激发学习兴趣，引领学生走进物理化学

张 卉 周益明 李晓东 蔡称心

(南京师范大学化学与材料科学学院，南京210023)

激发学习兴趣，引领学生走进物理化学

张 卉*周益明 李晓东 蔡称心

(南京师范大学化学与材料科学学院，南京210023)

从引入人文历史、引领学生进入身边的物理化学世界、与学科前沿接轨、把握知识体系4个角度，探索了激发学生对物理化学课程学习兴趣的有效途径。

物理化学；教学探索；学习兴趣

俗话说，兴趣是最好的老师。如何培养和激发学生的学习兴趣，是我们每一位教师值得探索并始终应该关注的问题。在这方面做得好的教师，往往事半功倍，教学效果好，教师受学生爱戴，所教课程受学生欢迎；不关心这方面的教师，课堂教学往往达不到期望的效果，事倍功半，甚至无功而返。

笔者所教的课程是物理化学。物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手，来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门学科[1]。它是化学、化工专业本科阶段必修的四大化学专业基础课之一。讲授物理化学的前辈、山东大学的印永嘉先生曾作过一个很形象的比喻：“无机化学是化学的四肢，有机化学是化学的躯体，分析化学是化学的眼睛，物理化学是化学的灵魂”。可见，物理化学对于化学、化工专业的学生来讲，是一门非常重要的课程。但是，这门课程较抽象，它涉及了较多的数理知识，具有概念多、公式多，理论性强、逻辑性强、系统性强等特点，被本科生认为是本科阶段最难学的一门专业课[2]。

对于这样一门学生觉得难学的课程，教师在教学过程中如果只注重理论的讲解、数学公式的推导及计算，学生会感觉很枯燥无味，甚至产生厌学情绪。事实上，物理化学虽说抽象难懂，但这些理论的建立都是基于客观自然的现象，物理化学世界里充满了许多激情的创造，这种创造所带来的震撼，虽然不像绘画和音乐具有直观的视觉和听觉的冲击力，但这种震撼是发自内心思想上的震撼，其乐趣是奥妙无穷的。学习的最终目的不是为了解答习题，而是为了更好地对话自然。那么如何在教学中引领学生进入到物理化学的世界中去体会这种乐趣呢？

笔者根据自身的教学经验，不断思考和优化课堂教学环节的设计，创设轻松愉快的学习环境，在培养学生学习兴趣的同时充分激发学生学习的积极性，实现事半功倍的学习效果。下面结合具体的教学案例，从4个方面介绍如何在本科生物理化学的教学中激发学生的学习兴趣，带领学生进入到物理化学的世界。

1 引入人文历史，激发学生的学习兴趣

任何一门科学的形成与发展总是同当时热衷于这门科学研究的人物密切相关，物理化学也不例外，其中涉及的每一个定律、公式都凝结了许多科学家的辛劳，也常常伴随一些趣事。教师在讲授这些内容的时候，如果撇开它的文化背景，只是以大段的数学推导和文字叙述来阐明其来源、内容和应用，会导致学生既听不进去，也记不下来，最终影响教学效果。但是如果教师能够在讲授这些概念或公式的同时将与这些概念有关的人文历史穿插进去，让学生了解知识的来龙去脉，不仅可以撩开定律公式的神秘面纱，扩大学生的知识面，而且可有效地提高学生的学习兴趣，很好地调动课堂气氛，收到良好的教学效果[3]。

教学案例1：热力学第二定律

1776年，瓦特发明了蒸汽机，极大地推进了工业大革命的发展。蒸汽机，又称为热机。根据历史考查，它的效率是极低的，还不到10%，也就是说大量的热能都损耗掉了。人们就在想，能否把热机效率提高呢？把它提高到30%、50%、80%，甚至100%。怀着这个梦想，科学家们进行了一系列研究。他们幻想制造出一种机器，它能够循环操作，不断从单一热源吸热使之完全转化为功。换句话说，它能够单纯使物体冷却而把提取的热完全转变为功。由于海洋、大气、地面等所储藏的能量几乎是无限的，这种机器如果能够研制成功，那就是一种永动机，即所谓的第二类永动机。有人曾经计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低0.25°C，放出的热量就可以转化成一千万亿度的电能，足够全世界使用一千年。这样，我们就可以在海洋上设置一些巨大的工厂，利用海水里的热能，来进行各种不同的工作，比如利用它来发电，轮船可以利用海水里的热量，不必烧煤或烧油，就能到世界各地去航行，这岂非美事！1881年由约翰·嘎姆吉(John Gamgee)为美国海军设计的“零发动机”就是这样一台永动机，约翰·嘎姆吉设想让汽缸内的液氨从海水中吸收热量而气化，将产生的蒸气推动活塞，氨蒸气冷却后又凝结成液氨，如此循环往复，不断产生能量。事实上，这台机器从未能完成一个循环(因为氨蒸气不可能自动冷却凝结成液体)。英国科学家焦耳也曾被永动机这一“奇妙”的发明所吸引，并为此做了一二十年的实验，但最后他留给后世的并不是永动机，而是证明永动机不可能的“热功当量定律”，这应该算是研究永动机得到的意外收获。

