因材施教理念下的“物理化学实验”设计——以“过氧化氢分解反应”为例*

刘志凌

(山西师范大学 化学与材料科学学院，山西 太原 030031)

“物理化学实验”是物理化学理论课程不可或缺的实践、补充、拓展环节。山西师范大学的物理化学实验课程同时面向校本部的化学、材料化学、食品科学与工程、食品质量与安全等专业和二校区山西师范大学现代文理学院独立学院的化学、生物科学和食品科学与工程等专业开设。基于学校多元化招生生源的背景[1]，坚持因材施教的原则，进行物理化学实验设计。本文选取化学动力学实验之一——过氧化氢分解反应实验设计为例，浅淡物理化学实验教学中的因材施教。

1 物理化学实验因材施教的必要性

“物理化学实验”课程是物理化理论课程的重要延伸，它利用光、电、热、磁等物理手段与技术，研究物质的物理性质及其与化学变化之间的关系，涵盖了化学热力学基础、电化学、化学动力学基础、表面化学和结构化学等相关理论和实验操作。这些物理化学知识结构的学习要求学生要有一定的理论基础，先修诸如“无机化学”等课程。我们学校的“物理化学实验”课程是同时面向校本部化学、材料化学、食品科学与工程、食品质量与安全等专业和二校区山西师范大学现代文理学院独立学院化学、生物科学和食品科学与工程等专业开设。不同专业的学生生源结构比较复杂多元化，其学习能力和知识基础也彼此不同。例如，校本部的化学专业是按一本批次招生，学生的化学、物理、数学基础相对牢固；材料化学、食品科学与工程、食品质量与安全等专业是按老二本批次录取的，不同专业学生的录取分数各不相同，学生层次参差不齐；作为独立学院的二校区，其化学、生物科学和食品科学与工程等专业按老三本批次招生的，部分学生是专科升本科，学生的素质参差不齐，学习和认知能力都存在差异性，化学基础不是非常劳固。此外，人才培养方案因专业不同而各不相同，教学安排也一样有区别。化学和材料化学专业的先修课程如“无机化学”、“分析化学”、“有机化学”、“物理化学”的讲授系统、完整，其中“无机化学”、“有机化学”和“物理化学”是两学期授课，所以这几个专业的物理化学实验课程开设在二年级的下学期和三年级的上学期。其它专业的“无机化学”、“分析化学”、“有机化学”等基础知识授课相对浅显，其中无机化学和分析化学合并成一门“无机及分析化学”课程，与“有机化学”一起安排在大一上学期，而“物理化学”理论课程安排在大一下学期，课时十分有限。先修课程不同的教学安排也一定程度上造成了不同学院、不同专业的学生个体差异。

面对不同的授课对象因材施教，是全方位解决多元化生源、分层教学、差异教学的必然趋势[2]。掌握不同学生的理论知识水平和学习需求，针对性的物理化学实验项目设计，有助于鼓舞学生积极参与实验的自学性，提高学生灵活运用知识的技能，增强学生发现、分析并解决问题的能力。物理化学实验涵盖的实验项目较多，涉及的原理和方法各不相同，实验设计自然要求也各不相同。过氧化氢的分解是一个经典的化学反应，是学生中学时代就已经接触学习的内容[3]。研究过氧化氢的催化分解反应对提高其利用、改善催化活性等具有非常重要的意义。本文以过氧化氢的分解为例，阐述因材施教原则下，由浅入深，由简单到综合，分层次设计为验证性实验、定量实验、综合实验，以适应不同专业特点的学生，不同的教学课时安排[4]。

2 过氧化氢分解反应之实验设计

2.1 验证性实验

室温时，没有催化剂存在时过氧化氢分解反应进行得很慢，但加入催化剂后会加速分解。这涉及物理化学中催化剂的作用，外界条件对化学反应变化的影响等知识，据此可以将此反应设计成一个验证性实验，观察催化剂的作用，验证反应速率变化的规律，适合化学基础相对薄弱的学生，如非化学类专业的学生，主要是二校区非化学类专业的学生，化学基础薄弱，教学要求主要是了解化学反应动力学的基本原理。

过氧化氢分解释放出氧气，通过排水法可以测量释放其体积，其中体积的改变定性地反映了反应速率的变化。基于此，可以设计实验装置用于演示过氧化氢的分解动力学。如图1所示。

