張 卉 周益明 李曉東 蔡稱心

(南京師范大學化學與材料科學學院，南京210023)

激發(fā)學習興趣，引領(lǐng)學生走進物理化學

張 卉*周益明 李曉東 蔡稱心

(南京師范大學化學與材料科學學院，南京210023)

從引入人文歷史、引領(lǐng)學生進入身邊的物理化學世界、與學科前沿接軌、把握知識體系4個角度，探索了激發(fā)學生對物理化學課程學習興趣的有效途徑。

物理化學；教學探索；學習興趣

俗話說，興趣是最好的老師。如何培養(yǎng)和激發(fā)學生的學習興趣，是我們每一位教師值得探索并始終應該關(guān)注的問題。在這方面做得好的教師，往往事半功倍，教學效果好，教師受學生愛戴，所教課程受學生歡迎；不關(guān)心這方面的教師，課堂教學往往達不到期望的效果，事倍功半，甚至無功而返。

筆者所教的課程是物理化學。物理化學是從物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學現(xiàn)象的聯(lián)系入手，來探求化學變化及相關(guān)的物理變化基本規(guī)律的一門學科[1]。它是化學、化工專業(yè)本科階段必修的四大化學專業(yè)基礎(chǔ)課之一。講授物理化學的前輩、山東大學的印永嘉先生曾作過一個很形象的比喻：“無機化學是化學的四肢，有機化學是化學的軀體，分析化學是化學的眼睛，物理化學是化學的靈魂”?？梢?，物理化學對于化學、化工專業(yè)的學生來講，是一門非常重要的課程。但是，這門課程較抽象，它涉及了較多的數(shù)理知識，具有概念多、公式多，理論性強、邏輯性強、系統(tǒng)性強等特點，被本科生認為是本科階段最難學的一門專業(yè)課[2]。

對于這樣一門學生覺得難學的課程，教師在教學過程中如果只注重理論的講解、數(shù)學公式的推導及計算，學生會感覺很枯燥無味，甚至產(chǎn)生厭學情緒。事實上，物理化學雖說抽象難懂，但這些理論的建立都是基于客觀自然的現(xiàn)象，物理化學世界里充滿了許多激情的創(chuàng)造，這種創(chuàng)造所帶來的震撼，雖然不像繪畫和音樂具有直觀的視覺和聽覺的沖擊力，但這種震撼是發(fā)自內(nèi)心思想上的震撼，其樂趣是奧妙無窮的。學習的最終目的不是為了解答習題，而是為了更好地對話自然。那么如何在教學中引領(lǐng)學生進入到物理化學的世界中去體會這種樂趣呢？

筆者根據(jù)自身的教學經(jīng)驗，不斷思考和優(yōu)化課堂教學環(huán)節(jié)的設(shè)計，創(chuàng)設(shè)輕松愉快的學習環(huán)境，在培養(yǎng)學生學習興趣的同時充分激發(fā)學生學習的積極性，實現(xiàn)事半功倍的學習效果。下面結(jié)合具體的教學案例，從4個方面介紹如何在本科生物理化學的教學中激發(fā)學生的學習興趣，帶領(lǐng)學生進入到物理化學的世界。

1 引入人文歷史，激發(fā)學生的學習興趣

任何一門科學的形成與發(fā)展總是同當時熱衷于這門科學研究的人物密切相關(guān)，物理化學也不例外，其中涉及的每一個定律、公式都凝結(jié)了許多科學家的辛勞，也常常伴隨一些趣事。教師在講授這些內(nèi)容的時候，如果撇開它的文化背景，只是以大段的數(shù)學推導和文字敘述來闡明其來源、內(nèi)容和應用，會導致學生既聽不進去，也記不下來，最終影響教學效果。但是如果教師能夠在講授這些概念或公式的同時將與這些概念有關(guān)的人文歷史穿插進去，讓學生了解知識的來龍去脈，不僅可以撩開定律公式的神秘面紗，擴大學生的知識面，而且可有效地提高學生的學習興趣，很好地調(diào)動課堂氣氛，收到良好的教學效果[3]。

