如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣

黃永清 邵謙

(山東科技大學(xué)化工學(xué)院 山東青島 266510)

興趣是學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)的源動(dòng)力，是使學(xué)生由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”的關(guān)鍵所在。因此，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)熱情，在物理化學(xué)課程教學(xué)中顯得尤為重要[1-3]。物理化學(xué)是化學(xué)、化工專業(yè)的基礎(chǔ)課程，理論性強(qiáng)，概念抽象，公式多且適用條件復(fù)雜，學(xué)生普遍反映難學(xué)，很多人有畏難情緒。為解決學(xué)生對(duì)物理化學(xué)課程的畏難情緒，充分調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，筆者在授課過(guò)程中針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，選用了不同的教學(xué)方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,介紹如下。

1 適當(dāng)講解化學(xué)史

物理化學(xué)中很多章節(jié)的內(nèi)容屬于基礎(chǔ)理論知識(shí)，與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)和生活離得較遠(yuǎn)，學(xué)生在聽課過(guò)程中容易感覺枯燥、乏味。對(duì)于此類內(nèi)容，筆者會(huì)適時(shí)插入相關(guān)理論背后的故事(化學(xué)史)，通過(guò)簡(jiǎn)要介紹理論創(chuàng)立者的生平及理論創(chuàng)立的過(guò)程，使學(xué)生不僅知其然，還知其所以然，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的邏輯思維能力。俗語(yǔ)說(shuō)，榜樣的力量是無(wú)窮的，科學(xué)家對(duì)科學(xué)的不懈追求、研究和解決問(wèn)題的獨(dú)特方法以及他們的光輝業(yè)績(jī)，會(huì)使每一個(gè)有進(jìn)取心的學(xué)生心向往之，進(jìn)而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，鼓舞他們的學(xué)習(xí)熱情。如在講氣體的pVT關(guān)系一章時(shí)，筆者在講完道爾頓分壓定律后，講述了道爾頓的故事,主要從3個(gè)方面依次展開：首先是道爾頓的求學(xué)及科研生涯：道爾頓出身貧寒，依靠勤奮自學(xué)，從小學(xué)教師一直奮斗到曼徹斯特學(xué)院教授，直至被英國(guó)皇家學(xué)會(huì)接受為會(huì)員并得到了該學(xué)會(huì)的第一枚金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆Ｆ浯问欠謮憾蓜?chuàng)立的過(guò)程：道爾頓早期從事氣象觀測(cè)，在觀測(cè)過(guò)程中，他注意到大氣是混合物而且外觀均勻，所有力學(xué)關(guān)系都同純氣體一樣。就這些現(xiàn)象他提出了3個(gè)問(wèn)題：① 大氣是由什么組成的？② 為什么大氣能形成均勻的混合物？③ 混合氣體與純氣體的特性有什么聯(lián)系？通過(guò)研究，他對(duì)這3個(gè)問(wèn)題一一做了解答。為了解答第3個(gè)問(wèn)題，他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將兩種不同氣體單獨(dú)放在同一個(gè)容器中產(chǎn)生的壓力之和等于兩種混合氣體同時(shí)放在這一容器中產(chǎn)生的壓力，這就是著名的道爾頓分壓定律。最后是道爾頓的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：道爾頓創(chuàng)立了道爾頓分壓定律并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了科學(xué)原子論，寫下了不朽學(xué)術(shù)名著《化學(xué)哲學(xué)的新體系》。國(guó)際著名化學(xué)期刊《Dalton Transactions》就是后人為紀(jì)念這位“近代化學(xué)之父”而創(chuàng)辦的。在講述道爾頓生平事跡的過(guò)程中，學(xué)生被道爾頓的勤奮和對(duì)科學(xué)的執(zhí)著追求所感動(dòng)，聽講比以往更認(rèn)真，對(duì)物理化學(xué)的學(xué)習(xí)勁頭也明顯更足了。其他一些創(chuàng)立著名物理化學(xué)理論的科學(xué)家，如能斯特(Nernst)、朗謬爾(Langmuir)、吉布斯(Gibbs)等人的故事也被我用于物理化學(xué)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。當(dāng)然，在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注意對(duì)于化學(xué)史的講述要少而精。如果是為講故事而講故事，容易分散學(xué)生的注意力，也達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