图1 实验演示装置

首先将一定量的过氧化氢溶液放入锥形瓶中，开口用接有玻璃管的橡胶塞密封，玻璃管连接至一个倒扣在水槽中内充满水的量筒。实验开始时，称量一定量的二氧化锰粉末倒入锥形瓶中并迅速用手摇动，或用电磁搅拌器搅拌，产生的氧气将量筒的水排挤出来。观察体积变化趋势，可以定性地验证分解反应速率的变化。同时安排一个对照实验，保持其它条件不变，体系不添加催化剂，对比观察排水体积的变化，可以验证催化剂加速反应的作用。此外，通过水浴加热锥形瓶加快反应速率，亦可以验证温度调节反应速率的作用。反应完全后将催化剂分离、干燥、称重，可以验证催化剂的质量在反应前后是否不变。如果每隔一定时间读取量筒气体的体积，亦可改造成半定量实验，按照下述定量实验的数据处理方法，求算此反应的速率常数。进一步的，测量不同温度下反应的速率常数，亦可求算反应的活化能。虽然数值与下述定量实验的结果有偏差，但数量级大致相同。通过验证性实验，让学生对化学动力学的原理，催化剂和化学反应的特点有着基本的认识。

2.2 定量实验

结合物理化学理论知识，将双氧水分解反应设计为定量实验，可以根据学生的层次，由浅入深地设计如下两种定量测定实验。

1)反应速率常数k的测定

图2 定量实验装置

与演示实验装置最大的区别是改用量气管测量气体体积的变化。检测完装置气密性之后，用移液管移取一定量的过氧化氢溶液放入烧瓶或茄形瓶中，贴壁轻轻放入磁搅拌子。把称量好的二氧化锰粉末加入瓶中，迅速塞紧胶塞，启动电磁搅拌器立刻开始计时。随着反应的进行，慢慢地移动水准瓶，实现量气管和水准瓶的液面共平面，每隔一定时间(如2 min)读取量气管内液面所对应的刻度一次，得到任一反应时间t所对应的氧气体积Vt，重复至 30 min 为止。记录下量气管的温度和当时的大气压。相同温度下重复操作三次，得到三组Vt。

此类实验适合于一校区非化学类学生，他们入学时的基本功底相对好一些，但先修课程相对精减，可以锻炼学生文献调研、数据处理和实验报告撰写的能力。

2)反应活化能Ea的测定

基于上述的定量实验装置，稍作改进，可以进一步测量反应的活化能。将上述装置的烧瓶改为恒温反应器。利用超级恒温槽搭建恒温反应器，设定一个水浴的温度T1，按上述的步骤操作一遍，记录数据。然后改变水浴温度为T2，重新操作一遍，记录数据。如此依次采集多个温度下的数据，分别按照反应速率测定的方法处理数据，可以得到不同温度下所对应的反应速率k。最后以lnk对1/T作图，由直线的斜率即可求得反应的活化能Ea。

此类改进的实验适用于二校区化学类的专业。二校区的化学专业的学生，接受过系统的“无机化学”、“分析化学”和“有机化学”等先修课程的培训，通过该定量实验，可以帮助学生掌握物理化学实验的基本原理，实验中验证及运用理论。

2.3 综合性实验

综合设计实验，即涉及了物理化学的原理知识，又涵盖了分析化学的常用实验操作。学生查阅资料，设计思路，可以考察和锻炼学生的综合应用知识能力、综合动手操作能力。此类实验适合一校区化学类专业的学生。一校区化学类专业的学生系统地学习了“无机化学”、“分析化学”和“有机化学”基础知识，对其中的基本原理、基本操作都掌握的较好，将过氧化氢分解反应设计成综合性实验，有利于综合素质的培养。

3 结语

针对招生生源的差异性、专业的差异性和培养目标的差异性，遵循因材施教的理念，充分尊重学生的个体差异性，进行分层次地设计物理化学实验项目，以双氧水分解实验为例，可以由浅入深地依次设计为验证性实验、定量实验和综合性实验，以适用不同层次的学生。这一方面可以引导学生实验操作的积极性，另一方面锻炼学生自主学习的能力，符合学生个性化学习需求，有利于多层次的人才培养模式。