周祖新 王根禮

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化工系 上海200233)

大學(xué)工程化學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐

周祖新 王根禮

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化工系 上海200233)

介紹非化學(xué)化工類專業(yè)工程化學(xué)教學(xué)中的一些方法。在學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，學(xué)時(shí)較少的情況下，通過與中學(xué)化學(xué)知識(shí)的銜接，簡(jiǎn)化理論，注重應(yīng)用實(shí)例剖析來提高學(xué)生的綜合化學(xué)知識(shí)。

我校與全國(guó)大部分應(yīng)用技術(shù)型高校一樣，辦學(xué)宗旨是培養(yǎng)一線工程師，其特點(diǎn)不僅是專業(yè)應(yīng)用知識(shí)強(qiáng)，而且相關(guān)知識(shí)面寬，要求在某些領(lǐng)域能獨(dú)當(dāng)一面。我們?cè)趯?duì)往屆工科專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)畢業(yè)生的跟蹤回訪中，發(fā)現(xiàn)化工知識(shí)的缺陷對(duì)他們的工作造成一定困難，故在工科各專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)開設(shè)了工程化學(xué)課程，以彌補(bǔ)學(xué)生化工知識(shí)的缺陷。但由于課時(shí)數(shù)較少(共32課時(shí))，學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，對(duì)工程化學(xué)的教學(xué)帶來了一些困難。針對(duì)這一問題我們采取了一些方法，使教學(xué)工作得到較滿意的結(jié)果。

1 注意與中學(xué)所學(xué)化學(xué)知識(shí)的銜接

現(xiàn)在全國(guó)較多地區(qū)的高考實(shí)行的是3+X方式，即理工科考生只考語文、數(shù)學(xué)、英語3門和物理、化學(xué)、生物中任選一門，工科專業(yè)(除化工、材料、生物醫(yī)學(xué)類)的新生幾乎沒有選考化學(xué)的，他們從高中二年級(jí)起就已放棄了化學(xué)的學(xué)習(xí)，化學(xué)基礎(chǔ)較薄弱。如果照教材上的內(nèi)容按部就班地進(jìn)行教學(xué)，則大部分學(xué)生無法達(dá)到教學(xué)要求。我們通過降低教學(xué)起點(diǎn)，適當(dāng)補(bǔ)充中學(xué)化學(xué)的內(nèi)容，使學(xué)生逐步適應(yīng)工程化學(xué)的學(xué)習(xí)。

1.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論上的銜接

在講授原子結(jié)構(gòu)時(shí)，先講原子核結(jié)構(gòu)，隨后引出質(zhì)子、中子、質(zhì)量數(shù)、同位素、原子序數(shù)等中學(xué)應(yīng)學(xué)的概念;然后講決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的要素——核外電子，核外電子的分層排布，亞層，同一亞層中不同伸展方向，再引入大學(xué)化學(xué)的原子軌道即每個(gè)不同伸展方向的電子云，電子在原子軌道上的排布原則和元素周期律。對(duì)于從量子力學(xué)、薛定諤方程引進(jìn)原子軌道的內(nèi)容只作了解，學(xué)生只需知道幾個(gè)量子數(shù)與電子層、亞層及伸展的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可。

在講授化學(xué)鍵時(shí)，從中學(xué)化學(xué)用電子式表示NaCl的形成，引出離子鍵形成條件及特點(diǎn)，指出其本質(zhì)還是正負(fù)電荷的靜電作用。由共價(jià)鍵鍵合的兩原子電負(fù)性相差較小，有時(shí)甚至是相同的原子，它們之間的相互靜電吸引作用較難說明，可解釋為兩鍵合原子的單電子軌道重疊后，兩原子間軌道重疊部分負(fù)電荷密度增加，幾乎形成負(fù)電荷重心，由此負(fù)電荷重心吸引兩帶正電荷的原子核，從而形成穩(wěn)定的分子。從電子云重疊得越多則分子越穩(wěn)定來解釋共價(jià)鍵的方向性及分子幾何構(gòu)型。

在講授晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，從CO2和SiO2物理性質(zhì)的巨大差異引入，使學(xué)生清楚只有分子晶體是由平常意義上的分子形成，其余晶體都是微粒間彼此通過化學(xué)鍵作用形成的巨大分子，故性質(zhì)上有巨大差異。

