浅谈环境工程专业物理化学教学中的备课体会

关键词：物理化学化学理论科学

物理化学是化学科学中的一门重要学科, 它借助数学、物理等基础科学的理论及其提供的实验手段, 研究化学科学中的原理和方法, 研究化学体系行为最一般的宏观、微观规律和理论[1], 是学习化学、化工、环境、生物、材料等各专业的重要基础课程。环境工程是一门由多学科到跨学科的庞大科学体系组成的新兴边缘科学, 它与自然科学、社会科学和技术科学相结合, 是现代科学技术向深度、广度进军的标志, 是人类认识和改造自然进一步深化的表现[2]。中南民族大学于2000年开设环境工程专业, 对该专业学生来说, 物理化学是一门重要的基础课程, 是继无机化学、分析化学、有机化学之后的一门理论化学, 同时又为后继课程如环境生态学、大气污染控制等的学习提供方法和理论指导, 在基础课程和专业课程之间起着承上启下的枢纽地位。由于我校是一所民族院校, 部分学生的理科基础相对薄弱, 而物理化学本身理论性较强, 内容较抽象, 概念和公式较多, 一直被学生视为比较难以掌握的课程。因此, 如何以传授知识、培养能力、提高素质为宗旨, 通过物理化学教学方法的改革和授课体系的重组, 使学生更轻松、全面、系统地掌握物理化学知识, 是物理化学教学中必须思考的问题, 是一项艰巨的改革任务。作者在教学过程中, 注意不断积累经验、不断改进教学方法, 精心设计每一个教学环节, 在此, 提出几点针对环境工程专业物理化学教学中有关热力学第二定律的备课体会。

1 教学目标

不同专业对同一门课有不同要求, 我校环境工程专业作为一门工学学科, 相对理学学科而言, 对物理化学的要求侧重点有所不同。因此, 针对环境工程专业, 我们选择的是印永嘉等编的《物理化学简明教程》 (高等教育出版社) 。对于大二学生来讲, 他们在大一时已经学习过无机及分析化学, 具备了一定的学习物理化学的知识基础, 而要想在十分有限的54个学时内将这门课的内容理解清楚、掌握牢固, 这对于学生或者老师来说都是一个挑战。把书本变薄不是删减一些该讲的内容, 而是在对教学大纲的深刻理解, 对教材的精心领会和对学生的深入了解基础上, 抓住要领, 理出章节的重难点, 强调关键性、规律性的东西。

热力学部分是物理化学的核心所在, 而热力学的核心在于两大定律, 即热力学第一定律和热力学第二定律。本文要探讨的就是热力学第二定律章节的备课思路。本章在整个热力学部分起着重要作用, 它既是对热力学第一定律的深入, 又为后面更进一步的探讨作出必要的铺垫。通过对本章的学习, 学生应该达到以下目的:深刻理解热力学第二定律, 在此基础上掌握几个新的热力学状态函数即S、A和G并学会∆S、∆A和∆G的计算, 结合第一章的内容辨析一些热力学函数并推导它们之间的重要关系式。

2 教学内容

本章共包括十个小节: (1) 自发过程的共同特征; (2) 热力学第二定律的经典表述; (3) 卡诺循环与卡诺定律; (4) 熵的概念; (5) 熵变的计算及其应用; (6) 熵的物理意义及规定熵的计算; (7) 亥姆霍兹自由能与吉布斯自由能; (8) 判断过程方向及平衡条件的总结; (9) 热力学函数的一些重要关系式; (1 0) ∆G的计算。其中, (1) 、 (2) 和 (3) 主要是热力学第二定律提出的背景以及热力学第二定律的表述。这部分在本章中是基础, 起着重要的铺垫作用, 其中重点是对热力学第二定律的深刻理解。 (4) 、 (5) 和 (6) 则是在热力学第二定律基础上导出状态函数熵, 并在热力学第三定律基础上进行熵变的计算, 该部分是本章的重点和难点所在, 因为熵是继第一章中学习到的内能、焓之后又一个十分重要的热力学状态函数, 对其理解将直接影响后面的学习。 (7) 、 (8) 和 (9) 则是另外两个状态函数-亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能以及由此提出的方向判据, 辨析已经学过的一些热力学函数并学会推导它们之间的关系式。这个部分是本章的难点, 要求学生结合第一章和第二章所学内容进行综合处理, 这些函数如内能、焓、熵以及吉布斯自由能对于初学者来说容易混淆, 因此, 需要教师进行总结和引导。 (1 0) 则是综合运用热力学知识对不同情况下的∆G进行计算。

物理化学作为基础理论课, 其内容是相对稳定的, 但同时又是不断发展的。所以在教学过程中应该一方面对于物理化学的基本概念、基本理论和基本方法要求学生打下牢固的基础, 另一方面对物理化学发展的前沿也要做一适当的介绍, 以开拓学生的知识面和激发学生的求知欲。以熵函数为例, 重点是平衡态熵理论, 但对非平衡态熵理论、信息熵、物理场熵等现代熵理论也简单进行介绍, 并推荐一些参考书, 让有能力和兴趣的同学可以得到提高[3]。

