物理化學課程中化學反應動力學教學改革研究

＊張健康

（西北工業大學生命學院 生物與催化交叉研究中心 陜西 710072）

1.引言

物理化學是化學、化工、材料、能源、生物、醫學等專業本科生的基礎必修或選修課程[1-5]。該課程是借助物理和數學的相關知識，探索化學反應過程中變化規律的一門重要課程[1-5]。同時，該課程涉及的知識面較廣，如物理學知識（如熱力學第一到第三定律、典型的熱、功、熵等概念）、數學知識（微積分知識）、材料學知識、光/電化學知識等。因此，從知識面涉及層次上講，物理化學又是一門典型的多學科交叉課程。通過介紹化學反應熱力學、化學反應動力學、催化劑及催化化學、電化學、光化學等內容，從熱力學和動力學的角度探究化學反應變化的基本規律。學習好物理化學的相關知識，不僅可以提升學生的理論知識高度，并且有助于其運用相關知識解決科學研究和生活生產中的相關問題。

化學反應動力學是物理化學課程的重要組成部分，而工業上大約90%的化學反應都是在催化劑的存在下才能夠有效的進行。因此，老師系統的講授、學生有效的掌握催化化學動力學相關知識尤為必要。該部分課程推導公式偏多且有點晦澀難懂，上課時稍不注意學生就可能跟不上老師的思路。基于我們教學團隊多年的教學經驗總結，針對教學過程中發現的問題，我們提出相關的教學改革模式，重點從以下方面入手：增加簡單反應的反應級數及活化能的測定實驗并增加相應的實驗課時，以增強學生對知識點的掌握及運用能力；在教學課堂上，有機融合相關趣味且富有教育性的催化反應動力學故事，以增加學生的學習興趣。

2.化學反應動力學部分在教學中存在的問題

化學反應動力學部分課程公式偏多，具有一定的抽象性，且需要用到高等數學的微積分等知識，學生稍不留神就有可能跟不上老師的思路，進而產生乏味甚至擺爛的心里。加之現在很多老師采用多媒體教學，如果學生不注重筆記的話很容易跟不上節奏。通過課后作業練習確實可加深對反應級數、活化能等重要知識點的掌握，但要深入理解這些重要知識點并加以運用單靠這些習題是遠遠不夠的，因為有些學生在一定程度上是為了完成作業或考試而做題，沒有進行深入的思考，當然對這些知識點的深刻掌握及靈活運用也就無從談起。另外，很多學生尚未走進實驗室，對習題中涉及的實驗儀器如色譜、紫外-可見吸收光譜等儀器的原理及使用也并不熟悉。因此，在講授反應速率常數、反應級數及活化能測定的過程中，學生就覺得這些知識很抽象甚至乏味。尤其是當前各個高校都非常注重大學生創新創業能力的培養，強調增強學生的動手能力及運用所學知識解決實際問題的能力，因此在該部分增加相關動力學實驗尤為必要。

3.教學方式及方法改革

首先，讓學生了解這部分內容的重要性，可以說該部分是物理化學課程的核心，端正學習態度尤為重要。學習好該部分知識，對于學生今后的深造（考研）或從事科研或相關專業工作是非常有幫助的。再者，從教學方法、方式上進行改革也是非常必要的。適當的課堂導入并積極鼓勵學生參與課堂可增強學生的歸屬感，激發學生興趣；同時，采用多種教學方式有機結合、引用經典或最新的科研實例、恰當講好化學反應動力學故事可加強學生對知識點的掌握及對科研的興趣。

(1)改進教學方法，鼓勵學生參與

傳統教學板書法毫無疑問是經典的，但也存在板書耗時、板面有限的弊端。例如，教師在推導公式的過程中，會花費大量的時間，但如果將公式的推導過程在PPT上展示可節省公式推導的時間，教師可將節省的時間用于解釋公式推導的原理及其應用場景等。此時多媒體教學的優勢就很明顯了。但重要的公式及其結論以板書的形式展現有助于學生對重要知識點的掌握。因此，采用多媒體和傳統板書相結合的教學方式無疑是非常必要的。

