PBL思维导图法应用于化学动力学教学*

杨青林，刘克松，田东亮

(北京航空航天大学化学学院，北京 100191)

化学反应动力学是研究化学过程进行的速率和反应机理的物理化学分支学科。把热力学的反应可能性变为现实性依据的是化学反应动力学。化学反应动力学是有关化学反应的基本原理方面重要的知识。如何使用有效的方法来实现让学生真正掌握相关知识，是教师们经常思考的问题。思维导图(Mind Mapping)可将文字形态的知识图像化，使用各种图形、符号、颜色及简练文字等形象化的标识符把各级主题的关系表现出来，该教学法是个有效的教学方法，如将“思维导图法”应用于大学化学[1-4]和物理化学[5-6]等学科的教学中。基于问题的学习(Problem-Based Learning，PBL)，又叫问题导向学习、问题式学习，是以问题为引导，学生为主体，教师为主导的教学方法，也是非常有效的教学法，如将“基于问题的学习法”应用于大学化学[7]和物理化学[8]等学科的教学实践中。本文以大学化学反应动力学内容为例，介绍在思维导图的框架下，借助问题牵引，使用“直入主题法”实现大学化学动力学课堂教学的有效引入和推进。

1 问题的创设

问题的创设是在本节课程内容思维导图的框架下，我们使用“直入主题法”进行引入最重要方程式，也就是将本部分最重要的方程最先展示出来，而后对该方程式所涉及到的物理量和符号进行提问，以此方程来牵引次级方程或相关概念，分别剖析、逐层深入。

就本次课程最主要的内容就是动力学方程。第一个层次提问是对动力学方程进行提问；第二个层次提问是对动力学方程是中涉及到的物理量和符号等进一步进行提问；第三个层次，因需要对于物理量所带来的二次方程等再进一步提问；因需要也可以有第四、第五或更多的层次的提问。

2 问题牵引的课堂教学

这部分内容主要涉及：反应速率，基元反应(简单反应)，非基元反应(复合反应)，动力学方程(质量作用定律，基元反应的速率方程，反应速率方程，Guldberg -Waage方程)，反应速率常数(速率常数)，反应级数，分级数，一级反应，半衰期，一级反应特征，Arrhenius(阿仑尼乌斯)公式，指前因子，活化能，表观活化能，气体分子运动论，碰撞理论，过渡态理论，催化剂等。

课堂主要围绕动力学方程这一重要公式，进行刨根问底式提问，互动与交流，中间穿插实例进行讲解，强化公式和基本概念。

【问题1】：写在黑板上的公式叫什么名字？方程式中的字母和符号分别表示什么？物理量的单位及符号是什么？每个物理量都有什么含义？如何求得？

给同学五秒时间思考，而后，请同学们回答，进行互动交流。问题逐一解答并渐次推进。

对于反应速率方程表达式，“v”表示反应速率，单位：mol·dm-3·s-1。“cA和cB”分别表示反应物A和反应物 B的浓度，常用单位：mol·dm-3；上角标“a和b”分别表示反应物A和反应物 B的分级数，表示反应速率与浓度有指数关系，其指数之和称为反应级数：n=a+b，是量刚为1的量。“kc”表示浓度形式速率常数，还有以压力形式表示的速率常数“kp”，二者关系为：kp=kc(RT)Δn。在同一温度、催化剂等条件下，速率常数k是不随反应物浓度而改变的定值。速率常数k的物理意义是各反应物浓度均为单位浓度时的反应速率，k的单位因(a+b)值不同而异，用k的单位可以判断化学反应的级数，如一级反应的单位：s-1；二级反应的单位：mol-1·dm·s-1。速率常数主要与温度和活化能有关，其定量关系式称为重要的Arrhenius公式，后边我们再进一步重点介绍。

再讲解一级反应方程，其积分式为：lnc=-kt+lnc0，半衰期为：t1/2=ln2/k=0.693/k，一级反应的三个特征为：①ln{c}-t为直线，斜率=-k；②半衰期：t1/2=ln2/k=0.693/k，半衰期与反应物的初始浓度无关；③反应物消耗速率常数k的单位：s-1。

注意：动力学方程式是对基元反应的。影响反应速率的因素有：①反应物、产物的本性(组成及结构)；②反应物、产物的浓度、压力；③反应体系的温度；④催化剂作用；⑤其他物质的浓度；⑥光、电、磁等外场的作用；⑦反应器的材料及形状等。

【问题2】：什么是基元反应？什么是非基元反应？

化学反应可以分为基元反应(元反应，简单反应)和非基元反应(复合反应)。基元反应即一步完成的反应，是组成复合反应的基本单元。复合反应是由两个或两个以上基元反应构成的反应。反应机理(反应历程)指明某复合反应有哪些基元反应组成。

代表性的复合反应就是卤化氢气体的形成，在形式上无差别，热力学函数变化值的计算方法完全相同，但动力学差别很大。结合实例进行说明：氯化氢复合反应的级数为1.5级；溴化氢复合反应的级数为非幂形式；碘化氢复合反应的级数为2级。

说明：①质量作用定律只适用于基元反应，反应式的写法具有唯一性；②不遵从质量作用定律的一定为非基元反应(复合反应)；③对于非基元反应，反应级数由实验测定。基元反应也是由实验验证的；④分数级反应肯定是由多个基元反应组成的复合反应；④有些非基元反应形式上也满足质量作用定律。

【问题3】：反应速率常数与什么有关？它们是怎样的定量关系？

再举例讲解气体分子运动论，碰撞理论，过渡态理论，催化剂等。

图1 化学动力学的思维导图Fig.1 The mind mapping of chemical reaction dynamics

3 课堂总结

课堂的总结使用PPT以思维导图形式来展示，见图1。化学反应速率由活化分子总数决定，活化分子总数=活化分子百分数×分子总数，其中活化分子百分数项影响因素有温度及活化能；而分子总数项影响因素为浓度及气体压力。要想提高给定反应的反应速率，需要考虑三个主要影响因素。

使用思维导图法，将每次课内容凝练为一个字母来做标识符，便于记忆，本次课高度概括为一个标识符“v”，其含义为反应的现实性。