆，從而導(dǎo)致理解和應(yīng)用的障礙。

本文以地處祖國邊陲的喀什大學(xué)化學(xué)專業(yè)為例，分析少數(shù)民族地區(qū)物理化學(xué)課程中化學(xué)熱力學(xué)部分的教學(xué)現(xiàn)狀及問題，分析原因，為了在教學(xué)中讓學(xué)生對不同過程適用公式有較為清晰地認(rèn)識(shí)和理解，本文從教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，針對不同的熱力學(xué)過程，總結(jié)了各過程適用的公式，取得了較好的教學(xué)效果。

1 化學(xué)熱力學(xué)部分教學(xué)的現(xiàn)狀和問題

1.1 學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱

喀什大學(xué)位于新疆喀什市，前身為喀什師范學(xué)院，是一所民漢合校、以少數(shù)民族學(xué)生為主的高校，生源主要來自邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村，錄取分?jǐn)?shù)線遠(yuǎn)低于其他兄弟院校。鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村學(xué)校師資力量薄弱，造成學(xué)生對化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，既不夠扎實(shí)又缺乏一定的系統(tǒng)性和完整性。同時(shí)，沒有養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，進(jìn)入大學(xué)后，雖然對無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等課程進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，但是由于基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固，部分學(xué)生畏難怕險(xiǎn)，對物理化學(xué)課程心存恐懼。

1.2 化學(xué)熱力學(xué)部分難度大，易混淆

物理化學(xué)課程使用國家級規(guī)劃教材南京大學(xué)傅獻(xiàn)彩等編著的《物理化學(xué)》第五版教材，對少數(shù)民族學(xué)生施行全面漢語授課，由于物理化學(xué)課程獨(dú)具典型的學(xué)科特點(diǎn)，加之學(xué)生漢語基礎(chǔ)差，學(xué)科基礎(chǔ)較薄弱，使部分學(xué)生感到學(xué)習(xí)困難。同時(shí)，熱力學(xué)部分是公認(rèn)的物理化學(xué)課程中難學(xué)的部分，一是對熱力學(xué)的一些概念和理論感到難于理解；二是對熱力學(xué)理論精髓的把握，尤其是對各種熱力學(xué)條件下熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算及其應(yīng)用的把握朦朦朧朧[3]，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)了一段時(shí)間化學(xué)熱力學(xué)內(nèi)容后反映：課堂講授內(nèi)容都能聽懂，但課下學(xué)習(xí)比較吃力，對理論知識(shí)的理解似是而非，很多同學(xué)無法單獨(dú)完成課后習(xí)題。

2 化學(xué)熱力學(xué)部分教學(xué)改革的措施和實(shí)施

2.1 樹立學(xué)習(xí)信心，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，喚醒學(xué)生的求知欲，是保證物理化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素[4]。學(xué)不好物理化學(xué)的原因主要是學(xué)習(xí)態(tài)度不端正、學(xué)習(xí)方法不當(dāng)或付出的努力不夠造成的。通過引導(dǎo)和鼓勵(lì)，使學(xué)生消除畏難心理，樹立起學(xué)好物理化學(xué)的信心。在教學(xué)過程中，結(jié)合新疆本地特色，精心設(shè)問，大膽類比，通過通俗易懂的例證，讓學(xué)生輕松掌握理論知識(shí)的同時(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣。例如在解釋“因?yàn)棣=QV, ΔH=Qp,所以QV、Qp是特定條件下的狀態(tài)函數(shù)”[5]時(shí)，給學(xué)生舉例：十個(gè)甜瓜和十個(gè)西瓜，數(shù)值相等，并且都是瓜，但能不能說甜瓜就是西瓜呢？通過這個(gè)淺顯易懂的類比讓學(xué)生理解ΔU與QV，ΔH與Qp只是數(shù)值相等而本質(zhì)不同，所以QV、Qp不是特定條件下的狀態(tài)函數(shù)。解釋熱力學(xué)第三定律[5]：“在0 K時(shí)，任何完整晶體的熵等于零?！睘榱吮阌趯W(xué)生理解完整晶體，先復(fù)習(xí)熵的概念：熵是體系混亂度的量度，熵值小的狀態(tài)對應(yīng)比較有序的狀態(tài)；熵值大的狀態(tài)對應(yīng)比較混亂的狀態(tài)。設(shè)問：熵等于零的狀態(tài)是什么樣的狀態(tài)呢？非常有序的狀態(tài)。進(jìn)一步例證非常有序的狀態(tài)：星球大戰(zhàn)電影中大批機(jī)器人出廠的場景，每個(gè)機(jī)器人都長得一樣，相鄰機(jī)器人之間的間隔都一樣，從任何角度看機(jī)器人排列都非常整齊。通過設(shè)問、例證加深學(xué)生對熵的統(tǒng)計(jì)意義和熱力學(xué)第三定律的理解。

