《大學化學》教學中應用啟發式教學的設計與實踐*

錢建剛，崔志民，朱 英

(北京航空航天大學化學學院，北京 100191)

《大學化學》課程是我校實行大類招生后工科試驗類(航空航天類)本科生進入大學后所接觸到的一門基礎課程，是工科大類非化學類專業學生系統學習化學知識的平臺[1]。傳統的直接講授法能讓學生直接和快速地掌握知識點，但缺點是學生處于被動接受知識的狀態，學生主觀能動性沒有得到發揮，掌握的知識也易遺忘，而且學生的能力和思維沒有得到鍛煉。大學教育除了傳授知識以外，更重要是的要培養學生的各種能力和科學思維，以滿足現代社會對高層次、創新型人才的需求[2]。

早在兩千多年前教育家孔子就提出“不憤不啟，不悱不發”的啟發式教學思想[3]。在啟發式教學中，教師作為學習的啟發者、引導者，學生是學習的主體[4]。從廣義上來說，啟發式教學不僅可以活躍課堂氣氛，能夠激發學生學習興趣，充分調動學生學習思考的積極性和主動性，讓學生在思考、辯論、總結過程中掌握知識、突破難點,也能夠對教師教學活動的各個步驟進行啟發，從而使“教”和“學”兩個方面同時受益[5]。在教學過程中教師按照課本上的知識點對學生進行啟發式的提問，引導學生進行討論與思考，學會發現問題、分析問題和解決問題，在這個過程中學生加深了對理論知識的理解，也學會了從多個角度對問題進行分析，最終使問題得到解決[6-7]。

基于這樣的教育理念，本文在《大學化學》教學過程中以反應的“標準摩爾焓變”的計算為實例，闡述啟發式教學方法在《大學化學》教學中的應用。

1 啟發式教學過程

“焓”是《大學化學》課程中化學熱力學一個很重要的函數概念，由于沒有明確的物理意義，因此對于剛進入大學的大學生來說理解它就比較困難?！办省睕]有明確的物理意義，那為什么還要引進這個函數概念呢？引進這個“焓”函數概念，完全是為了實用的需要。有了“焓”這個函數概念，在處理熱化學問題時就方便多了。雖然體系的“焓”的絕對值目前還無法知道，但在一定條件下可以從體系和環境之間的熱量的傳遞來衡量體系的“焓”的變化值。即在只做體積功的條件下，體系在等壓過程中所吸收的熱量全部用于使“焓”增加[8]。如果能通過理論計算得到某“反應的焓變”，也就能從理論上知道該反應所吸收或放出的熱量，而反應的熱量變化值具有重要的實用價值。那么，某個反應的“焓變”又是如何來通過理論計算得到的呢？

如果根據教材中這種寫法來進行直接講授的話，好處是簡單，不足是學生無法真正理解為什么要定義 “標準摩爾生成焓”的概念？以及物質的“標準摩爾生成焓”和反應的“標準摩爾焓變”之間的關系。

作者在講授這部分內容時，有別于教材的寫法，而是采用了通過一個具體反應的實例來講授反應的“標準摩爾焓變”的計算過程，在講授反應的“標準摩爾焓變”計算過程中巧妙引入“標準摩爾生成焓”的概念，在整個講授過程中，采用啟發式教學，引導學生步步思考，最終學到為何要定義“標準摩爾生成焓”的概念？它的科學價值何在？物質的“標準摩爾生成焓”和反應的“標準摩爾焓變”之間的關系？

SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)

為例來講授如何來求解該反應在298.15 K時反應的“標準摩爾焓變”。

第一步啟發學生進行大膽設想，如果反應物可以從理論上分解為由穩定單質組成 (之所以要規定分解產物為穩定單質，是因為這樣能確保分解反應是惟一的；為什么要將反應物分解后面再來說明)，如上述反應物之一的SO2(g) 可以從理論上分解為由穩定單質S (正交)和O2(g)組成

SO2(g)=S (正交)+O2(g)

(1)

同樣，反應物之二的NO2(g) 也可從理論上分解為由穩定單質N2(g)和O2(g)組成

NO2(g)=1/2N2(g)+O2(g)

(2)

那么，經過這樣的大膽設想后，原來的反應物[SO2(g)+NO2(g)]就可轉化(分解)為由穩定單質[S (正交)+O2(g)+1/2N2(g)+O2(g)]組成。

第二步將由穩定單質組成的分解產物進行重新組合，由[S(正交)+O2(g)+1/2N2(g)+O2(g)]重新組合成[S (正交)+ 3/2O2(g)+1/2N2(g)+ 1/2O2(g)]，此組合過程沒有發生化學變化，也就沒有焓變。

第三步再次啟發學生進行大膽設想，如果由穩定單質組成的分解產物可以從理論上化合為生成物，如將分解產物[S(正交)+3/2O2(g)]化合為SO3(g)，分解產物[1/2N2(g)+ 1/2O2(g)]化合為NO (g)。

S(正交)+3/2O2(g)=SO3(g)

(3)

1/2N2(g)+ 1/2O2(g)=NO(g)

(4)