2 舉實(shí)例和實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在教學(xué)中，好的導(dǎo)語(yǔ)可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，使他們產(chǎn)生學(xué)習(xí)的愿望和意向。為此，筆者把舉實(shí)例和實(shí)驗(yàn)作為導(dǎo)語(yǔ)引入課堂教學(xué)，以激起學(xué)生的好奇心，使他們帶著濃厚的興趣認(rèn)真上完整堂課。首先是舉實(shí)例。在物理化學(xué)課程中，部分章節(jié)的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活中的許多現(xiàn)象緊密聯(lián)系在一起，對(duì)于這類知識(shí)，筆者充分利用現(xiàn)象的公認(rèn)共知性，從舉實(shí)例入手創(chuàng)設(shè)問(wèn)題，牢牢抓住學(xué)生的注意力。如在講“稀溶液依數(shù)性”的時(shí)候，筆者以一些與稀溶液依數(shù)性相關(guān)的生活現(xiàn)象為引子，作為整堂課的導(dǎo)語(yǔ)。如“為什么腌咸菜的水冬天不易結(jié)冰？” “為什么下雪以后，公路要撒融雪劑？”“為什么經(jīng)過(guò)霜打的白菜格外甜？”“為什么點(diǎn)滴要用濃度為0.9%的生理鹽水？”“為什么化肥施多了，植物會(huì)被‘燒死’？”這些實(shí)例在現(xiàn)實(shí)生活中很常見，大多數(shù)學(xué)生有親身的體會(huì)。這樣就很容易激起學(xué)生的好奇心，使他們產(chǎn)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行探究的想法，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性明顯提高。當(dāng)然，這類例子還有很多，表1是作者常舉的一些例子。其次是把實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)。有些物理化學(xué)理論和基本概念的提出與一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有關(guān)，對(duì)此，筆者在教學(xué)中適時(shí)引入實(shí)驗(yàn)，借助實(shí)驗(yàn)的直觀性，提高學(xué)生對(duì)物理化學(xué)理論及基本概念的理解。例如在引入偏摩爾量概念時(shí)，筆者直接將50mL水加50mL乙醇體積不等于100mL這個(gè)簡(jiǎn)單、易操作、占用時(shí)間少的小實(shí)驗(yàn)搬上課堂[4]。在學(xué)生看完整個(gè)實(shí)驗(yàn)后，緊接著提出“確定多組分單相系統(tǒng)的體積需要幾個(gè)變量？”和“混合后總體積不等于混合前兩體積之和說(shuō)明了什么？”兩個(gè)問(wèn)題，由此啟發(fā)學(xué)生得出結(jié)論：?jiǎn)蜗喽嘟M分系統(tǒng)的體積與系統(tǒng)的各組分的物質(zhì)的量有關(guān)，每一摩爾的不同組分對(duì)體積的貢獻(xiàn)度與其純態(tài)時(shí)并不相等。這就為下一步引入偏摩爾量埋下了伏筆。又如在界面現(xiàn)象一章中，表面張力這一概念很重要，講授時(shí)往往是先從微觀層面上說(shuō)明表面分子受力不均衡，恒有指向液體內(nèi)部的趨勢(shì)；緊接著從宏觀層面上指出表面張力是方向與液面相切、垂直作用于單位長(zhǎng)度線段上的緊縮力。學(xué)生往往對(duì)這一轉(zhuǎn)換難以理解，成為教學(xué)中的難點(diǎn)。為幫助學(xué)生理解表面張力的存在和方向，筆者特意錄制了肥皂膜將鐵圈中的面線圈拉圓的實(shí)驗(yàn)[5]，并在課堂上放映。總之，采用上述兩種方法，把抽象的物理化學(xué)理論以生動(dòng)活潑的形式引入課堂教學(xué)，有助于學(xué)生的理解，也更能抓住學(xué)生的注意力。

