冶金物理化学习题课教学探索

作者:毕业通查重     发表时间:2022-07-20 13:19:55   浏览次数:27



摘    要:

在冶金物理化学习题课教学中,重视从教学实际和学生实际出发,运用课堂反转、习题多样化等方法培养学生独立思考、发散性思维能力,为培养现代冶金专业人才提供保障。


关键词:冶金物理化学;习题课教学;课堂反转; -题多解;多题归- -;


Teaching Exploration of Exercise Class on Metallurgical Physical Chemistry

GUO Min

WANG Zhipeng


冶金物理化学旨在运用物理化学理论与方法研究冶金与材料制备过程中的物理现象和化学变化[1,2]。冶金物理化学具有内容繁杂、理论性强、抽象难懂的特点[3],虽然学生在课堂上能够跟着教师的引导学习,但课后做习题时会感到陌生,无从下手。除此之外,学生常会遗忘学过的知识点,解题思维混乱。学好冶金物理化学课程必须建立知识框架,归纳总结知识点,加强课后习题练习,适当拓展延伸。


习题解答本身是一个再学习环节,占有相当重要的地位。一方面,习题课能及时帮助学生巩固、消化课堂内容,有助于提升学生分析、解决问题的思维能力;另一方面,教师也能从习题课上获得反馈,有利于后期教学工作改进,高效的习题课教学是一个教学相长的过程。如何充分发挥冶金物理化学习题课的功效,培养大学生创新能力是值得教师深入探讨的课题[4]。


一、服务课堂教学,立足作业内容

冶金物理化学习题课作为课堂教学的延伸,应该服务于课堂教学,紧密结合课堂授课内容,结合作业情况,帮助学生建立知识网络,梳理知识脉络,做到有的放矢。


由于本科生专业背景知识缺乏,对概念和理论的理解往往不够深入。课堂教学学时有限,教学任务繁重,不可能做到背景知识的大量补充。因此,习题课可以适当补充介绍一些相关的背景知识,不仅能激发学生学习热情,更能加深对知识点的理解。在讲解具体的习题之前,应与学生一起对某一章节中所学知识点进行归纳总结(以思维导图的形式),让学生把零散的知识点穿成线,对整章知识点有全面把握。


作业情况能间接反映学生对知识点理解和运用程度,因此,能够利用作业易错易混的情况对知识点有针对性巩固学习。例如,冶金物理化学热力学中有关理想气体的吉布斯自由能计算公式,其中Pi是无量纲压强(冶金物理化学中为组分气体的实际压强,单位为Pa;Pθ为标准压强,即101325 Pa),批改作业时经常发现,不少学生会忘记将实际压强除以标准压强,使得最终计算结果出现较大偏差。除此之外,学生对物理量的单位不是很在意,经常漏写或者写错,这也从侧面反映基本概念的薄弱。


讲完习题课后,应该将作业考察的知识点进行分类归纳总结,让学生不仅做到“知其然”,还要做到“知其所以然”。例如,第一章关于ΔrG的计算表达式有七种,但都为了判断反应的方向,属于同一类型。可以帮助学生列表总结,并且依据学生作业情况对易错知识点进行标记,指明相关公式的由来、含义、使用条件、各种判据应用、参数具体物理意义,等等。对于需要重点掌握的公式,应该反复强调,加深学生的认识与掌握,以及记忆这些公式的技巧,做到温故而知新[5,6]。


二、基于课外调研,着重方法启迪

习题课教学实践表明,课外调研能够为习题课效果提供保障[7]。除了课堂教学时对话、眼神互动,课外作业批改、重难点及易错点统计会对习题课的效果起到意想不到的效果。教师要根据学生的具体反馈信息,确定需要讲些什么和如何进行讲解。


习题课的意义在于帮助学生巩固知识点,提升分析和解决问题能力。教师除了强调知识点的重要性以外,还要着重解题思路的梳理及方法的引导,是一个循序而渐进的过程。值得一提的是,教师在讲解习题前应该指明出题的意图及研究的意义。相比于枯燥地讲题,适当的拓宽知识点往往会激发学生学习兴趣和热情。


