楊志勇

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)化學(xué)科學(xué)學(xué)院，北京 101408

1 引言

研究生基礎(chǔ)課的一個(gè)重要特征在于它是理論學(xué)習(xí)與科研活動(dòng)的過(guò)渡與橋梁。在大多數(shù)研究生基礎(chǔ)課程中，有較為成熟的理論框架，需要研究生學(xué)習(xí)和掌握。如，膠體與界面化學(xué)課程中的膠體體系的制備與陳化、膠體體系的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)與電學(xué)性質(zhì)、膠體體系的DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理論與聚沉動(dòng)力學(xué)、界面模型與熱力學(xué)、Kelvin公式，與表面活性物質(zhì)相關(guān)的乳液與微乳理論等[1,2]。這些都是從前人經(jīng)典的研究成果中凝練而成的，是該領(lǐng)域的基礎(chǔ)框架，也是研究生課程教學(xué)與學(xué)習(xí)中必須完成的。

但在研究生基礎(chǔ)課程教學(xué)與學(xué)習(xí)時(shí)，普遍存在一些共性的問(wèn)題，如：1) 經(jīng)典知識(shí)理論與研究前沿學(xué)習(xí)顧此失彼；2) 所學(xué)知識(shí)僵化，不能靈活地運(yùn)用在科研活動(dòng)中，無(wú)法為科研結(jié)果的分析與理解提供基礎(chǔ)；這就造成了經(jīng)典理論知識(shí)與當(dāng)前研究活動(dòng)割裂，似乎沒(méi)用的假象；3) 作為理論學(xué)習(xí)與科研活動(dòng)的橋梁，在經(jīng)典理論課程中，科研素質(zhì)培養(yǎng)不充分，理論學(xué)習(xí)與科研活動(dòng)較為脫節(jié)，學(xué)生為了學(xué)理論課程(拿學(xué)分)而學(xué)[3–6]。

在膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)中，我們采取了多項(xiàng)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)與用并重、教與研融合，以此來(lái)增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)其科學(xué)素質(zhì)，為將來(lái)的科學(xué)研究打下基礎(chǔ)，并避免學(xué)生為拿學(xué)分而學(xué)，改變師生認(rèn)為基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)“無(wú)用”的想法。

2 改革實(shí)踐

2.1 課堂講授與啟發(fā)式討論的精確配合

在理論知識(shí)講授中，精心設(shè)置開放式討論，使學(xué)生在反復(fù)地思考、解釋、反駁、辯論中深刻理解結(jié)論背后的原理與機(jī)制。只有深刻地理解了知識(shí)的來(lái)龍去脈，知其所以然，才有變通、靈活運(yùn)用乃至發(fā)展所學(xué)知識(shí)的能力。同時(shí)避免課堂成為老師講、學(xué)生聽的單向信息傳遞模式。這樣學(xué)生容易走神，對(duì)知識(shí)的理解和掌握也并不牢固。并且，學(xué)完之后容易很快“還給”老師。

教學(xué)案例：在講滲透壓時(shí)，學(xué)生們都知道計(jì)算公式。部分學(xué)生知道膠體一側(cè)液面會(huì)升高。

提問(wèn)：為什么膠體一側(cè)液面不能無(wú)限升高？

學(xué)生們開始是沉默，說(shuō)明并不清楚滲透壓的原理。思考后提出多個(gè)解釋與假說(shuō)，經(jīng)過(guò)多次的“提出–反駁–完善”，最終理解分散介質(zhì)在半透膜兩側(cè)的化學(xué)勢(shì)要平衡。然后，從化學(xué)勢(shì)入手，推導(dǎo)出滲透壓公式。學(xué)生們豁然開朗。

學(xué)生反饋與教學(xué)效果：“豁然開朗的感覺”“印象深刻，公式不用記，自然出現(xiàn)在腦海中”“很有啟發(fā)性”。

通過(guò)啟發(fā)式課堂討論，讓學(xué)生參與教學(xué)過(guò)程，增加互動(dòng)性和趣味性，授課也就變成了雙向信息溝通的模式。而且學(xué)生普遍反映經(jīng)過(guò)討論、思考獲取的知識(shí)，比老師直接告訴的記得牢、理解深刻，同時(shí)科研思維與素質(zhì)也得到了鍛煉。

