《物理化学》渗入环境工程专业核心课程的教学模式探究_程星星.pdf

第 51 卷第 2 期2023 年 1 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.2Jan.2023物理化学 渗入环境工程专业核心课程的教学模式探究程星星,方伟成(东莞城市学院城建与环境学院,广东 东莞 523419)摘 要:物理化学 作为环境工程专业的一门基础必修课,因其具有一定的抽象性,学习起来具有相当高的难度,学生积极性不高。因此,需要教师充分调动学生的主观性,有效的将本课程在环境工程专业核心课中的基础作用和意义充分体现出来。本文通过行之有效的教学方法和途径,进行项目化教学改革与实践,在教学上突出基础理论、工程实践在本课程中的重要作用,让学生真正学以致用,以达到预期的教学目标。关键词:物理化学;环境工程;核心课程中图分类号:G642.0 文献标志码:B文章编号:1001-9677(2023)02-0262-03 基金项目:2019 年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目(实验教学示范中心 NO30)。第一作者:程星星(1994-),女,硕士研究生,助教,主要研究方向是土壤中水溶性有机质对抗生素类污染物迁移转化的影响。Study on Teaching Mode of Core Course of Environmental Engineeringinto Course of Physical ChemistryCHENG Xing-Xing,FANG Wei-cheng(Department of Environmental Science and Engineering,Dongguan City College,Guangdong Dongguan 523419,China)Abstract:Physical Chemistry is a basic compulsory course for Environmental Engineering majors.Because of itsabstractness,it is quite difficult to learn and students enthusiasm is not high.Therefore,it is necessary for teachers tofully mobilize students subjectivity and effectively reflect the basic role and significance of this course in the core coursesof environmental engineering.Through effective teaching methods and approaches,project-based teaching reform andpractice were carried out,highlighting the important role of basic theory and engineering practice in this course inteaching,so that students could really apply what they learn to achieve the expected teaching objectives.Key words:Physical Chemistry;environmental engineering;core courses环境工程专业,不管在水环境治理,大气污染控制,固体废物的处理与处置以及土壤环境的修复与治理中,都需要应用到以化学和生物为主的处理技术。因此,除了数学、物理、英语等公共基础课之外,主要学习无机化学、有机化学、分析化学、物理化学四门专业基础课,这四门课被称为“四大化学”,其中“物理化学”难度最高1。对于非化学系的学生来说,其学习物理化学的课时、深度、侧重点都有所差异。本文针对环境工程专业,如何让学生有效将物理化学的知识点同专业核心课程结合起来,并启蒙和加深学生对本专业的认识。有意义、有选择的提高学生的学习积极性,并对后续的专业核心课程起到抛砖引玉的作用。1 理论课程内容的初步渗透1.1 与 大气污染控制工程 相关内容的扩展物理化学中的第一章内容主要是理想气体的热力学过程。其中,气体在做绝热可逆运动时,气体的温度、体积的变化趋势几乎等同于气团在大气中的运动过程。这一运动过程与大气的稳定度有关系,大气稳定度又决定了污染源排放的污染物能否被充分扩散。热力学第二定律的知识可判断环境工程领域内一些化学反应发生的可能性。学生可以通过计算化学反应的熵变和焓变,运用 G=H-TS,从理论上判断或分析在污染控制过程中某种反应发生的可行性(恒温恒压条件下),从而排除不科学的新型污染控制技术。如果热力学研究反应的可能性问题,则第四章的化学反应动力学研究反应的可行性问题。不是一个反应从理论上可以发生,这种净化方法就可行。例如大气污染控制中的 SNCR(选择性非催化还原法)。该技术主要是利用 NH3和 NO 发生反应去除 NOx的一种技术。从热力学角度计算该反应的吉布斯自由能,判断其可以发生,但是在实际过程中(常温下),该反应速率特别低,几乎不发生反应。因此,需要从动力学角度出发分析,若要提高 SNCR 技术的效率,必须升高温度到1100 或者添加适当的催化剂。同理,燃料在燃烧过程中,产生的热力型第 51 卷第 2 期程星星,等:物理化学 渗入环境工程专业核心课程的教学模式探究263 NOx主要是 NO2和 NO,这两个氮氧化物产生的化学反应的平衡常数随温度的变化差异较大,因此可以通过控制反应温度,进一步控制化学反应速率,减少 NO 的产生。因此通过大气治理中烟气处理相关案例的引入,教师可以很有效的强调化学反应动力学在烟气脱硫脱销中的重要性,从而进一步引起学生对这块内容的重视和思考。