模塊教學在物理化學教學中的應用*

安慶鋒，李 紅

(1 青島理工大學(臨沂)，山東 費縣 273400；2 聊城大學材料科學與工程學院，山東 聊城 252000)

物理化學作為土木工程專業工程化學基礎課程中的有機組成部分，是研究物質性質及物質變化規律的基礎理論課程，通過本課程的學習，使學生掌握土木工程材料的選擇和使用中所需的化學基本知識，并且認識和理解土木工程項目實施對環境、社會可持續發展的影響[1]。在學習過程中，學生不應該單純的記公式和計算，更重要的是通過這門課的學習，提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的邏輯思維能力和嚴謹的科學研究的態度，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。國家自然科學基金委員會在自然科學學科發展戰略調研報告物理化學卷中指出：實踐表明，凡是具有較好物理化學素養的大學本科畢業生，適應能力強，后勁足，由于有較好的理論基礎，他們容易觸類旁通、自學深造，能較快適應工作的變動，開辟新的研究陣地，從而有可能站在國際科研發展的前沿[2]。

一直以來，物理化學是公認的教師難教，學生難學的一門課。許多教師也探討了一些研究方法，如案例教學法[3]、小班研討法[4]、驅動教學法[5]等，但這些方法或者只適用于個別章節或者受教學條件的限制在實際操作中很難實現。如何使學生在有限的課時中掌握眾多的公式一直是教師在教學中探討的問題。本文以體積功的計算為例，討論了模塊教學法在物理化學教學過程中的重要作用。通過這種教學方法，可以使學生分專題掌握眾多內容，眾多的公式，尤其是公式的使用條件。學完熱力學第一定律之后，把體積功作為一個專題，一個模塊單獨給學生講解。實踐證明，熱力學公式的掌握不能單純的靠死記硬背，必須掌握公式的推導過程，才能做到靈活應用公式解決實際問題。

1 模塊名稱—體積功的計算

圖1 不同過程體積功計算總結

2 不同過程體積功公式的導出

2.1 理想氣體體積功公式的推導

2.1.1 根據過程特點直接得出結果的過程

(1)自由膨脹過程：外壓為零的過程稱為自由膨脹過程。因為Pe=0，所以該過程的W=0。

(2)等容過程：系統在變化過程中保持體積不變，則dV=0，所以W=0。

2.1.2 簡單推導即可得到公式的過程

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

2.1.3 帶入狀態方程式推導的過程

(1)理想氣體等溫可逆過程

(2)絕熱過程

①任何絕熱過程

因為絕熱過程中Q=0，根據熱力學第一定律有W=ΔU=nCV,m(T2-T1)。由于此公式從絕熱過程的特點入手推導而得，所以無論是可逆還是不可逆，無論是理想氣體還是實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

對于不可逆過程，熱力學沒有現成的公式。此類過程要借助于(1)中的公式求體積功，關鍵要求出終態的溫度T2，而計算終態溫度時絕對不能用理想氣體可逆過程的狀態方程式TVγ-1=K1，p1-γTγ=K2等來求。

例：在273 K和1000 kPa時，取10 dm3理想氣體，在等外壓100 kPa下絕熱不可逆膨脹到終態壓力為100 kPa。計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，體積功的計算只能從絕熱過程的特點入手，終態溫度的求法不能用絕熱可逆過程的狀態方程式計算，而應該通過如下途徑：

因為這是等外壓過程：

又因為此為絕熱過程W=ΔU=nCV,m(T2-T1)

聯立兩個做功的表達式：

在上述方程中只有T2是未知數，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過程，三個過程狀態方程式的比較：

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

2.1.4 相變過程

相變過程是熱力學常見的一種過程，如液體的汽化或固體的升華過程，因為相變在等溫等壓條件下進行，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

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

2.2 實際氣體的狀態變化過程

3 結 語

通過模塊教學法的引入，學生對體積功有了更深層的認識，對公式的使用條件更加明朗，能夠認識到在計算之前先要分清是什么樣的途徑，然后再決定用哪個公式，不再出現生搬硬套的情況。同時，通過模塊教學法，提高了學生分析問題和解決問題的能力，提高了對所學知識的靈活應用能力，做到了舉一反三。在公式的推導過程中也培養了學生的邏輯思維能力和自學能力[7]。