一般地解题思路有两种基本模式,一种是顺推法,一种是逆推法。顺推法是从已知条件开始向题目所要求的目标推导,逆推法是从题目所要求的目标开始向已知条件推导,两者涉及的每一步推导都应该根据相关冶金物理化学公式或者冶金物理化学量的边界条件进行。获得了具体解题思路的基础上,要促使学生牢固掌握解题过程的思维方法和具体的实施顺序。


一般解题的具体思维顺序:仔细审题,明确已知量、挖掘出隐蔽的已知条件以及待求目标量,将题目信息转化成相应的物理化学语言;利用冶金物理化学基本规律,结合相关知识点内容,以及物理化学量的边界约束条件建立数学方程;分析过程,列出方程;计算结果,并检验结果是否符合实际情况,是否违背冶金物理化学规律,可以总结出什么普适性的规律。


值得注意的是,物理量符号和单位符号必须以课本上的符号为标准写出已知量和待求量,不得随意更改。否则条理再清晰,最终结果也会差之千里。例如,ΔrG与ΔrGθ的区别,ΔrH前的正负号与反应的吸放热之间的关系。


学生只有通过亲身实践、总结、体会才能真正了解和掌握相关理论。在解析习题的过程中,学生只有犯了错,或者落入习题设置的陷阱,才能够印象深刻,当再次遇到相似问题时不会犯相同的错误,少走弯路。总之,习题课前积极与学生沟通,习题课上注重思路与方法的启迪,是提高解题能力的必要保障。


三、保证习题多样,训练发散思维

在习题课教学过程中,通过大量典型基础题练习,让学生深刻理解和掌握解题的常用方法、一般规律、注意事项、易错点等。基于常规解题思路和方法,引导学生发散思维,开拓眼界,提高解题效率,可从以下两个方面入手。


(一)一题多解

针对性选择一题多解的习题进行训练,鼓励学生从不同角度、不同方位审视问题,拓展思维空间。对同一道习题进行多种方法的解析,不仅加深了学生对基本概念、基本理论的理解和认识,完善知识体系,使所学内容融会贯通,还有助于掌握科学的解题方法,提高分析解决问题的综合能力,达到训练思维,培养创新思维的目的。例如,冶金物理化学真实溶液一章的内容学生普遍感到难于理解,特别是活度概念的引出、不同标准状态下活度概念的定义,以及不同标准状态下活度之间的换算等,所涉及的基本概念之多,公式之繁琐使得学生在做题时理不清思路,无所适从。针对这种由同一概念衍生出的不同概念和公式,如果在习题教学环节选择一题多解类型的题目讲解,常常能起到事半功倍的作用。比如,对于如下例题,采取了一题多解的模式来训练学生的发散思维能力。习题2-2:Fe—Si溶液与纯固态SiO2平衡,平衡氧分压PO2=8.26×10-9Pa。试求1600℃时[Si]在以下不同标准态时的活度:(1)纯固态硅;(2)纯液态硅;(3)亨利标准态;(4)w[Si]=1%溶液标准态。


已知Si(s)+O2(g)=SiO2(s)ΔfGθ=(-902070+173.64T)J·mol-1


 

根据课堂上所讲的内容可知,当铁液中的Si取不同标准态时,其活度也是不同的。根据已知条件,可以让学生选择以下不同标准态:纯固态Si为标准态,纯液态Si为标准态,亨利标准态,以及w[i]=1%溶液标准态来计算铁液中Si的活度。也就是针对此题,采取一题多解的方式来训练学生的发散思维能力,达到融会贯通知识体系的目的。


1.纯固态Si为标准态

对反应Si(S)+O2=SiO2,Si(S),对应的是纯固态Si为标准态,所以


 

所以,当T=1873K,=-576842。计算得


2.纯液态Si为标准态

 

在1873K时,由




所以


 

