浅谈环境工程专业《物理化学》教学的几点建议*

夏 瑜，徐东耀，何绪文，王春荣

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程院，北京 100083)

《物理化学》是应用物理学的原理与方法来解释化学现象和化学过程的一门科学，是化学学科的理论基础。对于环境工程专业的本科生而言，《物理化学》能为理解污染控制技术和从事相关研究提供理论基础和方法支持，是一门非常重要的专业基础课[1]。对授课教师而言，《物理化学》是一门理论性强、知识点抽象的基础课课程[2]，学生学习难度大，如何保证良好的教学效果是一大挑战。作者作为环境工程专业《物理化学》的授课教师，结合自身的教学实践经验，在此提出关于《物理化学》的3点教学建议。

1 注重学生知识体系的建立，理清各知识点间的联系及逻辑关系

《物理化学》是一门理论性很强的学科，公式多且有适用条件，学生容易混淆。死记硬背需耗费学生大量的精力，且效果不佳。在《物理化学》的教学过程中，教师应该系统地、循序渐进地讲授基础知识点，同时解释清楚各知识点间的联系及逻辑关系，帮助学生理清知识脉络，令其做到胸中有全局。

例如，在课程绪论中，可以向学生概括性地介绍《物理化学》课程内容安排及各章之间的关系。作者选用天津大学出版社的《物理化学》(第2版)(肖衍繁，李文斌编著)作为课程教材[3]，该书比较适合作为工科学生的教材，其内容相对简略，但重点突出。教材内容包括经典物理化学的核心——化学热力学和化学动力学。作者结合其他书籍的编排顺序对教材章节内容的顺序进行了一定调整。在讲述书中的各章内容及关系时，可以这样介绍：第一章要学习的内容是“气体”。气体是三态中最简单的状态，为热力学研究提供了最方便的体系。后续章节很多都是以气体作为讨论对象或者先讨论气体再过渡到其他体相；随后，介绍第二章、第三章的内容分别为热力学第一定律和热力学第二定律，这是《物理化学》课程的重点，也是后续章节的理论基础；而第四章多组分系统热力学，是在前面章节中研究的组成不变的单相系统中引入组分这一变量，将研究对象扩大到多组分系统，进行热力学计算；而后面的第五～八章内容即是将前面章节所讲授的热力学原理应用于相平衡系统、化学平衡系统、电化学、表面现象中，来解释这些在工业生产、科学研究及人们生活中常见的化学现象和化学过程。第九章“化学动力学基础”介绍的则是化学动力学方面的理论知识。第十章“胶体”是物理化学的一个重要分支，所研究的主要对象是高度分散的多相系统。通过这样概括性的介绍，学生在课程开始之时就能建立起课程知识体系的框架，明晰学习主线，并在后续章节的学习中逐步丰富知识体系的内容。

再如，在讲授热力学第二定律这一章时，先介绍并强调学习热力学第二定律的目的为判断过程发生的方向和限度。这里的过程通常指的是自发过程。接着，层层递进，向学生讲解：解决过程方向和限度的判断问题，首先从研究自发过程的特征入手，从而导出热力学第二定律的文字表述，指出热不能无条件地全部转变为功，从理论上解决了过程发生可能与否的判断问题；为讨论热转换为功的最高限度问题，从研究理想热机的效率入手，从而导出卡诺(Carnot)定理；将卡诺定理推广到任意可逆循环过程，进一步推导出熵的定义；将卡诺定理应用于一般过程，则得到克劳修斯(Clausius)不等式。至此，成功将热力学第二定律转换为了数学语言，可用于定量地判断隔离系统中过程是否自发；为进一步方便热力学第二定律的应用，导出工业生产中经常出现的恒温恒压、恒温恒容系统中自发过程的判据，即吉布斯(Gibbs)公式与亥母霍兹(Helmholtz)公式。在此过程中，涉及到的知识点和公式众多，但是它们全是围绕判断过程的方向和限度这一主题展开。教师应引导学生始终紧记这一主线，并向学生解释清楚这些知识点、公式的关联性和层层递进关系，使学生真正理解和掌握这些公式意义及应用，从而建立科学、系统的课程知识体系，不迷失在众多知识点和公式中。

2 结合环境工程专业的特点进行知识点引申，深化学生对课程的理解掌握

《物理化学》理论知识点多，且较为抽象，容易让学生产生畏难情绪。为了引起环境工程专业学生的兴趣、深入其对《物理化学》知识点的认识，并启蒙和加深学生对本专业的认识，在讲授课程知识点之余，可选择性地对知识点进行引申，介绍其在环境工程领域污染控制技术中的应用。在此，作者列举一些典型例子。

热力学第二定律的知识可以为理解环境工程领域内新化学反应发生的可能性提供理论基础。学生可以通过计算化学反应的吉布斯自由能变，运用吉布斯函数判据从理论上判断或分析在污染控制过程中该反应发生的可能性(恒温恒压条件下)，从而排除不科学的污染控制手段或理解基于此反应的新型污染控制技术的原理。

