基于PBL的物理化学教学实例分析——以“表面活性剂”为例

谷莹秋，郭 瑜

(1.江苏师范大学 化学与材料科学学院，江苏 徐州 221116；2.武警后勤学院 数理教研室，天津 300300)

物理化学是高校化学化工类、工程材料类、药学医学类各专业学生的一门重要的基础课，学生通过对化学变化中的基本规律、基础理论的学习，培养理论思维的能力，即能够用物理化学的观点和方法来解释化学现象、解决化学问题的能力。相较于无机化学、有机化学、分析化学三门先行课程，物理化学的概念多、理论多、公式多，学生普遍反映物理化学晦涩抽象、学习难度大、学习兴趣低。然而物理化学作为化学学科的理论核心，除了满足学生对于系统知识的获取，也对学生在日常生活中认识自然、在科学研究中探索课题具有不可替代的理论指导作用。因此，教师在教学过程中需要将知识点与生产生活、科学研究紧密联系起来，引导学生发现问题、提出问题，并尝试从物理化学的角度解决问题，才能更好的帮助学生完成理论知识的积累和思维能力的提升。

PBL(Problem based-learning，PBL)是一种“以问题为核心，以学生为主体”的教学模式，教师在知识点学习之前引入实际问题，学生以此问题为驱动进行理论学习，而后教师引导学生利用理论知识解决问题[1-4]。我们探索将PBL应用于物理化学教学中，以生产生活以及科学研究中的实际问题为驱动，将知识点的理论学习和应用实践相结合，破除学生认为的物理化学难且无用的误解，激发学生学习兴趣，培养学生主动学习思考、自主解决问题的能力。

本文以高等教育出版社《物理化学》下册第十三章表面物理化学中第七节表面活性剂为例，从生产生活和科学研究中有关表面活性剂的问题进行教学实例分析，对基于PBL的物理化学教与学做初步探讨。表面活性剂一节主要介绍了表面活性剂的分类、亲水-亲油平衡值、胶束的形成、表面活性剂的作用几个知识点，在学习这一节之前，已经在“溶液的表面吸附”一节介绍了表面活性剂的概念、两亲性结构以及在溶液表面的定向排列性质，这些前驱知识是学生顺利理解教师将要创设的情境和问题的基础。此外，表面活性剂在生产生活中应用广泛，可直接引入问题，而在科学研究中的应用，由于学生对科研背景不甚了解，还需进行情境的创设。

1 基于生产生活问题驱动的表面活性剂PBL教学实例

1.1 问题引入

表面活性剂又称为“工业味精”，在化工、食品、化妆品、洗涤用品、纺织等领域具有广泛的应用，我们从生活中学生都会使用的洗发水入手，在课前引入一系列相关问题供学生讨论学习。具体问题设计如下：引入“每个同学使用的洗发水中有哪些成分是表面活性剂”、“每个小组(四个同学)洗发水中共同含有的表面活性剂有哪些”，这两个问题有助于学生进一步熟悉表面活性剂的构成；引入“你可以为洗发水中的表面活性剂分类吗”，激发学生学习表面活性剂分类依据并能够正确分类；引入“洗发水中的表面活性剂是如何发挥洗涤作用的”、“市场上存在一些无硅油洗发水，硅油也是一种表面活性剂，硅油到底好不好”，激发学生学习表面活性剂的作用机理。

1.2 问题解决

引入问题后，学生带着热情去日常生活中寻找答案，带着疑惑通过小组讨论使思路清晰。表面活性剂的指认、分类比较简单，学生自主学习效果较好(见表1)。学生们通过各自观察和小组比较，可以得出洗发水虽然品牌众多，但所含表面活性剂的成分是一致的，主要成分有八种，其中无硅油洗发水不含“硅油”，即聚二甲基硅氧烷。表面活性剂的作用原理难度较大，需要配合教师的详细讲解，这里不再赘述。学生对于有无“硅油”问题兴趣较高，此题为开放性问题，老师可做适当引导。“硅油”可以清洁后毛躁的头发变的润滑，但易残留成膜而阻塞毛孔。但无硅油洗发水不是单纯的将“硅油”去掉，而是需要换成温和、天然的表面活性剂，如氨基酸型表面活性剂、无患子皂苷等[5]。