教學案例1：熱力學第二定律

1776年，瓦特發(fā)明了蒸汽機，極大地推進了工業(yè)大革命的發(fā)展。蒸汽機，又稱為熱機。根據(jù)歷史考查，它的效率是極低的，還不到10%，也就是說大量的熱能都損耗掉了。人們就在想，能否把熱機效率提高呢？把它提高到30%、50%、80%，甚至100%。懷著這個夢想，科學家們進行了一系列研究。他們幻想制造出一種機器，它能夠循環(huán)操作，不斷從單一熱源吸熱使之完全轉(zhuǎn)化為功。換句話說，它能夠單純使物體冷卻而把提取的熱完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。由于海洋、大氣、地面等所儲藏的能量幾乎是無限的，這種機器如果能夠研制成功，那就是一種永動機，即所謂的第二類永動機。有人曾經(jīng)計算過，地球表面有10億立方千米的海水，以海水作單一熱源，若把海水的溫度哪怕只降低0.25°C，放出的熱量就可以轉(zhuǎn)化成一千萬億度的電能，足夠全世界使用一千年。這樣，我們就可以在海洋上設(shè)置一些巨大的工廠，利用海水里的熱能，來進行各種不同的工作，比如利用它來發(fā)電，輪船可以利用海水里的熱量，不必燒煤或燒油，就能到世界各地去航行，這豈非美事！1881年由約翰·嘎姆吉(John Gamgee)為美國海軍設(shè)計的“零發(fā)動機”就是這樣一臺永動機，約翰·嘎姆吉設(shè)想讓汽缸內(nèi)的液氨從海水中吸收熱量而氣化，將產(chǎn)生的蒸氣推動活塞，氨蒸氣冷卻后又凝結(jié)成液氨，如此循環(huán)往復，不斷產(chǎn)生能量。事實上，這臺機器從未能完成一個循環(huán)(因為氨蒸氣不可能自動冷卻凝結(jié)成液體)。英國科學家焦耳也曾被永動機這一“奇妙”的發(fā)明所吸引，并為此做了一二十年的實驗，但最后他留給后世的并不是永動機，而是證明永動機不可能的“熱功當量定律”，這應該算是研究永動機得到的意外收獲。

各種永動機設(shè)計方案的失敗，制造永動機美好夢想的破滅，對于每一個尋找永動機的人是不小的打擊。但是，反思這一失敗的探索過程，它從反面給人類以啟迪，一些科學家從這一否定的結(jié)果中開始思考，提出這樣一個問題：永動機不可能制成，是不是說明自然界存在著一條法則？而這條法則就是今天給大家介紹的熱力學第二定律。

通過這樣的教學設(shè)計，利用永動機設(shè)計方案失敗的歷史事實，激發(fā)學生的興趣，并引導學生思考為什么不可能制造出永動機，從而引入到熱力學第二定律的學習。同時展現(xiàn)研究過程的艱難性和曲折性，讓學生意識到科學研究需要堅持不懈的努力，而研究過程更需要遵循自然科學的規(guī)律。

2 引領(lǐng)學生進入身邊的物理化學世界

從身邊的事物入手，充分挖掘物理化學中各知識點與生活中熟悉的或有趣的實際現(xiàn)象之間的聯(lián)系。根據(jù)理論的邏輯學和內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，在介紹新的知識點的時候恰當?shù)匾肴粘Ｉ顚嵗?，引領(lǐng)學生進入身邊的物理化學世界，可有效地激發(fā)學生的熱情和好奇心，使原本晦澀難懂的內(nèi)容變得生動有趣、易于理解，從而達到理想的教學效果。與此同時又可以幫助學生體會所學知識的意義及價值所在，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析解決問題的能力，從而不斷提高學生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

教學案例2：滲透壓

[教師活動]同學們是否注意到我們在醫(yī)院進行靜脈注射的時候所使用的生理鹽水中NaCl的濃度是多少？

[學生活動]觀察注射液瓶上的標簽，并回答NaCl的濃度是0.9%。

[教師活動]是的，同學們有沒有想過為什么選擇這個濃度，高一點或低一點會有什么影響？

[學生活動]思考，并給出可能的解釋。

[教師活動]結(jié)合動畫演示進行講解(圖1)：我們來看，人的紅細胞在0.9%的氯化鈉溶液中很正常，沒有任何的變化。可是，如果把它放置在清水中，水就會進入到細胞內(nèi)部，導致細胞膨脹破裂，發(fā)生溶血；而如果把它放置在高濃度的氯化鈉溶液當中，細胞反而會脫水，皺縮，發(fā)生血栓。這兩種現(xiàn)象的發(fā)生，就是因為氯化鈉溶液濃度不同其滲透壓也不同所造成的。

在這一教學設(shè)計片段中，從生活中常見的氯化鈉注射液的濃度入手，引導學生思考其中的理論依據(jù)，并結(jié)合動畫演示，讓學生直觀感受到不同濃度的溶液對細胞存在形態(tài)的影響，從而自然地過渡到對滲透壓的學習。促使學生體會到物理化學與生活的緊密聯(lián)系，并鍛煉他們用理論知識解決實際問題的能力。