选择一题多解题型为冶金物理化学习题教学开辟了一条精讲多练、开拓思路、训练思维的重要途径。


(二)多题归一

选择多题归一的习题进行训练,引导学生从不同习题中归纳总结出一般的解题规律和方法,提升思维模式。对多种习题进行相似方法的解析,不但能够加深对题目本身的本质理解和认识,在今后遇到同类问题时能够透过现象迅速看到本质,找出解题的方法,还有助于学生在面对综合性较强的难题时,能够化繁琐为简便,化整体为单元,理清题目之间的联系,达到训练思维能力,培养创新意识的目的。


例如,冶金物理化学三元系相图学习过程中,对于在投影图上,利用杠杆规则计算冷却结晶过程中所涉及的各个相的量的习题,学生普遍感到相对易于理解和掌握,但当对于相同的题目变换成不同的提问模式时,一些学生同样会感到不知所措。例如,已知如下图中F点表示A-B-C三元的熔体质量为mF。求三元共晶开始前,尚余多少液相[8,9]。通过分析,由杠杆规则可知:三元共晶开始前尚余的液相量为


 

若将此问题改变为,该熔体所能获得的三元共晶总质量是多少时,解题的思路、方法和答案均与三元共晶开始前尚余的液相量的计算与结果完全相同。


相对于一题多解型习题而言,多题归一型习题更加有助于学生理解题目的本质规律,提高学生活学活用知识的能力。


在冶金物理化学习题课教学中既要重视与课堂教学内容紧密相连,精讲概念性强的例题,夯实基础,还要重视从学生实际出发,注重思路与方法的启迪,提高解题能力。在此基础上尽量选择一题多解和多题归一的习题,才能真正达到训练学生思维,培养创新能力的目的。


图1 冶金物理化学三元系相图


四、转变教学模式,培养学生创新

(一)课堂反转

受传统教育观念的影响,以学生作为主体的教学环节中,教师发挥主导作用,但从哲学角度看主导和主体作用辩证统一的。实践教学表明,以往的“老师讲,学生听”的习题课模式日益凸显弊端,不能发挥学生的主观能动性和独立思考能力,课堂气氛沉闷。师生角色互换,适当地鼓励学生上台分析习题能给习题课增添更多活跃气氛。


(二)教学多样化

以课堂教学为主体,教师可以尝试多样化的教学手段。例如,开展文献调研和专家讲座,学生之间分组讨论展示调研成果等形式,促进了教师与学生的沟通交流,激发教与学的热情[1]。适当增加一些案例分析,将理论与实际紧密联合。在此基础上,将科学前沿问题融入习题教学环节,不仅开拓了视野,也提升了学生创新能力。


综上所述,冶金物理化学习题课作为课堂教学的延续,对于教学内容与教学方式的探索和改革不仅能巩固学生所学的知识点,还能够引导学生创新、发散性思维及独立思考的能力,为培养冶金专业人才提供了保障。


[1] 郭汉杰,周国治.冶金物理化学课程教学改革的必要性[J].中国冶金教育,2010(2):22-23.

[2] 刘红霞,路焱,代书华.冶金物理化学课程思政的探[J].中国现代教育装备,2021(13):98-100.

[3] 伍凌,钟胜奎.冶金物理化学课程教学改革与探索[J].科教导刊(下旬),2019(30):121-122.

[4] 郭敏,张梅,王福明.在冶金物理化学教学中培养大学生创新能力[J].中国冶金教育,2010(1):10-12.

[5] 肖士民,谢家声,谢逢春.在物理化学教学中突出科学方法的讲授[J].化工高等教育,2003(3):68-69.

[6] 徐祥宝.如何提高习题教学的有效性[J].物理教学探讨,2007 (25):21-23.

[7] 蔡苇.试析习题课的重要性及教学方法[J].重庆科技学院学报:社会科学版,2006,8(S1):65-66.

[8] 郭汉杰.冶金物理化学教程[M].北京:冶金工业出版社,2007:72-76.

[9]张家芸.冶金物理化学[M].北京:冶金工业出版社,2009: 99.



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