相平衡的教学设计案例与思考

doi:10.3866/PKU.DXHX202212038

摘要/Abstract

摘要：

“相平衡”是物理化学的重要部分，本文以“纯物质系统相图分析”为例，介绍了围绕“问题探究式”教学模式开展教学内容、教学目标、教学设计的基本理念与思路，致力于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，取得了很好的教学效果。

Abstract:

"Phase equilibrium" is one of the most crucial parts in the physical chemistry curriculum. Considering the subject "single component phase diagram analysis" as an example, this paper presents the teaching content, teaching objectives, teaching ideas, teaching design, and complete teaching activities in detail with respect to the "question inquiry" teaching mode. Results show that students learned to find, analyze, and solve problems and achieved better results.

Key words: Physical chemistry, Phase equilibrium, Phase diagram, Teaching design

王女, 赵勇, 刘兆阅. 相平衡的教学设计案例与思考[J]. 大学化学, 2023, 38(10): 129-136.

Nü Wang, Yong Zhao, Zhaoyue Liu. Teaching Design and Reflections on Phase Equilibrium[J]. University Chemistry, 2023, 38(10): 129-136.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202212038

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I10/129

图/表 5

图1

图2

表1

教学环节设计"

教学内容	教学设计意图	教学活动
1. 问题的提出
由生活中常见的相平衡问题导入课程：如：防护镜结雾、雾凇的生成等现象导入本节课的讲授内容——物理化学中纯物质的相平衡问题	将相图这一抽象的问题与生活中的现象相结合，引起学生兴趣^[6–10]	课前预习环节：复习热二律中的克拉贝龙方程。发现日常生活中的相平衡现象，并思考现象产生的原因
2. 理论的形成
(1) 复习相律并讨论相律在纯物质系统相平衡中的应用：	采用板书对前序知识点相律进行复习，并结合本节纯物质相平衡讨论相律中自由度F与相数P之间的关系由相律得出纯物质相图的绘制思路及坐标系的选择	重点内容讨论：由相律讨论纯物质相图中自由度F和相数P的关系
(2) 以水为例，两相平衡实验数据的测定 ①从水的p–T数据引入：	探究式教学方法：本节课的教学过程中力求从现象到理论，到问题解决的认知方式，最终达到学生可以透过现象看本质。在本环节，通过水两相平衡的实验数据引入，可以让学生更深刻地领会相图的含义	结合PPT讲授
②三相点的测定：三相点的测定很有意义，是我国的化学家黄子卿先生在博士期间测得的，是至今仍被国际温度标准委员会采用的标准温度之一。在讲解过程中穿插化学史中的小故事，简述我国著名化学家黄子卿先生在三相点测定中的重要贡献，同时用黄子卿先生在国外学成归国，为国家的化学教育和科研做出杰出贡献的事例，鼓励学生学以致用，报效祖国	思政教育科学精神：通过黄子卿先生测量三相点的历程，树立学生严谨的科学态度，并增强学生的民族自豪感和自信心	结合PPT讲授
(3) 根据纯物质两相平衡时p–T关系的实验数据绘制相图	教学设计：让学生体会到化学是一门理论和实验并重的科学，要善于从实验数据中找到规律	利用多媒体设备及动画设计，先描点，再画线，根据两相平衡时的压强p和温度T数值，逐一画出固气曲线、液气曲线、固液曲线
3. 纯物质相图的分析
(1) 线的分析：F = 1，P = 2 克拉贝龙方程与线：纯物质两相平衡时，压强p和温度T的对应关系符合热力学第二定律中讲述的克拉贝龙方程(Clapeyron方程) $\frac{\mathrm{d} p}{\mathrm{~d} T}=\frac{\Delta_\mathtt{α}^\mathtt{β} S_{\mathrm{m}}}{\Delta_\mathtt{α}^\mathtt{β} V_{\mathrm{m}}}=\frac{\Delta_\mathtt{α}^\mathtt{β} H_{\mathrm{m}}}{T \Delta_\mathtt{α}^\mathtt{β} V_{\mathrm{m}}} \;\;— \text { Clapeyron方程 } $ 引申提问：对于通过相图解决实际问题，继续提问：高原煮饭为什么需要用高压锅？引发学生自主思考，高原由于海拔增加引起压强降低，这是气液线的问题，根据气液线的趋势，由于高原压强降低，导致沸点降低，造成做饭不熟的现象，并与相图结合分析问题作业：按照拉萨平均海拔3600 m，大气压为65 kPa，计算拉萨地区水的沸点	教学设计：通过对于相线斜率的分析，既可以让学生对于纯物质相图有更深入的理解，还可以更好地掌握热力学第二定律中学过的克拉贝龙方程	与课前预习相呼应：提问关于克拉贝龙方程的内容组织学生进行讨论，并在课堂上进行简单的计算、分析