各种永动机设计方案的失败，制造永动机美好梦想的破灭，对于每一个寻找永动机的人是不小的打击。但是，反思这一失败的探索过程，它从反面给人类以启迪，一些科学家从这一否定的结果中开始思考，提出这样一个问题：永动机不可能制成，是不是说明自然界存在着一条法则？而这条法则就是今天给大家介绍的热力学第二定律。

通过这样的教学设计，利用永动机设计方案失败的历史事实，激发学生的兴趣，并引导学生思考为什么不可能制造出永动机，从而引入到热力学第二定律的学习。同时展现研究过程的艰难性和曲折性，让学生意识到科学研究需要坚持不懈的努力，而研究过程更需要遵循自然科学的规律。

2 引领学生进入身边的物理化学世界

从身边的事物入手，充分挖掘物理化学中各知识点与生活中熟悉的或有趣的实际现象之间的联系。根据理论的逻辑学和内容的关联性，在介绍新的知识点的时候恰当地引入日常生活实例，引领学生进入身边的物理化学世界，可有效地激发学生的热情和好奇心，使原本晦涩难懂的内容变得生动有趣、易于理解，从而达到理想的教学效果。与此同时又可以帮助学生体会所学知识的意义及价值所在，培养学生发现问题、分析解决问题的能力，从而不断提高学生的综合能力和创新能力。

教学案例2：渗透压

[教师活动]同学们是否注意到我们在医院进行静脉注射的时候所使用的生理盐水中NaCl的浓度是多少？

[学生活动]观察注射液瓶上的标签，并回答NaCl的浓度是0.9%。

[教师活动]是的，同学们有没有想过为什么选择这个浓度，高一点或低一点会有什么影响？

[学生活动]思考，并给出可能的解释。

[教师活动]结合动画演示进行讲解(图1)：我们来看，人的红细胞在0.9%的氯化钠溶液中很正常，没有任何的变化。可是，如果把它放置在清水中，水就会进入到细胞内部，导致细胞膨胀破裂，发生溶血；而如果把它放置在高浓度的氯化钠溶液当中，细胞反而会脱水，皱缩，发生血栓。这两种现象的发生，就是因为氯化钠溶液浓度不同其渗透压也不同所造成的。

在这一教学设计片段中，从生活中常见的氯化钠注射液的浓度入手，引导学生思考其中的理论依据，并结合动画演示，让学生直观感受到不同浓度的溶液对细胞存在形态的影响，从而自然地过渡到对渗透压的学习。促使学生体会到物理化学与生活的紧密联系，并锻炼他们用理论知识解决实际问题的能力。

图1 红细胞在不同溶液中的状态演示图

教学案例3：相平衡

这部分内容最重要的教学目标就是让学生能够利用相图，学以致用。在讲完这章之后，可以结合现在市面上很流行的55度杯来启发学生思考，为什么这个杯子内无论加入热水还是凉水，摇一摇，就会变成55°C。告诉学生杯内所放材料为三水醋酸钠，让学生根据这个信息结合相平衡知识来找到答案。

3 与学科前沿接轨，实现科研反哺教学

我们现在面对的是90后的大学生，他们要学的科目越来越多，社会对他们掌握知识和技能的要求越来越高，就业的压力越来越大，因此，他们需要新的知识来武装自己。作为教师，应当不断更新教学内容，追踪国内外杂志上最新的科技论文，把握物理化学研究前沿动态，及时地将国内外本学科的最新研究进展、成果以及前瞻性的内容介绍给学生，拓宽他们的视野，丰富学生的知识储备，激发他们的好学心理；在教学过程中将物理化学的科学方法和发展动态与学生的专业知识相联系，形成融会贯通的知识体系；通过大学生实践创新训练计划、英才培养计划、毕业设计等平台，把院系老师的科研项目与物理化学教学结合起来，根据学生的兴趣和爱好，让本科生进入相应的实验室，踊跃参与科研活动，让他们体会知识创新的过程，体会知识创新所带来的震撼。鼓励学生勇敢探索，勇于提出各种新异见解，并为学生指明前进的方向[4]。

