建筑大学材料类专业物理化学教学改革

 论文中心     |      2019-12-02 10:47

摘要:物理化学课程具有理论性强、抽象概念多等特点,教学方法通常难以取得良好的教学效果,针对建筑院校材料类的专业特色,提出调整教学内容,突出教学重点,教学过程中通过举例(生活中、自然界中等)来培养学生的学习兴趣,理论教学内容与实验结合起来,将物理化学原理与工程或生产实际联系在一起,这样不仅能让学生更好地掌握物理化学课程的基本理论,还可以增强学生对本专业的学习兴趣,为将来在建筑材料领域工作打下必要的基础。

关键词:材料专业;物理化学;教学改革

21世纪以来,随着科学技术的高速发展,人才培养方向也是向着应用型及创新型发展。物理化学是化学学科的一个重要分支,是材料类专业本科生的一门主干课。本课程目的是让学生系统地掌握物理化学的基本知识和基本原理,加深对自然现象本质及规律的认识,这些知识和原理不仅是化学学科的理论基础,也是材料科学的发展基础。物理化学是连接基础学科和专业学科的重要桥梁,在学习的过程中能锻炼学生的逻辑思维能力,并能有效激发其创新思维,为今后的后续专业课程学习、毕业论文、科研工作等打下必要的理论基础,因此物理化学课程的重要性是不容置疑的。物理化学课程理论性强、逻辑性强、抽象概念较多、公式繁多,采用常规的教学方法难以取得良好的教学效果,所以在创新型人才培养模式下,如何提高物理化学课程的教学质量一直是讨论的热点问题之一[1-2]。除了适当使用多媒体课件、调动学生的学习兴趣、理论与实践相结合等通常教学方法及教学手段[3]之外,刘新露等[4]的“活化”(即生活化、灵活化、快活化)教学法,能够显著激发学生的学习兴趣,培养学生的思维能力、解决问题的能力和创新能力。黄华良等[5]的“实例+问题”式教学法,是通过实例引发学生思考问题、分析问题、实际联系理论,对实例中的原理及问题进行深层次的理论分析,也是一种提高物理化学课堂教学效率行之有效的方法。文瑾等[6]提出了,结合专业需求改革物理化学的教学内容。朱晓东[7]提出结合生活实例来培养学生学习物理化学的兴趣等等。以上这些物理化学的教学方法及手段虽然各有特色,但对于建筑院校材料类学生来讲,还不能全部照搬过来直接使用,需要结合自身的专业特点及学时要求,适当调整教学内容,突出教学重点。由于物理化学是一门概念性、理论性、系统性和逻辑性都比较强的学科,涉及的公式较多,应用条件比较抽象、复杂,本文提出在教学过程中通过举例(生活中、自然界中等)来培养学生的学习兴趣,并将理论教学内容与实验内容结合起来,将物理化学原理与工程或生产实际联系在一起。即结合工程实际,真正做到理论教学与工程(生产)实际相结合,不但彰显建筑院校的特色,还能充分挖掘学生的学习兴趣。

1结合人才培养特色确定教学内容

根据建筑院校材料类专业人才培养方案,突出建筑类院校特色的材料专业课程体系,以培养创新人才为目标,首先选定适合工科院校、且使用较为广泛的天津大学物理化学教研室编的《物理化学》(上下册)做教材,根据培养方案中学时要求确定教学内容,并突出学科专业特色。天津大学物理化学教研室编的第五、六版《物理化学》教材,目前国内80%的工科院校都选用,适用范围广。考虑到建筑院校材料类专业的特点(主要是培养应用型创新人才),教材中理论性极强的量子力学基础、统计热力学初步两章内容不讲,同时加强界面现象及胶体化学这两部分内容的学习,增加界面化学中表面活性剂的作用原理及应用,并将相平衡、界面化学与胶体化学作为重点章节(这些章节内容与材料类部分专业课联系更密切)。为了解决学时少、课程内容多的矛盾,适当增加自学内容。例如电化学中电解质溶液性质、热力学中平衡常数的计算等,相关内容在无机化学、分析化学中学过一部分,都可以做自学内容处理。这样处理后既能突出专业特色,又能保证授课内容的覆盖率不低于90%,以满足部分学生将来报考“985”及中科院系统研究生的需要。

