思維導(dǎo)圖在物理化學(xué)課程中的應(yīng)用探索

程桂青，于 青，王忠衛(wèi)，劉 蕾，張如良，韓玉璽

(山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

物理化學(xué)是從物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系入手，來(lái)探求化學(xué)變化基本規(guī)律的一門科學(xué)[1]。作為化學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支，物理化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，又稱理論化學(xué)，其它學(xué)科的深入發(fā)展，離不開(kāi)物理化學(xué)。物理化學(xué)的重要性不言而喻，然而，由于物理化學(xué)課程的特點(diǎn)，例如理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁多、公式具有適用條件[2-3]，因而，對(duì)物理化學(xué)課程的教學(xué)以及高效學(xué)習(xí)，需要采用合適的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法。

思維導(dǎo)圖是一種表達(dá)發(fā)散性思維的有效圖形思維工具，具有簡(jiǎn)單、高效、實(shí)用性的特點(diǎn)[4-5]。它注重圖文并重，可以把各級(jí)主題之間的關(guān)系用隸屬和相關(guān)的層級(jí)圖表示出來(lái)。基于物理化學(xué)課程的復(fù)雜性和邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，利用思維導(dǎo)圖，可以有效的提高學(xué)生對(duì)該課程知識(shí)體系的梳理和建立。

根據(jù)山東科技大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)和材料化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及課程特點(diǎn)，物理化學(xué)課程選用天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編著的《物理化學(xué)(簡(jiǎn)明版)(第二版)》作為教材。下面首先利用思維導(dǎo)圖對(duì)整個(gè)課程體系進(jìn)行知識(shí)框架的搭建，然后以該教材的相平衡和界面現(xiàn)象章節(jié)為例，簡(jiǎn)述思維導(dǎo)圖在物理化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 利用思維導(dǎo)圖搭建物理化學(xué)課程知識(shí)框架

物理化學(xué)的主要任務(wù)是探討和解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題：(1)化學(xué)變化的方向和限度問(wèn)題；(2)化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問(wèn)題；(3)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。前兩部分分別對(duì)應(yīng)化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容，其中熱力學(xué)是物理化學(xué)課程的主要研究范疇，占據(jù)了大部分的授課學(xué)時(shí)。可分為熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律、以及熱力學(xué)在多組分系統(tǒng)、化學(xué)平衡、相平衡、電化學(xué)、界面現(xiàn)象、膠體化學(xué)中的應(yīng)用研究。動(dòng)力學(xué)比熱力學(xué)復(fù)雜得多，并且化學(xué)動(dòng)力學(xué)還不成熟，許多領(lǐng)域尚有待開(kāi)發(fā)，因此，大多數(shù)教材對(duì)其只進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。第三部分為結(jié)構(gòu)化學(xué)部分，通常單獨(dú)設(shè)課進(jìn)行講解，在本教材中未對(duì)其進(jìn)行介紹。由于物理化學(xué)課程的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行知識(shí)框架的搭建非常重要，有利于學(xué)生對(duì)課程的知識(shí)脈絡(luò)進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)。為此，首先利用思維導(dǎo)圖構(gòu)建物理化學(xué)課程的知識(shí)框架，如圖1所示。

圖1 利用思維導(dǎo)圖搭建物理化學(xué)課程知識(shí)框架

2 思維導(dǎo)圖在相平衡中的應(yīng)用

如上所述，物理化學(xué)課程可以分為兩大方向，一是熱力學(xué)研究范疇，二是動(dòng)力學(xué)研究范疇。其中，在教學(xué)過(guò)程中，熱力學(xué)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。相平衡是熱力學(xué)在化學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用，也是化學(xué)熱力學(xué)的主要研究對(duì)象。相平衡主要研究一個(gè)相平衡系統(tǒng)的狀態(tài)如何隨著其組成、壓力和溫度等變量而變化。產(chǎn)品的溶解、蒸餾、分離、提純涉及的理論基礎(chǔ)就是相平衡原理，在冶金、采礦、地質(zhì)等行業(yè)也需要使用相平衡知識(shí)，因此相平衡與實(shí)際生產(chǎn)生活息息相關(guān)[6]。