1.2 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡內(nèi)容的銜接

先從常見事例得出濃度和化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系，如鼓入空氣使燃燒反應(yīng)更劇烈，關(guān)閉鼓風(fēng)裝置使燃燒減弱甚至停止等事例寫出質(zhì)量作用定律;從加熱使化學(xué)反應(yīng)速率加快的事實(shí)寫出阿倫尼烏斯公式(不要求掌握，但要從公式中知道溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系)，再簡(jiǎn)單地用碰撞理論加以解釋。

化學(xué)平衡知識(shí)可從平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)著手，也可以從正逆反應(yīng)速率達(dá)到相等的情形著手，強(qiáng)調(diào)平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度不再改變，此時(shí)各物質(zhì)濃度不是常數(shù)更不相等，各物質(zhì)平衡濃度可由平衡關(guān)系表達(dá)式聯(lián)系起來，并可進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。如計(jì)算平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率等。

1.3 酸堿平衡內(nèi)容的銜接

先分別用0.1mol·L－1氯化鈉溶液、醋酸溶液、酒精溶液的導(dǎo)電性演示實(shí)驗(yàn)引出電解質(zhì)與非電解質(zhì)的概念，然后從分析導(dǎo)電強(qiáng)弱的原因來引出強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的概念;再進(jìn)一步導(dǎo)出解離常數(shù)、解離度等概念;最后根據(jù)平衡移動(dòng)原理引入同離子效應(yīng)、緩沖溶液、鹽類水解等概念及應(yīng)用。

2 簡(jiǎn)化理論

由于工程化學(xué)課時(shí)數(shù)少，且沒有后續(xù)的相關(guān)課程，許多理論引入時(shí)，不一定要有嚴(yán)格的證明或推導(dǎo)，只需結(jié)論和相關(guān)的事實(shí)支持即可。

如講授到濃度與反應(yīng)速率關(guān)系時(shí)，不必用很多時(shí)間講基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)，只需講濃度增加反應(yīng)速率增加，隨即寫出速率方程式，但濃度指數(shù)項(xiàng)不一定是方程式中反應(yīng)物前的系數(shù)，而以x、y表示，強(qiáng)調(diào)具體數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)確定，由于化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，一般只以總反應(yīng)方程式表示。

在講授平衡移動(dòng)時(shí)，強(qiáng)調(diào)溫度不變時(shí)平衡常數(shù)不變，各物質(zhì)濃度相關(guān)，反應(yīng)物之間的濃度有一種此消彼漲的關(guān)系，故可通過多加入成本較低的反應(yīng)物使較高成本的反應(yīng)物轉(zhuǎn)變完全，以節(jié)約成本，如水煤氣制氫氣時(shí)加入過量水蒸氣使CO反應(yīng)完全。但反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度間是此消彼補(bǔ)的關(guān)系，故可通過移走產(chǎn)物使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率提高，如合成氨反應(yīng)中不斷移走氨使平衡不斷右移。

在電化學(xué)基礎(chǔ)這一章，不講氧化還原方程式配平以及電極電勢(shì)形成的雙電層理論，而是簡(jiǎn)單地講不同材料得失電子能力不同，故不同電對(duì)的半電池間存在電勢(shì)差;對(duì)由于電化學(xué)腐蝕而引起的各種后果和電化學(xué)防腐方法可多講一些，如船舶在幾個(gè)部位放上鋅塊或鎂塊的犧牲陽極保護(hù)法，地下或水下金屬設(shè)施的外加電源保護(hù)法。還可以引入電化學(xué)加工的方法，如電化學(xué)拋光、模具的電化學(xué)修復(fù)、電解加工等實(shí)用工藝。

3 精選內(nèi)容

工科包括很多專業(yè)，對(duì)于化學(xué)知識(shí)需求的重點(diǎn)不盡相同，除基礎(chǔ)理論外，我們根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)，選擇不同內(nèi)容進(jìn)行講授。

對(duì)于機(jī)電專業(yè)，在材料與化學(xué)這一章中，突出介紹金屬和合金材料的性能及應(yīng)用;金屬的表面處理，如發(fā)藍(lán)、磷化處理，表面的除銹、防銹、拋光及光亮處理;還增加了機(jī)械潤(rùn)滑油方面的內(nèi)容，如潤(rùn)滑油的作用、組成、選用潤(rùn)滑油的一般原則等。

對(duì)于土木工程專業(yè)，增加有關(guān)建材方面的化學(xué)知識(shí)，如水泥的組成、制備工藝及硬化原理，混凝土腐蝕機(jī)理和防腐方法，涂料的組成及成膜原理，現(xiàn)代節(jié)能建材的原理等。