表面(界面)现象中的知识点为学生理解气浮、吸附等污染控制技术的原理提供理论基础。其中，气浮是常被用于去除污水中的固体悬浮物、油脂和各种胶状物的一项技术。其具体过程是：利用高度分散的微小气泡作为载体，使废水中的污染物上粘附于气泡上，随气泡一起上浮到表面，形成泡沫，即气、水、颗粒(油)的三相混合体，通过收集气泡或浮渣来实现固液或液液分离。要想理解清楚气浮技术的原理就需要运用《物理化学》中知识点。根据热力学理论，悬浮物附着于气泡这一过程需要遵循表面吉布斯函数减小至最小的规律。教师可以给学生画出气泡、水、颗粒物(污染物)的表面张力示意图，得出此过程中单位面积上的吉布斯函数变化量△G 为 σ水气(COSθ-1)，需要小于0，且越小越易实现气浮。因此，不难理解憎水性颗粒(接触角θ> 90°)表面容易附着气泡，因而可用气浮法。亲水性颗粒用适当的化学药品处理后可以转为憎水性再用气浮法。通过这样的讲解，既能以实际例子加深学生对表面张力及表面自由能的理解，又能介绍环境工程专业常用到的污水处理技术——气浮，从而提升教学效果；此外，吸附也是污染控制中常用的技术方法之一。表面现象的知识能够帮助学生很好地理解固体表面的吸附现象，并掌握典型等温吸附曲线弗罗因德利希(Freundlish)和朗缪尔(Langmuir)曲线的特征，为学习后续专业课和从事吸附剂等方面的研究打下很好的基础。在讲解这一部分时，教师可以向学生介绍污染控制领域中常用的吸附剂有哪些，如活性炭、树脂等，解释其用途包括去除色度、吸附水中重金属等污染物等，并强调吸附热力学是环境领域内新型吸附剂研究的一项重要内容，引起本专业同学对《物理化学》相关课程知识点的重视。

电化学这一章所涉及到的基本概念、电解池和原电池的原理及原电池热力学等知识，能为学生学习污染控制过程中用到的电化学技术和后续从事环保领域的电化学研究奠定基础。教师在讲授本章内容时，可以向学生介绍电化学技术在环境污染控制领域的相关研究及应用，如电渗析、电化学氧化、电化学还原、电絮凝、微生物燃料电池等都是污染控制领域常用的电化学技术方法，让学生通过了解电化学的应用来深化对这一章的理解，也对环境工程这一专业建立进一步的认识。

化学动力学基础的知识能够为学生研究和理解环境科学领域的化学反应的机理和特征等提供方法支持。通过学习，学生能够掌握零级、一级、二级等化学反应的特点，也能掌握对环境领域涉及到的化学反应进行动力学研究的步骤及方法。在教学过程中，教师可以强调化学动力学研究在环境工程专业科研领域的重要性，引起学生对这块内容的重视和思考。

按照以上这样的方法，选择性地对课程知识点进行引申，既能够深化学生对课程中相关知识点的理解，也能让学生对即将学习的污染控制方面的专业理论课程建立初步认识。

3 综合运用多种教学方式和作业形式，提升教学效果

《物理化学》知识点多而不易理解，教学过程中多种手段的灵活应用有助于加强课程内容生动性，提高学生的学习兴趣，并能加强师生间的互动。例如，多媒体教学可以给学生展示丰富的素材，图形并貌，帮助学生理解抽象的知识点[4]。而利用板书向学生展示重要公式的推导过程，可以加深学生对重要公式的理解[5]；此外，每节课使用板书罗列出重点，并及时对各章知识点及其联系进行总结，可以帮助学生建立起各章节的知识体系，也加强学生的条理性和逻辑性。同时，借助新兴的平台如雨课堂，可以加强师生间的课堂互动[6-7]。例如，通过雨课堂让同学进行随堂测试、发送弹幕等，既可以检查学生的出勤情况，又可以即时反馈学生的学习效果，有利于教师及时改进教学内容，是符合成果导向教育(OBE)模式的教学手段。

另一方面，布置形式多样的作业也是提升教学效果的重要手段之一。习题练习是促进学生对物化知识点进行理解和掌握的必不可少的手段之一。学生只有通过自己解题，动脑思考，才会真正融会贯通，学以致用；此外，在结束各章的讲解之时，教师也可以让学生在课下对照本章知识点进行总结，并在课堂上抽取部分同学对自己总结的内容进行展示，提高学生的自主性和对知识点的归纳总结能力。

4 结 语

《物理化学》是环境工程专业学生重要的专业基础课之一，为学生理解污染控制技术和从事相关研究提供了理论基础和方法支持。在此，作者提出了3条教学建议：(1)注重帮助学生建立起正确的知识体系，在清楚地讲授各知识点的同时，更应注意向学生解释知识点间的联系及逻辑关系；(2)启蒙和加深学生对环境工程专业的认识，注重知识点的引申，介绍其在环境工程领域污染控制技术中的应用，让学生结合专业特点来深化对《物理化学》知识点的理解；(3)借助多种形式的教学工具，如多媒体、板书、语课堂软件等，保证清晰有效地教授各知识点，并及时收到学生学习效果的反馈。