2.2 采用模塊式教學(xué)法，幫助學(xué)生理順知識(shí)脈絡(luò)

模塊式教學(xué)法主要是通過從點(diǎn)到面的網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)模塊的建立過程，來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。該法不僅適合新課內(nèi)容的教學(xué)，也特別適合知識(shí)點(diǎn)歸納、章節(jié)復(fù)習(xí)及課程的系統(tǒng)復(fù)習(xí)[6]。如學(xué)習(xí)完有關(guān)熱力學(xué)函數(shù)的計(jì)算時(shí)，針對學(xué)生對各個(gè)熱力學(xué)過程界定不清，公式適用范圍混亂問題，可分別歸納出各種熱力學(xué)函數(shù)如體積功等的求算途徑、使用的公式以及它們之間的定量關(guān)系。本文將熱力學(xué)第一定律和第二定律部分中涉及的熱力學(xué)過程主要分為：理想氣體過程、相變過程和化學(xué)反應(yīng)過程，在這三大類基本過程的基礎(chǔ)上，將不同的過程條件下由熱力學(xué)基本公式派生出的熱力學(xué)公式進(jìn)行分類[5,7-8]。

2.2.1 理想氣體過程

將理想氣體物理狀態(tài)變化過程分為等溫過程、等壓或等容的變溫過程及絕熱過程三個(gè)一級過程，每個(gè)一級過程又分為幾個(gè)相應(yīng)的二級過程，見表1。

表1 理想氣體相關(guān)過程公式

續(xù)表1

絕熱過程(一般為p、T、V三個(gè)量都變)Q=0W=ΔU=nCVm(T2-T1)ΔH=nCpm(T2-T1)=ΔU+Δ(pV)=ΔU+nRΔT絕熱可逆過程γ=Cp/Cv,pVγ=常數(shù),p1-γTγ=常數(shù),TVγ-1=常數(shù),ΔS=QRT=0W=ΔU=nRγ-1(T2-T1)=nCVm(T2-T1)ΔH=nCpm(T2-T1)=ΔU+nRΔTΔG=ΔH-nSθm(T2-T1),ΔA=ΔU-nSθm(T2-T1)等外壓絕熱不可逆過程ΔH=0W=-p外(V2-V1)=nCVm(T2-T1)ΔS=nCVmlnT2T1+RTlnV2V1=nCpmlnT2T1+RTlnp2p1絕熱自由膨脹(不可逆)Q=0,W=0 ∴ΔU=0 ∴T不變 ∴ΔH=0 ∴此過程與等溫自由膨脹相同

從相同始態(tài)經(jīng)等溫可逆膨脹、自由膨脹、恒外壓等溫膨脹、絕熱自由膨脹至相同外壓(或體積)可達(dá)到相同的終態(tài)，所有狀態(tài)函數(shù)的改變量相同，所以公式ΔG=ΔH-(T2S2-T1S1) 、ΔA=ΔU-(T2S2-T1S1)用得較少。

2.2.2 相變過程

相變過程一般在等溫等壓的條件下進(jìn)行，可把相變過程分為可逆相變(即在融沸點(diǎn)等正常相變點(diǎn)發(fā)生的相變過程)及不可逆相變，見表2。

表2 相變過程相關(guān)公式

等壓條件下發(fā)生的不可逆相變的計(jì)算也可以推廣到任何不可逆相變，通過設(shè)計(jì)過程的思路，將之與相關(guān)可逆相變建立聯(lián)系，將一個(gè)不可逆過程拆分成若干簡單過程，分別進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3 化學(xué)反應(yīng)過程