2.2 理論知識(shí)的學(xué)與用并重

在討論中，分步引導(dǎo)，使學(xué)生理解運(yùn)用知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的入手點(diǎn)、方式、步驟等，進(jìn)而分解問(wèn)題、提出假說(shuō)與解釋。改變學(xué)生運(yùn)用知識(shí)時(shí)的茫然、無(wú)從下手的狀態(tài)。培養(yǎng)學(xué)生抽絲剝繭地分析、解決問(wèn)題的科研能力。

教學(xué)案例：在學(xué)習(xí)完毛細(xì)管中彎曲液面飽和蒸氣壓與其半徑的關(guān)系后(公式1)，給出了多孔物質(zhì)等溫吸附–脫附曲線(圖1)不重合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在公式1中：R，氣體常數(shù)；T，溫度；P，毛細(xì)孔中液體的飽和蒸汽壓；p0，液體的飽和蒸汽壓；γ，液體的表面張力；Vm，液體的摩爾體積；θ，接觸角；r，孔半徑。

課堂討論要求：通過(guò)理論(公式1)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1)，分析樣品中可能存在的孔結(jié)構(gòu)類型和吸脫附過(guò)程。

學(xué)生們?cè)陂_始討論時(shí)手足無(wú)措，找不到獲得“理論–實(shí)驗(yàn)–結(jié)論”的入手點(diǎn)。因此課前精心設(shè)計(jì)了多步提問(wèn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析:

a) 從等溫吸附-脫附曲線(圖1)來(lái)分析，同等壓力下哪條曲線的吸附量更大？

圖1 多孔物質(zhì)等溫吸附–脫附曲線

得出：同等壓力下脫附曲線的吸附量更大。

b) 飽和蒸氣壓變高還是變低才能使吸附量變大？

得出：飽和蒸汽壓變低，同等壓力下，氣體過(guò)飽和度變大，液體容易凝結(jié)，吸附量變大。

c) 依據(jù)公式1來(lái)分析，什么參數(shù)、如何變化才能使飽和蒸氣壓的變化滿足要求？

得出：孔徑變小，接觸角變小等都可以使毛細(xì)孔中液體的飽和蒸氣壓變小，吸附量變大。

d) 從參數(shù)變化，分析樣品中可能存在什么結(jié)構(gòu)或吸脫附過(guò)程？

經(jīng)討論，最終得出：孔結(jié)構(gòu)可能存在墨水瓶狀孔結(jié)構(gòu)；接觸角的前進(jìn)角和后退角的差別等都可以產(chǎn)生圖1的吸脫附曲線。

經(jīng)過(guò)引導(dǎo)，解決學(xué)生運(yùn)用知識(shí)時(shí)的茫然、無(wú)從下手的狀態(tài)，使學(xué)生懂得如何尋找入手點(diǎn)進(jìn)而分解問(wèn)題，運(yùn)用知識(shí)并提出假說(shuō)與解釋等。培養(yǎng)學(xué)生抽絲剝繭地分析、解決問(wèn)題的科研能力。

2.3 基礎(chǔ)理論與前沿研究的良好銜接

基礎(chǔ)理論與前沿研究的良好銜接使學(xué)生理解基礎(chǔ)理論對(duì)前沿研究的支撐作用，前沿研究對(duì)基礎(chǔ)理論的完善與拓展。

教學(xué)案例：在課程的不同章節(jié)中，分別講授了流動(dòng)電位、潤(rùn)濕毛細(xì)管中液面上升現(xiàn)象。

精心遴選了Nature Nanotechnology上2017年的一篇論文[7]。該論文在基底上通過(guò)不充分燃燒獲得多孔碳層，并用氧等離子體處理碳層，在涂層表面和孔道中產(chǎn)生羥基和羧基等基團(tuán)，使多孔碳的表面和孔道具有親水性質(zhì)。制備電極后，將器件放入鹽溶液中(圖2)，使部分碳層處于鹽溶液中，由于孔道親水，孔道中的鹽溶液液面高于燒杯中的液面?？椎乐械囊后w蒸發(fā)時(shí)，燒杯中的液體不斷地補(bǔ)充到孔道中，產(chǎn)生了流動(dòng)電位，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電功能。通過(guò)文獻(xiàn)閱讀與討論，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這篇文獻(xiàn)新奇現(xiàn)象背后的機(jī)制正是課程中的這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)研究結(jié)果也拓展了這兩個(gè)效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2 溶液蒸發(fā)發(fā)電器件工作示意圖

2.4 挖掘經(jīng)典理論發(fā)展中的科研歷程與啟示

挖掘經(jīng)典理論發(fā)展中的科研歷程使學(xué)生理解科研活動(dòng)中的抽象、建模、演繹、改善的過(guò)程；使學(xué)生理解理論發(fā)展中多輪次“質(zhì)疑–舉證–完善”的歷程，培養(yǎng)學(xué)生從大量、繁雜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立假說(shuō)與理論的科研能力。

