相平衡是物理化学的重要内容，相关内容在工业分离及提纯领域有重要应用，但学生理解和掌握有一定的难度。本文以“纯物质系统相图分析”为例，从问题提出、理论形成、理论应用、前沿拓展几个方面进行教学设计，取得了较好的教学效果。
1 教学内容及教学目标
1.1 教学内容
根据“高等学校化学类专业物理化学相关教学内容与教学要求建议(2020版)”[1]，结合我校工科专业物理化学课程的教学特点，本章的主要教学内容如图 1所示，包括掌握相平衡的普遍规律——相律，并会利用相律来分析单组分相图、二组分双液体系相图、二组分固液体系相图，并能够将抽象的相律与实际现象结合起来分析问题，用相律来指导相图的分析及应用[2, 3]。其中，纯物质系统相图分析是本章第二节的内容，是相平衡一章中承上启下、至关重要的一节内容。本部分教学内容旨在让学生在深入理解相律的基础上，会用相律分析纯物质相图，掌握纯物质相图的特点。在教学过程中，不仅需要学生掌握纯物质相图特征这一新的知识点，而且对学生理解上一节学习的相律在深度和广度上提出了新要求。教师要帮助学生逐步理解相律的重要含义，为学生后续学习相律在二组分相图中的应用奠定基础。
图1
1.2 教学目标
1.2.1 知识传授
(1) 能够说明纯物质相图的绘制方法。
(2) 能够说明纯物质相图中点、线、面的含义。
(3) 能够说明和利用水的相图。
1.2.2 能力培养
(1) 能够绘制简单的相图。
(2) 能够利用克拉贝龙方程(Clapeyron方程)说明相关规律。
(3) 能够在绘制过程中提出问题、分析问题和解决问题。
1.2.3 价值塑造
(1) 明确物质是第一性的，能够进行分类、归纳并推广应用，解决实际工程及基础科学前沿的问题。
(2) 能够解决实际问题、建立模型、主动发现规律，体现创新思考。
(3) 说明中国科学家在本领域所做出的杰出贡献和艰辛历程，说明中国在化学、材料等领域在世界科学舞台中的重要作用。
2 教学设计的基本理念与思路
图2
(1) 问题的提出：由生活中常见的相平衡问题导入课程。
(2) 理论的形成：水的相图分析。
在教师的引导和启发下，结合相律，通过实验测定数据描点划线的方法绘制水的相图，通过分析得出纯物质相图的特点及规律。
(3) 理论的应用：举一反三及知识拓展。
通过详细分析水的相图，引申到二氧化碳、硫、碳的相图，进一步验证相平衡理论的正确性和适用条件，使得理论进一步合理化，并结合科学前沿拓展认识，在解决“老”问题的过程中提出“新”问题，引出后续知识的内容和发展方向。
3 “纯物质系统相图分析”教学案例设计
针对本单元的教学难点及重点，结合化学是一门理论和实验并重的学科特点，从问题的提出、纯物质相图理论的形成、纯物质相图的分析及应用、拓展与思考依次展开本节课的教学活动，通过各个教学环节的有机结合，实现从知识传授到能力培养、到价值塑造全方位的人才培养目标。具体的教学环节设计如表 1所示。
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) 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 | |
4 “问题探究式”教案设计的应用效果与教学反思
4.1 课堂应用效果
“相平衡”的理论知识是工业分离和提纯技术的基础，同时也是物理化学课程中比较难理解的一部分内容，特别是对于我校材料类的学生，相平衡是其后续课程“物理冶金原理”“材料现代研究方法”的基础，学生普遍反映相平衡理论知识的掌握难度较大，在针对“课程难度和理解程度”的调查问卷中，66.67%的学生认为课程的教学过程难度适中，33.33%的学生认为课程很难。在近期的教学活动中，经过“问题探究式”教案设计及教学实践，课堂上明显能够感知到学生的兴趣和参与度有所提高，学生普遍认为能够较好地理解和掌握“相平衡”一章的基本内容，能够根据相律分析基本相图，并对教师的教学活动安排有很高的评价。调查问卷显示，83.33%的学生认为课程的教学过程难度适中，认为课程较难的同学比例下降至16.67%。图 3为案例应用前后对照班“相平衡”一章小测验的正确率对比图，发现改革后每道题的正确率均高于改革前。此外，在经过教案设计后的教学实践中，有91.67%的学生认为前沿知识拓展能够调动课后学习的积极性，从被动灌输转为主动学习；87.5%的学生认为思政环节设计与课程内容紧密结合。因此，应用效果对比充分说明了改革后的教学模式让学生在问题中学习，提升了学生的学习兴趣，从知识传授、能力培养、到学生的价值观塑造，全方位提升了教学效果。
图3
4.2 教改前后成绩对比
基于在“相平衡”一章中的教学改革尝试的良好效果，教师逐步在其他章节也开展教案设计改革，图 4为改革前后学生的成绩对比。改革前，对照班级的平均分为70.6，优秀率(90–100分)为10.25%，良好率(80–89分)为21.79%，及格率为84.62%；改革后，对照班级的平均分为75.1，优秀率为15.51%，良好率为49.99%，及格率为93.11%。此外，在成绩评定方面，增加了前沿拓展讨论大作业，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，占期末总评成绩的10%。87.5%的学生认为该教学环节很适合，并且可以通过课后调研学到知识。考试成绩显示，经教学改革后，学生成绩的优良率和及格率有显著的提升，这是由于改革后的教案以生活生产中的实际问题或现象为出发点，引导学生将复杂的公式和抽象的理论知识与实际问题结合起来，能更好地掌握理论知识，并具备利用理论知识分析实际问题的能力，教学目标达成度较高。
图4
4.3 教学反思
根据教育部提出的“两性一度”的金课标准，教师在教学模式上进行了很多探索，从传统的讲授式教学模式到混合型教学模式、研究型教学模式、讨论式教学模式、探究式教学模式等[3, 12]，力争实现课前、课中、课后，线上、线下全方位教学手段的结合，实现更好的教学效果。在本节课的教学活动中，由于理论具有很好的应用场景，采用“问题探究式”教案设计深入浅出，让学生学习的注意力更加集中，提高了学习的兴趣。同时，有些课程内容由于教学时间的关系无法在课堂上深入展开，为了满足学生高阶性、创新性、挑战度的需求，在今后的教学活动中，我们还将根据不同层次的学生，增加课程内容广度和深度。重点引导学生学习知识点形成和发展过程中的科学方法，学习基础理论发展过程中的逻辑思维。在课程的各大板块中引入不同深度的案例，引导学生课后进行分析、比较和讨论，培养培养学生分析问题、解决问题的能力以及创新思维。
5 结语
基于建构主义理论的“问题探究式”教学设计，目的在于通过精心设计的环环相扣的教学素材和严谨的教学环节，引导学生从实验开始认识相图的绘制、相图的分析、相图的应用，理解相律和相图的关系，总结其特点和规律，并能够举一反三进行复杂相图的分析。通过教学实践，在授课过程中，着重讲授如何将实际问题转化成抽象的理论模型，既可以激发学生学习的兴趣，并且可以培养学生发现问题、解决问题、理论联系实际的能力，取得了很好的教学效果。经过该章节的教学实践活动和取得的良好教学效果表明，“问题探究式”教学思路的设计可以推广到本课程的其他教学板块，从而形成物理化学课程深入浅出的教学体系。
参考文献