表1 洗发水中表面活性剂成分及其分类

1.3 问题反馈

将生产生活的实际问题融汇到教学过程中，学生可以更好的接收问题并主动求解，树立了他们认识自然、学以致用的意识。整个教学过程中学生兴趣浓厚，参与度较高，问题完成情况较好。

2 基于科学研究中问题驱动的表面活性剂PBL教学实例

1.1 情境创设

高校化学教学倡导科研对教学的反哺[6]，将科研成果转化为教学资源，有助于学生科技视野的开放和科研素养的培养。我们选取了表面活性剂在热点科研领域纳米金催化剂制备方面的应用，首先介绍背景创设情境。块状金是稳定存在的，当把块状的金通过一定方法分散到纳米尺度，并将其负载在氧化物等载体上形成负载型纳米金催化剂时，纳米金催化剂会对CO氧化等反应表现出较强的催化活性[7]。纳米尺寸的金颗粒容易聚集长大，当金颗粒长大至10nm以上，会大大降低其催化活性。胶体沉积法是制备高活性纳米金催化剂的一种有效方法，表面活性剂聚乙烯醇(PVA)是制备过程中重要的原料。胶体沉积法的第一步是将PVA和氯金酸混合，而后加入还原剂NaBH4使氯金酸还原为金颗粒，最终形成1-5nm的均匀分散的金溶胶；第二步是将载体与金溶胶混合，使金颗粒将全部沉积在载体上；最后，通过焙烧处理烧掉PVA，得到金颗粒分散均匀的负载型纳米金催化剂[7]。

1.2 问题引入

创设情境后层层递进提出几个科研问题，第一个问题是“通过胶体沉积法的介绍，你认为表面活性剂PVA在催化剂制备过程中起到什么作用”，引导学生从背景介绍中提取金催化剂制备原理的信息，强调PVA在金颗粒的分散性上起的作用；第二个问题"表面活性剂PVA是如何发挥作用的"，引导学生结合表面活性剂在溶液表面定向排列的性质，学习表面活性剂在溶液内部形成胶束的相关知识点。

图1 A表面活性剂在溶液内形成胶束，B PVA在溶液内形成包裹金颗粒的胶束

1.3 问题解决

学生可以从背景介绍中了解到催化剂的制备就是将氯金酸还原为金颗粒，然后金颗粒与载体结合的过程，表面活性剂PVA起到了阻止金颗粒长大、形成均匀分散的金溶胶的保护作用。这是因为没有PVA时，金胶体粒子表面覆盖羟基，通过氢键的连接会使粒子聚集长大。加入多元醇型表面活性剂PVA后，PVA的醇羟基可以与胶粒的羟基以氢键结合，使PVA一端吸附在胶粒表面、另一端伸向溶液形成包裹金颗粒的球状胶束[8]，胶束的形成阻止了金颗粒的长大聚集。表面活性剂在溶液内部形成胶束知识点难度较大，需要教师在引导启发之后系统讲述。教师可以先介回顾表面活性剂在溶液表面的定向排列，之后引导学生继续加大表面活性剂的浓度，表面活性剂会在溶液内部形成胶束(如图1A所示)，由此类推到金催化剂制备过程中，表面活性剂PVA会在溶液内形成包裹金颗粒的胶束(如图1B所示)。

1.4 问题反馈

将科学研究中的实际问题融汇到教学过程中，需要学生有敏锐的信息有效获取和知识迁移应用的能力，学生反映对于他们今后开展创新实验、毕业论文以及将来从事研究工作大有裨益。虽然基础较差的学生完成度较低，但可以在总结知识点时回顾科学问题的解决过程，增加他们对知识的理解。