教學(xué)案例：雙電層結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了“Helmholtz模型、Gouy-Chapman模型、Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型，BDM (Bockris-Devanathan-Muller)理論”的建立、長(zhǎng)時(shí)期的改進(jìn)與完善，目前仍在發(fā)展中。這一部分科研歷程明顯、清晰。所以，在授課中引導(dǎo)學(xué)生分析如何基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立模型，分析每個(gè)模型的進(jìn)步與不足之處，如何有針對(duì)性地改進(jìn)，使學(xué)生理解科學(xué)研究的過(guò)程。

(1) Helmholtz模型的提出。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在裝有粘土分散體系的連通器插入電極，通電后，粘土顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

模型的提出：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)粘土中含有帶電顆粒，其在電場(chǎng)下定向運(yùn)動(dòng)，造成了液體的流動(dòng)。因此，提出帶電膠體顆粒與其反離子層構(gòu)成了平行板電容器，即雙電層結(jié)構(gòu)的Helmholtz模型。

課堂問(wèn)題：Helmholtz模型可以解釋哪些實(shí)驗(yàn)結(jié)果？哪些不能解釋，為什么？模型中忽略了什么因素？如何改進(jìn)模型？

經(jīng)學(xué)生討論，明確：a) Helmholtz模型滿足了顆粒帶電而且整個(gè)體系電中性的要求；b) 但在平行板電容器假設(shè)中，反離子完全被緊密束縛在帶電固體表面附近，很難分離，不能在電場(chǎng)下做定向運(yùn)動(dòng)。因此不能解釋此部分結(jié)果；c) 更重要的是引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)討論，得出：該模型忽略了反離子的熱運(yùn)動(dòng)?？紤]熱運(yùn)動(dòng)后，反離子層從固體表面到電中性的位置應(yīng)有一個(gè)分布。

(2) Gouy-Chapman模型的建立。

根據(jù)對(duì)Helmholtz模型的討論，完善其不足，引出Gouy-Chapman模型。該模型考慮了反離子的熱運(yùn)動(dòng)。認(rèn)為熱運(yùn)動(dòng)使反離子層從帶電固體表面到無(wú)窮遠(yuǎn)處符合波爾茲曼分布。并利用點(diǎn)電荷的泊松方程來(lái)處理雙電層結(jié)構(gòu)。

對(duì)泊松方程簡(jiǎn)化后，進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹、求解，得出反離子層的電勢(shì)分布曲線與電荷密度等。

課堂問(wèn)題：Gouy-Chapman模型相對(duì)于Helmholtz模型的進(jìn)步是什么？它是否是個(gè)完美的模型，不足之處在哪里？

根據(jù)Gouy-Chapman模型，反離子層的電勢(shì)只能與固體表面的電勢(shì)同號(hào)，而且比固體表面的低。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有些情況下ζ電勢(shì)與固體表面的電勢(shì)異號(hào)，或是比固體表面的電勢(shì)更高。如何解決這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Gouy-Chapman模型的矛盾？

經(jīng)學(xué)生討論，明確：a) 在Gouy-Chapman模型中，考慮了兩個(gè)因素：靜電力和熱運(yùn)動(dòng)，但反離子層的分布是單一模型；b) 反離子層可以與帶電顆粒較為容易地分離，分別在電場(chǎng)下做定向運(yùn)動(dòng)，這是比Helmholtz模型進(jìn)步的地方；c) 引導(dǎo)學(xué)生思考并討論，得出：在帶電顆粒表面附近，反離子與表面電荷之間有很強(qiáng)的靜電吸引力，使反離子的分布并不符合波爾茲曼分布。也就是說(shuō)在帶電顆粒表面附近，過(guò)高地估計(jì)了熱運(yùn)動(dòng)的作用，矯枉過(guò)正。這也正是改進(jìn)Gouy-Chapman模型的入手點(diǎn)。

進(jìn)一步提問(wèn)：如何改進(jìn)Gouy-Chapman模型？

(3) Stern-Gouy-Chapman (GCS)模型的提出。

引導(dǎo)學(xué)生：將Helmholtz模型與Gouy-Chapman模型整合，將反離子層的分布分區(qū)域考慮，構(gòu)建不同的分布規(guī)律，即：在帶電固體表面附近，反離子排列與平行板電容器較為類似，這一層稱為Stern層；而在這一位置以外，反離子層符合波爾茲曼分布。

