模塊教學(xué)在物理化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

安慶鋒，李 紅

(1 青島理工大學(xué)(臨沂)，山東 費(fèi)縣 273400；2 聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 聊城 252000)

物理化學(xué)作為土木工程專業(yè)工程化學(xué)基礎(chǔ)課程中的有機(jī)組成部分，是研究物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)理論課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握土木工程材料的選擇和使用中所需的化學(xué)基本知識(shí)，并且認(rèn)識(shí)和理解土木工程項(xiàng)目實(shí)施對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響[1]。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不應(yīng)該單純的記公式和計(jì)算，更重要的是通過這門課的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究的態(tài)度，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)在自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告物理化學(xué)卷中指出：實(shí)踐表明，凡是具有較好物理化學(xué)素養(yǎng)的大學(xué)本科畢業(yè)生，適應(yīng)能力強(qiáng)，后勁足，由于有較好的理論基礎(chǔ)，他們?nèi)菀子|類旁通、自學(xué)深造，能較快適應(yīng)工作的變動(dòng)，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國(guó)際科研發(fā)展的前沿[2]。

一直以來，物理化學(xué)是公認(rèn)的教師難教，學(xué)生難學(xué)的一門課。許多教師也探討了一些研究方法，如案例教學(xué)法[3]、小班研討法[4]、驅(qū)動(dòng)教學(xué)法[5]等，但這些方法或者只適用于個(gè)別章節(jié)或者受教學(xué)條件的限制在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn)。如何使學(xué)生在有限的課時(shí)中掌握眾多的公式一直是教師在教學(xué)中探討的問題。本文以體積功的計(jì)算為例，討論了模塊教學(xué)法在物理化學(xué)教學(xué)過程中的重要作用。通過這種教學(xué)方法，可以使學(xué)生分專題掌握眾多內(nèi)容，眾多的公式，尤其是公式的使用條件。學(xué)完熱力學(xué)第一定律之后，把體積功作為一個(gè)專題，一個(gè)模塊單獨(dú)給學(xué)生講解。實(shí)踐證明，熱力學(xué)公式的掌握不能單純的靠死記硬背，必須掌握公式的推導(dǎo)過程，才能做到靈活應(yīng)用公式解決實(shí)際問題。

1 模塊名稱—體積功的計(jì)算

圖1 不同過程體積功計(jì)算總結(jié)

2 不同過程體積功公式的導(dǎo)出

2.1 理想氣體體積功公式的推導(dǎo)

2.1.1 根據(jù)過程特點(diǎn)直接得出結(jié)果的過程

(1)自由膨脹過程：外壓為零的過程稱為自由膨脹過程。因?yàn)镻e=0，所以該過程的W=0。

(2)等容過程：系統(tǒng)在變化過程中保持體積不變，則dV=0，所以W=0。

2.1.2 簡(jiǎn)單推導(dǎo)即可得到公式的過程

(1)等外壓過程：系統(tǒng)在變化過程中外壓保持不變的過程。根據(jù)基本公式有：W=-PeΔV。

2.1.3 帶入狀態(tài)方程式推導(dǎo)的過程

(1)理想氣體等溫可逆過程

(2)絕熱過程

①任何絕熱過程

因?yàn)榻^熱過程中Q=0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有W=ΔU=nCV,m(T2-T1)。由于此公式從絕熱過程的特點(diǎn)入手推導(dǎo)而得，所以無論是可逆還是不可逆，無論是理想氣體還是實(shí)際氣體的絕熱過程都可以用。

②理想氣體絕熱可逆過程[6]

②絕熱不可逆過程

對(duì)于不可逆過程，熱力學(xué)沒有現(xiàn)成的公式。此類過程要借助于(1)中的公式求體積功，關(guān)鍵要求出終態(tài)的溫度T2，而計(jì)算終態(tài)溫度時(shí)絕對(duì)不能用理想氣體可逆過程的狀態(tài)方程式TVγ-1=K1，p1-γTγ=K2等來求。

例：在273 K和1000 kPa時(shí)，取10 dm3理想氣體，在等外壓100 kPa下絕熱不可逆膨脹到終態(tài)壓力為100 kPa。計(jì)算該過程氣體所做的功。已知CV,m=1.5R。

解：此過程為絕熱不可逆過程，體積功的計(jì)算只能從絕熱過程的特點(diǎn)入手，終態(tài)溫度的求法不能用絕熱可逆過程的狀態(tài)方程式計(jì)算，而應(yīng)該通過如下途徑：

因?yàn)檫@是等外壓過程：

又因?yàn)榇藶榻^熱過程W=ΔU=nCV,m(T2-T1)

聯(lián)立兩個(gè)做功的表達(dá)式：

在上述方程中只有T2是未知數(shù)，代入CV,m=1.5R，T1=273K,p1=1000 kPa,p2=100 kPa，解得T2=175 K

W=nCV,m(T2-T1)=4.41 mol×1.5×8.314 J·K-1·mol-1×(175K-273K)=-5.39 kJ

(3)理想氣體多方可逆過程

此過程大部分教材中沒有過多的介紹，它是介于理想氣體等溫可逆和絕熱可逆之間的一個(gè)過程，三個(gè)過程狀態(tài)方程式的比較：

此過程的狀態(tài)方程式和絕熱可逆過程狀態(tài)方程式形式上是一樣的，所以推導(dǎo)過程也相同，體積功的計(jì)算公式形式上也相同。

2.1.4 相變過程

相變過程是熱力學(xué)常見的一種過程，如液體的汽化或固體的升華過程，因?yàn)橄嘧冊(cè)诘葴氐葔簵l件下進(jìn)行，液體(或固體)的體積與同量氣體的體積相比可忽略(Vg?Vl，Vg?Vs)，若氣體視為理想氣體，W=-PΔV=-P(Vg-Vl)=-PVg=-nRT。

2.1.5 其它過程

如果在計(jì)算中遇到的不是常見的上述特殊過程，我們沒有現(xiàn)成的公式，有些同學(xué)就會(huì)生搬硬套的用已有的公式，這是初學(xué)者最易犯的錯(cuò)誤。如我們經(jīng)常見到PT=K(K為常數(shù))的可逆過程，我們沒有現(xiàn)成的公式，那么就要從最基本的公式入手，自己推導(dǎo)公式。

2.2 實(shí)際氣體的狀態(tài)變化過程

3 結(jié) 語

通過模塊教學(xué)法的引入，學(xué)生對(duì)體積功有了更深層的認(rèn)識(shí)，對(duì)公式的使用條件更加明朗，能夠認(rèn)識(shí)到在計(jì)算之前先要分清是什么樣的途徑，然后再?zèng)Q定用哪個(gè)公式，不再出現(xiàn)生搬硬套的情況。同時(shí)，通過模塊教學(xué)法，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高了對(duì)所學(xué)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力，做到了舉一反三。在公式的推導(dǎo)過程中也培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力和自學(xué)能力[7]。