2采取举例式教学培养学生的学习兴趣

物理化学这门课程中,热力学占据了重要地位,热力学理论抽象、生涩难懂,在讲授热力学的过程中,采用举例式教学极易激发学生的学习兴趣,促进学生对知识的理解与掌握。例如讲到热力学第一定律的应用,可以举一个生活中的例子让学生参与讨论:在一个门窗紧闭、保温良好的房间里,放有一个电冰箱,若将电冰箱门打开,不断给冰箱供给电能,室内的温度将如何变化?保温良好、门窗紧闭的房间实际上是一个封闭的绝热系统,从而Q=0,若将电冰箱门打开,不断给冰箱供给电能,因而环境对系统做了非体积功-电功(此时体积功为零),W>0,由热力学第一定律数学表达式,ΔU=Q+W,得知ΔU>0,所以室内温度不但不会降低,反而会升高。再如系统的“状态”与“状态函数”是热力学中非常重要的两个概念,但初学者往往很难理解。可以简单的讲,“状态”就是系统的样子,“状态函数”就是描述系统状态的一些物理量。比如描述一位美女的长相,苗条的身材、白皙的皮肤、大大的眼睛、高挺的鼻梁等,根据这些描述自然得到结论,即这个美女的样子很漂亮。漂亮美女就是“状态”,上面关于美女漂亮样子的具体描述相当于“状态函数”,于是“状态”与“状态函数”的关系就不难理解了。

3理论教学与实验内容相结合

化学是研究物质的组成、性质与变化的科学。物质变化包括物理变化和化学变化,物质变化的特点是化学变化的同时伴随着物理变化,即化学变化与物理变化二者密切联系。物理化学就是从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手,从而探求化学变化中具有普遍性的基本规律,也就是运用物理学的原理和实验方法来解决化学问题。所以说,物理化学教学内容要与相关实验内容紧密结合起来。例如蔗糖水解测速率常数实验。某温度下水解反应:C12H22O11+H2O=C6H12O6(葡糖)+C6H12O6(果糖),是将确定质量的蔗糖溶解在水中,加催化剂盐酸,整个反应体系在一个三角烧瓶中,实验需要确定反应至某一时刻蔗糖的浓度是多少,但是体系中有五种物质混合在一起,无法测出蔗糖的浓度,于是根据实际反应体系的特点,随着反应的进行,旋光系数(一个物理量)不断变化,且对于固定的仪器旋光系数与蔗糖浓度成正比,这样蔗糖的浓度就可以用旋光系数来替代了,通过测定t时刻旋光系数值即可求得蔗糖水解反应的速率常数。本实验通过推导速率方程,进而作图求得速率常数,可以让学生深刻理解一级反应速率方程的积分式。此外,乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定实验,是通过测定t时刻溶液的电导率来替代浓度求得反应的速率常数,使学生对二级反应速率方程的积分式又加深了理解;乙醇与环己烷二元液系相图实验,通过测试二组分的折射率来确定其组分含量,本实验让学生更好地掌握气相组成、液相组成的概念;原电池电动势的测定实验,采用对消法原理,通过测试原电池的电动势来求算待测硫酸铜溶液的浓度,本实验让学生对于电极的构成有了直观的印象,对能斯特方程的应用更加熟练。

4理论教学与工程

(生产)实际相结合学习界面化学中表面活性剂作用原理,结合水泥生产中熟料的粉磨环节,通常需要加助磨剂来提高粉碎效率。主要原因是[8]:1)粉磨过程是比表面积增大、表面能量升高的过程。颗粒越微小,比表面积越大,表面吉布斯函数就越高,系统则处于高度不稳定状态。在没有表面活性物质存在的情况下,有颗粒变大,表面积变小,以降低系统表面吉布斯函数的自发趋势。使用表面活性剂后,它将很快自动吸附到固体颗粒表面并定向排列,使固体颗粒表面张力明显降低,则系统表面吉布斯函数减小。2)表面活性物质还可自动渗入到细微裂缝中,如同在裂缝中打入一个“楔子”,起到一种“劈裂”作用,使颗粒裂缝加大或颗粒分裂。多余的表面活性物质分子,很快吸附在这些新生的表面上,以防止裂缝的愈合或颗粒相互间黏聚。3)由于表面活性物质定向排列在颗粒表面上,非极性碳氢基朝外,使颗粒不易接触、表面光滑、易于滚动……等等,这些都有利于粉碎效率的提高。学习稀溶液的依数性原理,联系冬季融雪剂的作用,考虑到传统融雪剂大量使用对混凝土路面及环境带来的危害,提出笔者正在进行的长效抗凝冰的研制。抗凝冰剂是一种能够主动将道路表面积雪融化的外加剂,其有效成分为盐化物,常见氯化钠、氯化钙等。将其添加到沥青混合料中,在车辆荷载下,外加剂中的盐分从混合料的毛细空隙中逐渐析出,从而降低道路表面水的冰点。冬季建筑施工时,为了保证施工质量,常在浇筑混凝土时加入盐类,这也是稀溶液依数性原理的重要应用。可以让学生讨论,若为达到上述目的,现有氯化钙、氯化钠、氯化铵三种盐,你认为加哪一种盐效果更好?

5结束语

总之,在建筑材料领域的工程或生产实际中应用物理化学原理,不仅能够让学生更好地掌握物理化学的基本理论,还可以增强学生对专业的学习兴趣,为将来在建筑材料领域工作打下必要的基础。