圖1 紅細胞在不同溶液中的狀態(tài)演示圖

教學案例3：相平衡

這部分內(nèi)容最重要的教學目標就是讓學生能夠利用相圖，學以致用。在講完這章之后，可以結(jié)合現(xiàn)在市面上很流行的55度杯來啟發(fā)學生思考，為什么這個杯子內(nèi)無論加入熱水還是涼水，搖一搖，就會變成55°C。告訴學生杯內(nèi)所放材料為三水醋酸鈉，讓學生根據(jù)這個信息結(jié)合相平衡知識來找到答案。

3 與學科前沿接軌，實現(xiàn)科研反哺教學

我們現(xiàn)在面對的是90后的大學生，他們要學的科目越來越多，社會對他們掌握知識和技能的要求越來越高，就業(yè)的壓力越來越大，因此，他們需要新的知識來武裝自己。作為教師，應當不斷更新教學內(nèi)容，追蹤國內(nèi)外雜志上最新的科技論文，把握物理化學研究前沿動態(tài)，及時地將國內(nèi)外本學科的最新研究進展、成果以及前瞻性的內(nèi)容介紹給學生，拓寬他們的視野，豐富學生的知識儲備，激發(fā)他們的好學心理；在教學過程中將物理化學的科學方法和發(fā)展動態(tài)與學生的專業(yè)知識相聯(lián)系，形成融會貫通的知識體系；通過大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃、英才培養(yǎng)計劃、畢業(yè)設(shè)計等平臺，把院系老師的科研項目與物理化學教學結(jié)合起來，根據(jù)學生的興趣和愛好，讓本科生進入相應的實驗室，踴躍參與科研活動，讓他們體會知識創(chuàng)新的過程，體會知識創(chuàng)新所帶來的震撼。鼓勵學生勇敢探索，勇于提出各種新異見解，并為學生指明前進的方向[4]。

教學案例4：“超疏液”結(jié)構(gòu)

受荷葉出淤泥而不染的啟發(fā)，科學家們研制出了具有自清潔作用的超疏水的涂料，近年來，他們在此基礎(chǔ)上又研究了“超疏液”結(jié)構(gòu)。超疏液作為超疏水的升級和擴展，它不僅超疏水而且超疏油，幾乎對任何液體都具有很高的接觸角和很低的流動阻力?！俺枰骸庇猛緲O廣，可望對醫(yī)療器材發(fā)展有極大貢獻。由于許多醫(yī)療器材置入人體后，過了一段時間和人體內(nèi)的生物接觸，便會使植入體內(nèi)的器材產(chǎn)生生物淤積。而“超疏液”的醫(yī)療器材有望防止人體內(nèi)醫(yī)療器材上的生物淤積[5]。

教學案例5：燃料電池

對于干電池、蓄電池、鋰離子電池，學生們都很熟悉，這些電池雖然使用很普遍，但是它們具有一個致命的缺點——污染環(huán)境，并且能效不高。而燃料電池，例如氫氧燃料電池，其工作原理就是氫氣和氧氣反應生成水，只要有氫氣、氧氣的輸入，就能夠源源不斷地產(chǎn)生電能，能效較高。另外，其反應產(chǎn)物水可以作為生活用水，相對于其他電池，污染要小很多。

教學案例6：納米顯微技術(shù)

很長一段時間里，科學家認為光學顯微鏡有一個極限(圖2)：光學顯微鏡無法獲得比半光波長更好的分辨率。在熒光分子的幫助下，2014年諾貝爾化學獎的幾位獲得者巧妙地繞開了這種極限。他們突破性的研究將光學顯微鏡帶入了納米維度。在納米顯微鏡下，科學家實現(xiàn)了活體細胞中單個分子通路的可視化。他們能夠觀察到分子是如何在大腦神經(jīng)細胞之間生成神經(jīng)突觸；他們可以追蹤帕金森病、阿爾茲海默癥和亨廷頓癥患者體內(nèi)相關(guān)蛋白的累積情況；他們還能跟蹤受精卵在分裂形成胚胎時蛋白質(zhì)的變化過程[6]。

圖2 激發(fā)射損耗(stimulated emission depletion，STED)熒光成像技術(shù)

以上3個案例中，可以分別以“超疏液”、燃料電池和納米顯微技術(shù)為話題，讓學生自行查找文獻進行研究，實現(xiàn)自主研究性學習。在化學教學過程中引入學科前沿知識，讓學生接觸到最新的科研成果和研究動態(tài)，實現(xiàn)教學內(nèi)容的現(xiàn)代化。