傳統課堂上，教師一味地講授，學生不停地接受，這種模式很容易使學生產生疲倦的心里。重視課堂導入比如從某位化學科學家的重大發現開始，切入相關內容，可激發學生興趣。改進教學方法，鼓勵學生參與：開展小組調研與討論，甚至課堂翻轉。讓學生調研相關文獻，了解本領域的前沿動態，考察學生查閱、調研、閱讀歸納文獻的能力，就某一專題（催化劑的制備、反應級數和活化能的求算）開展討論甚至演講，加大對學生的平時學習表現考核力度及提高平時成績的比例（因為傳統的卷面考試不能更好地反應出學生對知識的掌握及應用程度，有些高分甚至是考前突擊的結果）。此時，角色轉變由學生變老師，學習過程由被動變主動，學生的心態和積極性是不一樣的。在我們的課題翻轉過程中，有些本科生對ppt制作及研究內容的解析程度不亞于研究生的水平，這也充分說明這一實踐過程確實可調動學生的積極性。因此，改進教學方法，真正的使學生參與課堂會有意想不到的效果。

(2)課程內容與科研成果相結合

課程內容教學與教師的科研成果是相輔相成、相互促進的。在講授課程基本內容的同時，引入經典或最新的相關研究成果，可啟發學生的對課程學習及科研的興趣；尤其是所講授的實例是教師自己的成果，學生會由衷的敬佩老師，后面更有可能積極參與課程實驗及并加入教師的科研團隊。在課堂中講授反應級數及反應的活化能（Ea）的測定時候，學生普遍感到比較抽象且晦澀。如果引入相應的科研案例，例如，以催化氨硼烷（Ammonia Borane，AB）水解制氫反應為案例（圖1），探究相應催化劑對該反應的活化能及反應分級數，將會加深學生對知識點的理解和掌握。對于AB的水解制氫反應，選擇合適的催化劑，在室溫條件下即可實現對該反應的高效進行[6-12]。以典型的Pt基催化劑（碳納米管負載的Pt及PtNi單/雙金屬催化劑，圖2）為例，該催化劑對催化AB水解制氫具有優異的催化性能，室溫條件下5min內即可實現H2的完全釋放[6]。我們通過改變反應溫度亦可得到不同溫度下的反應速率；類似地，根據經典的阿累尼烏斯公式以lnk對1/T擬合作圖（Origin等軟件擬合），即可得到相應的斜率和截距，然后將所得斜率乘以R值即8.134J·mol-1·K-1即可得到相應活化能的數值。通過對比不同催化劑的Ea值，可從動力學上定量的比較不同催化劑的性能；相應地，截距就對應于指前因子的ln對數，即lnA；再結合其他表征數據綜合分析來確定催化反應的機理。另外，通過改變AB的濃度來觀測反應速率的變化，然后以lnk對ln[AB]作圖，通過Origin等軟件擬合可得到相應的直線方程及直線斜率等參數。此時，斜率所對應的數值就是對AB反應物的分級數（一般認為是接近于零級反應，亦即與AB的濃度幾乎無關）。該反應裝置簡單（排水集氣法）、安全且在室溫條件下即可完成實驗。因此，以此實驗為案例，講授完課堂知識，可適當增加實驗環節（建議2個課時），以考察學生對知識點的掌握能力、運用能力及動手能力，并可增強學生對科研的興趣。

圖1 氨硼烷分子的結構式及其水解制氫的反應式

教師的科研和教學是相輔相成、相互促進的，在課堂上恰當引入教師的科研成果，不僅可以提升教師的成就感，也可使同學們加深對知識點的掌握，并了解相關領域最新的研究動態；若學生對教師的研究方向感興趣，亦會可能加入教師的團隊，進行“大學生創新創業訓練計劃項目”“互聯網+大學生創新創業大賽”等項目或繼續深造讀研，這對于教師和學生都是互利雙贏的。因此，教師將課程內容與科研成果相結合是一種切實可行的教學模式。

4.結語

物理化學是一門重要的基礎且具有一定交叉性的課程。對諸多專業的學生來說學習好物理化學知識有助于培養學生的專業歸屬感和認同感，對其相關專業課的學習起到承上啟下的作用。在化學反應動力學部分，通過恰當的課堂導入有趣且富有教育性的化學反應動力學故事，在適當教學環節設置小組討論甚至課堂翻轉，可增強學生的主人翁意識并提高其積極性；選擇適當的反應（如催化氨硼烷水解制氫反應）并設計化學反應動力學實驗，可增強學生對反應級數、活化能等重要知識點的理解與掌握能力，并可提高學生的實驗動手能力。通過教學改革與實踐，提高學生運用化學反應動力學知識分析問題、解決問題及創新實踐能力，以取得良好的教書育人成效。