思維導圖在物理化學課程中的應用探索

程桂青，于 青，王忠衛，劉 蕾，張如良，韓玉璽

(山東科技大學材料科學與工程學院，山東 青島 266590)

物理化學是從物質的物理現象和化學現象的聯系入手，來探求化學變化基本規律的一門科學[1]。作為化學學科的一個分支，物理化學是化學學科的理論基礎，又稱理論化學，其它學科的深入發展，離不開物理化學。物理化學的重要性不言而喻，然而，由于物理化學課程的特點，例如理論性強、概念抽象、公式繁多、公式具有適用條件[2-3]，因而，對物理化學課程的教學以及高效學習，需要采用合適的教學方法和學習方法。

思維導圖是一種表達發散性思維的有效圖形思維工具，具有簡單、高效、實用性的特點[4-5]。它注重圖文并重，可以把各級主題之間的關系用隸屬和相關的層級圖表示出來?；谖锢砘瘜W課程的復雜性和邏輯性強的特點，利用思維導圖，可以有效的提高學生對該課程知識體系的梳理和建立。

根據山東科技大學高分子材料與工程專業和材料化學專業培養目標以及課程特點，物理化學課程選用天津大學物理化學教研室編著的《物理化學(簡明版)(第二版)》作為教材。下面首先利用思維導圖對整個課程體系進行知識框架的搭建，然后以該教材的相平衡和界面現象章節為例，簡述思維導圖在物理化學課程教學中的應用。

1 利用思維導圖搭建物理化學課程知識框架

物理化學的主要任務是探討和解決以下三個方面的問題：(1)化學變化的方向和限度問題；(2)化學反應的速率和機理問題；(3)物質結構和性能之間的關系。前兩部分分別對應化學熱力學和化學動力學研究內容，其中熱力學是物理化學課程的主要研究范疇，占據了大部分的授課學時?？煞譃闊崃W第一定律、熱力學第二定律、以及熱力學在多組分系統、化學平衡、相平衡、電化學、界面現象、膠體化學中的應用研究。動力學比熱力學復雜得多，并且化學動力學還不成熟，許多領域尚有待開發，因此，大多數教材對其只進行簡要的介紹。第三部分為結構化學部分，通常單獨設課進行講解，在本教材中未對其進行介紹。由于物理化學課程的特點，對其進行知識框架的搭建非常重要，有利于學生對課程的知識脈絡進行全面認識。為此，首先利用思維導圖構建物理化學課程的知識框架，如圖1所示。

圖1 利用思維導圖搭建物理化學課程知識框架

2 思維導圖在相平衡中的應用

如上所述，物理化學課程可以分為兩大方向，一是熱力學研究范疇，二是動力學研究范疇。其中，在教學過程中，熱力學是教學的重點和難點。相平衡是熱力學在化學領域中的重要應用，也是化學熱力學的主要研究對象。相平衡主要研究一個相平衡系統的狀態如何隨著其組成、壓力和溫度等變量而變化。產品的溶解、蒸餾、分離、提純涉及的理論基礎就是相平衡原理，在冶金、采礦、地質等行業也需要使用相平衡知識，因此相平衡與實際生產生活息息相關[6]。

在相平衡章節中，主要涉及相律和相圖的學習。相律是物理化學中最具普遍性的規律之一，它反映了平衡系統中相數、獨立組分數和描述該平衡系統的變量數之間的關系，但其并未給出這些數目具體是哪些變量或相態。相圖具有簡單、直觀的特點，然而，在相平衡的學習中涉及到許多類型的平衡體系，包括單組分系統和多組分系統，其中在本教材中多組分系統主要介紹了二組分系統，又可以分為氣-液平衡相圖和液-固平衡相圖，其中，氣-液平衡相圖還可再細分為液態完全互溶(理想液態混合物、真實液態混合物)、液態部分互溶、液態完全不互溶體系；液-固平衡相圖可分為固態不互溶(無化合物生成、生成穩定化合物、生成不穩定化合物)、固態完全互溶、固態部分互溶體系。由于在該部分涉及較多類型的相圖，很多同學容易混淆和模糊不同系統的相圖特點。因此，通過思維導圖，建立該章節的知識框架，對其進行總結分析，有助于對比不同平衡系統的相圖特點，幫助同學們理解和掌握各類相平衡系統的相圖。為此，建立了圖2的思維導圖。

圖2 思維導圖應用于相平衡

3 思維導圖在界面現象中的應用

水滴為什么是圓形而不是方形？昆蟲為什么可以漂浮在水面上？水在毛細管中為什么會上升？這些都是實際生活中存在的現象，也是物理化學界面現象這一章節需要解決的問題。這說明了界面現象中的知識點與生活息息相關。自然界中的物質一般以氣-液-固三種相態存在，界面即所有兩相的接觸面，一般將與氣體接觸的界面稱為表面。在之前熱力學的學習中，并未考慮界面效應，這是由于界面的質量和體積與體相相比可忽略不計，然而當物質高度分散，比表面積較大時，界面的作用會很明顯。多孔材料，例如多孔硅膠、分子篩、活性炭等具有較高的比表面積，在吸附和催化等領域有著重要的應用，這也說明了學習界面化學知識，有助于培養學生對相關科研領域的研究興趣，以及提升學生對相關工業技術的認識。整體來看，本章知識點具有系統性、實用性、以及科研活躍的特點。

在本章節的學習中，首先需要了解一些基本概念，例如表面與界面、比表面積、分散度，然后，掌握表面張力、表面功、表面吉布斯函數和表面自由能等重要概念。能夠基于表面吉布斯函數公式，解釋一些界面現象。隨后，學習表面張力產生的第一個表面現象，即彎曲液面的附加壓力，進而可以解釋開始所提出的毛細管現象。最后，通過對固體表面、固-液界面、溶液表面分別進行介紹，完成本章的學習。因此，建立圖3的思維導圖。

圖3 思維導圖應用于界面現象

4 結 語

物理化學課程作為化學、材料專業的一門專業基礎課，是很多院校的指定考研科目，對后續課程的學習也是至關重要，對生產生活中相關技術的指導也是不可或缺的。由于該課程理論性強、較抽象、以及知識體系的復雜性，因此，建立其知識框架有利于對該課程的理解和掌握。思維導圖作為一種有效的工具，可以直觀、清晰的將知識點聯系起來，通過思維導圖建立物理化學課程體系和各章節的知識框架，可以幫助學生掌握課程的重難點，并且有利于提高學生學習的主觀能動性和積極性。