在相平衡章節(jié)中，主要涉及相律和相圖的學(xué)習(xí)。相律是物理化學(xué)中最具普遍性的規(guī)律之一，它反映了平衡系統(tǒng)中相數(shù)、獨(dú)立組分?jǐn)?shù)和描述該平衡系統(tǒng)的變量數(shù)之間的關(guān)系，但其并未給出這些數(shù)目具體是哪些變量或相態(tài)。相圖具有簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)，然而，在相平衡的學(xué)習(xí)中涉及到許多類型的平衡體系，包括單組分系統(tǒng)和多組分系統(tǒng)，其中在本教材中多組分系統(tǒng)主要介紹了二組分系統(tǒng)，又可以分為氣-液平衡相圖和液-固平衡相圖，其中，氣-液平衡相圖還可再細(xì)分為液態(tài)完全互溶(理想液態(tài)混合物、真實(shí)液態(tài)混合物)、液態(tài)部分互溶、液態(tài)完全不互溶體系；液-固平衡相圖可分為固態(tài)不互溶(無(wú)化合物生成、生成穩(wěn)定化合物、生成不穩(wěn)定化合物)、固態(tài)完全互溶、固態(tài)部分互溶體系。由于在該部分涉及較多類型的相圖，很多同學(xué)容易混淆和模糊不同系統(tǒng)的相圖特點(diǎn)。因此，通過(guò)思維導(dǎo)圖，建立該章節(jié)的知識(shí)框架，對(duì)其進(jìn)行總結(jié)分析，有助于對(duì)比不同平衡系統(tǒng)的相圖特點(diǎn)，幫助同學(xué)們理解和掌握各類相平衡系統(tǒng)的相圖。為此，建立了圖2的思維導(dǎo)圖。

圖2 思維導(dǎo)圖應(yīng)用于相平衡

3 思維導(dǎo)圖在界面現(xiàn)象中的應(yīng)用

水滴為什么是圓形而不是方形？昆蟲(chóng)為什么可以漂浮在水面上？水在毛細(xì)管中為什么會(huì)上升？這些都是實(shí)際生活中存在的現(xiàn)象，也是物理化學(xué)界面現(xiàn)象這一章節(jié)需要解決的問(wèn)題。這說(shuō)明了界面現(xiàn)象中的知識(shí)點(diǎn)與生活息息相關(guān)。自然界中的物質(zhì)一般以氣-液-固三種相態(tài)存在，界面即所有兩相的接觸面，一般將與氣體接觸的界面稱為表面。在之前熱力學(xué)的學(xué)習(xí)中，并未考慮界面效應(yīng)，這是由于界面的質(zhì)量和體積與體相相比可忽略不計(jì)，然而當(dāng)物質(zhì)高度分散，比表面積較大時(shí)，界面的作用會(huì)很明顯。多孔材料，例如多孔硅膠、分子篩、活性炭等具有較高的比表面積，在吸附和催化等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，這也說(shuō)明了學(xué)習(xí)界面化學(xué)知識(shí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)相關(guān)科研領(lǐng)域的研究興趣，以及提升學(xué)生對(duì)相關(guān)工業(yè)技術(shù)的認(rèn)識(shí)。整體來(lái)看，本章知識(shí)點(diǎn)具有系統(tǒng)性、實(shí)用性、以及科研活躍的特點(diǎn)。

在本章節(jié)的學(xué)習(xí)中，首先需要了解一些基本概念，例如表面與界面、比表面積、分散度，然后，掌握表面張力、表面功、表面吉布斯函數(shù)和表面自由能等重要概念。能夠基于表面吉布斯函數(shù)公式，解釋一些界面現(xiàn)象。隨后，學(xué)習(xí)表面張力產(chǎn)生的第一個(gè)表面現(xiàn)象，即彎曲液面的附加壓力，進(jìn)而可以解釋開(kāi)始所提出的毛細(xì)管現(xiàn)象。最后，通過(guò)對(duì)固體表面、固-液界面、溶液表面分別進(jìn)行介紹，完成本章的學(xué)習(xí)。因此，建立圖3的思維導(dǎo)圖。

圖3 思維導(dǎo)圖應(yīng)用于界面現(xiàn)象

4 結(jié) 語(yǔ)

物理化學(xué)課程作為化學(xué)、材料專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是很多院校的指定考研科目，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)也是至關(guān)重要，對(duì)生產(chǎn)生活中相關(guān)技術(shù)的指導(dǎo)也是不可或缺的。由于該課程理論性強(qiáng)、較抽象、以及知識(shí)體系的復(fù)雜性，因此，建立其知識(shí)框架有利于對(duì)該課程的理解和掌握。思維導(dǎo)圖作為一種有效的工具，可以直觀、清晰的將知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)思維導(dǎo)圖建立物理化學(xué)課程體系和各章節(jié)的知識(shí)框架，可以幫助學(xué)生掌握課程的重難點(diǎn)，并且有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和積極性。