基于自主學習的角度談物理化學教學

張如良，劉 蕾，孫海青

(山東科技大學材料學院，山東 青島 266590)

物理化學作為化學和材料學科基礎課程，多數學生在學習時都會抱怨物理化學概念繁多抽象，感覺比較晦澀，原理與生活脫節，公式眾多，尤其是高年級學生的誤導，更是導致低年級學生在初學前就帶著情緒。但是筆者在物理化學這門課程的授課與學習中，深刻體會到物理化學是兼顧實用性與創造性的中心科學，與其他學科相互聯系，相互結合，不只是在科學領域，在哲學，人文等領域也有著深刻的啟示，日常生活一些現象也與物理化學密切相關。授課時，需要引導學生通過一些生活和前期基礎知識，充分調動邏輯想象能力和分析處理能力。

1 物理化學以其獨特的視角詮釋著這個世界

問題的本質來源于生活而高于生活，但學生在學習過程中往往缺乏思考和事物間聯系，很多認為“理所應當”的問題，其實不然。例如，在界面現象這一個模塊的學習中，表面張力是一個很重要的問題，液體分子之間排列緊密，因而分子之間具有吸引力，而在氣相中，當分子距離增加的時候，分子的引力隨著距離的增加而迅速下降。因此分子間引力在液-氣交界面上就形成了一種張力，即向內和兩側拉扯液面的力，這就是表面張力。把曲別針、縫衣針之類的東西小心翼翼地放在水面上，可以讓它們漂浮起來，小物體漂浮現象就是利用的表面張力。當在其表面滴加一滴含有表面活性劑的溶液中，曲別針會迅速沉入水中。

這種之類的問題數不勝數，為什么泡泡是球形的，為什么裝了熱水的水瓶，塞子經常過夜就打不開了等等這之類的問題其實蘊含著豐富的物理化學知識。物理化學并不是與生活脫節，而是從生活中而來，聯系與生活實際會讓物理化學理解得更加具體。

2 物理化學的原理公式的項目種類繁多，未知數、常量、假定等等數學聯系密切，深刻的糅合了物理和數學等方面的知識，理解與推算記憶帶來了一定困難[1]

相信很多同學都為熱力學部分的大量的公式以及推導方程而感到頭疼。為了應付考試的盲目去應記，不加以理解，往往經過一段時間，不用說正負號搞不搞得清楚，就連是哪幾個熱力學函數都會出現記憶混亂。這時候我們就要用到追根溯源法了。何為追趕溯源法，公式并不是憑空而來的，而是經過合理的演算，由根而生。這個根就是我們所要搞清楚的。例如，麥克斯韋方程式是熱力學中非常重要的公式，很多同學都對此方程頭疼不已。我們如果采用以下思維進行推算，就很容易得到，避免死記硬背。

從U=U(S,V)入手，U對S,V的一階偏導數是

在此基礎上求其二階偏導數：因為求導順序與結果無關，所以先后對S,V求導得

同理可求H、A、G分別對各自兩個獨立變量的二階偏導數，可得出如下三式：

由此可見，公式并不是憑空產生的，我們要運用合理的工具去創造條件，而不是一味地去死記硬背，找出源頭，一路向前，并擁有良好的數學功底會讓我們學起物理化學事半功倍。

3 物理化學主要是站在微觀和宏觀角度上看待問題[2]，是“抽象”問題，大部分是肉眼不能觀察到的變化，而大腦更愿意去接受“具象”的事物，這是學生在學習物理化學的一個難點

如何轉“抽象”為“具象”才是關鍵。當講到理想氣體狀態方程PV=nRT時，其適用條件是氣體分子本身所占的體積與此時氣體所具有的非常大的體積相比可忽略不計，因而分子可近似被看作是沒有體積的質點。壓力越低，偏差越小。于是從極低壓力氣體的行為觸發，抽象提出理想氣體的概念。換句話說，真實的理想氣體是不存在的，空氣本身就是“看不見摸不著”的，而理想氣體又不存在，許多同學大腦中缺少一個模型去理解，造成接收的假象。公式背過了，說它到底是什么，卻又實際講不出。建立良好的空氣分子模型，合理類比已有的客觀事物，是最佳方案。氣體分子數量多，每個個體獨立存在又相互影響，無序性強。氣體受熱膨脹，就好比人，一旦活潑起來就像人的活動范圍增大，需要的空間自然就大，跟“膨脹”一樣。那么，理想氣體分子就同樣跟人一樣毫不干涉其他人進行自己的運動。這樣一來，理解起來非常清楚，我們要善于抓住學習內容的特點，類比我們所熟知的事物，這樣學習起來自然事半功倍。