4 把握知識體系，幫助學生形成知識網(wǎng)絡

物理化學教材通常是以章節(jié)為結(jié)構(gòu)來編寫的，在課程教學時慣用的做法就是各章節(jié)逐一講授，這樣就使得學生不易探尋到各章節(jié)知識點間的內(nèi)在聯(lián)系和知識間的整體結(jié)構(gòu)，從而形成“只見樹木，不見森林”的思維定式，阻礙了學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。實際上物理化學各章節(jié)間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，需要我們教師在教學中引導學生打破章節(jié)的限制，對相關(guān)知識點進行提煉、梳理和串聯(lián)，將隱藏在紛繁內(nèi)容中最主要的概念、規(guī)律、原理以及知識點間的聯(lián)系整理出來，采用不同的形式重新組合，形成完整的知識體系和結(jié)構(gòu)，便于理解、記憶和掌握。實現(xiàn)知識在學生頭腦中的提升性再組合，達到“感悟”的目的。

教學案例7：類似關(guān)系式的關(guān)聯(lián)

在講阿倫尼烏斯方程的時候，讓學生回憶克拉貝隆方程和范特霍夫方程，3種方程的形式相似，本質(zhì)上一致，反映的都是溫度對體系變化的影響，但范特霍夫方程是從宏觀熱力學角度說明溫度對化學平衡的影響，克拉貝隆方程則是反應溫度對單組分系統(tǒng)相平衡的影響，阿倫尼烏斯方程則是從動力學的角度說明溫度對反應速率的影響。通過3個方程的比較、推導和說明，學生更容易掌握3個方程式的區(qū)別、意義和應用，利用類比和對比的學習方法，更深刻地理解溫度對化學變化及相變化的影響情況。

教學案例8：燃料電池的能量利用率

將燃料電池與火力發(fā)電進行比較，目前的發(fā)電形式主要是火力發(fā)電，其過程為燃料化學能→蒸汽熱能→機械能→電能，其中蒸氣熱能→機械能的效率受熱機效率的限制，大量的熱能會損耗掉，效率很低。而對于燃料電池，化學能→電能，不受熱機效率的限制，而且低污染，所以是目前研究的熱點。通過這些聯(lián)系，不僅使學生深刻理解卡諾循環(huán)的內(nèi)涵及意義，構(gòu)建與它相關(guān)的知識體系，并且對燃料電池這些新興的研究產(chǎn)生興趣，對于燃料電池的理解更為深刻。

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！痹谖锢砘瘜W的課堂教學中，適時引入相關(guān)的人文歷史，注重理論教學貼近生活，并適當?shù)亟榻B學科前沿領(lǐng)域的新知識，將物理化學中的傳統(tǒng)內(nèi)容與科技前沿相結(jié)合，鼓勵學生參與科研，幫助學生建構(gòu)完整的知識網(wǎng)絡，從而激發(fā)學生的學習興趣，引領(lǐng)他們進入物理化學的世界。使學生在學到知識的同時，更好地提高創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

[1]傅獻彩,沈文霞,姚天揚,侯文華.物理化學.第5版.北京:高等教育出版社,2006.

[2]余 剛,謝祥林,董奇志,張 俊.中國大學教學,2013,No.11,27.

[3]李 楠,郭仕恒,王東耀,郭云萍.湖南師范大學自然科學學報,2011,34,188.

[4]Halstead,J.A.J.Chem.Educ.1997,74,1390.

[5]Liu,T.Y.;Kim,C.J.Science 2014,346,1096.

[6]蘇 乾,劉 振,薛博鑫,孫育杰.科學通報,2014,59,3342.

To Spark Interest,to Enjoy Physical Chemistry

ZHANG Hui*ZHOU Yi-Ming LI Xiao-Dong CAI Chen-Xin
(College of Chemistry and Materials Science,Nanjing Normal University,Nanjing 210023,P.R.China)

In this paper,by introducing the culture and history of physical chemistry,exploring physical chemistry in daily life,demonstrating the latest progress in research and grasping the knowledge systematically,we developed the methods to increase students′interest in the study of physical chemistry.

Physical chemistry;Teaching exploration;Studying interest

G64；O64

10.3866/PKU.DXHX201604029

*通訊作者，Email:zhangh@njnu.edu.cn

南京師范大學2015年度校級立項教改研究課題(18122000090595)

www.dxhx.pku.edu.cn