教学案例4：“超疏液”结构

受荷叶出淤泥而不染的启发，科学家们研制出了具有自清洁作用的超疏水的涂料，近年来，他们在此基础上又研究了“超疏液”结构。超疏液作为超疏水的升级和扩展，它不仅超疏水而且超疏油，几乎对任何液体都具有很高的接触角和很低的流动阻力。“超疏液”用途极广，可望对医疗器材发展有极大贡献。由于许多医疗器材置入人体后，过了一段时间和人体内的生物接触，便会使植入体内的器材产生生物淤积。而“超疏液”的医疗器材有望防止人体内医疗器材上的生物淤积[5]。

教学案例5：燃料电池

对于干电池、蓄电池、锂离子电池，学生们都很熟悉，这些电池虽然使用很普遍，但是它们具有一个致命的缺点——污染环境，并且能效不高。而燃料电池，例如氢氧燃料电池，其工作原理就是氢气和氧气反应生成水，只要有氢气、氧气的输入，就能够源源不断地产生电能，能效较高。另外，其反应产物水可以作为生活用水，相对于其他电池，污染要小很多。

教学案例6：纳米显微技术

很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限(图2)：光学显微镜无法获得比半光波长更好的分辨率。在荧光分子的帮助下，2014年诺贝尔化学奖的几位获得者巧妙地绕开了这种极限。他们突破性的研究将光学显微镜带入了纳米维度。在纳米显微镜下，科学家实现了活体细胞中单个分子通路的可视化。他们能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触；他们可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况；他们还能跟踪受精卵在分裂形成胚胎时蛋白质的变化过程[6]。

图2 激发射损耗(stimulated emission depletion，STED)荧光成像技术

以上3个案例中，可以分别以“超疏液”、燃料电池和纳米显微技术为话题，让学生自行查找文献进行研究，实现自主研究性学习。在化学教学过程中引入学科前沿知识，让学生接触到最新的科研成果和研究动态，实现教学内容的现代化。

4 把握知识体系，帮助学生形成知识网络

物理化学教材通常是以章节为结构来编写的，在课程教学时惯用的做法就是各章节逐一讲授，这样就使得学生不易探寻到各章节知识点间的内在联系和知识间的整体结构，从而形成“只见树木，不见森林”的思维定式，阻碍了学生创新思维能力的培养。实际上物理化学各章节间存在着千丝万缕的联系，需要我们教师在教学中引导学生打破章节的限制，对相关知识点进行提炼、梳理和串联，将隐藏在纷繁内容中最主要的概念、规律、原理以及知识点间的联系整理出来，采用不同的形式重新组合，形成完整的知识体系和结构，便于理解、记忆和掌握。实现知识在学生头脑中的提升性再组合，达到“感悟”的目的。

教学案例7：类似关系式的关联

在讲阿伦尼乌斯方程的时候，让学生回忆克拉贝隆方程和范特霍夫方程，3种方程的形式相似，本质上一致，反映的都是温度对体系变化的影响，但范特霍夫方程是从宏观热力学角度说明温度对化学平衡的影响，克拉贝隆方程则是反应温度对单组分系统相平衡的影响，阿伦尼乌斯方程则是从动力学的角度说明温度对反应速率的影响。通过3个方程的比较、推导和说明，学生更容易掌握3个方程式的区别、意义和应用，利用类比和对比的学习方法，更深刻地理解温度对化学变化及相变化的影响情况。

教学案例8：燃料电池的能量利用率

将燃料电池与火力发电进行比较，目前的发电形式主要是火力发电，其过程为燃料化学能→蒸汽热能→机械能→电能，其中蒸气热能→机械能的效率受热机效率的限制，大量的热能会损耗掉，效率很低。而对于燃料电池，化学能→电能，不受热机效率的限制，而且低污染，所以是目前研究的热点。通过这些联系，不仅使学生深刻理解卡诺循环的内涵及意义，构建与它相关的知识体系，并且对燃料电池这些新兴的研究产生兴趣，对于燃料电池的理解更为深刻。

孔子曰：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”在物理化学的课堂教学中，适时引入相关的人文历史，注重理论教学贴近生活，并适当地介绍学科前沿领域的新知识，将物理化学中的传统内容与科技前沿相结合，鼓励学生参与科研，帮助学生建构完整的知识网络，从而激发学生的学习兴趣，引领他们进入物理化学的世界。使学生在学到知识的同时，更好地提高创新思维和创新能力。

[1]傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.物理化学.第5版.北京:高等教育出版社,2006.

[2]余 刚,谢祥林,董奇志,张 俊.中国大学教学,2013,No.11,27.

[3]李 楠,郭仕恒,王东耀,郭云萍.湖南师范大学自然科学学报,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]苏 乾,刘 振,薛博鑫,孙育杰.科学通报,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

*通讯作者，Email:zhangh@njnu.edu.cn

南京师范大学2015年度校级立项教改研究课题(18122000090595)

www.dxhx.pku.edu.cn