對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，增加半導(dǎo)體材料和智能材料的內(nèi)容。如晶體硅的制備，摻雜及性能，智能材料的原理等。

化學(xué)品的安全和消防知識(shí)對(duì)各個(gè)專業(yè)都是需要的，在沒有相關(guān)課時(shí)的情況下，我們專門用兩個(gè)學(xué)時(shí)講解危險(xiǎn)化學(xué)品在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、使用中的注意點(diǎn)，發(fā)生火災(zāi)或燃燒反應(yīng)的3個(gè)條件，滅火的4種方法，既普及了學(xué)生的消防知識(shí)，又增加了他們的消防觀念。

4 結(jié)合社會(huì)生活中的化學(xué)知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生興趣

為了使學(xué)生了解化學(xué)在社會(huì)生活中的作用，增設(shè)了化學(xué)與社會(huì)生活一章，如化學(xué)與能源、環(huán)保，不僅增加了學(xué)生在能源、環(huán)保、綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展等方面的知識(shí)，也激發(fā)了大學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感;當(dāng)講到化學(xué)與日常生活中衣、食、住、行相關(guān)的化學(xué)知識(shí)，如各種常用食物的成分、生理作用，各種不同藥物的治病機(jī)理，不同材料衣物的組成、保養(yǎng)方法，各種化妝品的成分、使用方法等時(shí)，學(xué)生興趣很高，深切地體會(huì)到化學(xué)知識(shí)對(duì)日常生活的影響以及化學(xué)知識(shí)的重要性。

5 在實(shí)驗(yàn)中使學(xué)生化學(xué)知識(shí)和思維飛躍

為使學(xué)生加深對(duì)化學(xué)的理解，我們?cè)跇O少的課時(shí)中開設(shè)了實(shí)驗(yàn)課。由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)很少，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了精心選擇。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是由硫酸亞鐵銨制備三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀，該實(shí)驗(yàn)包括了沉淀反應(yīng)、氧化-還原反應(yīng)、配位反應(yīng)等基本類型的化學(xué)反應(yīng)，涉及了溶解、加熱、提純、蒸發(fā)、過濾等基本操作，做完實(shí)驗(yàn)后學(xué)生感覺化學(xué)不再神秘，不同物質(zhì)間經(jīng)過一些簡(jiǎn)單操作可相互轉(zhuǎn)變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課本中操作方法提示也能做其他實(shí)驗(yàn)。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是到校實(shí)驗(yàn)中心觀看用現(xiàn)代分析儀器對(duì)樣品進(jìn)行分離、分析。先用高效液相色譜對(duì)樣品分離，從記錄儀中的幾個(gè)峰，可知樣品中物質(zhì)的種類，對(duì)已分離的物質(zhì)分別收集后，再通過紅外光譜，質(zhì)譜，氫譜和碳譜等分析，最后確定樣品中的所有物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)雖然只是演示實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生通過觀看，可以體會(huì)到現(xiàn)在分析技術(shù)的先進(jìn)，知道在以后工作中遇到需了解物質(zhì)成分時(shí)，能通過現(xiàn)代分析儀器來實(shí)現(xiàn)。

6 從化學(xué)網(wǎng)站引導(dǎo)學(xué)生獲得更多化學(xué)知識(shí)

每講授一章內(nèi)容，我們總是給學(xué)生介紹相關(guān)的化學(xué)網(wǎng)站，讓有興趣的學(xué)生通過化學(xué)網(wǎng)站學(xué)到更多的化學(xué)知識(shí)。有時(shí)我們還會(huì)布置一些在課堂上未講過的內(nèi)容作為作業(yè)，告訴學(xué)生在哪些網(wǎng)站可以查到，這樣，不僅使學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)到更多知識(shí)，更重要的是能通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)解決問題的方法。

通過幾年的工程化學(xué)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法不斷改進(jìn)，達(dá)到了使工科學(xué)生科普性地了解化學(xué)在社會(huì)生活中的巨大作用，熟悉化學(xué)的基本知識(shí)和基本理論，能運(yùn)用化學(xué)理論、觀點(diǎn)和方法解決工程中的實(shí)際問題的目的。另外，由于課程中有不少工程、工藝是教師也不熟悉的內(nèi)容，對(duì)于教師也是一個(gè)重新學(xué)習(xí)的過程，有助于提高教師的素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平。

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