1.2 与 水污染控制工程 相关内容的扩展第八章的表面现象与分散系统中的知识点(1)分散度与比表面积的关系:把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大小的物质分割得越小,则分散度越高,比表面也越大。这就可以解释为什么用活性炭吸附出去废水中的有机物或者重金属离子时,颗粒的粒径越小,其去除率就越高。(2)润湿现象:液体在与固体接触时,沿固体表面扩展的现象又称为液体润湿固体。固体颗粒能不能被润色可通过在气、液、固三相交界点,气-液与气-固界面张力之间的夹角(接触角)来判断。这与水污染控制工程的气浮池的原理是一样的。气浮的原理主要是向池中冲入高度分散的小气泡,使废水中的固体颗粒物黏附在气泡上,随气泡一起上浮到表面,最后收集飘上了的浮渣来实现固液分离。因此,不难理解憎水性颗粒(接触角 90)表面容易附着气泡,因而可用气浮法。亲水性颗粒通过一定的处理方法使其与气泡的接触角大于 90,再进一步使用气浮的方法进行处理。(3)吸附因其速率快、效果佳、吸附剂来源广泛等特点成为水污染控制中常用的技术方法之一。固体表面存在表面张力能够帮助学生很好地理解固体表面为什么会出现吸附现象。除此之外,典型的两种等温吸附 Freundlish 和 Langmuir曲线具备的特征的了解,对学生学习后续完成吸附方面的毕业论文研究打下很好的基础。同时,任课老师可以几种吸附领域的新材料,相比课本上的几种类型(活性炭、树脂、沸石分子筛等)来讲,新材料具有那些优缺点,使学生对整个研究领域的方向有初步的了解。第七章电化学基础,通过讲解电解池和原电池的工作原理,可有效的将电芬顿技术、电絮凝以及微生物燃料电池在水处理领域的应用及其工作原理做详细的介绍。一些比较深的理论知识及相关电势的公式推到过程的学习内容可适当减少。这样学生学习的难度降低,范围增加,同时学习积极性也会提升。更重要的是学生能够明确的了解到本章内容学习的目的和意义。1.3 与 土壤修复和固废处理等 相关的内容扩展第五章相平衡中讲到,若将液体放入一真空容器中,当液体系统气液两相平衡时,会发现蒸汽压会随温度增大而增大。升高温度会降低气体物质的溶解度。在土壤修复技术中有一种技术叫热处理技术,其主要针对挥发性有机污染物。其工作原理就是将土壤环境中的挥发性有机污染物加热到足够的温度,使其从土壤环境中挥发或分离的过程。所以相平衡过程中的相关原理就在土壤修复过程中充分的体现出来。学习第八章胶体分散系统中胶团的结构及带电性可与土壤胶体进行比较。土壤胶体以巨大的比表面积、强大的吸附性能及多样的表面官能团,在污染物储存形态、迁移转化等生物地球化学循环过程中起到重要作用。胶体易化磷元素运移已成为农业面源磷污染的重要形式,因此,控制胶体磷从土壤向水体的流失至关重要。除此之外,因为胶体带电,导致土壤胶体对土壤离子交换能力有较大影响2。土壤离子交换能力是衡量土壤肥力的重要指标3。固体废物预处理技术中的浮选法就是取决于物质的表面性质。这一技术的关键在于如何提高颗粒的表面疏水性,及颗粒能否最大限度地附着在气泡上,其原理也是可以通过物理化学第八章表面现象和分散系统里面的相关内容来解释的。若教师能够详细的将物理化学课程里的知识点进行分类总结,删除不必要的难点,扩充必要的与专业领域相关的内容,必然能够降低学生学习的难度、提高学生的学习积极性和丰富学生学习的内容,让学生深刻的体会到物理化学这门课程在环境工程专业中存在的目的和意义,并进一步认识到课程的重要性。2 实验课程与专业核心课程的结合如物理化学中关于燃烧热测定的实验:燃烧热4是指 1mol物质完全燃烧时的热量,是热化学中重要的基本数据。一般化学反应的热效应,往往因为反应太慢或反应不完全,因而难以直接测定。但是,通过盖斯定律可用燃烧热数据间接求算5。因此燃烧热广泛地用在各种热化学计算中。实验的设计过程是在盛有定量水的容器中,放入内装有一定量样品和氧气的密闭氧弹,然后使样品完全燃烧,放出的热量通过氧弹传给水及仪器,引起温度升高。在上述的实验中,我们不能单一的选择以碳为燃烧样品,可以适当的根据生活垃圾的分类,选取一些代表性热值有差异的生活垃圾作为样品。这样一方面可以让同学们了解燃烧热测定的过程及仪器设备的实验。另一方面还可以让学生了解到固体废物的焚烧处理技术是需要关注垃圾的热值。更进一步学习到垃圾热值到达一定数值才能够进行焚烧处理。3 充分发挥学生的主观能动性因物理化学在环境工程专业属于基础必须课,一般是在本科二年级上学期就开设此课程,而与一些专业核心课并不是同时进行,因此如果学生只是被动的接受教师的输入,而不去主动的思考,很容易造成对所学内容的忘记。因此,如何引导学生发挥主观能动性是关键,本文从以下三点入手:(1)循序渐进的引导学生主动思考。例如:状态函数的广度性质和强度性质的区别就是广度性质的状态函数具有加和性。怎么理解加和性?接下来可以让学生自己去思考。如果学生没有即时反应,教师可以举相反的例子,让学生映射出对加和性的理解。就上面的问题而言,教师给出的例子是质量这个物理量(1 kg 的铁加 2 kg 的铁那就有 3 kg 的铁)。那么此刻的学生就会想到30 的水加30 的水就不等于60 的水,那么温度 T 就不具有加和性,而质量 m 就是具有加和性,即 m 是具有广度性质的状态函数。这样的引导思考的教学模式可以加深同学们对抽象概念理解和记忆。(2)将教师的主体地位与学生发生相互转变,学生为主体,教师为辅助。例如,讲到知识点表面现象的时候,提前布置好任务,让学生自己去寻找相关的理论知识在环境工程中的应用,以分组的形式用 PPT 进行汇报,教师可适当的补充和点评。对于重点和难点教师可适当讲解,其他内容学生在自己查找资料的过程中不仅可以积累专业相关的知识,而且汇报演讲可以提高学生的语言组织能力。这样一个自己主动思考加进一步总结汇报的过程能动充分体现学生的主体地位,有助于学生主动思考。(3)详细完整的激励机制。任课教师可以上课前带着班级的花名册,根据每个学生的课堂表现情况适当的加分减分。也(下转第 267 页)第 51