(2) 点的分析：F = 0，P = 3，三相点自由度为0，温度T和压强p是固定值，不可以变化三相点与冰点的区别：三相点的分析是本节纯物质相图分析中的难点问题。逐步引导学生注意到三相点和冰点的压强不同，冰点的压强是101.325 KPa，而三相点的压强是0.610 kPa。并对本节的难点问题进行深入的分析和解释，让学生了解三相点和冰点的本质区别	教学重点举一反三：此问题(气液线：压强的减小导致沸点降低)与上一个问题类似(固液线：压强的增大导致凝固点降低)，可以作为略讲，让学生学会举一反三，会利用所学的知识自主分析问题难点处理：用板书的形式将三相点与冰点的温度和压强进行对照，让学生自己观察分析后得出二者的区别，既有利于培养学生发现问题、分析问题的能力，又可以加深学生的印象，达到良好的教学目标	分析讨论：为了引起学生的关注，在“三相点”的讲解过程中，首先设问：“三相点和冰点是不是同一个点？从0.0098 ℃到0 ℃是不是近似？”这一看似简单的问题，引起学生注意
(3) 面的分析：F = 2，P = 1	教学设计：此处容易理解，略讲，交待规律即可	通过提问的方式让学生自己总结
(4) 知识点归纳：总结纯物质相图的规律，点、线、面的特征，点是三相点，F = 0；线是两相线，F = 1；面是单相面，F = 2。纯物质相图的特征可以推广到其他的纯物质相图，因此掌握纯物质相图的特征是把握纯物质相图的关键，也是分析其他纯物质相图的基础	重点总结：针对本节重点内容，通过板书的设计总结纯物质相图点、线、面中自由度F和相数P之间的关系，加深学生印象，而且便于在课程结尾部分总结纯物质相图的特征及规律	结合板书进行知识点总结
4. 拓展与思考
(1) 纯物质相图的应用——二氧化碳相图 ①二氧化碳相图的分析：二氧化碳相图三条线的形状与水的相图类似。水的相图分析为详细讲解部分，二氧化碳相图的分析为略讲部分。重点讲清楚二氧化碳相图与水相图的区别及联系。三条相线的斜率大小和正负是有区别的，具体的解释为克拉贝龙方程(继续深化克拉贝龙方程的应用)	教学设计：非重点内容略讲，重点把握纯物质相图的特征，培养学生学会举一反三	采用提问形式引导学生自行分析
②二氧化碳相图的应用：二氧化碳超临界萃取充分利用所讲理论知识与实际化工生产存在的联系，调动学生学习的积极性，培养学生理论联系实际的能力。通过对二氧化碳超临界点与水的超临界点数值进行对比，发现二氧化碳的超临界点为31 ℃，7.39 MPa，与水的超临界点对比(374.1 ℃，22.12 MPa)，比较容易实现。利用超临界点的特点，具有液体的溶解性和气体的流动性，而且二氧化碳还具有廉价、无毒、惰性、易分离等优势，因此被用于超临界萃取，可以用于食品、药品等物质的提取及分离	教学设计(理论联系实际及思政元素)： “二氧化碳超临界萃取”应用的简介，突出节能、无毒、无污染，体现了化学处理过程中的环境友好和食品清洁，并培养学生作为化学工作者绿色环保的基本素养。通过对二氧化碳超临界点萃取咖啡因的简要介绍，既可以让学生感受到学有所用，基本相图是实际生产的原理。又可以树立化工生产中的环境友好、生态友好的可持续发展理念	结合PPT及超临界萃取案例工艺流程图等进行讲授
(2) 知识拓展与启发案例——硫的相图例举硫的相图，从形状上看与水的相图存在明显差异，引导学生找出规律，根据纯物质相图点、线、面的特征，进行分析，从而实现举一反三，真正掌握识图的分析能力	教学方法与知识拓展：课堂上的有限时间无法对各种纯物质相图进行全面的举例及讲解，故教师在授课内容中重点讲解纯物质相图的规律性内容，让学生了解什么是共性的特点，什么是不同的，引导学生在课下学习及查阅资料的过程中举一反三，掌握分析问题和解决问题的能力。故在本节课针对水的相图作详细分析，在本节课末给出硫的相图和碳的相图，开拓学生的知识面，增加知识的广度，引导学生根据所学的规律，课后自主学习	作为课堂练习题，引导学生自行分析并回答问题
(3) 知识拓展与启发案例——碳的相图：	知识引申：例举碳的相图，除了可以利用纯物质相图的规律进行分析，指出碳的相图上还存在着一些未知的阴影区域思政设计：简要介绍碳家族的发展历程，包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等，并介绍李玉良院士合成石墨中遇到的困难和挑战，指出我国材料、化学学科在世界领域的重要地位，在潜移默化中培养学生对待科学要一丝不苟，同时又可以树立学生的民族自豪感和自信心，增强对专业领域的兴趣
	前沿拓展：简要介绍多层石墨烯向金刚石薄膜转变相图的最新研究进展，C相图的进一步延伸，既与本节课知识点密切相关，又可以激发学生对前沿知识和本课程的热情和兴趣，引导学生根据个人兴趣进行课后学习推荐课后文献阅读：Nano Lett. 2014, 14, 676–681.	布置讨论作业：根据教学内容的展开，每章节均有前沿拓展内容。要求学生根据学习兴趣自行选题分组讨论(每组2–3人，每人至少要选择一个前沿课题)，期末前安排2学时的集中展示，由学生代表展示讨论结果
5. 小结
总结本堂课的学习内容，继续深化纯物质相图的特征并对其研究意义略作分析	板书设计：结合已有板书总结本节课重要知识点

表1

图3

图4

参考文献 12

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