3 教学方案

3.1 与基础化学衔接

我校环境工程专业学生在大一已经学习了无机化学及分析化学, 其中有化学热力学、化学平衡、化学动力学等章节知识与物理化学部分重叠。到大二学习物理化学时若照本宣科, 面面俱到, 不仅学生没兴趣, 而且加重了学时的负担。若能将学生已有的知识和经验很自然地融合到物理化学教学中, 就会收到事半功倍的效果。比如在热力学第二定律的讲授中, 可以首先启发学生回顾在无机化学中学到的热力学知识, 让学生自己提出这些定律的基本内容及基本概念。在学生期待教师对自已的回答作出判断时, 教师就对体系与环境、热与功、内能与焓、热力学第一定律等重叠内容做复习性介绍, 这时学生往往会全神贯注。最后在此基础上才开始引入热力学第二定律。由于尊重了学生个体已有的知识和经验, 学生的学习活动由被动地接受知识变为积极主动地建构知识[4], 这样就可以大大提高学生的学习兴趣, 使学生学习起来感到知识的渐进性。

3.2 与专业课程衔接

长期以来容易给学生留下一个错觉, 物理化学原理和所学专业很难有直接关联。事实上, 物理化学是研究物质的化学运动形式和物理运动形式之间的相互关系, 掌握物质化学运动的一般规律的科学。正因为如此, 物理化学在环境保护中起了很大的作用, 它的理论和方法被运用到环境保护中, 对推动环境保护事业的发展具有积极作用。为此, 教师可以将物理化学知识与环境专业相联系, 激发学生学习积极性。比如, 环境保护离不开生态学, 而生态系统又是生态学的核心。生态系统中能量流动, 必然遵循热力学第一定律和热力学第二定律。利用热力学定律, 可以比较清楚地了解能量流动的大小、方向和形式。根据热力学定律, 人们弄清了生物群从环境和食物中接受的能量用在新的有机质的建造上的“百分之十规律”, 得出了“生物量金字塔”等规律, 并由此提出了对保护环境有重大作用的“物质输入输出的动态平衡规律”等生态学规律[5]。

3.3 采用多层次教学方式

由于每个学生知识基础参差不齐, 学习的积极主动性也有差别。心理研究和教学经验证明凡是过浅过易或者过深过难的教学内容都会降低学生的学习兴趣。我们每位教师面对六十多位具有不同个性的学生, 而上课只能有统一的教学进度, 要达到个性化教育, 首先要能让每个上课的人都有收获。为此, 必须使课堂教学能够产生多层次、多方位的效果。多层次, 能使基础好、学有余力的学生感到有收获, 又有继续学习和深入钻研的空间;学习吃力的同学也能学到基本内容, 并有继续学习的欲望;学习兴趣不大的人, 也知道达到基本要求的底线是什么[6]。这时, 课堂教学应当着力于重点内容的讲解与科学方法的分析, 力求用“启发式”, 有意识地留一些问题让学生自行解决。布置有一定深度的问题, 通过对比促使学生发现问题、适度讨论等都是可采用的方法。教师在精心备课的同时, 做到心中有案, 目中有人, 既要考虑到学生的实际情况, 又要讲究教学方法。

4 评价手段

考核是检查、评价学生水准和才智的一种方法, 是教学的重要环节。通过它可以检测学生掌握知识的情况, 检验教学质量和教学效果。为此, 任课教师可建立多样化的考核手段[7]。

(1) 加强课堂提问由于某些主客观原因, 大学教学中一般很少课堂提问, 其实课堂提问是检验学生听课效果的一种非常有效的手段, 它可以使学生在上课时集中注意力, 跟上教师的讲课思路。每次课可以利用五分钟对上次课的内容进行提问, 由此来检验学生对于上次课内容的掌握情况, 并考虑以一定的权重计入平时成绩。

(2) 加强平时考核按我校规定平时成绩应占总成绩的30%, 这就要求教师给学生的平时成绩不能随意。为了更好地反应学生的平时学习情况, 我们在课堂上随时有可能利用十分钟的时间, 让学生做作业, 可以开卷, 但必须独立完成。虽然用时不多, 但是很能反映出学生的平时学习情况, 同时, 学生也会感到一定压力, 上课注意力就会集中。

(3) 加强考试的科学性和有效性我校在物理化学课程上已经实现了教考分离, 这在一定程度上提高了考试的科学性和有效性。成绩评定是按照标准答案进行的, 成绩的确定是按照科学的分析方法进行的, 学生的成绩基本能呈正态分布, 避免了成绩偏高或偏低的不正常现象, 由于有一定的不及格率, 所以对学生的学习起到了一定的促进作用。

5 结语

物理化学是一门基础理论性和实践性都很强的学科, 对环境工程专业基础理论的作用和影响是巨大的, 它在教学中占有极为重要的地位。教学是一个复杂的系统工程, 是一个多体的问题, 受到教师的知识水平、学生的接受能力、教学方法和教学手段等多方面因素的影响。只有不断地改进教学方法, 与时俱进, 才能提高教学效果, 强化教学质量。

摘要：针对环境工程专业的物理化学教学, 本文以热力学第二定律章节为例, 分别从教学目标、教学内容、教学方案和评价手段等不同方面阐述了一些备课体会, 提出了几点关于在工科学生物理化学教学过程中应该注意和改进的思路和方法。

关键词：物理化学,环境工程,热力学,备课