進(jìn)一步提問(wèn)：GCS模型如何解釋某些情況下ζ電勢(shì)與固體表面的異號(hào)，或是比固體表面電勢(shì)更高的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？除了靜電力與熱運(yùn)動(dòng)對(duì)雙電層結(jié)構(gòu)的影響外，還有什么其他因素可能影響Stern層？

引導(dǎo)學(xué)生得出：在GCS模型中，Stern層還受范德華力的影響。如果范德華力造成的吸附主導(dǎo)了Stern層的結(jié)構(gòu)，那么Stern層的電勢(shì)將由吸附物質(zhì)的電荷決定，因此可能與固體表面的電荷異號(hào)，或是同號(hào)但電勢(shì)更高。

充分討論后，在課堂中明確指出：在GCS理論中，考慮了三個(gè)因素：靜電力，熱運(yùn)動(dòng)和范德華作用力，并且區(qū)分了不同區(qū)域中的主導(dǎo)因素及所產(chǎn)生的的雙電層結(jié)構(gòu)，即：固體表面至Stern層是由靜電力和范德華作用力主導(dǎo)，近似為平行板電容器模型；而Stern層以外是由熱運(yùn)動(dòng)和靜電力平衡的結(jié)果，為擴(kuò)散模型的結(jié)構(gòu)。由此，完成GCS模型的建立。

再次依據(jù)GCS模型，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)演繹、求解，得出完整的雙電層結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述等。

提出問(wèn)題：在GCS模型中，計(jì)算得出Stern層的反離子密度異常高，不合理。原因是什么？

(4) GCS模型的完善與發(fā)展。

引導(dǎo)學(xué)生討論得出：在GCS模型中，忽略了溶劑的吸附與影響，表面電荷分布不均勻等。

進(jìn)而把Stern層分為內(nèi)緊密層和外緊密層(BDM理論)。目前，雙電層理論仍在發(fā)展中。

(5) 前沿研究介紹。

在雙電層結(jié)構(gòu)建立與發(fā)展過(guò)程中，大多數(shù)情況下是無(wú)機(jī)鹽離子作為反離子。與膠體顆粒相比，尺寸較小，因此作為質(zhì)點(diǎn)電荷對(duì)待。近年來(lái)，離子液的出現(xiàn)，給雙電層結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。在離子液中，正負(fù)離子尺寸較大，因此不能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)電荷對(duì)待。更重要的是，與無(wú)機(jī)鹽溶液中的正負(fù)離子相比，離子液正負(fù)離子之間作用力較強(qiáng)。這些不同將導(dǎo)致不同的雙電層結(jié)構(gòu)。我們選取了兩篇具有代表性的研究論文[7,8]，介紹了離子液體系中的雙電層結(jié)構(gòu)。

通過(guò)(1)–(5)過(guò)程的討論與學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解“繁雜實(shí)驗(yàn)結(jié)果–抽取主要特征–建立物理模型–數(shù)學(xué)演繹–得出結(jié)論–分析結(jié)論中與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符與不符之處–改進(jìn)物理模型再進(jìn)行演繹與分析”的過(guò)程，理解理論模型與框架發(fā)展中的多輪次“質(zhì)疑–舉證–完善”的科研歷程，培養(yǎng)其質(zhì)疑思想和能力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上措施，在課程教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了學(xué)與用并重、教與研融合。改變了學(xué)生認(rèn)為課本中的知識(shí)都是成熟的、完善的、甚至完全正確的思想；并培養(yǎng)了學(xué)生的批判性思維，對(duì)現(xiàn)有知識(shí)和結(jié)果進(jìn)行批判性解讀的能力，對(duì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、歸納、建模與演繹的能力；啟蒙學(xué)生的科研思想、培養(yǎng)其初步科研素質(zhì)。教學(xué)效果也獲得了同學(xué)們和專家的一致認(rèn)可，獲得了中國(guó)科學(xué)院大學(xué)校級(jí)/學(xué)院級(jí)優(yōu)秀課程，教育教學(xué)成果二等獎(jiǎng)等。

學(xué)與用并重、教與研融合的教學(xué)方式和措施使研究生基礎(chǔ)課程教學(xué)與實(shí)際科研活動(dòng)緊密貼合，培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)，為學(xué)生開展科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

致謝：此工作得到了中國(guó)科學(xué)院大學(xué)優(yōu)秀課程、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)化學(xué)-化工精品課程建設(shè)項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助與支持。