表1 部分章節(jié)中所舉的實(shí)例

3 介紹實(shí)際應(yīng)用和科研前沿

在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)一部分學(xué)生(尤其是工科院校學(xué)生)認(rèn)為物理化學(xué)課程與實(shí)際生產(chǎn)沒有聯(lián)系，在工作中用不到，因此對(duì)該課程不夠重視。為了糾正這種錯(cuò)誤想法，筆者在講授物理化學(xué)時(shí)，注意聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用和研究前沿。(1) 介紹實(shí)際應(yīng)用。在講述電化學(xué)一章的時(shí)候，筆者結(jié)合相關(guān)圖片和電化學(xué)原理，指出現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中塑料、玻璃、金屬等的電鍍，著名的杭州灣鋼箱梁斜拉橋采用的陰極保護(hù)防腐蝕技術(shù)、電動(dòng)汽車的核心組件電池的工作原理都與電化學(xué)知識(shí)有關(guān)。為了進(jìn)一步說(shuō)明基礎(chǔ)科學(xué)的重要性，筆者還簡(jiǎn)要介紹了比亞迪公司董事長(zhǎng)王傳福從一名研究電池的理論工作者最終成為亞洲最大的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)始人的經(jīng)歷，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)知識(shí)的重要性。為了進(jìn)一步拓展學(xué)生的視野，筆者還結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)介紹電化學(xué)在分子水平研究領(lǐng)域的最新應(yīng)用[6]。(2) 介紹科學(xué)前沿。如在講完界面現(xiàn)象一章有關(guān)表面張力和接觸角的相關(guān)知識(shí)后，筆者講述了《Nature》雜志中的兩篇文章[7-8]：第1篇文章介紹了水黽的疏水性腿。從掃描電鏡照片來(lái)看(圖1)，水黽的腿均勻地覆蓋著一層傾斜度大約為20°的微米級(jí)的剛毛，而每一根剛毛又含有納米級(jí)的溝槽，在微米級(jí)的剛毛和納米級(jí)的溝槽形成的空間中覆蓋著一層空氣，這使得它的腿具有超疏水性，與水的接觸角高達(dá)167.6±4.4°。正是這個(gè)原因使水黽的腿即使在水面上壓出4.38±0.20mm深的水窩也不會(huì)刺穿水面，單腿的最大支撐力為其總體重的15倍。第2篇文章介紹了沙漠中的蜘蛛利用蛛絲的特殊結(jié)構(gòu)從潮濕空氣中收集水的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)蛛絲吸水后的結(jié)構(gòu)由紡錘體和連接點(diǎn)相互間隔形成。其中紡錘體由無(wú)序的親水性納米纖維組成而連接點(diǎn)則由同樣定向排列的納米纖維構(gòu)成(圖2)。其中紡錘體的粗糙程度較連接點(diǎn)大，這使得它的表面能量較高，有更強(qiáng)的親水性能。除此以外，紡錘體可看成由兩個(gè)方向相背的圓錐體構(gòu)成，因此附著在上面的水滴的曲率從錐體頂端到底端逐漸變小，從而引起拉普拉斯作用力由大變小，產(chǎn)生推動(dòng)力。在以上兩種力協(xié)同作用下，連節(jié)點(diǎn)上凝聚的小水滴會(huì)自動(dòng)地流向紡錘體，匯聚形成大的水滴。這類前沿知識(shí)的介紹加深了學(xué)生對(duì)表面吉布斯自由能和接觸角等相關(guān)知識(shí)的理解，并使學(xué)生意識(shí)到即使最前沿的仿生學(xué)研究，采用的理論很多也是來(lái)源于物理化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

圖1 含剛毛的水黽腿的電鏡照片(左)和剛毛的電鏡照片(右)

圖2 蛛絲的電鏡照片

總之，筆者通過(guò)綜合使用上述幾種教學(xué)方法，成功激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)的興趣并調(diào)動(dòng)了他們的學(xué)習(xí)積極性，收到了較好的教學(xué)效果。但筆者也清醒地認(rèn)識(shí)到，在物理化學(xué)教學(xué)中，理論占絕大部分，上述方法的使用對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的作用是有限的。為使學(xué)生把學(xué)習(xí)興趣真正轉(zhuǎn)化為積極的、主動(dòng)的學(xué)習(xí)動(dòng)力，就必須使學(xué)生抓住物理化學(xué)的內(nèi)在邏輯，切實(shí)理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，這就需要物理化學(xué)教師在日常教學(xué)過(guò)程中多學(xué)習(xí)、多積累，多總結(jié)，綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法。

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