化學(xué)反應(yīng)過程分為298K、pθ下化學(xué)反應(yīng)過程、pθ、任意溫度下等溫反應(yīng)過程及pθ、非等溫反應(yīng)過程，見表3。

表3 化學(xué)反應(yīng)過程相關(guān)公式

表3首先介紹了如何計(jì)算298K、pθ下化學(xué)反應(yīng)過程中相關(guān)狀態(tài)函數(shù)，繼而推廣到pθ、任意溫度下等溫反應(yīng)狀態(tài)函數(shù)計(jì)算，學(xué)生在學(xué)會(huì)這兩個(gè)過程相關(guān)計(jì)算的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行推廣至pθ、非等溫反應(yīng)。表2及表3體現(xiàn)了學(xué)習(xí)物理化學(xué)過程中，一個(gè)非常重要的處理熱力學(xué)問題的能力——設(shè)計(jì)過程。

3 教學(xué)改革的幾點(diǎn)成效

通過上述措施和對策的實(shí)施，感到學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有了明顯的提高，教學(xué)效果有了明顯改善，學(xué)生的專業(yè)知識(shí)較之前扎實(shí)了。歷年物理化學(xué)理論課程教學(xué)過程中，在進(jìn)行熱力學(xué)學(xué)習(xí)之前就將該表格發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸認(rèn)識(shí)不同的過程及適用公式，對理解不同過程和明確公式使用條件有一定的輔助作用，受到了學(xué)生的好評，在為學(xué)生以后其它課程的學(xué)習(xí)奠定了良好基礎(chǔ)。近幾年，喀什大學(xué)化學(xué)專業(yè)民、漢班級物理化學(xué)上冊期末考試成績合格率均在90%以上，優(yōu)秀率達(dá)10%。

4 結(jié) 語

作為一名物理化學(xué)教師，應(yīng)當(dāng)積極思考如何在物理化學(xué)教學(xué)寓教于樂，注重思維方法、學(xué)習(xí)方法的傳授，不斷提高自身素質(zhì)，積極挖掘課程資源，鉆研教材；平時(shí)應(yīng)注意搜集素材，在適當(dāng)時(shí)候在課堂上引入生產(chǎn)生活實(shí)例或?qū)W科前沿，通過設(shè)問、類比等方法，運(yùn)用生動(dòng)的語言，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問題能力，提高課堂教學(xué)效果。

[1] 胡愛珠,楊建平,仇丹,等.培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的物理化學(xué)教學(xué)探討[J]. 寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012,24(2):97-100.

[2] A G Whittakerm, A R Mount, M R Heal.Physical Chemistry[M].Bios Scientific Publishers Limited, 2001: 27.

[3] 劉光燦. 物理化學(xué)中化學(xué)熱力學(xué)的教與學(xué)[J]. 中國校外教育,2011(12):174-175.

[4] 湯宏偉,鄭立慶,白建峰. 物理化學(xué)教學(xué)中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的幾點(diǎn)嘗試[J]. 安陽工學(xué)院學(xué)報(bào),2010(04):103-104.

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Teaching Reform and Practical Exploration in Chemical Thermodynamics of Physical Chemistry Course in Ethnic Minority Area University

YANYin1,ALIMUJIANAbaydulla1,PATIMANizamidin2

(1 College of Chemistry and Environmental Science, Kashgar University, Xinjiang Kashgar 844006; 2 College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinjiang University, Xinjiang Urumqi 830046, China)

The problems existing in chemical thermodynamics teaching of physical chemistry course of Kashgar University were analyzed, and how to reform it was discussed in several aspects. In view of the existing problems, the practical examples in the progress of teaching were combined to improve students’ interest in learning.At the same time, adopted modular teaching and all related formulae in the ideal gas, phase transformation and chemical reaction process were summarized, hoped it will be convenient for students to comprehensive and grip.

Kashgar University; chemical thermodynamics; ideal gas; phase transformation; chemical reaction; formulae

燕音(1979-)，女，講師，主要從事物理化學(xué)教育。

O642.1

A

1001-9677(2016)021-0162-04