就比如原電池的設計來說，并不是要把所有的電池背過，而是從化學方程式入手，正極和負極的材料有千千萬萬種，但是設計原電池的規律卻是萬變不離其宗，得失電子守恒便是關鍵，主干抓好了接下來就是添枝散葉了，許多細節也要把握。“順藤摸瓜”式的思路就是這樣，找到主線，然后上面的脈絡分支就很清楚，也能找到想要的結果。

4 萬物皆有理，如何去尋找物理化學當中的“理”是至關重要的，邏輯思維的運用必不可少，以及如何運用哲學思想去解釋反應機理達到更快的吸收與理解

知識從何而來，知識并不是憑空產生的，同樣也不是人們所創造的。知識是客觀存在的真理。我們所做的只不過是不斷地去發現事物的本質。這就是為什么千百年來科學家們孜孜不倦的去尋求自然界的最小單元。為的就是去更多的了解我們生活的世界，不看表面，只看實質。對于物理化學的學習更是如此，其實在物理化學的學習中，出現最多的的兩個詞就是平衡與守恒。哲學思想平衡論中指出任何事物都具有兩面性，兩者是矛盾和相對的，是在互相轉化的。需在兩者之間尋找一個平衡點，如此反復，周而復始，無窮無盡，最終維持大體上的平衡，呈螺旋式交替上升趨勢，并呈現為雙螺旋狀態。如此化學平衡中無非就是生成物和反應物的相互作用，最終會回歸平衡。而這個平衡絕不是靜態的，而是一個動態平衡，就是所謂的雙螺旋狀態。這樣的一個思考過程不僅僅是單向過程，是一個邏輯互逆的過程。任何事物都有兩面性，把握其中的理，指導物理化學的理解，才是根本。

5 重視實驗在物理化學學習中起的作用，以實踐帶動學習，以操作加深理解

物理化學實驗部分在物理化學學習中占據著相當重要的地位，培養了學生的基本的物化素養和科研創新能力[3,4]。現代的物理化學教學體系已經有了很大程度上的完善，主要表現在課程的配套實驗設施上。但通過近年來對課程觀察，取得的效果可以說是不盡人意。一方面學生對實驗的重視程度不夠高，并不能真正領會實驗“動手帶動思維，實踐檢驗真理”的精神。另外，在整個實驗的過程中，學生的預習浮于表面，過程淺嘗輒止，總結流于形式。其次，課后反饋不夠及時、不充分，導致“不知其所以然”的現象非常的普遍，不能主動地用學過的物化知識解決現實問題。

因此，需要引導學生重視實驗預習，不再是照搬實驗報告，而是引導學生自主去設計實驗，體會其中物理化學的原理，更好的去應用在課堂上學到的書本知識。同時，實驗儀器與實驗思路更要與時俱進，做實驗的最終目的還是培養學生的科學素養觀念，如果一直驗證性實驗，那很難獲得時代所青睞的培養效果。難以提升學生的綜合創新意識及能力。例如，多引入物質結構性質表征方面的實驗內容，在實驗設計中兼顧課程及專業的培養目標，根據時代的需要，才能獲得更好的效果與高的知識價值。

6 結語

總體而言，物理化學在現代大學生的學習中的作用是日益顯著的，但是大部分人的學習方法卻是沒有一個系統的總結。照搬硬套老師教授的方法，難以取得好的效果。想要真正的學懂學透物理化學還是要靠自己去領悟，去尋找適合個體的方法。透過現象看本質，消化吸收轉化為自己的方法才是最終訴求。