那么，通過這樣大膽設想后，原來由反應物直接反應為生成物的反應就可以轉化為由反應物先分解為中間產物(即穩定單質)，再由中間產物化合為生成物的過程。

反應中的反應物或生成物都涉及到化合物分解為單質反應或者單質化合的反應，把反應中所有的反應物或生成物“串”起來的是穩定單質。經過兩步大膽設想后的結果是：千變萬化的化學反應(數量是無限的)便可歸結于同一類化合物分解為穩定單質或者穩定單質化合的化學反應(數量是有限的)，把數量無限的化學反應轉化為數量有限的化學反應的大膽設想過程是具有開創性意義的，這也就回答了為什么要將反應物分解為穩定單質的本質原因。

反應物[SO2(g)+NO2(g)]可看作為始態，生成物[SO3(g)+NO (g)]可看作為終態。由于焓H是狀態函數，其數值大小僅與始、終態有關，而與變化的途徑無關，因此經過前面三步的轉化，結合蓋斯定律，再假設所有反應均在標準條件和298.15 K時進行，則總反應[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標準摩爾焓變”就等于反應(1)、反應(2)、反應(3)和反應(4) 四個反應的“標準摩爾焓變”之和，即：

此時拋出關鍵性的第三個問題讓學生進行思考：反應[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO (g)]的“標準摩爾焓變”同樣也可以直接通過實驗測量來獲得，啟發學生思考為什么要費盡周折先通過測量反應(1)、反應(2)、反應(3)和反應(4)的四個反應的“標準摩爾焓變”然后再來計算呢？思考討論后得到：

(1)有了“標準摩爾生成焓”的定義或概念，就可以用實驗的方法來測量常見化合物(數量是有限)的“標準摩爾生成焓”值，如上述例子中SO2(g)、NO2(g)、SO3(g)和NO(g)四種物質的“標準摩爾生成焓”值。再根據常見化合物的“標準摩爾生成焓”值就可以計算出千千萬萬個不同化學反應(數量是無限)的“標準摩爾焓變”值，如上述例子中反應[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標準摩爾焓變”值。實驗測得的常見化合物的“標準摩爾生成焓”值相當于用實驗的方法制造出了“標準零件”，“標準摩爾生成焓”的定義相當于是制造“標準零件”的標準，而化學反應的“標準摩爾焓變”值相當于“產品”，不同的“產品”即不同化學反應的“標準摩爾焓變”值均可通過不同的“標準零件”即不同物質的“標準摩爾生成焓”組裝而得，如“產品”即反應[SO2(g)+NO2(g)=SO3(g)+NO(g)]的“標準摩爾焓變”值可分別由四個不同的“標準零件”即SO2(g)的“標準摩爾生成焓”、NO2(g)的“標準摩爾生成焓”、SO3(g)的“標準摩爾生成焓”和NO(g)的“標準摩爾生成焓”組裝而得。

(2)自然界時時刻刻都在發生千千萬萬個化學反應，而且這些反應的數量是無限的，沒必要也不可能對每個反應的“標準摩爾焓變”值都通過實驗方法來獲得，更何況有些反應的“標準摩爾焓變”值是不可能直接通過實驗方法測量而獲得的，如反應C (石墨)+1/2O2(g)=CO(g)。

(3)定義“標準摩爾生成焓”的科學價值就在于根據這個定義(“標準”)可用實驗的方法來測量 (“制造”) 獲得少量的(有限的)常見化合物的“標準摩爾生成焓”(“標準零件”)，再由這些“標準摩爾生成焓”(“標準零件”) 來計算 (“組裝”) 獲得大量的(無限的)化學反應的“標準摩爾焓變”(“產品”)。在此過程中，測量(“制造”) 得到常見化合物的“標準摩爾生成焓”(“標準零件”) 是首要任務，而要測量(“制造”) 常見化合物的“標準摩爾生成焓”(“標準零件”) 所依據的“標準摩爾生成焓”的定義(“標準”) 是關鍵。

(4)在“標準摩爾生成焓”的定義中，穩定單質通常是指為選定溫度和標準壓力時的最穩定單質。但有例外，磷雖然在熱力學上最穩定單質是紅磷，但在“標準摩爾生成焓”的定義中磷的穩定單質指的卻是白磷。因此，為了嚴謹把例外也包括進來，在“標準摩爾生成焓”的定義中，將“穩定單質”改為“指定單質”。

(5)物質的“標準摩爾生成焓”和反應的“標準摩爾焓變”兩者之間既有區別也有聯系。區別是：“標準摩爾生成焓”指的是某種物質的；而“標準摩爾焓變”指的是某個反應的。聯系是：特定反應的“標準摩爾焓變”就是特定反應生成物的“標準摩爾生成焓”，如在標準條件下反應[S(正交)+O2(g)=SO2(g)]的“標準摩爾焓變”就是該反應生成物SO2(g)的“標準摩爾生成焓”。

2 結 語

通過上述采用啟發式教學方式對反應“標準摩爾焓變”計算過程的講解，可以使學生從傳統的被動接受知識到主動參與到課堂教學過程中。讓學習由被動轉變為主動，有助于激發學生學習的主觀能動性和學習興趣，有利于培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，既能體現“授之以魚”，又能體現“授之以漁”，有效提高了教學的質量和教學的效果。