工科物理化學(xué)中相圖教學(xué)經(jīng)驗(yàn)談

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(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

相平衡是物理化學(xué)課程中的一個(gè)重要部分，在工科的物理化學(xué)教學(xué)過(guò)程中占有重要的地位。如化工專業(yè)的分離過(guò)程、冶金專業(yè)中的冶煉、加工及熱處理過(guò)程等都與相平衡內(nèi)容關(guān)系密切，作為歷年物理化學(xué)考研真題中必考內(nèi)容也說(shuō)明了相平衡的重要性。相平衡主要分為相律和相圖兩部分，相律是對(duì)狀態(tài)的討論，前期有熱力學(xué)內(nèi)容做基礎(chǔ)還是比較好理解；相圖內(nèi)容涉及到新的概念、在討論相圖中點(diǎn)、線、面關(guān)系時(shí)要理解過(guò)程的內(nèi)涵、相圖的多樣性和杠桿規(guī)則的應(yīng)用，這些是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的難點(diǎn)。通過(guò)多年的教學(xué)過(guò)程積累提煉，我們總結(jié)了一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

1 搭建知識(shí)框架

首先，新內(nèi)容一定包含新的概念，我們通過(guò)思維導(dǎo)圖[1]、知識(shí)點(diǎn)總結(jié)指導(dǎo)學(xué)生讀相圖要“四步走”：橫縱坐標(biāo)是什么？點(diǎn)線面是什么？相圖中作垂線或水平線發(fā)生了什么變化過(guò)程？怎樣在兩相平衡區(qū)使用“杠桿規(guī)則”？同時(shí)要強(qiáng)調(diào)相圖是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)。該知識(shí)點(diǎn)總結(jié)要通過(guò)“記憶-理解-記憶”的過(guò)程來(lái)熟悉掌握，這種思路也貫穿整個(gè)物理化學(xué)課程體系。

2 多媒體授課、實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)的多重應(yīng)用

因?yàn)榍捌谥v熱力學(xué)是不強(qiáng)調(diào)具體過(guò)程的，當(dāng)討論相圖來(lái)歷時(shí)必然要理解系統(tǒng)組成、溫度或壓力隨時(shí)間變化發(fā)生引起相的變化過(guò)程，這個(gè)跳躍是眾多學(xué)生不能熟練掌握相圖最重要的原因，也是教學(xué)難點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師一般會(huì)借助簡(jiǎn)單的二維相圖來(lái)指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生不能有效理解繪圖原理，感覺過(guò)程很枯燥，注意力難以集中，最終導(dǎo)致他們對(duì)復(fù)雜的二維視圖往往一愁莫展，難以記憶，也常常弄不清楚其中變化的原理，很快就喪失了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣，更談不上深入探討。我們利用多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)最突出之處是熱分析法繪制相圖，用動(dòng)畫表達(dá)和解釋“四步走”的邏輯性，可達(dá)到簡(jiǎn)單、清晰、形象、生動(dòng)的效果，使相圖形象化，教師容易講解，學(xué)生容易接受，充分地將教與學(xué)的兩個(gè)方面統(tǒng)一起來(lái)，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性[2]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，但是各種因素導(dǎo)致理論教材和實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容脫節(jié)，我們通過(guò)教研探討，使之內(nèi)容相互呼應(yīng)。實(shí)驗(yàn)側(cè)重驗(yàn)證和操作，在教學(xué)過(guò)程注意結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理展開討論，如在討論單組份相圖時(shí)，可以加入鐵的p-T 相圖，解釋為什么通過(guò)成分和工藝控制常溫下可得到γ-Fe，通過(guò)講解工業(yè)生產(chǎn)實(shí)例增強(qiáng)學(xué)生識(shí)別單組分相圖的能力，為后期深入學(xué)習(xí)鐵碳合金相圖打基礎(chǔ)，并建立了物理化學(xué)相圖知識(shí)與學(xué)生專業(yè)之間的聯(lián)系，解決學(xué)生“我們不是化學(xué)專業(yè)為什么學(xué)物理化學(xué)？”的困惑[3]。討論二組分氣液平衡相圖時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制環(huán)己烷-無(wú)水乙醇二組分氣液平衡相圖使學(xué)生理解T-x相圖和p-x相圖的來(lái)歷，加深對(duì)點(diǎn)、線、面內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)，并解釋常用的乙醇試劑有95%和無(wú)水乙醇兩種是因?yàn)橐掖己退合掠凶畹凸卜悬c(diǎn)，導(dǎo)致提純只能得到95%的乙醇，要得到無(wú)水乙醇,就必須加入某些物質(zhì),破壞這種平衡,才能餾出95%以上的酒精。在實(shí)驗(yàn)室中制備無(wú)水酒精時(shí),是在95.57%酒精中加入生石灰(CaO)加熱回流,生成不揮發(fā)的氫氧化鈣來(lái)除去水分,然后再蒸餾得99.5%的無(wú)水酒精。如果還要去掉殘留的少量水,可以加入金屬鎂來(lái)處理,可得近似100%乙醇,叫做絕對(duì)酒精。工業(yè)上使用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂(具有極性基團(tuán),能強(qiáng)烈吸水)來(lái)制取無(wú)水酒精。通過(guò)講解使學(xué)生深入理解二元?dú)庖浩胶庀鄨D的繪圖方法和特點(diǎn)。

在有條件的學(xué)院可以開展相關(guān)實(shí)習(xí)，化工專業(yè)的學(xué)生在參觀精餾塔設(shè)備、閃蒸過(guò)程時(shí)能生動(dòng)理解接受氣液相圖的特點(diǎn)并了解理論和實(shí)際生產(chǎn)的部分區(qū)別，生物類專業(yè)學(xué)生通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室觀摩學(xué)習(xí)超臨界萃取設(shè)備加深對(duì)單組份相圖的認(rèn)識(shí)[4]。冶金類專業(yè)在工廠實(shí)習(xí)時(shí)通過(guò)解釋固液平衡相圖來(lái)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件控制產(chǎn)物數(shù)據(jù)等。

3 講解代表性例題

物理化學(xué)課程的特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)、理論公式較多，必須通過(guò)大量練習(xí)來(lái)熟悉、理解和掌握具體內(nèi)容。相平衡中主要任務(wù)是學(xué)會(huì)讀典型相圖的特點(diǎn)，這是本章難點(diǎn)，主要原因是沒(méi)有強(qiáng)化記憶和深刻理解；相平衡主要計(jì)算有兩類：相律和杠桿規(guī)則，多年考試情況統(tǒng)計(jì)，學(xué)生在杠桿規(guī)則應(yīng)用上失分較多，究其原因，大部分同學(xué)不會(huì)讀相圖，還有一部分同學(xué)對(duì)杠桿規(guī)則物理意義不明確。以上兩部分可以通過(guò)講解具有代表性例題來(lái)強(qiáng)化記憶，通過(guò)“四步走”方法來(lái)鍛煉邏輯記憶，形成自己的記憶方式，最終明確相圖的內(nèi)涵。

總之，相圖內(nèi)容歸于熱力學(xué)，但其知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立導(dǎo)致教學(xué)困難，要對(duì)癥下藥，通過(guò)各種方法使學(xué)生盡快接受并掌握應(yīng)用相圖內(nèi)容，進(jìn)一步提高自學(xué)能力，達(dá)到高等教育要求。